/
Автор: Жеребцов И.П.
Теги: электроника радиотехника электротехника радиоэлектроника издательство связь
Год: 1965
Текст
4.
И. П. ЖЕРЕБЦОВ
ГЛ ДИ О
ТЕХНИКА
ИзаАтельство'СВЯЗЬ' 1965
621.390few)
Книга рассчитана на читателя,
знающего элементарную электро-
технику, и может служить пособием
для изучения радиотехники путем
самообразования, а также в радио-
кружках и различных учебных за-
ведениях.
Александр Степанович Попов
(1859—1906)
ПРЕДИСЛОВИЕ
При составлении настоящей книги автор поставил себе целью
изложить в популярной и доступной форме основы современной
радиотехники. Книга рассчитана на читателя, имеющего обще-
образовательную подготовку в объеме 10 классов и изучившего
предварительно элементарную электротехнику. Содержание кни-
ги следует рассматривать как первую ступень основ радиотех-
ники и поэтому в ней не освещены такие специальные вопросы,
как телевидение, запись звука, радиолокация, радионавигация,
радиотелеуправление, применение радиотехнических методов в
народном хозяйстве и многие другие. Большое количество воп-
росов и задач, помещенных в книге, должно способствовать луч-
шему усвоению материала.
Нвиду ограниченного объема книги не удалось дать подроб-
ного разбора схем, принципов конструирования, монтажа и ис-
пытания радиоаппаратуры, способов нахождения и устранения
неисправностей в ней, а также справочных материалов, как на-
пример, данных ламп и деталей, типовых режимов усилителей и
т. д.
В пятом издании книга была подвергнута значительной пере-
работке и в нее были внесены многие дополнения, в частности,
элементы техники сверхвысоких частот.
Работе автора по улучшению книги существенно помогли
отзывы на предыдущие издания, полученные от читателей, а
также некоторых педагогических институтов и других учебных
заведений, в которых книга использовалась в качестве учебного
пособия. Автор выражает благодарность за все эти отзывы и бу-
дет признателен за критические замечания по данному изданию,
которые следует направлять в издательство «Связь» (Москва-
центр, Чистопрудный бульвар, 2).
Автор
ГЛАВА 1
ВВЕДЕНИЕ
§ 1.1. НАША СТРАНА - РОДИНА РАДИО
Мысль об использовании электромагнитных волн для беспро-
волочной связи была высказана русским ученым Александром
Степановичем Поповым еще в 1889 г., а в 1895 г. он построил
первый в мире радиоприемник. 7 мая 1895 г. А. С. Попов высту-
пил с докладом о своих работах и демонстрировал этот прием-
ник на заседании физического отделения Русского физико-хими-
ческого общества в Петербурге. День этот вошел в историю нау-
ки, культуры и техники как день изобретения радио. В
ознаменование пятидесятилетнего юбилея этого события 2 мая
1945 г. Совет Народных Комиссаров Союза ССР установил День
радио, празднуемый ежегодно в нашей стране, — 7 мая. Совет-
ский народ в этот день с гордостью отмечает, что родиной ра-
дио— этого величайшего изобретения, открывшего новую стра-
ницу в науке и технике, — является наша страна.
В июле 1895 г. А. С. Попов построил новый прибор для ре-
гистрации атмосферных разрядов, названный «грозоотметчи-
ком». Ряд лет А. С. Попов успешно проводил опыты по связи
без проводов, добиваясь увеличения дальности действия своих
приборов. Весной 1897 г. была установлена связь между кораб-
лем и берегом на расстояние более полукилометра; летом того
же года дальность передачи достигла 5 км. А уже в 1900 г.
А. С. Попов осуществил радиосвязь на расстояние 50 км.
Изобретение радио явилось следствием успехов физики и
электротехники. А. С. Попов — выдающийся физик и электро-
техник, неутомимый исследователь, горячий патриот своей ро-
дины — научно обобщил и развил сделанные до него откры-
тия и заложил основы современной радиотехники. Он не только
первый в мире сконструировал радиоприемник, но также по-
строил первые радиопередатчики, первым установил двусторон-
нюю радиосвязь, изобрел антенну, без которой не обходится ни
одна радиостанция, провел первые опыты по радиотелефонии,
высказал первые идеи и предложения об использовании радио
для навигации и т. д. Его помощники П. И. Рыбкин и Д. С. Тро-
7
ицкий открыли возможность приема радиотелеграфных сигна-
лов на слух.
Будучи не только ученым, но и инженером-новатором, Попов
не замыкал круг своей деятельности опытами в лабораторной
обстановке, а старался осуществлять практическое использова-
ние своих открытий и изобретений. А. С. Попов первым проводил
опыты по радиосвязи во флоте, в армии и даже в воздухоплава-
нии. Он построил первые радиостанции для гражданской связи.
Во время опытов по радиосвязи на кораблях Балтийского флота
летом 1897 г. А. С. Попов обнаружил явления, основываясь на
которых он предсказал возможность радионавигации. Создав
первые мастерские по изготовлению приборов для беспроволоч-
ного телеграфирования, Попов положил начало отечественной
радиопромышленности.
Несмотря на тяжелые условия, в которых приходилось рабо-
тать А. С. Попову в царской России, он глубоко верил в свой
народ и отдавал все свои силы развитию отечественной радио-
техники. Ему принадлежат замечательные слова: «Я русский
человек и все свои знания, весь свой труд, все свои достижения
имею право отдать только моей Родине». Во время революции
1905 г. А. С. Попов подвергался нападкам со стороны царского
правительства за сочувствие революционному движению. Здо-
ровье его пошатнулось и в начале 1906 г. он умер, не успев осу-
ществить свои планы дальнейшего развития радиосвязи.
Советский народ по достоинству оценил заслуги перед Роди-
ной Александра Степановича Попова, и всегда будет чтить па-
мять о нем. В целях увековечения памяти изобретателя радио
А. С. Попова Совет Народных Комиссаров Союза ССР 2 мая
1945 г. постановил учредить золотую медаль имени А. С. Попова,
присуждаемую советским и зарубежным ученым за выдающиеся
научные работы и изобретения в области радио. Медалью имени
А. С. Попова награждены советские ученые В. П. Вологдин,
Б. А. Введенский, А. Л. Минц, А. И. Берг, М. А. Леонтович,
А. А. Пистолькорс, С. М. Рытов, а также английский ученый
Льюис Эссен.
Имя Попова, давшего человечеству одно из величайших до-
стижений современной науки и техники — радио, вошло в исто-
рию наряду с именами М. В. Ломоносова, Д. И. Менделеева,
П. Н. Лебедева и других выдающихся русских ученых.
§ 1.2. РАЗВИТИЕ РАДИО В СССР
Быстрое развитие радио в нашей стране началось только пос-
ле Великой Октябрьской социалистической революции. Совет-
ское правительство обратило серьезное внимание на создание
радиосвязи и радиовещания, предвидя огромное значение радио
для социалистического строительства и обороны страны. Радио-
8
станции использовались на фронтах гражданской войны; одно-
временно создавалась радиопромышленность. Владимир Ильич
Ленин назвал радио газетой без бумаги и без расстояний и пред-
сказал, что оно «...будет великим делом». Советское радиовеща-
ние действительно получило гигантское развитие, и голос Моск-
вы слышен во всех уголках нашей Родины. Слушают Москву и
миллионы наших друзей за рубежом.
В 1918 г. был создан первый радиотехнический научно-иссле-
довательский центр — Нижегородская радиолаборатория, кото-
рой впоследствии было присвоено имя В. И. Ленина. Ее сотруд-
ники сумели в трудных условиях за короткий срок разработать
радиолампы, мощные радиопередатчики, приемники и создали
основу для широкого развития радиовещания, радиопромышлен-
ности и массовой радиофикации. В работах Нижегородской ла-
боратории особенно велика роль М. А. Бонч-Бруевича. Еще в
1919 г. он опубликовал основы теории и расчета радиоламп.
М. А. Бонч-Бруевич разработал мощные генераторные лампы
для радиопередатчиков, превосходившие по своим качествам за-
граничные. Первые мощные радиовещательные передатчики так-
же явились результатом творчества Бонч-Бруевича и его сотруд-
ников.
После опытов по радиотелефонированию, проведенных в
1919—1920 гг., в Москве была построена первая радиовещатель-
ная станция (1922 г.). Стали работать радиовещательные стан-
ции и в других городах. Началось бурное развитие радиофика-
ции, радиопромышленности и радиолюбительства. Десятки ра-
диозаводов, научно-исследовательских институтов и лаборато-
рий, позволили радиоспециалистам быстро внедрить в жизнь
последние достижения радиотехники.
В 1933 г. была построена самая мощная в мире 500-киловатт-
ная радиостанция, настолько оригинальная, что ряд ее особен-
ностей был повторен при строительстве радиостанции в США.
Во время Великой Отечественной войны в Советском Союзе бы-
ла построена еще более мощная радиовещательная станция, не
имеющая себе равных за границей.
Помимо М. А. Бонч-Бруевича, огромный вклад в строитель-
ство мощных передающих станций сделал А. Л. Минц. Стройная
теория работы радиопередатчиков и инженерные методы их рас-
чета были созданы в СССР трудами А. И. Берга, С. И. Евтяно-
ва, С. А. Дробова, 3. И. Модели и других ученых.
В Советском Союзе родилось и получило развитие вещание
по проводам, обслуживающее миллионы трудящихся. Первые
громкоговорители проводного вещания начали работать в 1921 г.
на площадях Москвы.
Благодаря работам М. В. Шулейкина, А. А. Пистолькорса,
В. В. Татаринова, Г. 3. Айзенберга, М. С. Неймана, С. И. Наде-
ненко и других, достигнуты большие успехи в теории и технике
9
антенных устройств. Многие типы современных антенн изобре-
тены нашими специалистами.
Трудами Б. А. Введенского, В. А. Фока, Л. И. Мандельштама,
Н. Д. Папалекси, А. Н. Щукина и многих других советских уче-
ных был сделан большой вклад в теорию распространения ра-
диоволн. Советская школа теоретической радиотехники и радио-
физики, созданная М. В. Шулейкиным, Л. И. Мандельштамом,
Н. Д. Папалекси, А. И. Бергом, Д. А. Рожанским, И. Г. Фрей-
маном и другими выдающимися учеными, воспитала десятки и
сотни талантливых ученых, обогативших науку ценными откры-
тиями и изобретениями.
Важнейшие работы по теории радиоприема осуществили со-
ветские ученые В. И. Сифоров, А. Н. Щукин, В. А. Котельников,
Н. Н. Крылов и другие. Выпущенные у нас учебники и книги по
различным вопросам радиотехники известны далеко за предела-
ми Советского Союза.
В Советском Союзе радио широко применяется в промышлен-
ности и сельском хозяйстве. На полях страны работают тысячи
радиостанций, с помощью которых совхозы, колхозы и район-
ные организации оперативно руководят сельскохозяйственными
работами. Радиовещание сближает деревню с городом и позво-
ляет каждому колхознику слушать передачи из Москвы и дру-
гих городов. По всей стране развернулись работы по сельской
радиофикации. В ближайшие годы будет завершена грандиоз-
ная задача сплошной радиофикации страны.
Огромную роль сыграло радио в Великой Отечественной вой-
не, оно было основным средством связи в боевых действиях Со-
ветской Армии против фашистских захватчиков. Наша промыш-
ленность сумела обеспечить радиосвязью Советскую Армию,
Военно-Морской Флот и Военно-Воздушные Силы. Тысячи воен-
ных радистов получили за свою работу правительственные на-
грады и многие из них удостоены звания Героя Советского
Союза.
Развитие радио в СССР требует огромного количества хоро-
ших радиоспециалистов. Их ряды непрестанно пополняются
радиолюбителями. Люди разных профессий и возрастов, увле-
ченные интересными и многообразными возможностями радио,
изучают радиотехнику, строят приемники, телевизоры и другие
аппараты, активно внедряют радиотехнические методы в народ-
ном хозяйстве. Из среды радиолюбителей вырастают талантли-
вые ученые, инженеры, конструкторы, техники. Работой радио-
любителей руководит Добровольное общество содействия ар-
мии, авиации и флоту (ДОСААФ), в системе которого созда-
ны радиоклубы, курсы и кружки по изучению радиотехники,
ДОСААФ систематически проводит конкурсы радистов-операто-
ров, соревнования радиолюбителей и Всесоюзные выставки ра-
диолюбительского творчества. На них радиолюбители представ-
10
ляют тысячи экспонатов, многие из которых отмечаются
призами и дипломами. Радиолюбители принимают активное
участие в радиофикации сельских местностей.
С каждым днем радио проникает в новые области строитель-
ства Советской страны. Научно-исследовательские институты ве-
дут работы по дальнейшему развитию советской радиотехники.
Втузы, техникумы, технические и ремесленные училища, курсы
готовят кадры радиоинженеров, техников, мастеров и радистов.
Триумф советской науки в освоении космоса является вместе
с тем победой отечественной радиоэлектроники, обеспечившей
точную, четкую и надежную работу всех автоматических, радио-
технических и телевизионных устройств, без которых невозмож-
ны космические полеты.
Бурно развивается радиоэлектроника в наши дни. В се-
милетием плане, утвержденном XXI съездом КПСС, указано,
что технический прогресс во всех отраслях народного хо-
зяйства будет обеспечиваться высокими темпами развития
приборостроения и радиоэлектроники, что в создании и произ-
водстве машин особенно большую роль будет играть использо-
вание последних достижений в области радиоэлектроники и по-
лупроводниковой техники. Переход к комплексной механизации
и автоматизации производства с применением электронной тех-
ники составляет наиболее характерную черту современного тех-
нического прогресса и должен быть основным направлением в
создании конструкций новых машин. Будет значительно расши-
рена подготовка специалистов в области радиоэлектроники.
' -Резко возрастет производство различных электронных при-
боров и радиоэлектронной аппаратуры. Это необходимо, в част-
ности, для того, чтобы в соответствии с семилетним планом мож-
но было увеличить протяженность радиорелейных линий связи
в 8,4 раза, увеличить мощность радиовещательных станций, ус-
корить работы по широкому внедрению телевизионного и уль-
тракоротковолнового вещания. За семилетку будет построено
примерно 100 новых телевизионных центров и телевизионных
станций, т. е. количество их увеличится в 2,6 раза. Телевидение
будет осуществлено в столицах всех союзных республик, в круп-
ных промышленных центрах и окружающих их сельских райо-
нах. Количество радиоприемных точек к 1965 г. увеличится поч-
ти на 30 млн. в том числе телевизоров — на 12,5 млн. Советский
народ успешно претворяет в жизнь семилетний план.
В историческом документе нашей эпохи — Программе Ком-
мунистической партии Советского Союза, принятой XXII съез-
дом КПСС, — неоднократно отмечена важная роль радиоэлек-
троники в строительстве коммунизма.
Наши радиолюбители обязаны принять самое активное уча-
стие в выполнении этих исторических решений. Серьезную no-
il
мощь они должны оказать в сельской радиофикации. Забота об
исправном состоянии радиоприемников и радиотрансляционных
точек, обслуживающих миллионы трудящихся, является важней-
шей обязанностью всех радиолюбителей. Необходимо, чтобы ра-
диолюбители изучали технику телевидения и ультракоротких
волн, развитию которых придается большое значение.
Всю эту интересную и полезную работу могут выполнять те
радиолюбители, которые имеют твердые знания по электротех-
нике и радиотехнике, повседневно совершенствуют эти знания.
Каждый технически грамотный радиолюбитель, овладевший ос-
новами теории радиотехники и умеющий применять теоретиче-
ские знания на практике, сможет принести большую пользу на-
шей Родине. Изучение радиотехники и ее новейших достижений
является главной задачей каждого радиолюбителя.
В содружестве с учеными, инженерами, техниками, мастера-
ми и рабочими советские радиолюбители должны неустанно по-
вышать свою квалификацию, способствовать пропаганде техни-
ческих знаний, участвовать в развитии радиотехники, радиосвязи
и радиофикации нашей социалистической Родины.
§ 1.3. РАДИОВЕЩАНИЕ И РАДИОСВЯЗЬ
Слово «радио», которое прочно вошло в наш язык, появилось
не сразу. Радиосвязь сначала называли телеграфом и телефоном
без проводов. Такое название впоследствии заменили более ко-
ротким словом «радио». Оно происходит от латинского слова —
радиус, что в переводе означает луч. Радиусом, как известно,
называют прямую линию, проведенную из центра к любой точке
окружности. Беспроволочную передачу назвали радиопередачей,
или, коротко, радио, потому что радиостанции излучают волны,
подобно лучам света, по радиусам во все стороны или в некото-
рых определенных направлениях.
В понятие радио входят передача радиоволн от передающей
радиостанции, распространение этих волн в пространстве и при-
ем радиоволн на приемной станции. Кроме того, радиотехника
в своем развитии оказалась столь тесно связанной с другими об-
ластями науки и техники, что в настоящее время трудно в крат-
ких словах определить все ее многообразное содержание. Иногда
радиотехнику определяют как технику электрических токов вы-
сокой частоты, но в радиотехнике большое применение имеют и
токи низкой частоты. Задачей радиотехники является передача
без проводов с помощью электрической энергии звуков, изобра-
жений, телеграфных сигналов, а также специальных сигналов
для целей радиолокации, радионавигации, радиотелеуправления.
Вместе с тем, радиотехника разрабатывает способы использова-
ния радиотехнических методов в медицине, биологии, сельском
хозяйстве, металлургии, машиностроении, астрономии, геофизи-
ке и т. д.
12
В радиотехнической аппаратуре главную роль играют раз-
личные электронные приборы. Область техники, занимающуюся
устройством и применением таких приборов, принято называть
электроникой. Радиотехника и электроника развиваются в тес-
ной взаимной связи, дополняя друг друга и проникая в самые
различные области науки, техники, культуры. Их часто объеди-
няют и называют радиоэлектроникой. Из всех направлений, по
которым развивается радиотехника, наибольшее распростране-
ние получили радиосвязь и радиовещание. В первые годы после
изобретения радио существовала только радиотелеграфная
связь. Затем был изобретен радиотелефон. Его совершенствова-
ние позволило создать радиовещание, услугами которого поль-
зуются миллионы людей.
Ток нч Звук
=CW
Микрофон
Рис. 1.1. Упрощенная схема радиотелефонной связи
Упрощенная схема радиотелефонной связи изображена на
рис. 1.1. Микрофон преобразует звуковые колебания речи или
музыки в переменные электрические токи, т. е. электрические
колебания звуковой или низкой частоты (нч), имеющие частоту
от десятков до нескольких тысяч герц. Эти токи направляются
в модулятор, являющийся составной частью радиопередатчика.
В большинстве случаев модулятор представляет собой усилитель
токов низкой частоты. Главной частью передатчика является ге-
нератор токов высокой частоты (вч), необходимых для создания
радиоволн. Частота этих токов обычно бывает от сотен тысяч
до сотен миллионов и даже миллиардов герц, а мощность их мо-
жет быть от долей ватта до тысяч киловатт.
Усиленный ток звуковой частоты, полученный после модуля-
тора, воздействует на генератор так, что амплитуда тока вч
генератора изменяется в соответствии с передаваемыми звуко-
выми колебаниями. Процесс этот называется модуляцией. Он
происходит в генераторе, а не в модуляторе. Последний служит
13
только для того, чтобы осуществлять воздействие колебания нч
на токи вч, создаваемые генератором. Когда мощность генера-
тора очень мала и токи нч, получаемые от микрофона, могут до-
статочно сильно воздействовать на генератор, можно обойтись и
без модулятора. При радиовещательной передаче микрофон на-
ходится в студии, расположенной на значительном расстоянии
от передающей станции. В этом случае ток микрофона направ-
ляют сначала в усилитель, а затем усиленный ток нч по кабелю
поступает в модулятор радиопередатчика.
Генератор и модулятор питаются постоянным током от спе-
циальных источников питания (на схеме они для упрощения не
показаны). Таким образом, генератор и модулятор, по существу,
являются преобразователями энергии постоянного тока в энер-
гию переменного тока соответствующей частоты.
Модулированный ток вч поступает от радиопередатчика по
фидерной линии, называемой коротко фидером, в антенну. Если
передатчик расположен близко от антенны, то фидер может от-
сутствовать. Ток вч, проходя по проводу антенны, создает в
окружающем пространстве радиоволны, которые распространя-
ются во все стороны со скоростью около 300000 км]сек (напом-
ним, что скорость распространения звука в воздухе составляет
лишь 330 м!сек). Иногда антенна делается с направленными
свойствами, и тогда радиоволны распространяются преимущест-
венно в одном направлении. Так как радиоволны созданы моду-
лированными токами, то сами они также являются модулиро-
ванными и благодаря этому как бы переносят на себе переда-
ваемые звуковые колебания.
В приемной антенне под действием радиоволн возникает мо-
дулированный ток вч, который в точности повторяет все измене-
ния тока в передающей антенне. Однако этот ток очень слаб.
При приеме сигналов дальних радиостанций он составляет доли
микроампера, а эдс, возникающая при этом в антенне, измеря-
ется микровольтами. Ток вч от антенны по фидеру поступает в
радиоприемник (если фидер не требуется, то антенна непосред-
ствено подключается к приемнику), усиливается в нем и пре-
образуется в ток звуковой частоты, повторяющий передаваемые
звуковые колебания. Подобное преобразование называется де-
тектированием (или демодуляцией). Полученный после детекти-
рования ток нч обычно еще усиливается и поступает в громко-
говоритель или телефон, который преобразовывает этот ток в
звуковые колебания. Источники питания приемника постоянным
током для упрощения на схеме рис. 1.1 не показаны. Приемни-
ки, предназначенные для приема сигналов дальних радиостан-
ций, дают усиление токов в миллионы раз.
Важным свойством радиоприемника является избиратель-
ность, т. е. способность усиливать токи в пределах узкой полосы
частот. Различные радиопередающие станции, как правило, ра-
14
ботают токами неодинаковой частоты и в приемной антенне со-
здаются токи различных частот от радиоволн многих передаю-
щих станций. Благодаря избирательности приемник усиливает
токи, соответствующие только одной определенной радиостан-
ции, на частоту которой он настроен. Если бы приемник не об-
ладал избиратечьностью, то одновременно были бы слышны все
радиостанции, волны которых достигают приемной антенны.
Схема радиотелеграфной связи подобна схеме рис. 1.1, но
вместо микрофона с передатчиком соединяется телеграфный
ключ, которым прерывают работу передатчика и передают теле-
графные сигналы (точки и тире). На радиостанциях небольшой
мощности, например на переносных военных, авиационных и
Рис. 1.2. Схема радиотрансляционного узла
других, телеграфный ключ и микрофон находятся около пере-
датчика. У радиостанций большой мощности микрофон и ключ
обычно находятся на значительном расстоянии от передатчика
и соединены с ним проволочными линиями. Передача сигналов
в одном направлении от радиопередатчика к приемнику называ-
ется односторонней радиосвязью. Для двусторонней радиосвязи
каждая радиостанция должна иметь передатчик и приемник.
Большое распространение получило вещание по проводам,
при котором токи звуковых частот от усилителя, установленного
в радиоузле, идут по проводам к громкоговорителям в кварти-
рах, клубах и других местах. Радиоузел обычно имеет приемник,
на который производится прием той или иной станции для даль-
нейшей передачи ее программы по проводам. Иногда радиоузел
имеет студию с микрофоном для местных передач. Устройство
такого узла показано схематически на рис. 1.2.
Радиосвязь имеет ряд преимуществ перед другими видами
связи. К ним относятся:
1. Возможность связи в любое время на любые расстояния.
15
2. Практически мгновенное распространение радиоволн.
3. Возможность передачи различных сообщений любому ко-
личеству приемников.
4. Возможность связи через океаны, моря, пустыни, горы,
территории, занятые неприятелем, и т. д.
5. Возможность связи с подвижными объектами (самолета-
ми, пароходами, танками и т. д.).
Наряду с этим радиосвязь имеет и недостатки:
1. Дальность связи зависит от времени суток, времени года
и длины волны.
2. Связь подвержена помехам от электрических разрядов в
атмосфере, электрических установок и других радиостанций.
3. Радиопереговоры можно подслушать и для обеспечения их
секретности приходится применять шифры или другие методы
засекречивания передачи.
4. С помощью специальных радиопеленгаторных станций
можно определить местонахождение передающей радиостанции.
§ 1.4. ДЛИНА РАДИОВОЛН
Радиоволны создаются с помощью переменного тока высо-
кой частоты. Поэтому их можно характеризовать частотой, ко-
торую выражают в килогерцах (кгц), мегагерцах (Мгц) и гига-
герцах (Ггц) Кроме того, радиоволны характеризуются еще
и длиной волны.
Рассмотрим сначала длину волны на поверхности воды. Если
ударять концом палки по воде,
то от места удара пойдут кру-
алка |Ri говые волны (рис. 1.3). Чем
| | Длинаволиы чаще удары, тем больше таких
1“'—волн и тем меньше расстояние
г''^27 St?' между ними. Длиной волны
называется расстояние между
______________________' двумя соседними горбами или
впадинами, обозначенное на
Гис. 1.3. Волны на поверхности воды рИс. 1.3 буквой X (греческая
буква ламбда).
Длина волны есть расстояние, проходимое волной за один
период, т. е. за время одного колебания.
Зная скорость распространения радиоволн и частоту, можно
определить длину волны. Пусть, например, частота тока в ан-
тенне радиопередатчика составляет 1000000 гц. Тогда период
колебания равен 0,000001 сек. За одну секунду радиоволна
проходит 300000000 м, а за 0,000001 сек она пройдет расстоя-
ние в миллион раз меньше, т. е. 300 м. Это и есть длина волны.
1 Килогерц равен тысяче герц, мегагерц — миллиону герц, гигагерц —
миллиарду герц.
16
Если частота тока станет вдвое меньше и будет составлять
500000 гц, то период колебания станет равным 0,000002 сек.
За это время радиоволна пройдет путь в 600 м. Чем меньше
частота, тем больше длина волны, и наоборот.
Длина волны и частота обратно пропорциональны друг
другу.
Длину радиоволны всегда можно вычислить, если разделить
скорость распространения, равную 300000 км!сек, на частоту.
Чтобы длина волны получилась в метрах, скорость распростра-
нения следует принимать 300000000 м.1 сек.
, 300 000000
(л° ~
и, наоборот,
, 300000 000
Если частоту выражать в килогерцах, то скорость распрост-
ранения надо принимать 300000 км!сек,
. 300 000 - _ 300000
Л (JM) ~ f, , И /(кгц) ~ ,
1(кгц) (л)
Пример 1. Найти длину волны для частот 600 кгц и 300 кгц.
Решение.
^2 —
, 300000
А, —--------= 500 м,
600
300000
—------- = 1000 м,
300
Пример 2. Радиостанция имеет волну 120 м. Определить её частоту.
Решение.
, 300 000
/=----——- = 2500 кгц.
§ 1.5. ДИАПАЗОНЫ РАДИОВОЛН
Радиоволны делятся на ряд диапазонов (участков), имеющих
неодинаковые свойства.
Длинные волны имеют длину волны от 30000 до 3000 м и
соответственно частоту от 10 до 100 кгц. В начале своего разви-
тия радиосвязь велась почти исключительно на таких волнах.
Но для связи на большие расстояния при помощи этих волн
нужны передатчики огромной мощности. Кроме того, в диапа-
зоне длинных волн невозможна одновременная работа большо-
го числа радиостанций.
Дело в том, что для устранения взаимных помех при радио-
вещательной передаче необходимо каждой радиостанции отве-
2—2607 ' 17
< ^..кый .
1 К-а XL " 5
сти участок (полосу) частот примерно в 9 кгц. Нетрудно под-
считать, что в диапазоне длинных волн можно разместить без
помех друг другу лишь 10 станций.
Единственным достоинством длинных волн является то, что
дальность их действия в течение дня и ночи, лета и зимы меня-
ется мало. Такого постоянства у других радиоволн нет. Сейчас
на длинных волнах работает небольшое число радиостанций,
передающих сигналы точного времени и метеорологические
сводки.
Средние волны занимают диапазон 30004-200 м, или 1004-
-=—1500 кгц. Волны 20004-200 м специально отведены для радио-
вещания и их условно подразделяют на «средние волны» от 200
до 580 м и «длинные волны» от 750 до 2000 м. На этих волнах
можно разместить без взаимных помех 150 радиовещательных
станций. Однако только в Европе число их значительно больше.
Приходится одну и ту же волну давать нескольким станциям,
что приводит к взаимным помехам. Только в случае, если стан-
ции, работающие на одинаковых волнах, расположены на зна-
чительном расстоянии одна от другой, то взаимные помехи ска-
зываются слабо или их вовсе нет.
В диапазоне 2004-2000 м также работают телеграфные ра-
диостанции: морские, авиационные, военные. Например, волна
600 м предназначена для морской радиосвязи и выделена для
передачи сигнала бедствия судами. На волнах 5804-750 м ра-
ботает много судовых и портовых радиостанций.
Промежуточные и короткие волны имеют соответственно
длины волн 2004-50 м (частоты 15004-6000 кгц) и 504-10 м
(частоты 60004-3000 кгц). Однако на практике короткими
волнами называют весь диапазон 2004-10 м. Современные ра-
диовещательные приемники обычно имеют диапазоны 254-75 м
и 2004-2000 м. На промежуточных волнах работают ведомст-
венные телеграфные и телефонные радиостанции. В диапазоне
2004-10 м можно разместить без взаимных помех 3000 радио-
вещательных станций, а радиотелеграфных станций гораздо
больше, так как для них требуется более узкая полоса частот.
Короткие волны имеют огромную дальность действия по срав-
нению с другими волнами при относительно небольшой мощно-
сти передатчиков. Недостатком коротких волн является силь-
ная зависимость их распространения от времени суток и време-
ни года. В настоящее время на коротких волнах работает мно-
жество радиостанций всех стран мира, в частности, радиове-
щательные и радиолюбительские станции. Этот диапазон явля-
ется самым «населенным».
Ультракороткие (метровые, дециметровые, сантиметровые и
миллиметровые) волны занимают следующие диапазоны:
1) метровые волны 104-1 м или 304-300 Мгц;
2) дециметровые волны 1004-10 см или 3004-3000 Мгц;
18
3) сантиметровые волны 10Н-1 см или 30004-30000 Мгц;
4) миллиметровые волны Юн-1 мм или 30000Н-300000 Мгц.
Ультракороткие волны (укв), называемые иначе ультравы-
сокими частотами (увч), или сверхвысокими частотами (свч),
применяются для связи наземных радиостанций, как правило,
при сравнительно небольших расстояниях в пределах до 100н-
Н-200 км.
В укв диапазоне можно разместить очень большое число
радиостанций без взаимных помех. Эти волны являются един-
ственно пригодными для связи с космическими кораблями и
для передачи телевидения. Укв можно излучать узким пучком
в определенном направлении, подобно лучам прожектора, что
позволило успешно применить их в радиолокации.
В настоящее время ультракороткие волны широко исполь-
зуются для связи, радиолокации, радионавигации и в других
областях науки и техники. Осваиваются также субмиллиметро-
вые волны с длиной волны в доли миллиметра.
§ 1.6. ВОПРОСЫ И ЗАДАЧИ
1. Имеются переменные токи с частотами 300 кгц, 8000 гц, 30 Мгц,
150 000 гц, 6 кгц, 1 250 000 гц, 425 гц. Какие из ннх являются токами низкой
частоты и какие токами высокой частоты?
2. Какое назначение имеет ток высокой частоты на передающей радио-
станции?
3. Что произойдет с длиной волны радиостанции, если частота тока в ее
антенне уменьшится в 3 раза?
4. Радиостанция, работавшая на волне 250 м, изменила свою волну на
1500 м. Как при этом изменилась частота тока в антенне?
5, Найти длины волн, соответствующие частотам: 15 Alazj, 4000 кгц,
250 кгц.
6. Определить частоты, соответствующие длинам волн: 6 м, 50 м, 375 м,
1200 м, 25 см.
7. Определить, к каким диапазонам относятся следующие длины волн:
115 м, 243 м, 49,5 м, 3506 м, 481 м, 15,5 см, 31,4 м, 6,7 м, 84,1 м.
8. Определить, к каким диапазонам относятся волны, соответствующие
следующим частотам: 5300 кгц, 12,6 Мгц, 249 500 гц, 1,5 Мгц, 187,5 кгц,
38,7 Мгц, 8,25 Мгц, 2730 кгц, 20 Ггц.
9. Сколько свободных волн для радиовещательных станций имеется на
средних волнах 200-^580 м н на длинных волнах 7504-2000 м радиовеща-
тельного диапазона (для каждой станции нужна полоса частот 9 кгц)?
ГЛАВА 2
КОЛЕБАТЕЛЬНЫЕ КОНТУРЫ
§ 2.1. СВОБОДНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ КОЛЕБАНИЯ
Важнейшими частями радиопередатчиков и радиоприемни-
ков являются колебательные контуры, в которых возбуждаются
электрические колебания, т. е. переменные токи высокой частоты.
Для более ясного представления о работе колебательных
контуров рассмотрим сначала механические колебания маятни-
ка (рис. 2.1). Если ему сообщить неко-
торый запас энергии, например, толк-
нуть его или отвести в сторону и отпу-
стить, то он будет совершать колеба-
ния. Такие колебания происходят без
участия внешних сил только благода-
ря начальному запасу энергии, и по-
этому называются свободными коле-
баниями.
Движение маятника из положения 1
в положение 2 и обратно является од-
ним колебанием. После первого коле-
бания следует второе, затем третье,
четвертое и т. д.
Рис. 2.1. Колебания маят- Наибольшее отклонение маятника
ника от положения 0 называется амплиту-
дой колебания.
Время одного полного колебания называется периодом и
обозначается буквой Т. Число колебаний в одну секунду есть
частота f. Период измеряется в секундах, а частота в гер-
цах {гц).
Свободные колебания маятника имеют следующие свойства:
1) они всегда являются затухающими, т. е. амплитуда их по-
степенно уменьшается (затухает) вследствие потерь энергии на
преодоление сопротивления воздуха и на трение в точке под-
веса;
2) свободные колебания можно считать гармоническими,
т. е. синусоидальными, если не принимать во внимание их за-
тухание;
20
3) частота свободных колебаний маятника зависит от его
длины и не зависит от амплитуды. При затухании колебаний
амплитуда уменьшается, но период и частота остаются неиз-
менными;
4) амплитуда свободных колебаний зависит от начального
запаса энергии. Чем сильнее толкнуть маятник или чем дальше
отвести его от положения равновесия, тем больше амплитуда.
В процессе колебаний маятника потенциальная механиче-
ская энергия переходит в кинетическую и обратно. В положе-
нии 1 или 2 маятник останавливается и имеет наибольшую по-
тенциальную энергию, а его кинетическая энергия равна нулю.
По мере движения маятника к положению 0 скорость движе-
ния увеличивается и возрастает кинетическая энергия — энер-
гия движения. При переходе маятника через положение 0 его
скорость и кинетическая энергия имеют максимальное значение,
а потенциальная энергия равна нулю. Далее скорость умень-
шается и кинетическая энергия переходит в потенциальную.
Если бы не было потерь энергии, то такой переход энергии из
одного состояния в другое продолжался бы бесконечно и коле-
бания были незатухающими. Однако практически всегда
имеются потери энергии. Поэтому для создания незатухающих
колебаний нужно подталкивать маятник, т. е. добавлять ему
периодически энергию, возмещающую потери, как это делается,
например, в часовом механизме.
Перейдем теперь к изучению электрических колебаний.
Колебательный контур представляет собой замкнутую цепь,
состоящую из катушки L и конденсатора С. На схеме рис. 2.2.
такой контур образуется при
положении 2 переключателя 77.
Каждый контур обладает еще
и активным сопротивлением,
влияние которого пока не бу-
дем рассматривать.
Назначение колебательного
контура — создание электри-
ческих колебаний.
Если присоединить к ка-
тушке заряженный конденса-
тор, то его разряд будет иметь
колебательный характер. Для
заряда конденсатора надо в схеме рис. 2.2 поставить переклю-
чатель П в положение 7. Если затем его перевести на контакт 2,
то конденсатор начнет разряжаться на катушку.
Процесс колебаний удобно проследить с помощью графика,
показывающего изменения напряжения и и тока i (рис. 2.3).
В начале конденсатор заряжен до наибольшей разности по-
тенциалов Um, а ток i равен нулю. Как только конденсатор нач-
Рис. 2.2. Схема для возбуждения
свободных колебаний в контуре
21
нет разряжаться, возникает ток, который постепенно увеличи-
вается. На рис. 2.3 показано стрелками направление движения
электронов этого тока. Быстрому изменению тока препятствует
эдс самоиндукции катушки. По мере возрастания тока напря-
жение на конденсаторе уменьшается, в некоторый момент (мо-
мент 1 на рис. 2.3) конденсатор полностью разрядится. Ток при
этом будет наибольшим, а напряжение на конденсаторе равно
йулю.
Напряжение в этот момент отсутствует, но ток не прекра-
щается. Наличие индуктивности не допускает резкого изменения
Рис. 2.3. Процесс свободных электрических колебаний
в контуре
тока. Поэтому ток уменьшается постепенно. Его поддерживает
эдс самоиндукции, возникающая в кагушке при уменьшении то-
ка. Катушка становится генератором и заряжает конденсатор.
Знаки зарядов на его обкладках переменятся, и поэтому воз-
растающее на конденсаторе напряжение изображено на графи-
ке рис. 2.3 линией, идущей вниз, в сторону отрицательных зна-
чений.
Когда заряд конденсатора закончится, ток станет равным ну-
лю, а напряжение будет максимальным, но противоположного
знака по сравнению с первоначальным (момент 2 на рис. 2.3).
Дальше конденсатор снова разряжается через катушку, но
уже в обратном направлении, затем заряжается и через точно
такой же промежуток времени он опять перезарядится. Восста-
новится первоначальное состояние контура (момент 4 на
рис. 2.3).
Электроны в колебательном контуре совершили одно полное
колебание, период которого показан на рис. 2.3 буквой Т. За
этим колебанием следует второе, третье и т. д.
22
В контуре происходят свободные электрические колебания.
Они совершаются самостоятельно без воздействия каких-либо
внешних эдс, только благодаря начальному заряду конденса-
тора.
Эти колебания являются гармоническими, т. е. представля-
ют собой синусоидальный переменный ток.
В процессе колебаний электроны не переходят с одной об-
кладки конденсатора на другую. Хотя скорость распростране-
ния тока очень велика (близка к 300000 км]сек), электроны
перемещаются в проводниках с весьма малой скоростью — до-
ли сантиметра в секунду. За время одного полупериода элект-
роны могут пройти только небольшой участок провода. Они
уходят с обкладки, имеющей отрицательный заряд, в ближай-
ший участок соединительного провода, а на другую обкладку
приходят в таком же количестве электроны из участка прово-
да, ближайшего к этой обкладке. Таким образом, в проводах
контура совершается лишь смещение электронов на небольшое
расстояние.
Заряженный конденсатор обладает запасом потенциальной
электрической энергии, сосредоточенной в электрическом поле
между обкладками. Движение электронов сопровождается воз-
никновением магнитного поля. Поэтому кинетическая энергия
движущихся электронов есть энергия магнитного поля.
Электрическое колебание в контуре представляет собой пе-
риодический переход потенциальной энергии электрического поля
6 кинетическую энергию магнитного поля и обратно.
В начальный момент вся энергия сосредоточена в электриче-
ском поле заряженного конденсатора. Когда конденсатор разря-
жается, его энергия уменьшается и растет энергия магнитного
поля катушки. При максимальном токе вся энергия контура сос-
редоточена в магнитном поле.
Дальше процесс идет обратным порядком: магнитная энергия
уменьшается и возникает энергия электрического поля. Через
полпериода после начала колебаний вся энергия опять сосредо-
точится в конденсаторе, а затем снова начнется переход энергии
электрического поля в энергию магнитного поля и т. д.
Максимум тока (или магнитной энергии) соответствует нулю
напряжения (или нулю электрической энергии) и наоборот, т. е.
сдвиг фаз между напряжением и током равен четверти периода,
или 90°. В первую и третью четверти периода конденсатор играет
роль генератора, а катушка является приемником энергии. Во
вторую и четвертую четверти, наоборот, катушка работает в ка-
честве генератора, отдавая энергию обратно в конденсатор.
Особенностью контура является равенство индуктивного со-
противления катушки и емкостного сопротивления конденсатора
для тока свободных колебаний. Это вытекает из следующего.
Конденсатор и катушка соединены своими зажимами друг с
23
другом и поэтому напряжения на них равны. Ток I в катушке и
конденсаторе один и тот же, так как контур представляет собой
последовательную цепь. Поэтому можно написать
IxL = 1хс,
где xL — индуктивное сопротивление катушки, а хс — емкост-
ное сопротивление конденсатора. Разделив обе части этого ра-
венства на I, получим
XL ~ ХС •
Значение индуктивного или емкостного сопротивления эле-
ментов контура на частоте собственных колебаний называют
характеристическим (иногда волновым, что неудачно) сопротив-
лением контура и обозначают греческой буквой р (ро)
? = xl = xc-
Величина р обычно бывает порядка нескольких сотен ом.
§ 2.2. АМПЛИТУДА И ЧАСТОТА СВОБОДНЫХ КОЛЕБАНИИ В КОНТУРЕ
Амплитуды напряжения и тока свободных электрических ко-
лебаний в данном контуре зависят от начального запаса энергии.
Чем больше напряжение первоначального заряда конденсатора
контура, тем больше амплитуда колебаний.
Каждый контур имеет определенную частоту происходящих
в нем свободных колебаний. Она называется собственной часто-
той контура или, просто частотой контура f0 и зависит от ем-
кости и индуктивности контура. Чем больше индуктивность и
емкость, тем больше период свободных колебаний и тем меньше
их частота.
Если емкость увеличить, то время заряда и разряда конден-
сатора станет больше, так как при прежнем напряжении коли-
чество электричества в конденсаторе будет больше. Увеличение
индуктивности, в свою очередь, вызовет более медленное нара-
стание и спадание тока при разряде и заряде конденсатора, так
как большая индуктивность сильнее препятствует изменениям
тока. Значит, колебания будут происходить медленнее, т. е. ча-
стота уменьшится. При уменьшении £ и С колебания, наоборот,
совершаются быстрее и, следовательно, частота увеличивается.
Чтобы уменьшить частоту контура в 2 раза, нужно увеличить
в 4 раза емкость или индуктивность контура. Можно, однако,
увеличить емкость в 2 раза, но одновременно увеличить и индук-
тивность также в 2 раза. Чтобы изменить частоту в 3 раза, нуж-
но изменить L, или С, или их произведение в 9 раз и т. д.
Одну и ту же частоту можно получить при разных значени-
ях емкости и индуктивности; важно только, чтобы их произве-
дение LC было неизменно.
24
Длина радиоволн обратно пропорциональна частоте. Поэтому
с уменьшением емкости и индуктивности длина волны контура
"Ко уменьшается, а при увеличении С и L она увеличивается.
На рис. 2.4 показаны графики зависимости частоты контура [0
и соответствующей длины волны Zo от емкости или индуктивно-
сти, называемые кривыми, или графиками настройки контура.
Зависимость частоты контура от
его емкости и индуктивности выра-
жается формулой Томсона
f =____=..........
10 2л УLC 6,28УLC
Здесь f0 выражена в герцах, а
L и С — в генри и фарадах.
Английский ученый Томсон впер-
вые дал эту формулу для периода
свободных колебаний в контуре
Т = 2~ VUC.
Рис. 2.4. Графики настройки
контура
Рис. 2.5.
Пружин-
ный маят-
ник
Но в радиотехнике пользуются величиной частоты, так как
период составляет малую долю секунды, что неудобно.
Формула Томсона легко выводится из равенства индуктивно-
io и емкостного сопротивлений при свободных колебаниях
х, — хг или 2 ~ /0 L =-------.
L с ' 2 т. [0С
Из этого равенства вытекает, что
„ 1 t 1
fl =--------И /о = ----7——~ •
0 4 л2 ГС 2 л/ГС
В любой колебательной системе частота свобод-
ных колебаний зависит от двух параметров. У колеба-
тельного контура эти параметры — индуктивность и
емкость—можно легко изменять. Для обычного маят-
ника (рис. 2.1) один параметр — длину его — также
можно изменять. Нетрудно показать, что для измене-
ния частоты в 2 раза длину надо изменить в 4 раза,
для изменения частоты в 3 раза длина маятника долж-
на быть изменена в 9 раз и т. д. Вторым параметром у маятника
является ускорение, создаваемое земным тяготением. Эта вели-
чина равна g=9,81 м/сек2 и ее нельзя изменить по нашему же-
ланию.
Лучшей механической аналогией колебательного контура
является пружинный маятник (рис. 2.5). Частота его свободных
колебаний зависит от веса (или массы) грузика и гибкости пру-
жины. Гибкость является величиной, обратной упругости, и ха-
25
растеризует податливость пружины к растяжению или сжатию
под влиянием приложенной силы. Величина гибкости зависит от
толщины и материала проволоки пружины, диаметра ее витков
и их числа. Если увеличить число витков в 4 раза, то во столько
же раз увеличится гибкость, а частота колебаний уменьшится
в 2 раза. Такое же изменение частоты получится, если увеличить
в 4 раза вес грузика. Поэтому с данным маятником легко по-
казать зависимость частоты свободных колебаний от двух па-
раметров.
§ 2.3. ЗАТУХАЮЩИЕ И НЕЗАТУХАЮЩИЕ КОЛЕБАНИЯ
Мы рассматривали идеальный контур, который состоит толь-
ко из емкости и индуктивности, являющихся реактивными со-
противлениями и не вызывающих потерь энергии. При отсут-
ствии активного сопротивления амплитуда колебаний остается
неизменной. Такие колебания называются незатухающими
(рис. 2.6 а).
Рис. 2.6. о) Незатухающие ко-
лебания; б)' затухающие коле-
бания; е) эквивалентная схема
реального, контура
В действительности колебательный контур имеет некоторое
активное сопротивление; оно распределено главным образом в
катушке, а также в соединительных проводах и отчасти в кон-
денсаторе. На рис. 2.6 в показана так называемая эквивалент-
23
пая схема реального контура, в которой активное сопротивле-
ние г условно показано включенным последовательно, а катушка
и конденсатор считаются не имеющими активного сопротивления.
Активное сопротивление иначе называют сопротивлением потерь.
Существуют следующие виды потерь энергии тока вч.
1) На нагрев провода, который вследствие поверхностного
эффекта имеет активное сопротивление большее, чем сопротив-
ление постоянному току. Поверхностный эффект (или скин-эф-
фект) состоит в том, что ток высокой частоты проходит не по
всему объему провода, а только по тонкому слою на поверхности.
В результате этого рабочее сечение провода уменьшается и со-
противление увеличивается. Чем выше частота, тем тоньше слой,
по которому идет ток, и тем больше сопротивление.
2) На нагрев твердых диэлектриков, в которых переменное
электрическое поле вызывает колебание молекул, сопровождаю-
щееся их взаимным трением (диэлектрический гистерезис).
3) На токи утечки, возникающие вследствие того, что твер-
дые диэлектрики не являются идеальными изоляторами *.
4) На нагрев ферромагнитных сердечников, применяемых
для увеличения индуктивности катушек, за счет магнитного гис-
терезиса и вихревых токов (токов Фуко), возникающих в сер-
дечниках.
5) На вихревые токи во всех металлических предметах, ко-
торые находятся вблизи контура и подвергаются влиянию его
переменного магнитного поля.
6) На излучение контуром электромагнитных волн.
7) На переход энергии в другие цепи, связанные с данным
контуром.
Все потери в контуре растут с увеличением частоты.
Все эти потери считают эквивалентными потерям в некото-
ром активном сопротивлении. Таким образом, активное сопро-
тивление контура характеризует суммарные потери энергии
в нем.
Активное сопротивление вызывает затухание колебаний: их
амплитуда постепенно уменьшается и довольно скоро становится
настолько малой, что колебания можно считать прекративши-
мися.
Свободные колебания в контуре всегда затухающие.
Затухание колебаний тем сильнее, чем больше активное со-
противление. На рис. 2.6 б даны графики колебаний контура
при различных активных сопротивлениях. Частота колебаний
остается неизменной, несмотря на уменьшение амплитуды. Если
активное сопротивление контура очень велико, то затухание на-
столько возрастает, что колебания вообще не возникают.
1 При высоких напряжениях наблюдается также явление стекания
электрических зарядов в воздух.
27
Активное сопротивление оказывает некоторое влияние и на
частоту колебаний. Чем больше г, тем меньше частота. Но влия-
ние это незначительно и его практически не учитывают.
Математически величину затухания колебаний принято оце-
нивать отношением активного сопротивления г к характеристи-
ческому сопротивлению р . Это отношение называют затуханием
контура и обозначают греческой буквой 6 (дельта)
8 = — =--------.
р 2 л f0 L
В хороших контурах 6 меньше 0,01. Контуры среднего каче-
ства имеют б от 0,05 до 0,01. Если б больше 0,05, то контур
считают плохим.
Контуры также характеризуют величиной обратной затуха-
нию и называемой добротностью или качеством контура. Вели-
чина эта обозначается буквой Q и равна
q 1 Р 2 л /о L
or г
Чем меньше затухание контура, тем выше его качество. У кон-
туров среднего диаметра качества Q от 20 до 100. Если Q боль-
ше 100, то контур считают хорошим. У плохих контуров Q мень-
ше 20.
Для радиосвязи необходимо иметь незатухающие колебания.
Их можно получить, если периодически добавлять энергию, в
контур, чтобы компенсировать в нем потери.
Это можно осуществить, подключая к контуру периодически
источник эдс, который будет подзаряжать конденсатор. Такое
подключение надо делать с частотой, равной частоте контура,
и в те четверти периода, когда конденсатор заряжается. Конеч-
но, при этом полярность источника должна соответствовать зна-
кам зарядов на конденсаторе. Ясно, что при большой частоте
делать такое подключение вручную нельзя. Невозможно его де-
лать и автоматически с помощью электромагнитного реле, ко-
торое имеет значительную инерцию. При частотах в сотни тысяч
и миллионы герц в качестве автоматического реле можно при-
менить только электронную лампу или полупроводниковый
прибор.
§ 2.4. ВЫНУЖДЕННЫЕ КОЛЕБАНИЯ И РЕЗОНАНС
Вынужденные колебания в отличие от свободных колебаний
совершаются не самостоятельно, а под действием периодической
внешней силы. Например, электрические колебания в антенне
приемника не являются свободными, так как они происходят под
воздействием приходящих радиоволн.
28
Рассмотрим сначала вынужденные колебания маятника, об-
ладающего определенной собственной частотой. Будем качать его
рукой с другой частотой. Характер этого колебания зависит от
движения руки и может быть, в частности, синусоидальным.
К маятнику периодически подводится энергия извне; поэтому его
колебания будут незатухающими и могут иметь любую частоту,
которая определяется частотой внешней силы. Такое же явление
будет и в колебательном контуре, соединенном с генератором
переменного тока. При .любой частоте генератора через контур
проходит переменный ток, т. е. в контуре происходят вынужден-
ные электрические колебания с частотой генератора.
Вынужденные колебания имеют совершенно иные свойства по
сравнению со свободными колебаниями:
1) они являются незатухающими (вернее они существуют в
течение всего времени действия внешней эдс);
2) они могут иметь различную форму в зависимости от ха-
рактера эдс;
3) частота их не зависит от £ и С контура, а определяется
частотой воздействующей эдс;
4) амплитуда их зависит не только от величины воздейст-
вующей эдс, но и от соотношения между частотой эдс и собст-
венной частотой контура.
Последнее свойство вынужденных колебаний представляет
особый интерес и должно быть рассмотрено подробно.
В каждом колебательном контуре, получившем запас энергии,
совершаются свободные колебания с определенной собственной
частотой. При малом затухании даже небольшой начальный за-
пас-энергии дает довольно продолжительные колебания. А для
поддержания вынужденных колебаний на контур должна дейст-
вовать периодическая внешняя эдс. Это воздействие должно быть
тем сильнее, чем больше различаются между собой частота внеш-
ней эдс и частота контура. Чем меньше разница между ними, тем
больше амплитуда вынужденных колебаний и для их поддержа-
ния требуется меньше энергии. Если частота внешней эдс равна
собственной частоте контура, то амплитуда колебаний становит-
ся максимальной и для поддержания колебаний достаточно не-
значительной энергии. Этот случай и называется резонансом *.
Явление резонанса состоит в том, что при совпадении часто-
ты воздействующей эдс и собственной частоты контура ампли-
туда вынужденных колебаний достигает наибольшей величины.
Условием возникновения резонанса является равенство частот
внешнего генератора и контура.
Конечно, это равенство частот есть лишь математическое ус-
ловие резонанса, а сам резонанс надо всегда понимать как неко-
торое явление, характеризующееся определенными свойствами.
1 Слово «резонанс» означает отзывчивость.
29
Частоту, при которой получается резонанс, называют резонанс-
ной частотой fPe3. Она равна собственной частоте контура f0-
Резонанс может быть получен либо изменением частоты гене-
ратора при постоянной частоте контура, либо изменением частоты
контура путем изменения С или L при постоянной частоте гене-
ратора. В обоих случаях явление резонанса наглядно показыва-
ют кривые резонанса — графики зависимости амплитуды коле-
баний в контуре от частоты (рис. 2.7а). По горизонтальной осн
отложена переменная частота (контура или генератора) и отме-
чена величина fpe3. По вертикальной оси отложен ток в контуре.
Как видно, при резонансе ток в контуре, т. е. амплитуда вынуж-
денных колебаний в нем, имеет наибольшее значение, а при от-
клонении частоты от резонанса в любую сторону ток умень-
шается.
Рис. 2.7, Кривые резонанса колебательного контура
На явление резонанса сильно влияет затухание контура.
У контура с меньшим затуханием кривая резонанса острее и вы-
ше (рис. 2.76). Это значит, что контур почти не отзывается на
колебания с частотами, отличающимися от его собственной ча-
стоты, но зато при резонансе в нем возникают колебания боль-
шой амплитуды (острый резонанс). Наоборот, при большом
затухании амплитуда колебаний при резонансе получается малой
и контур отзывается на колебания с частотой, значительно от-
личающейся от резонансной (тупой резонанс).
Чем меньше затухание, тем острее резонанс и тем больше
чувствительность контура к колебаниям резонансной частоты.
Для резонанса характерно получение мощных колебаний при
небольшой затрате энергии внешнего источника, нужной только
для компенсации потерь энергии при колебаниях.
§ 2.5. РЕЗОНАНС НАПРЯЖЕНИЙ
Имеются два случая резонанса в колебательных контурах:
резонанс напряжений и резонанс токов.
Резонанс напряжений, или последовательный резонанс, наб-
30
людается в случае, когда генератор переменной эдс нагружен на
соединенные последовательно L и С контура (рис. 2.8а), т. е.
включен внутри контура.
В такой цепи имеется активное сопротивление г и общее реак-
тивное сопротивление х, равное
Разность xL и хс берется потому, что индуктивное и емкост-
ное сопротивления оказывают противоположные влияния на ток.
Первое вызывает отставание по фазе тока от напряжения, а вто-
рое, наоборот, создает отставание напряжение от тока.
Рис. 2.8. Схема и резонансные кривые для резонанса напряжений
Для собственных колебаний xL и хс равны друг другу. Если
частота генератора равна частоте контура, то для тока, создавае-
мого генератором, xL и хс также одинаковы. Тогда общее реак-
тивное сопротивление х станет равным нулю и полное сопротив-
ление цепи для генератора равно только одному активному
сопротивлению, которое в контурах имеет сравнительно неболь-
шую величину. Благодаря этому ток значительно возрастает и
устраняется сдвиг фаз между напряжением генератора и током,
й Резонанс напряжений выражается в том, что полное сопро-
тивление контура становится наименьшим и равным активному
сопротивлению, а ток становится максимальным.
Условием резонанса напряжений является равенство частот
генератора и контура f—fo, или равенство индуктивного и емко-
стного сопротивлений для тока генератора: xL = xc.
Когда частота генератора больше частоты контура, индуктив-
ное сопротивление преобладает над емкостным и контур пред-
ставляет для генератора сопротивление индуктивного характера.
Если частота генератора меньше частоты контура, то емкост-
ное сопротивление больше индуктивного и контур для генератора
является сопротивлением емкостного характера. В любом из
этих случаев при отклонении от резонанса полное сопротивление
контура возрастает по сравнению с его величиной при резонансе.
На рис. 2.86 показаны графики изменения полного сопро-
тивления контура z и тока I при изменении частоты генератора f.
Для расчета сопротивления контура и тока при резонансе на-
пряжений служат простые формулы:
Таким образом, напряжение генератора U равно падению на-
пряжения на активном сопротивлении г.
Большой ток в контуре при резонансе создает на индуктивном
и емкостном сопротивлениях напряжения, значительно превыша-
ющие напряжение генератора. Они равны:
= lxL, Uc = lxc.
Так как х. = хс — р, то эти напряжения равны, но они про-
тивоположны по фазе и взаимно компенсируют друг друга.
Действительно, напряжение на катушке опережает ток на 90°,
а напряжение на конденсаторе отстает от тока на 90°. Ясно, что
между этими напряжениями сдвиг фаз равен 180°.
Кривая резонанса для тока, приведенная на рис. 2.86, при
небольшом изменении частоты показывает также изменение на-
пряжения UL и Uc (только в ином масштабе). Это следует из
того, что при изменении частоты вблизи резонанса ток меняется
сильно, а сопротивление xL и хс — сравнительно мало. Напри-
мер, если fpe3 = 1000 кгц и частота изменяется на 20 кгц, т. е. на
2%, то сопротивления х( и хс изменяются каждое также толь-
ко на 2%. В результате напряжения Ut = IxL и Uc = lx.
изменяются почти точно пропорционально току.
При резонансе напряжение на катушке или на конденсаторе
в Q раз больше, чем напряжение генератора, равное U=lr.
Напряжение на L или С равно UL = Uc — Iр. Поэтому
= -Р- = Q.
U ,г г
Чем выше добротность контура Q, тем больше увеличение на-
пряжения при резонансе.
Повышение напряжения на катушке и на конденсаторе харак-
терно для резонанса напряжений, само название которого под-
черкивает увеличение напряжения в момент резонанса.
Большие напряжения на катушке и конденсаторе получаются
за счет постепенного накопления энергии в контуре в процессе
возникновения в нем колебаний. Эдс генератора возбуждает в
контуре колебания, амплитуда которых нарастает до тех пор,
пока энергия, даваемая генератором, не станет равна потерям
энергии в активном сопротивлении контура. После этого в кон-
туре происходят мощные колебания, характеризующиеся боль-
шой величиной тока и большими напряжениями, а генератор
32
расходует небольшую мощность только для компенсации потерь
энергии.
Подобно этому можно, раскачивая тяжелый маятник легкими
движениями руки с частотой, равной его собственной частоте, по-
степенно довести амплитуду колебаний маятника до значитель-
ной величины, во много раз превышающей амплитуду колебаний
руки, играющей роль генератора.
Резонанс напряжений применяется в радиотехнике для полу-
чения максимального тока и напряжения в контуре.
Например, антенный контур радиопередатчика настраивают
на резонанс напряжений для того, чтобы ток в антенне оыл мак-
симальным. Тогда дальность действия передатчика будет наи-
большей. Входной контур приемника также настраивают на ре-
зонанс напряжений для того, чтобы получить усиление напряже-
ния сигналов той радиостанции, на частоту которой настроен
контур. Напряжения сигналов других радиостанций, частоты ко-
торых отличаются от резонансной частоты приемного контура,
усиливаются незначительно.
При резонансе напряжений в величину активного сопротив-
ления контура входит внутреннее сопротивление генератора.
Если оно велико, то качество контура может стать низким и ре-
зонансные свойства его будут выражены слабо. Поэтому для
резонанса напряжений генератор, питающий контур, должен
иметь малое внутреннее сопротивление.
Рассмотрим явление резонанса напряжений на числовом примере.
Пусть’ в контур, имеющий L=4 мгн, С=160 пф н г=50 ом, включен
генератор, дающий напряжение t/=25 в. Собственная частота контура
равна:
1 Ю7
fo = ----- ’ „ = 2-105 гц = 200 кгц.
2я]/4.10-3-160-Ю-12 6,25-8
Для упрощения берем вместо 2л=6,28 округленно 6,25. Определим
xlh хс -.
Хд = 6,25/0Е = 6,25-2-10Б-4-10—3 = 5000 ом,
1 101а
Хс^ 6,25 С “ 6,25-2-105-160 = 5000 ом‘
Таким образом, действительно, х L =хс =р.
Добротность контура будет
л Р 5000
Q = —=-г~- = 100.
г 50
Если частота генератора равна 200 кгц, то возникает резонанс напря-
жений. Тогда z=r=50 ом н ток в контуре равен:
Напряжения на L н на С равны:
UL = Uc = /р = 0,5-5000 =-2500 в.
3—2607
S3
Оин в 100 раз, т. е. в Q раз, больше напряжения генератора.
Мощность колебаний, т. е. реактивная мощность в катушке или в кон-
денсаторе, равна:
PL = Рс= Z8Р = 0,5«-5000 = 1250 ва1,
а мощность, затрачиваемая генератором на поддержание колебаний, т. е.
активная мощность, расходуемая в сопротивлении г, будет
= 0,58-50= 12,5 вт.
Она в 100 раз меньше реактивной мощности самих колебаний.
Если частота генератора изменится, например увеличится на 10% и ста-
нет равна 220 кгц, то резонанс нарушится. Сопротивление xL возрастет на
10% и будет равно 5500 ом, а хс уменьшится на 10% н будет составлять
4500 ом. Общее реактивное сопротивление контура х станет равным х=
<=xL—xc =5500—4500=1000 ом и примет индуктивный характер. Полное
сопротивление контура в этом случае можно считать равным его реактивно-
му сопротивлению, так как г—\г2 + ха=УЛ502 + 10002 —1000 омг. По
сравнению с сопротивлением 50 ом, которое контур имел прн резонансе, со-
противление возросло в 20 раз и во столько же раз уменьшится ток. Он бу-
дет составлять
Подобный же результат получится при частоте меньше резонансной.
§ 2.6. РЕЗОНАНС ТОКОВ
Резонанс токов, или параллельный резонанс, получается в
случае, когда генератор нагружен на индуктивность и емкость,
соединенные параллельно, т. е. когда генератор включен вне кон-
тура (рис. 2.9а). Сам же колебательный контур, рассматривае-
мый отвлеченно от генератора, надо по-прежнему представлять
Рис. 2.9. Схема и резонансные кривые для резонанса токов
себе как последовательную цепь из L и С. .Не следует считать,
что в схеме резонанса токов генератор и контур соединены меж-
* Напомним, что реактивная мощность, в отличне от активной мощности,
выражается не в ваттах, а в вольт-амперах (ва).
4 Если прн последовательном соединении активного и реактивного со-
противлений одно из ннх в 5 и более раз превышает другое, то полное со-
противление приближенно можно считать равным большему нз них.
34
ду собой, параллельно. Весь контур в целом является нагрузоч-
ным сопротивлением для генератора, и поэтому генератор вклю-
чен последовательно, как .эю-и, бывает всегда в зам_кну.той_цепш
Условия получения резонанса токов такйё~жёГкак и для ре-
зонанса напряжений: f=fo или х^=хс. Однако по своим свой-
ствам резонанс токов во многом противоположен резонансу
напряжений. В этом случае накатушке и на конденсаторе -на-
пряжение такое жеЛ как у генератора.~Прй резонансе сопротив-
ление контура между Точками разветвления становится макси-
мальным, -а ток генератора—будет __ минимальным. 11олное
(эквивалентное) сопротивление контура для генератора при
резонансе токов R3 можно подсчитать по любой из следующих
формул:
где L и С — в генри и фарадах, a R3, р иг— в омах.
Сопротивление R3, называемое резонансным сопротивле-
нием, является чисто активным, и поэтому при резонансе токов
нет сдвига фаз между напряжением генератора и его током.
На рис. 2.96 для резонанса токов показано изменение пол-
ного сопротивления контура z и тока генератора I при измене-
нии частоты генератора f.
В самом контуре при резонансе происходят сильные колеба-
ния, и поэтому ток внутри контура-во много раз больше, чем ток! i
генератора. Токи в индуктивности и емкости IL и 1С можно рас-Л '
сматривать как токи в ветвях или как ток незатухающих колеба-
ний внутри контура, поддерживаемых генератором. По отноше-
нию, к напряжению U ток в катушке отстает на 90°, а ток в
емкости опережает это напряжение на 90°, т. е. друг относитель-
но друга токи сдвинуты по фазе на 180°. Вследствие наличия
активного сопротивления, сосредоточенного, главным образом, в
катушке, токи IL и 1С в действительности имеют сдвиг фаз не-
сколько меньше 180° и ток IL немного меньше 1С. Поэтому по
первому закону Кирхгофа для точки разветвления можно на-
писать
I + IL = !с или I = /с — 1L.
Чем меньше активное сопротивление в контуре, тем меньше
разница между 1С и , тем меньше ток генератора и тем боль-
ше сопротивление контура. Это вполне понятно. Ток, идущий от
генератора, пополняет энергию в контуре, компенсируя потери ее
в активном сопротивлении. При уменьшении активного сопро-
тивления уменьшается потеря энергии в нем, и генератор расхо-
дует меньше энергии на поддержание незатухающих колебаний.
Если бы контур был идеальным, то начавшиеся колебания
продолжались бы непрерывно без затухания и не требовалось
3* 35
бы энергии от генератора на их поддержание. Ток генератора
был бы равен нулю, а сопротивление контура — бесконечности.
Активная мощность, расходуемая генератором, может быть
подсчитана как
Р = /(/ = /1 2^= —
Кэ
или как мощность потерь в активном сопротивлении контура
Р = Ркг,
где 1К— ток в контуре, равный /гили I с.
Для резонанса токов так же, как и для резонанса напряже-
ний, характерно возникновение в контуре мощных колебаний при
незначительной затрате мощности генератора *.
На явление резонанса в параллельном контуре большое влия-
ние оказывает внутреннее сопротивление Rt питающего генера-
тора. Если это сопротивление мало, то напряжение на зажимах
генератора, а следовательно, и на контуре незначительно отли-
чается от эдс генератора и остается почти постоянным по
амплитуде, несмотря на изменение тока при изменении частоты.
Действительно, U=E—IRt, но так как Rt величина малая, то
потеря напряжения внутри генератора /Rg также незначитель-
на и U—E.
- Полное сопротивление цепи в этом случае приближенно рав-
но только сопротивлению контура. При резонансе последнее
сильно возрастает, и ток генератора резко уменьшается. Кривая
изменения тока на рис. 2.96 соответствует именно такому слу-
чаю.
Постоянство амплитуды напряжения на контуре также
объясняет формула U=Iz. Для случая резонанса z велико, но
I — величина малая, а если резонанса нет, то z уменьшается, но
зато / увеличивается и произведение Iz остается примерно
прежним.
Как видно, при малом Rt генератора параллельный контур
не обладает резонансными свойствами в отношении напряжения:
при резонансе напряжение на контуре почти не возрастает. Не
будут заметно увеличиваться и токи IL и /с. Следовательно,
при малом Rt генератора контур не имеет резонансных свойств
и по отношению к токам в катушке и конденсаторе.
В радиотехнических схемах параллельный контур обычно
питается от генератора с большим внутренним сопротивлением,
роль которого выполняет электронная лампа или полупроводни-
ковый прибор. Если внутреннее сопротивление генератора зна-
чительно больше, чем сопротивление контура z, то параллельный
контур приобретает резко выраженные резонансные свойства.
1 При этом мощность самих колебаний в контуре, конечно, является ре-
активной.
36
В этом случае полное сопротивление цепи приближенно рав-
но одному Rtn почти неизменно при изменении частоты. Ток I,
питающий контур, также почти постоянен по амплитуде: /=
Е Е
= — —. Но тогда напряжение на контуре U=Iz при
изменении частоты будет следовать за изменениями сопротивле-
ния контура z, т. е. при резонан-
се U резко увеличится. Соответ-
ственно возрастут токи IL и 1С.
Таким образом, при большом Rt
генератора кривая изменения х,
(рис. 2.96) будет в других мас-
штабах приближенно показывать
также изменение напряжения на
контуре U и изменения токов IL и
/с. На рис. 2.10 изображена по-
добная кривая вместе с графиком
тока генератора, который в дан-
ном случае почти не меняется.
Основное применение резо-
нанса токов в радиотехнике —
создание большого сопротивле-
ния для тока определенной ча-
стоты в ламповых генераторах и
усилителях высокой частоты.
Рис. 2..10. Резонансные кривые па-
раллельного контура при большом
внутреннем сопротивлении генера-
тора
Рассмотрим числовой пример резонанса токов. Для сравнения с резо-
нансом напряжений возьмем контур предыдущего примера и присоединим
его по схеме рис. 2.9 к тому же генератору, дающему С/«=25 в.
Сопротивление контура равно
R3 = Q?== 100-5000 = 500000 ом.
Ток генератора
, U 25
I =-г— = —---------= 0,00005 а = 0,05 ма.
Ra 500 000
Ток в контуре 1К— IL = 1С будет
U 25
/к = ~— — —---------= 0,005 а = 5 ма.
хь 5000
Резонансное сопротивление контура Ra в 100 раз больше, чем сопро-
тивление катушки или конденсатора при той же частоте. Поэтому ток ге-
нератора в 100 раз меньше, чем ток в контуре. Такое же соотношение полу-
чится для мощностей. Реактивная мощность колебаний в контуре равна
pl = Uil = 25-0,005 = 0,125 ва,
а активная мощность, расходуемая генератором, составляет
Р = I//= 25-0,00005 = 0,00125 em = 1,25 мет.
37
Эту мощность можно подсчитать иначе:
Р= 12г = 0,0058-50= 0,00125 em=l,25 мет.
Приведем также пример сравнения работы параллельного контура при
различном внутреннем сопротивлении генератора.
Пусть имеется параллельный контур, у которого R3 =10000 ом и =»
= Хс=р=200 ом, а при небольшой расстройке Z=1000 ол. Если контур
питается от генератора, имеющего £=2 в и R, =0, то напряжение на кон-
туре всегда равно £=£=2 в независимо от того, настроен контур в ре-
зонанс или нет. Для небольшой расстройки XL и Хс меняются мало, и
можно считать, что токи в ветвях при резонансе и при расстройке одинаковы:
. °*2
'L ~ 1С к 200Ю Ма' еСЛН генеРат0Р имеет £=200 в и
Ri «=1000 000 ом, то питающий контур ток равен ---—— =0 0002 а=
1 000 000
=0,2 ла, напряжение на контуре прн резонансе £=0,0002-10 000=2 в и
токи в ветвях прн резонансе по-прежнему равны IL =/с = 10 ма. Зато при
расстройке напряжение и токи в ветвях уменьшаются в 10 раз:
£=>0,0002-1000 = 0,2 в,
0,2
I. =1Г =------= 0,001 а = 1 ма.
L с 200
Представляет интерес вывод формулы для резонансного сопротивления
Rs. Выше было указано, что мощность, расходуемая генератором, равна
мощности, выделяемой на активном сопротивлении контура,
Rs
£ £2 £8
Заменим 1к по закону Ома через — . Тогда = ~г,
Р Rs Р
Сократив на £2 обе части равенства, получим
1 г
Rs р2 ’
Отсюда следует
Р2
Rs = -^- =Qp.
§ 2.7. ПОЛОСА ПРОПУСКАНИЯ КОНТУРА
Во время передачи тех или иных сигналов ток высокой часто-
ты в антенне радиопередатчика состоит из нескольких токов
различной частоты (об этом рассказано в разделе о модуляции
в гл. 8). Такой же сложный характер имеют электромагнит-
ные волны, распространяющиеся от антенны передатчика, и токи,
возникающие под действием радиоволн в приемной антенне.
Для каждого вида передачи (радиотелефония, радиотелегра-
фия, телевизионная передача и т. д.) частоты этих токов зани-
мают определенную полосу. При радиовещании на средних
волнах она составляет примерно 9 кгц, т. е. радиовещательный
передатчик создает сложный ток, состоящий из нескольких то-
38
ков, у которых наиболее высокая частота на 9 кгц больше наи-
более низкой частоты. Например, для радиовещательного пере-
датчика, работающего на частоте 173 кгц (Z=1734 м), это будут
частоты от 168,5 до 177,5 кгц. В случае служебной радиотеле-
фонной связи полоса частот не больше 2-^-2,5 кгц, а для радио-
телеграфной передачи она еще меньше. Зато при телевизионной
передаче полоса частот расширяется до нескольких мегагерц.
При воздействии на контур электродвижущих сил различной
частоты наиболее сильные колебания получаются в случае, ког-
да эдс имеет резонансную частоту или
частоту, близкую к ней. А при значи-
тельном отклонении частоты внешней
эдс от резонансного значения, т. е. ког-
да контур расстроен относительно ча-
стоты внешней эдс, амплитуда коле-
баний получается сравнительно малой.
Можно сказать, что каждый кон-
тур хорошо пропускает колебания в
пределах некоторой полосы частот,
располагающейся по обе стороны от
резонансной частоты. Ее называют по-
лосой пропускания контура Ппр и ус-
ловно определяют по резонансной кри-
вой на уровне 0,7 от максимального _
значения тока или напряжения, соот- Рнс‘ 21нИ^Ок0ОнЛпар°,1уска
ветствующего резонансной частоте iP
(рис. 2.11). Иначе говоря, считают, что
контур хорошо пропускает колебания тогда, когда их амплитуда
уменьшается не более чем на 30% по сравнению с амплитудой
при резонансе.
Полосу пропускания контура иногда называют также шири-
ной кривой резонанса. На рис. 2.7 уже было показано влияние
качества контура на форму резонансной кривой. Из этого ри-
сунка видно, что чем ниже качество контура, тем больше его
полоса пропускания. Кроме того, полоса пропускания получает-
ся больше при более высокой резонансной частоте контура.
Зависимость полосы пропускания контура от его затухания
или добротности Q дается следующей простой формулой:
Например, контур, настроенный на частоту /о=2ООО кгц
и обладающий затуханием 6=0,01, имеет полосу пропускания
Ппр =0,01 -2000=20 кгц.
Как видно, для получения узкой полосы пропускания необхо-
димо применять контур с высокой добротностью, а для широкой
39
полосы контур должен иметь либо низкую добротность, либо
работать на весьма высокой резонансной частоте.
Из приведенной формулы следует, что fo=Qnnp. Так как
у контура среднего качества Q не менее 20, то рабочая частота
должна не менее, чем в 20 раз, превышать полосу пропускания.
Например, телевизионную передачу, для которой Ппр состав-
ляет несколько мегагерц, нужно вести на частотах не ниже не-
скольких десятков мегагерц, т. е. на ультракоротких волнах.
Желательно, чтобы контур имел полосу пропускания, соот-
ветствующую полосе частот, которая характерна для данного
вида передачи. Если полоса пропускания меньше, то получатся
искажения за счет плохого пропускания некоторых колебаний.
Более широкая полоса нежелательна, так как могут быть помехи
от сигналов радиостанций, работающих на соседних частотах.
Рнс. 2.12. Шунтирование контура активным сопротив-
лением
Если необходима широкая полоса пропускания, то прихо-
дится часто применять контуры с низкой добротностью. Доброт-
ность контура снижается, а полоса пропускания увеличивается,
если параллельно контуру присоединяют активное сопротивле-
ние R, называемое шунтирующим (рис. 2.12). Действительно,
переменное напряжение U, имеющееся на контуре, приложено к
сопротивлению R и создает в нем ток. Следовательно, в этом со-
противлении будет расходоваться мощность — . Чем меньше
R
сопротивление R, тем больше в нем потери мощности и тем боль-
ше затухание контура. Если сопротивление R будет очень ма-
лым, то оно замкнет накоротко один из элементов контура (кон-
денсатор на рис. 2.12а) или весь контур (рис. 2.126). Тогда
контур вообще не сможет работать как колебательная система
и проявлять свои резонансные свойства.
Шунтирование контура активным сопротивлением делают
иногда специально с целью расширения полосы пропускания.
Кроме того, подобное шунтирование существует вследствие того,
что контур соединен с другими деталями и цепями. За счет этого
происходит нежелательное ухудшение качества контура.
Внутреннее сопротивление генератора, питающего параллель-
ный контур, также влияет на добротность контура и его полосу
пропускания. Это можно легко объяснить следующим образом.
40
Пусть генератор в какой-то момент прекратил свое действие.
Тогда колебания в контуре станут затухать, а внутреннее сопро-
тивление генератора, присоединенного к контуру, будет играть
роль шунтирующего сопротивления, увеличивающего затухание.
Чем больше Rt генератора, тем слабее его влияние, а значит,
кривая резонанса контура острее и его полоса пропускания
меньше, т. е. резонансные свойства контура выражены резче.
При малом Ri генератора добротность контура настолько сни-
жается и полоса пропускания становится такой широкой, что
резонансные свойства у контура практически отсутствуют.
К подобному выводу о влиянии Rt генератора мы пришли
уже ранее при рассмотрении работы параллельного контура.
§ 2.8. СВЯЗАННЫЕ КОНТУРЫ
Если энергия колебаний переходит из одного контура в дру-
гой, то такие контуры называются связанными.
Иначе говоря, контуры являются связанными в том случае,
когда колебания, происходящие в одном из них, воздействуют
на другой контур и вызывают в нем колебательный процесс.
Рис. 2.13. Индуктивная связь двух контуров
Чем больше энергии переходит из одного контура в другой,
т. е. чем сильнее воздействует один контур на другой, тем силь-
нее связь между ними.
Величина связи характеризуется коэффициентом связи ксв,
который может иметь значения от 0 до 1 (от 0 до 100%). Если
связь отсутствует, то ксв =0. В радиоцепях ксв имеет обычно
величину от долей процента до нескольких процентов, изредка
до нескольких десятков процентов.
Существует несколько различных видов связи.
Индуктивная, или трансформаторная, связь. Эта связь приме-
няется наиболее часто и образуется с помощью взаимной индук-
ции между катушками контуров (рис. 2.13).
Контур £iCi, получающий энергию от генератора, называется
первичным контуром. Контур LzCz, получающий энергию от
первичного контура, называется вторичным контуром.
41
Принцип индуктивной связи заключается в том, что ток пер-
вичного контура Ц, проходя через катушку Li, создает вокруг
нее магнитное поле, силовые линии которого пересекают витки
катушки £2 и возбуждают в ней индуктированную эдс, а послед-
няя создает во вторичном контуре ток /2. Таким образом, при
индуктивной связи энергия передается из одного контура в
другой магнитным полем. Любой трансформатор является при-
мером индуктивной связи. Две катушки, индуктивно связываю-
щие высокочастотные контуры, называют трансформатором
высокой частоты.
Индуктивная связь может быть постоянной или переменной.
Постоянная индуктивная связь оформляется в виде двух одно-
слойных или многослойных катушек, намотанных обычно на
одном каркасе друг возле друга. Для переменной индуктивной
связи нужно менять расстояние между катушками или их взаим-
ное расположение. Переменную индуктивную связь изображают
на схемах стрелкой, пересекающей катушки (рис. 2.13а).
Выясним физический смысл коэффициента связи при индук-
тивной связи. Если Li и £2 одинаковы и других катушек в кон-
турах нет, то коэффициент связи показывает, какую долю
полного магнитного потока Ф1 катушки L\ составляет магнитный
поток Фсе, пронизывающий обе катушки, т. е. связывающий
обе цепи. Например, если Фсв составляет 20% от Фь то ксв =
= 0,2.
Для получения максимального тока и напряжения в конту-
рах их настраивают в резонанс. В первичном контуре может быть
либо резонанс напряжений, либо резонанс токов в зависимости
от способа соединения генератора с этим контуром.
Во вторичном контуре при индуктивной связи, как правило,
получается резонанс напряжений.
Это объясняется тем, что в качестве генератора во вторич-
ном контуре работает сама катушка Lz. Она включена в контур
последовательно, значит, в цепи будет резонанс напряжений.
Практически связанные контуры настраивают в резонанс для
получения наибольшего тока во вторичном контуре следующим
порядком. Сначала настраивают первичный контур до получе-
ния максимума тока в нем, затем настраивают вторичный кон-
тур в резонанс с первичным контуром. После настройки вторич-
ного контура надо еще раз подстроить первичный контур, так
как вторичный контур при настройке несколько влияет на пер-
вичный и нарушает резонанс в нем. Вообще всякое изменение
настройки одного из контуров оказывает влияние на другой
контур (изменяет его настройку). Приходится дополнительно
подстраивать каждый контур, чтобы восстановить резонанс.
Для настройки в резонанс двух контуров, имеющих постоян-
ную связь, их конденсаторы переменной емкости объединяют в
один агрегат, т. е. роторы насаживают на общую ось. На схемах
42
такой агрегат показывают путем соединения стрелок конденса-
торов штриховой линией (рис. 2.13 6).
Емкости контуров выравнивают с помощью небольших под-
строечных (полупеременных) конденсаторов, емкость которых
можно регулировать в некоторых пределах. Они присоединяют-
ся параллельно основным конденсаторам (рис. 2.136).
Индуктивности катушек выравнивают, регулируя положение
находящегося внутри катушки сердечника из магнитодиэлек-
трика (карбонильное железо, альсифер, феррит и др.). На схеме
рис. 2.136 показано условное изображение сердечников.
Рассматривая работу связанных контуров, необходимо учи-
тывать воздействие вторичного контура на первичный. Ток /2.
возникший во вторичном контуре, создает в катушке L2 магнит-
ный поток, пересекающий какой-то своей частью витки катуш-
ки Li и индуктирующий в ней некоторую эдс. Эта эдс противо-
действует первичному току Ц и уменьшает его. Иначе можно
сказать, что вторичный контур вносит в первичный дополни-
тельное сопротивление, называемое вносимым сопротивлением.
Когда вторичный контур настроен на частоту генератора, то
он вносит в первичный контур только активное сопротивление,
которое тем больше, чем сильнее связь. Величина этого сопро-
тивления характеризует переход некоторого количества энергии
из первичного контура во вторичный. А когда вторичный контур
не настроен точно на частоту генератора, то он вносит в первич-
ный контур не только активное, но и реактивное сопротивление,
индуктивное или емкостное, в зависимости от того, в какую
сторону расстроен вторичный контур. Таким образом, вторичный
контур, будучи сам расстроенным, нарушает настройку первич-
ного контура.
Если у двух настроенных в резонанс связанных контуров
снять зависимость тока или напряжения вторичного контура от
частоты генератора, то получится кривая резонанса системы
двух связанных контуров. Форма ее зависит от величины связи.
Чем слабее связь, тем острее резонанс (рис. 2.14). При увеличе-
нии связи кривая становится более тупой и, начиная с некоторо-
го значения связи, принимает характерный двугорбый вид.
Величина связи, при которой получается переход кривой резо-
нанса от одногорбой формы к двугорбой, называется критиче-
ской связью.
При одинаковых контурах ток, напряжение и мощность коле-
баний во вторичном контуре при критической связи имеют наи-
большие значение по сравнению с их величинами при более сла-
бой или более сильной связи. Поэтому критическую связь
иначе называют оптимальной, т. е. наивыгоднейшей *. Но она
1 Значения критической и оптимальной связи несколько не совпадают
друг с другом в случае неодинаковых контуров.
43
является наивыгоднейшей только в смысле получения наиболь-
шей мощности во вторичном контуре.
В случае одинаковых контуров коэффициент оптимальной
связи равен величине затухания каждого контура. Если, напри-
мер, связанные контуры имеют каждый в отдельности 6=0,02,
то оптимальная связь получится при ксв =0,02=2%.
Когда связь меньше критической, то ее считают слабой. При
слабой связи кривая резонанса имеет почти такую же форму, как
и в случае одиночного контура. Связь больше критической счи-
тается сильной. Если усиливать связь свыше критического зна-
чения, то провал в резонансной кривой становится больше и раз-
ница по частоте между горбами увеличивается (рис. 2.14).
Рис. 2.14. Кривые резонанса двух связанных контуров при
различной величине связи
Критическая, или сильная, связь (при небольшом провале
между горбами) дает значительное расширение полосы пропус-
кания и используется в радиоприемных устройствах (см. гл. 10).
Для сильной связи характерна передача энергии из первичного
контура во вторичный с высоким кпд (выше 50%), т. е. мощ-
ность во вторичном контуре больше, чем мощность, теряемая в
первичном контуре. Вследствие этого сильная связь применяет-
ся при больших мощностях в радиопередатчиках. Слабая связь
применяется тогда, когда не требуется передать во вторичный
контур большую мощность с высоким кпд, но зато важно, чтобы
вторичный контур мало влиял на первичный. Такая связь нахо-
дит себе применение в радиоизмерениях.
Представляет интерес более подробное рассмотрение процессов в ин-
дуктивно связанных контурах. Для определенности будем считать, что оба
контура одинаковы и что первичный контур последовательный. Прежде
всего отметим, что индуктированная во вторичном контуре эдс всегда от-
стает по фазе на 90° от создавшего ее первичного тока. Это следует из ос-
новных законов электромагнитной индукции. Действительно, индуктирован-
ная эдс тем больше, чем больше скорость изменения тока. Но ток наиболее
сильно изменяется при переходе через нулевое значение, В этот момент ин-
дуктированная эдс наибольшая. А когда ток достигает амплитудного значе-
ния, то скорость его изменения становится равной нулю и индуктированная
44
эдс уменьшается до нуля. По закону Ленца знак индуктированной эдс Е2
всегда должен быть таким, чтобы созданный ею во вторичной цепи ток Z2
своим магнитным полем противодействовал изменениям первичного тока Zb
Отсюда следует, что при возрастании тока It эдс Е2 противоположна ему по
знаку, а при убывании 1\ она совпадает с ним по знаку. Это именно и соот-
ветствует отставанию эдс Е2 на 90° от тока Zi, в чем нетрудно убедиться,
если начертить с таким сдвигом фаз кривые Z» и Е2.
Рассмотрим первый основной случай, когда контуры, имеющие одина-
ковые собственные частоты ft и f2, настроены в резонанс на частоту генера-
тора f, питающего первичный контур, т. е. Тогда ток Ц совпадает
по фазе с напряжением генератора U, а эдс Е2 отстает от тока ZJ на 90°.
Ток Z2 совпадает по фазе с эдс Е2 и индуктирует обратно в первичный кон-
тур эдс ЕОбр. Как и всегда при явлении индукции, эдс Еоср отстает по
фазе на 90° от индуктирующего ее тока Z2. А от тока Zt она отстает уже
на 180°, т. е. противодействует этому току. Как было указано выше, это рав-
носильно появлению в первичном контуре активного вносимого сопротивле-
ния гвн. Чем сильнее связь, тем больше вносимое сопротивление и тем
меньше ток Zt. Заметим, что в данном случае вторичный контур имеет чисто
активное сопротивление и соответственно этому может вносить в первичный
контур только чисто активное сопротивление. Иначе говоря, не может быть
никакого возврата энергии из вторичного контура в первичный.
При усилении связи ток Z2 испытывает два противоположных влияния:
1) он должен увеличиваться, поскольку связь усиливается, 2) он должен умень-
шаться, поскольку уменьшается индуктирующий его ток Zi из-за возрастания
вносимого в первичный контур сопротивления. Но при слабой связи второе
влияние незначительно, перевес будет на стороне первого влияния и наблю-
дается рост тока Z2 при усилении связи. А при сильной связи, наоборот, второе
влияние оказывается больше первого и ток 1а при увеличении связи умень-
шается, что соответствует появлению провала в кривой резонанса, причем с
усилением связи, ток Z2 становится меньше и провал увеличивается. Очевидно,
что при некоторой средней величине связи, когда оба влияния становятся оди-
наковыми и уравновешивают друг друга, ток Z2 достигает наибольшей вели-
чины. Это и есть случай оптимальной связи.
Первичный контур является генератором по отношению к вторичному
контуру. Из электротехники известно, что в электрической цепи внешнее, или
нагрузочное, сопротивление г, внутреннее сопротивление генератора г/ и пол-
ное сопротивление цепи г+г/ характеризуют соответственно полезную мощ-
ность^ мощность потерь внутри генератора и полную мощность. Кпд электри-
ческой цепи может быть выражен формулой
и он тем выше, чем больше г по сравнению с г/. При равенстве r—ri в со-
противлении нагрузки мощность будет наибольшей, но кпд составит только
50%. Подобно этому и в связанных контурах вносимое сопротивление Гщ,
собственное сопротивление первичного контура i'i и полное, или эквивалентное»
сопротивление первичного контура гвн +Г1 характеризуют соответственно
полезную мощность, передаваемую во вторичный контур, мощность потерь
в первичном контуре и полную мощность. Кпд связанных контуров можно
определить по формуле
Чем сильнее связь, тем больше ген и тем выше кпд. При гвн =/4 во вто-
ричный контур передается наибольшая мощность, и поэтому ток и напряже-
ние в нем будут наибольшими (оптимальная связь), а кпд в этом случае ра-
вен 50%. J г
45
Теперь рассмотрим случай, когда частота генератора несколько измени-
лась. Контуры окажутся расстроенными, и в них появится значительное ре-
активное сопротивление. Для определенности будем считать, что частота
генератора выше резонансной f>fi=f2. Тогда собственное реактивное со-
противление каждого контура станет индуктивным, так как при повышенной
частоте индуктивное сопротивление катушки преобладает над емкостным
сопротивлением конденсатора.
Пусть связь контуров несколько слабее оптимальной. За счет расстройки
токи в обоих контурах будут меньше, чем при резонансе. Однако этому умень-
шению токов препятствуют два явления. Во-первых, в первичном контуре
вносимое активное сопротивление за счет расстройки будет меньше, чем при
резонансе. Во-вторых, вторичный контур будет теперь вносить в первичный
не только активное, ио и реактивное сопротивление, которое характеризует
возврат в первичный контур части энергии, переданной во вторичный контур.
При этом оказывается, что вносимое в первичный контур реактивное сопро-
тивление всегда противоположно по знаку (по характеру) собственному реак-
тивному сопротивлению вторичного контура. В рассматриваемом случае,
когда вторичный контур имеет собственное индуктивное сопротивление, в
первичный контур вносится емкостное сопротивление. Оно в какой-то степени
компенсирует собственное индуктивное сопротивление первичного контура,
т. е. приводит к уменьшению полного (эквивалентного) реактивного сопро-
тивления первичного контура по сравнению с тем его значением, которое
было бы при отсутствии вторичного контура, В результате уменьшения в пер-
вичном контуре активного и реактивного сопротивлений ток Z, при расстройке
уменьшается не так резко, как было бы прн отсутствии вторичного контура,
т. е, кривая резонанса для тока получается с более тупой вершиной. Ана-
логичная кривая резонанса получается и для тока /2.
Знак вносимого в первичный контур реактивного сопротивления можно
объяснить следующим образом. Для упрощения рассуждений будем прене-
брегать активными сопротивлениями и считать, что каждый контур при
расстройке имеет только реактивное сопротивление. Тогда для рассматривае-
мого случая повышенной частоты каждый контур имеет только индуктивное
сопротивление, ток Z, отстает по фазе на 90° от напряжения U, эдс £2 от-
стает на 90° от тока Л и ток Z2 тоже отстает на 90° от эдс £2. Следовательно,
ток Z2 отстает на 180° от тока Ц. Такой же сдвиг фаз будет и между маг-
нитными потоками Ф1 н Ф2, создаваемыми этими токами. Магнитный поток
Ф2 в этом случае противодействует магнитному потоку Фь Поэтому резуль-
тирующий магнитный поток в катушке первичного контура уменьшится, а это
эквивалентно уменьшению индуктивности и можно рассматривать как внесение
в контур некоторого емкостного сопротивления. Для случая пониженной час-
тоты генератора, когда контуры имеют собственные реактивные сопротивле.-
ния емкостного характера, подобные же рассуждения (рекомендуем про-
вести их читателю самому) покажут, что под влиянием тока 12 магнитный
поток в катушке первичного контура увеличится. Это равносильно увеличе-
нию индуктивности и может рассматриваться как внесение в первичный контур
некоторого дополнительного индуктивного сопротивления.
В случае сильной связи вносимое реактивное сопротивление при некото-
рой расстройке становится настолько большим, что оно может полностью
скомпенсировать собственное реактивное сопротивление первичного контура.
Тогда в этом контуре наступает резонанс, ток Ц возрастает и соответственно
увеличивается ток Z2, В кривой резонанса наблюдается максимум («горб»).
Этот максимум будет на двух частотах, называемых частотами связи. Одна
из них выше, а другая ниже основной резонансной частоты обоих контуров.
Таким образом, при сильной связи резонанс наблюдается на трех частотах.
Оказывается, что иа частотах связи вносимое активное сопротивление
гвн, которое при резонансе на основной частоте f было больше го, уменьша-
ясь за счет расстройки, становится равно а эго является условием отдачи
во вторичный контур наибольшей мощности. Поэтому при резонансе иа
46
частотах связи токи 1\ и /2 снова достигают тех значений, которые они
имели при оптимальной связи на основной резонансной частоте f=f\=E
Если связь будет сильнее, то гвн возрастает и уменьшение его до значения,
равного Г1, наступает при большей расстройке, при которой также возни-
кает резонанс за счет компенсации собственного реактивного сопротивления
первичного контура вносимым реактивным сопротивлением. Частоты связи
и соответствующие им горбы резонансной кривой отодвигаются друг от дру-
га и от основной резонансной частоты. Следует отметить, что в случае
неодинаковых контуров, например настроенных на разные частоты #= f2),
явления усложняются, кривые резонанса резко изменяют свою форму и
горбы у них становятся неодинаковыми.
Емкостная связь. Эта связь осуществляется с помощью кон-
денсатора связи Ссв (рис. 2.15), и, следовательно, энергия пере-
ходит из первичного контура во вторичный через электрическое
поле. Емкостная связь часто возникает между цепями там, где
она не нужна, н нарушает нормальную работу схемы. Такую
связь называют паразитной. Нередко приходится принимать
меры для устранения или уменьшения подобной нежелательной
Рис. 2.15. Схема емкостной связи: «) внешняя емкостная связь, б) внутренняя
емкостная связь
связи. Схема рис. 2.15а, в которой конденсатор связи Ссв не
входит в состав первичного и вторичного контуров, называется
внешней емкостной связью. Схема рис. 2.156 называется вну-
тренней емкостной связью, так как конденсатор связи включен
и в первичный и во вторичный контуры последовательно с каж-
дым конденсатором этих контуров G и С2. Для изменения вели-
чины связи конденсатор Ссв должен иметь переменную емкость.
В схеме с внешней емкостной связью напряжение первичного
контура действует через конденсатор связи на вторичный контур
и создает в нем ток. Чем больше емкость Ссв, тем меньше ее
сопротивление переменному току и тем сильнее связь. Практи-
чески, чтобы связь была слабой, емкость Ссв должна быть
порядка единиц пикофарад (много меньше, чем G и С2). Пара-
зитная связь между различными цепями осуществляется по
схеме внешней емкостной связи, так как для этого достаточна
очень малая емкость. Индуктивная связь всегда сопровождается
некоторой внешней емкостной связью из-за емкости между ка-
тушками и подводящими проводами.
В схеме с внутренней емкостной связью (рис. 2.156) напря-
жение, которое получается на конденсаторе Ссв при прохожде-
47
чится падение напряжения в
Рис. 2.16. Различные случаи ав-
тотрансформаторной связи
нии через него тока Д, действует на цепь вторичного конту-
ра CzL2 и создает в последнем ток /2. Иначе можно сказать, что
в точке 1 (или 2) происходит разветвление тока и часть его идет
во вторичный контур. В противоположность схеме рис. 2.15а
здесь для увеличения связи нужно уменьшить емкость Ссв.
Тогда сопротивление конденсатора Ссв току 1\ возрастет, увели-
нем, а так как оно действует во
вторичном контуре, то возрастает
и ток /2. Для осуществления сла-
бой связи в данной схеме берут
Ссв порядка тысяч и даже де-
сятков тысяч пикофарад (много
больше, чем Ci и Сг).
Автотрансформаторная связь.
В этом случае контуры имеют об-
щую катушку. Энергия перехо-
дит частично через магнитное
поле, а частично — непосредст?
венно, благодаря наличию элек-
трического соединения между
контурами.
В схеме рис. 2.16а катушка
L\ входит в первичный контур,
а часть этой катушки LCB входит
во вторичный контур, и напряже-
ние на ней создает ток /2. Ка-
тушка L\ работает как пони-
жающий автотрансформатор или
индуктивный делитель напряже-
ния. Дополнительная катушка
Lz вместе с LCB образует индук-
тивность вторичного контура. Чем
большая часть катушки Lx вхо-
дит в оба контура, тем сильнее связь. В схеме рис. 2.166 катуш-
ка Lz входит во вторичный контур и работает как повышающий
автотрансформатор. Ее часть LCB входит в первичный контур,
в котором еще дополнительно включена катушка L\. В этой схе-
ме связь так же, как и в схеме рис. 2.16а, усиливается с увеличе-
нием LCB.
В схеме рис. 2.16в чем меньше LCB по сравнению с Lx и Lz,
тем слабее связь.
При постоянной связи провод от катушки LCB присоединяет-
ся к ней наглухо. При переменной связи применяется переклю-
чатель, позволяющий включать различное число витков, или
«щуп», который можно ставить на разные витки, если катушка
выполнена из голого провода. На схеме его изображают стрел-
кой.
48
Комбинированная связь. Иногда применяются схемы с двумя
различными видами связи, главным образом индуктивной и ем-
костной. Для примера на рис. 2.17а показан вариант с внешней
емкостной связью, а на рис. 2.176 —с внутренней емкостной
связью.
Рис. 2.17. Схемы комбинированной индуктивно-емкост-
ной связи
Рассмотренные выше виды связи могут быть также у двух
обычных цепей переменного тока или у колебательного контура
с неколебательной (апериодической) цепью.
§ 2.9. ЭКРАНИРОВАНИЕ
Часто приходится бороться с паразитной емкостной или
индуктивной связью между контурами или цепями радиоаппа-
ратуры. Для уменьшения паразитной связи можно удалить друг
от друга контуры или провода, но это приводит к увеличению
размеров радиоаппаратуры. Гораздо лучше применять экрани-
рование.
'Экранированием называется защита одного контура от воз-
действия другого контура или одной цепи от влияния другой
цепи с помощью металлических листов — экранов.
Экраны служат для устранения как индуктивной, так и емко-
стной связей. На низких частотах для устранения индуктивной
связи применяют экраны из ферромагнитных материалов, на-
пример из листовой стали толщиной 0,5—1,5 мм. В этом случае
используется способность стали втягивать в себя магнитные
силовые линии. Благодаря ее высокой магнитной проницаемости
силовые линии замыкаются в экране и не выходят за его пре-
делы.
На высоких частотах лучшее экранирование магнитных полей
дают экраны из диамагнитных, хорошо проводящих металлов
(чаще всего применяется алюминий толщиной 0,3—1 мм). Дей-
ствие таких экранов заключается в том, что магнитный поток
катушки индуктирует в экране токи, которые по закону Ленца
создают свой магнитный поток противоположного направления,
почти полностью компенсирующий основной магнитный поток
за пределами экрана. Чтобы потери на создание в экране токов
4—2607 49
не были велики, не следует располагать экраны слишком близко
к катушкам. Желательно, чтобы диаметр и длина экранирующе-
го чехла были соответственно не меньше удвоенных диаметра и
длины намотки катушки. Тогда качество контура почти не ухуд-
шится. Следует иметь в виду, что экраны заметно уменьшают
индуктивность катушек (jia 10—20%).
рсб
Рис. 2.18. Устранение паразитной ем-
костной связи с помощью экрана
Для устранения паразитной емкостной связи также исполь-
зуются экраны из хорошо проводящих материалов, соединяемые
с корпусом радиоаппарата. Принцип их действия легко уяснить
из рис. 2.18. Два контура LiCi
и L2C2 имеют паразитную ем-
костную связь, обозначенную
конденсатором Ссв. Общий
провод обоих контуров бывает
обычно соединен с корпусом
(землей). Если между обклад-
ками 1 и 2, роль которых фак-
тически выполняют провода
или детали контуров, поме-
стить экран и соединить его с
корпусом, то ток от контура
LiCx будет проходить через
емкость между обкладкой 1 и экраном и возвратится через об-
щий провод в первичный контур, не попадая в контур L2C2-
На схеме экраны принято обозначать штриховыми линиями.
Иногда бывает необходимо устранить паразитную емкостную
связь между двумя катушками, чтобы связь между контурами
Рис. 2.19. Применение экрана для устране-
ния паразитной емкостной связи между
индуктивно связанными контурами
была чисто индуктивной. Сплошной металлический экран в
этом случае непригоден, так как он уничтожит индуктивную
связь. Для устранения только емкостной связи применяют элек-
тростатический экран в виде сетки из проволочек, соединенных
друг с другом и с землей только одним концом. В таком экране
не возникают индуктированные токи, так как для них нет замк-
нутых цепей. На рис. 2.19 показаны схематическое обозначение
подобного экрана и принцип одной из его конструкций.
50
§ 2.10. ТИПЫ КОЛЕБАТЕЛЬНЫХ КОНТУРОВ И ИХ ДЕТАЛИ
Способы настройки контуров
Колебательные контуры в приемниках и передатчиках в боль-
шинстве случаев делаются на диапазон частот и отличаются
друг от друга способами изменения частоты, т. е. способами
настройки на разные частоты. Наиболее распространен контур
с постоянной индуктивностью и переменной емкостью, показан-
ный в ряде предыдущих схем. Другой тип контура с постоянной
емкостью и переменной индуктивностью в виде вариометра по-
казан на рис. 2.20а (подробнее о вариометрах см. ниже).
Рис. 2.20. Типы контуров на диапазон частот
Однако такие контуры могут дать изменение частоты или
длины волны не более чем в два-три раза.
' Для расширения диапазона прибегают к изменению емкости
и индуктивности (рис. 2.206 и в). У контура рис. 2.206 грубое
изменение частоты (скачками) производится изменением числа
витков катушки с помощью переключателя П, а точная наст-
ройка на необходимую частоту осуществляется конденсатором
переменной емкости. Контур рис. 2.20 в имеет отдельные катуш-
ки на каждый поддиапазон, т. е. на каждую часть диапазона.
Недостаток контура с отводами от катушки заключается в
том, что неработающая часть витков, замкнутая переключате-
лем 77, связана с рабочей частью катушки и поглощает часть
энергии из контура, ухудшая его качества. Если же оставить
неработающую часть катушки разомкнутой, то она, имея собст-
венную емкость, образует паразитный .контур, настроенный на
некоторую частоту, и на этой частоте сильно отсасывает энергию
из рабочего контура. В контуре с отдельными катушками это
можно устранить, поместив каждую катушку в отдельный экран.
Помимо рассмотренных контуров, встречаются и другие. На-
пример, иногда для перехода с одного поддиапазона на другой
переключают конденсаторы различной емкости.
4* 51
Катушки с постоянной индуктивностью
Если число витков катушки невелико, то намотку делают
однослойной изолированным или голым проводом на каркасе из
картона, фарфора или другого изолирующего материала
(рис. 2.21а, б). Провод применяют толщиной примерно от 0,2
до 1 мм. Для более стабильной индуктивности на поверхность
керамического каркаса наносят спираль из меди или серебра.
Ток высокой частоты проходит только по поверхностному
слою провода. Увеличив поверхность провода, можно уменьшить
Рис. 2.21. Типы катушек колебательных контуров
его активное сопротивление. Поэтому иногда на длинных, сред-
них и отчасти на коротких волнах применяют провод литценд-
рат, состоящий из большого числа эмалированных жилок. Их
общая поверхность значительно больше, чем поверхность сплош-
ного провода. Для уменьшения собственной емкости катушки
витки наматывают не плотно, а на некотором расстоянии друг
от друга. Катушки для передатчиков часто делают из более
толстого голого провода или из медной трубки. В этом случае
каркас для катушки не обязателен (рис. 2.21 в).
При значительном числе витков применяют многослойные
катушки, чаще всего с намоткой «Универсаль» (зигзагом), в
которой провод переходит от одного края катушки на другой
(рис. 2.21г). Когда катушка имеет несколько секций, то между
ними делают промежутки (рис. 2.21 д). Тогда ослабляется влия-
ние неработающих витков и уменьшается собственная емкость
катушки. Секция для более длинных волн обычно представляет
собой многослойную катушку, а секция для более коротких волн
наматывается в один слой (рис. 2.21 д). Для предохранения
52
катушек от воздействия влажности их покрывают лаком, про-
питывают парафином или другим изолирующим веществом.
Однако это увеличивает потери и ухудшает добротность контура,
особенно при использовании низкокачественных лаков.
В катушках колебательных контуров с успехом применяются
сердечники из магнитодиэлектриков, которые прессуются из по-
рошка железа или других магнитных материалов, причем кру-
пинки порошка склеены каким-либо изолирующим веществом,
например лаком. Чаще всего применяются карбонильное желе-
зо, порошкообразный пермаллой, феррит и альсифер, реже —
магнетит. Потери энергии в сердечниках из магнитодиэлектри-
ков невелики даже при высоких частотах. Сердечник увеличи-
вает индуктивность катушки в несколько раз и позволяет для
получения нужной индуктивности значительно уменьшить число
витков, а следовательно, и длину провода. В результате умень-
шается сопротивление потерь и качество контура повышается.
Сердечники из магнитодиэлектриков делаются разнообраз-
ной формы. Простейшим является цилиндрический сердечник,
расположенный внутри катушки (рис. 2.21е). Вдвигая его в
катушку, можно увеличить индуктивность. В большей степени
увеличивает индуктивность замкнутый цилиндрический сердеч-
.ник (рис. 2.21ж), сделанный из двух половинок, охватывающих
катушку со всех сторон. Центральную часть сердечника можно
вывинчивать, и тогда индуктивность будет несколько уменьшать-
ся. Катушка с подобным сердечником не нуждается в экране,
так как магнитный поток идет по сердечнику и не рассеивается
в воздухе.
Добротность контуров с сердечниками из магнитодиэлектри-
ков-на длинных и средних волнах достигает 400—500 (без сер-
дечника трудно получить Q больше 200). А на коротких и
ультракоротких волнах сердечники небольших размеров приме-
няют не для повышения добротности, а для регулировки индук-
тивности.
У катушек, не имеющих сердечников, регулировка индуктив-
ности в небольших пределах («подгонка») производится иными
методами. Можно часть витков катушки наматывать отдельно и
передвигать по отношению к остальным виткам. Многослойные
катушки делают из двух секций. Изменяя расстояние между
ними, производят подгонку индуктивности. Иногда внутри ка-
тушки располагают короткозамкнутый виток проволоки или
какой-либо диамагнитный металл (медь, латунь, алюминий) в
виде диска или стержня. В нем индуктируются токи, которые
своим магнитным полем ослабляют магнитное поле катушки и
уменьшают ее индуктивность. Перемещая такой подстроечный
элемент, регулируют индуктивность. После подгонки подстроеч-
ные элементы закрепляются, чтобы не могло произойти случай-
ного изменения индуктивности.
53
В радиоаппаратуре, особенно малогабаритной, часто приме-
няют печатные схемы, в которых ряд деталей и монтажные про-
вода представляют собой нанесенные тем или иным способом
проводящие слои на поверхности панели из изоляционного ма-
териала. Катушки в этом случае обычно имеют форму спирали
из металла, нанесенного на изоляционную панель.
Катушки с переменной индуктивностью
Катушки, у которых индуктивность может регулироваться в
широких пределах, служат для плавной настройки контуров
в диапазоне волн и называются вариометрами. На рис. 2.22а
Рис. 2 22 Устройство и схематическое изо-
бражение вариометра с подвижной
катушкой
показано устройство и схематическое изображение вариометра
с подвижной катушкой. Он состоит из двух катушек, обычно
соединенных последовательно. Наружная катушка неподвижна
и называется статором, а внутренняя катушка может вращаться
на оси и называется ротором. Индуктивность вариометра при
вращении подвижной катушки изменяется вследствие изменения
взаимной индуктивности между катушками. Если они располо-
жены под прямым углом (положение 2 на рис. 2.226), то их
магнитные поля не действуют друг на друга. В этом положении
взаимная индуктивность равна нулю и полная индуктивность
54
равна сумме индуктивностей катушек. При повороте подвижной
катушки на 90° в ту или другую сторону, т. е. в положение 1
или 3 (рис. 2.226), оси катушек совпадают. Однако в положе-
нии 1 токи в катушках идут в одном направлении, магнитное
поле усиливается и общая индуктивность возрастает, а в поло-
жении 3 индуктивность, наоборот, уменьшается, так как токи в
катушках идут навстречу друг другу и магнитное поле ослаб-
ляется. Таким образом, при вращении подвижной катушки на
180° получается плавное изменение индуктивности от минималь-
ного до максимального значения.
Для изменения индуктивности в возможно больших преде-
лах стараются приблизить витки ротора к виткам статора.
В лучших конструкциях удается получить изменение индук-
тивности в 8 раз. Иногда производят переключение катушек
вариометра с последовательного соединения на параллельное,
дающее уменьшение индуктивности. Недостатком вариометров
с подвижной катушкой является то, что при уменьшении индук-
тивности весь провод катушек остается включенным в контур.
Изменение индуктивности в широких пределах можно осуще-
ствить плавным изменением числа витков катушки. Для этого
использовались катушки, имевшие ползунок, который мог пере-
мещаться вдоль катушки по виткам, что позволяло изменять
индуктивность через один виток. Но ползунок не давал хороше-
го контакта и замыкал накоротко соседние витки.
Значительно лучшими являются ферровариометры, в кото-
рых индуктивность изменяется перемещением сердечника из
магнитодиэлектрика. В зависимости от конструкции сердечника
получается изменение индуктивности в 5—10 раз. В некоторых
случаях плавное изменение индуктивности осуществляют пере-
мещением в магнитном поле катушки куска диамагнитного ме-
талла в виде диска, «флажка», цилиндра или кольца.
Трансформаторы высокой частоты
Конструкции трансформаторов высокой частоты могут быть
различными. Однослойные катушки наматываются рядом или
вставляются одна в другую (рис. 2.23а и б). При этом полу-
чается коэффициент связи не более 0,5. Увеличить связь можно,
если одну катушку намотать между двумя половинами другой
(рис. 2.23в). Еще больше коэффициент связи (до 0,8) при на-
мотке^витков одной катушки между витками другой катушки
Трансформаторы высокой частоты из двух многослойных
катушек (рис. 2.236) могут иметь ксв до 0,8. В трансформато-
рах высокой частоты часто применяют сердечники из магнито-
диэлектриков. Находясь в промежутке между катушками, они
55
увеличивают коэффициент связи. Для подбора связи изменяют
расстояние между катушками, после чего их закрепляют.
Переменную индуктивную связь иногда устраивают в виде
вариометра по рис. 2.22. Одну его катушку включают в первич-
ный контур, а другую — во вторичный.
Изменение связи от наибольшего до наименьшего значения
получается при повороте подвижной катушки на 90°, например
из положения 1 в положение 2.
Конденсаторы постоянной ёмкости
Основными величинами, характеризующими конденсаторы,
являются1 емкость, стабильность и точность емкости, рабочее
напряжение Upa6, испытательное напряжение Uucn, потери
энергии и сопротивление изоляции.
Емкость указывается в пикофарадах — пф или микрофара-
дах — мкф. Большое значение имеют точность емкости и ее ста-
бильность. Они зависят от конструкции конденсатора. Емкость
конденсатора изменяется по многим причинам. Особенно сильно
влияет нагревание, которое изменяет геометрические размеры
конденсатора и диэлектрическую проницаемость диэлектрика.
Конденсаторы, имеющие невысокую точность и стабильность ем-
кости, применяются только там, где изменение емкости в значи-
тельных пределах не влияет на работу схемы.
На конденсаторах иногда указывается точность емкости, на-
пример, С=500 п0±1О%. Это означает, что отклонение от но-
минальной емкости составляет не более 10%, т. е. не более
50 пф, и, следовательно, емкость лежит в пределах от 450 пф
до 550 пф. Рабочее напряжение — это максимально допустимое
напряжение, при котором конденсатор может работать продол-
жительное время. Величина Upa6 должна быть не меньше ам-
плитудного значения приложенного переменного напряжения, а
при пульсирующем напряжении — не меньше максимального
56
напряжения, равного сумме постоянной составляющей и ампли-
туды переменной составляющей. Сопротивление изоляции кон-
денсатора характеризует величину утечки из-за несовершенства
диэлектрика и имеет величину порядка сотен или тысяч мегом.
Качество конденсаторов характеризуется также величиной
потерь энергии при переменном токе. В хороших конденсаторах
эти потери ничтожны; они значительно меньше, чем в катушках.
Рассмотрим различные типы конденсаторов постоянной ем-
кости, применяемые в колебательных контурах.
Воздушные конденсаторы делаются емкостью не более сотен
пикофарад. Они собираются обычно из алюминиевых пластин
на болтиках с шайбами, создающими воздушный зазор между
пластинами. Конденсатор монтируется на плате из керамики или
другого изолятора. Потери энергии в воздушных конденсато-
рах— наименьшие по сравнению с конденсаторами других ти-
пов. Однако воздушные конденсаторы громоздки и сравнительно
дороги. Их применяют в колебательных контурах передатчиков.
Керамические конденсаторы по качеству несколько уступают
воздушным конденсаторам, но зато они дешевы и имеют малые
размеры. Диэлектриком в них служит специальная керамика,
обладающая малыми потерями при высоких частотах. Обкладки
керамических конденсаторов в виде тонкого слоя серебра нано-
сятся на поверхность керамики и покрываются цветной эмалью.
Эти конденсаторы изготовляются на емкости от единиц до тысяч
пикофарад и на рабочие напряжения в сотни вольт. Они имеют
довольно высокую стабильность, малые потери и большое со-
противление изоляции. Выпускаются конденсаторы различной
формы: дисковые, трубчатые и другие.
Обобый интерес представляют керамические конденсаторы,
которые, в отличие от обычных конденсаторов, при нагревании не
увеличивают, а уменьшают свою емкость. С их помощью можно
скомпенсировать изменение емкости от нагрева и тем самым по-
высить устойчивость частоты контура.
Такие конденсаторы называются термокомпенсирующими и
окрашиваются в голубой, красный или зелёный цвет (или име-
ют на корпусе маркировку соответственно буквами М, Д или
К). Наиболее сильно изменяют свою емкость конденсаторы
зеленого цвета, меньше всего — конденсаторы голубого цвета.
Конденсаторы серого цвета (или с буквой Р) имеют очень ма-
лую зависимость емкости от температуры и их называют термо-
стабильными. У конденсаторов синего цвета (или с буквой С)
емкость при нагреве возрастает. Красная, оранжевая или жел-
тая окраска с синей отметкой означает, что конденсатор сделан
из так называемой сегнетокерамики. Такие конденсаторы име-
ют большую емкость, чем другие типы (при одинаковых раз-
мерах), и сильно изменяют емкость при изменении температуры,
а также при изменении напряжения. Потери в сегнетокерамиче-
57
ских конденсаторах значительны, и поэтому в цепях высокой ча-
стоты их можно применять только в качестве короткозамыкаю-
щих.
Стеклоэмалевые конденсаторы изготовляются на емкости в
десятки и сотни пикофарад и рабочие напряжения в сотни вольт.
Они имеют прямоугольную форму и представляют собой спечен-
ные при высокой температуре слои стеклоэмали и серебра. При
повышении температуры стеклоэмалевые конденсаторы, марки-
рованные буквой О, мало изменяют емкость, конденсаторы с
буквой Р увеличивают емкость, а е буквами М и П уменьшают
емкость (с буквой П в большей степени). Потери в этих конден-
саторах малы, и поэтому они по качествам не уступают кера-
мическим.
Слюдяные конденсаторы, широко применявшиеся в контурах
раньше, почти полностью уступили место керамическим кон-
денсаторам, имеющим более высокие качества. Емкость слюдя-
ных конденсаторов — от десятков до десятков тысяч пикофа-
рад, а рабочие напряжения составляют сотни вольт. Обкладки
делаются из фольги или наносятся на поверхность слюды в ви-
де слоя серебра. Для уменьшения внешних влияний слюдяные
конденсаторы запрессовываются в пластмассу. Они могут иметь
допуск по емкости ±2, ±5, ±10 и ±20%. По температурным
свойствам слюдяные конденсаторы бывают четырех типов, обо-
значаемых буквами А, Б, В, Г. Меньше всего изменяется от на-
грева емкость у конденсаторов группы Г, а наибольшее измене-
ние может быть у группы А.
Бумажные конденсаторы представляют собой свернутые в ру-
лон чередующиеся ленты из фольги и бумаги, пропитанной вазе-
лином (иногда с церезином). Рулон помещается в корпус из кар-
тона, металла или керамики. Эти конденсаторы выпускаются
разных типов на емкости от тысяч пикофарад до нескольких
микрофарад и на рабочие напряжения в сотни вольт. Так как
потери в бумаге сравнительно велики, то бумажные конденса-
торы по качествам хуже слюдяных. Их применяют лишь в це-
пях низкой частоты или для короткого замыкания токов вч. Не-
которые типы бумажных конденсаторов обладают заметной
индуктивностью, и для токов высокой частоты их сопротивление
получается значительным. Поэтому выпускаются безындук-
ционные конденсаторы, в которых ленты из фольги сдвинуты
одна относительно другой и после сворачивания в рулон их
края, находящиеся на разных сторонах конденсатора, обжима-
ются и соединяются с выводными проводниками. Вывод от на-
ружной обкладки такого конденсатора обычно бывает указан,
и его следует соединять с шасси (землей). Допуски по емкости
у бумажных конденсаторов бывают ±5, ±10 и ±20%.
Металлобумажные конденсаторы по своим электрическим
качествам и устройству весьма сходны с бумажными конденса-
58
торами. Но в них нет лент из фольги, а бумажные ленты покры-
ты специальным лаком и с одной их стороны нанесен тонкий
слой металла. Эти конденсаторы имеют емкости от тысяч пико-
фарад до десятков микрофарад и рабочие напряжения в сотни
вольт. По сравнению с бумажными конденсаторами они имеют
гораздо меньшие размеры и обладают свойством самовосста-
новления в случае пробоя диэлектрика, что объясняется рас-
плавлением металлического слоя вокруг места пробоя. В ре-
зультате такого расплавления место пробоя оказывается разъе-
диненным от обкладок.
Пленочные и металлопленочные конденсаторы обладают вы-
сокими качествами и не уступают керамическим конденсаторам.
ир^зоов
Рис. 2.24. Некоторые типы конденсаторов постоянной емкости:
а, б, в) керамические; г) стеклоэмалевый; д) слюдяной;
е, ж) бумажные
Диэлектриком в этом случае является лента из стирофлекса
(полистироловая пленка) или фторопласта. Обкладками слу-
жат: в пленочных конденсаторах — ленты из фольги, в металло-
пленочных— металлические слои, нанесенные на диэлектрик.
Ленты сворачиваются в рулон и спекаются при высокой темпе-
ратуре. Емкость этих конденсаторов бывает от десятков пико-
фарад до целых микрофарад, а рабочие напряжения — от десят-
ков до тысяч вольт. Допуск по емкости может быть от ±1 до
±20%.
На рис. 2.24 показан внешний вид некоторых типов конден-
саторов. Следует отметить, что электролитические конденсаторы
в колебательных контурах и в цепях высокой частоты, как пра-
вило, не применяются и поэтому мы их не рассматриваем.
59
в печатных схемах наиболее широко применяются обычные
конденсаторы, припаянные к соответствующим точкам. Емкости
порядка единиц пикофарад могут быть также созданы между
двумя полосками металла, нанесенными с одной стороны осно-
вания печатной схемы на малом расстоянии друг от друга (доли
миллиметра). Для емкостей в десятки, сотни и тысячи пикофа-
рад применяется нанесение металлических слоев на пластинки
слюды или керамики с большой диэлектрической проницаемо-
стью. Такие пластинки, укрепленные на основании печатной
схемы, незначительно увеличивают ее толщину.
Конденсаторы переменной ёмкости
Конденсаторы переменной емкости для колебательных кон-
туров делаются почти исключительно воздушными.
Имеется несколько различных типов конденсаторов.
Рис. 2.25. Форма пластин и графики настройки
контура для прямоемкостного (а) и среднели-
нейного (б) конденсаторов
Прямоемкостный конденсатор (с полукруглыми пластина-
ми). Форма пластин и графики, показывающие изменение емко-
сти С, частоты f и длины волны X контура, в состав которого вхо-
дит такой конденсатор, даны на рис. 2.25 а. При повороте кон-
денсатора емкость меняется равномерно (график емкости —
прямая линия), а частота — неравномерно. Вначале, т. е. при ма-
лой емкости, частота меняется сильно (кривая идет круто), а
затем все меньше и меньше (график идет более полого). Не-
равномерное изменение частоты создает неудобство для на-
стройки и градуировки контура по частоте.
60
Прямочастотный, прямоволновый и среднелинейный конден-
саторы. Все они имеют удлиненную форму пластин, напоминаю-
щую крыло птицы и несколько различную для каждого типа.
Частота контура, в состав которого входит прямочастотный кон-
денсатор, изменяется равномерно. Прямоволновый конденсатор
дает равномерное изменение длины волны контура. Среднели-
нейный конденсатор, называемый иначе логарифмическим, при-
меняется особенно часто. Форма пластин и графики изменения
емкости, частоты и длины волны контура, в состав которого вхо-
дит такой конденсатор, приведены на рис. 2.25 6. У этих кон-
денсаторов процентное изменение длины волны или частоты
остается постоянным по всей шкале. Если на каком-то делении
шкалы получается длина волны 300 м и поворот на одно деле-
ние дает изменение длины волны на 1 %, т. е. на 3 At, то и на лю-
бом другом делении длина волны изменяется на 1 % при поворо-
те на одно деление. Например, при Х=500 м поворот на одно
деление изменяет волну на 5 м.
В современных приемниках и передатчиках конденсаторы
двух-трех колебательных контуров объединяются в один агре-
гат для настройки этих контуров с помощью одной ручки. Рото-
ры конденсаторов такого агрегата насаживаются на одну ось.
Поэтому они обычно электрически соединены между собой и со
станинами конденсаторов, а от статоров сделаны отдельные
выводы. Трудной задачей при использовании конденсаторных
агрегатов является обеспечение одинаковости настройки всех
контуров. Легче всего это достигается при использовании сред-
нелинейных конденсаторов путем выравнивания начальных ем-
костей контуров с помощью подстроечных конденсаторов. Если
достигнута одинаковая настройка во всех
контурах в начале шкалы, то при сред-
нелинейных конденсаторах резонанс со-
хранится и на остальных частях шкалы.
Конечно, для этого необходимо, чтобы
емкость всех конденсаторов изменялась
одинаково. Так как трудно сделать кон-
денсаторы совершенно одинаковыми, то
нередко крайние пластины ротора дела-
Рис. 2.26. Роторная
пластина с разрезами
для подгонки емкости
ют с радиальными разрезами (рис. 2.26).
При регулировке настройки отдельные секторы разрезной пла-
стины отгибают и тем самым несколько изменяют емкость на тех
или иных участках шкалы, добиваясь резонанса между контура-
ми на всем диапазоне.
Конденсаторы переменной емкости изготовляются на макси-
мальную емкость не свыше нескольких сотен пикофарад. Рабо-
чее напряжение у них зависит от расстояния между пластинами.
Оно может быть от сотен вольт у конденсаторов приемников и
маломощных передатчиков до тысяч вольт у конденсаторов
61
Рис. 2.27. Подстроечные
конденсаторы: а) кера-
мический, б) самодель-
ный из двух проводни-
ков
мощных передатчиков. Минимальная (начальная) емкость со-
ставляет примерно 5—10% от максимальной емкости.
Подстроечные конденсаторы. Эти конденсаторы применяют-
ся, главным образом, для первоначальной настройки контуров.
Имеется много конструкций подстроечных конденсаторов.
В конденсаторе, изображенном на рис. 2.27 а, диэлектриком
служит керамический диск, на поверхность которого нанесен
слой серебра в виде полукруга или сектора, играющий роль ро-
торной пластины. Неподвижное основание конденсатора сдела-
но также из керамики с посеребренной поверхностью, служа-
щей статором. Применяются также ци-
линдрические конденсаторы, имеющие
.одну обкладку в виде трубочки, а другую
4в виде стержня, вдвигающегося внутрь
трубочки. Диэлектриком является воз-
дух или керамика. Иногда подстроечные
конденсаторы делаются в виде миниа-
тюрных прямоемкостных конденсаторов
с небольшим числом пластин. Встречает-
ся также конструкция, в которой подвиж-
ная пластина в виде диска может при-
ближаться с помощью винта к непод-
вижной пластине.
Во многих конструкциях предусматривается крепление под-
строечного конденсатора на шасси таким образом, что статор
или ротор соединяется непосредственно с шасси. Часто под-
строечные конденсаторы крепятся к станине конденсаторного
агрегата.
Любители иногда применяют простейшие самодельные под-
строечные конденсаторы из двух изолированных проводников.
Они либо скручены друг с другом, либо один обмотан вокруг
другого (рис. 2.27 б).
После того, как в процессе налаживания схемы нужная
емкость подобрана, подстроечный конденсатор обычно закреп-
ляют. Для этой цели регулировочный винт или ось ротора часто
закрашивают краской. Максимальная емкость подстроечных
конденсаторов бывает от единиц до сотен пикофарад.
§ 2.11. ПРОСТЕЙШИЙ РАСЧЕТ КОНТУРА И ЕГО ДЕТАЛЕЙ
Расчёт контура делается по формуле Томсона, причем удобно индуктив-
ность выражать в микрогенри, емкость—в пикофарадах и частоту—в килогер-
цах. Величину 2л можно приближенно считать равной 6,25, что дает ошибку
всего лишь 0,5%. Но обычно все равно получается ошибка порядка 5—10%
за счет того, что невозможно учесть точно емкость монтажа, влияние экрана
у катушки и многие другие факторы. Приближенную формулу для расчета
собственной частоты контура можно представить в следующем виде:
160000
V Чмкгн) С(пф)
1кгц
В этой формуле под величиной С следует понимать полную емкость кон-
тура, складывающуюся из емкости конденсатора И емкбстй монтажа. Послед-
нюю ориентировочно принимают равной 204-40 пф.
Пример 1. Найти диапазон волн и частот контура, составленного из ка-
тушки £=40 мкгн и конденсатора с переменной емкостью от 10 до 130 пф.
Ёмкость монтажа равна 30 пф.
Решение. Общая емкость контура меняется от СМин = 40 пф до
Смаке =160 пф, т. е. в 4 раза. Значит X и [ будут изменяться в 2 раза.
Найдем [мак? по величине СМин (или, наоборот, [мин по величине СМаксУ
160 000
Тмакс^ у4о74о
160 000
40
= 4000 кгц.
Отсюда следует, что [мин =2000 кгц. Соответственно диапазон волн
получится от 75 до 150 м.
На практике обычно, имея заданными частоту или длину волны и одну из
величин £ или С, находят вторую Ий них по следующим формулам, в кото-
рых £ выражена в микрогенри, С —й пийофарадах и/—® килогерцах:
25-10° 25-10°
L= [2С ' = /»£
Пример 2. Необходимо построить контур на волны от 30 до 60 м (от
10000 до 50б0 кгц). Имеется конденсатор с пёременной емкостью от 20 до
220 пф. Емкость монтажа 30 пф. Найти индуктивность катушки.
Решение. Изменение полной емкости контура получается от СМШ1 —
=50 пф до Смаке— 250 пф, т. е. в 5 раз. Длина волны и частота будут из-
меняться в У 5 раз, т. е. примерно в 2,2 раза. По заданию требуется из-
менение в 2 раза, а данный конденсатор позволяет изменять частоту в боль-
ших пределах с некоторым запасом примерно в 10%. Поэтому целесообразно
рассчитать индуктивность по величинам С маке и [мин-
25- 10»
£ = — -----—;—- = 4 мкгн.
Б0002-250
Рис. 2.28. Однослойная (а) и многослойная
(б) контурные катушки
Если из-за неизбежной не-
точности расчета. Частота по-
лучится несколько ниже (в
пределах 10%), то все же за-
данный диапазон будет обеспе-
чен. А если частота окажется
несколько выше, то ее можно
понизить, увеличив емкость
контура путем подключения
параллельно небольшого кон-
денсатора. Можно было бы
рассчитать индуктивность по
[макс и Смин, но тогда в слу-
чае, если фактическая частота
была бы ниже заданной, при-
шлось бы для ее повышения уменьшить индуктивность или емкость контура,
что сделать труднее.
Индуктивность однослойной катушки удобно рассчитывать по формуле
_ 0,01 £>а>°
^(зскги) ~ >
- + 0,44
где D и I — соответственно диаметр и длина намотки в сантиметрах
(рис. 2.28 а) и w — число витков.
63
Пример 3. Найти индуктивность катушки, имеющей 0=2 см, ем
и w=50.
r 0.01-2-502 БО
Решение. ь = —------------- = = 20,5 мкгч.
4 2 44
— + 0,44
Если индуктивность известна, то приходится, задавшись определенными
размерами катушки I и О, находить число витков по формуле
------5—
Затем определяется диаметр провода с изоляцией
Желательны такие размеры катушки, чтобы отношение было от
0,2 До 2 (его значение, при котором добротность катушки наибольшая,
равно 0,4).
Пример 4. Найти число витков и диаметр провода для катушки с £=
= 10 мкгн, 1=3 см и D—2 см.
Решение.
if 10(1,5 + 0,44) 30
w>= 10 у -------g-----= 33 витка- das = -33- = 0,9 мм.
Если провод будет тоньше, то его надо мотать с промежутками между
витками (принудительным шагом), чтобы длина намотки была 3 см.
Расчет индуктивности многослойных катушек можно сделать по формуле
0,08 Р2а>2 '
(лиги) — 3D+96+Юс ’
где D, b нс — соответственно средний диаметр, длина и толщина намотки
в сантиметрах и w — число витков (рис, 2.28 6). Если измерены максималь-
ный и минимальный диаметры катушки DMaKC и DMUH, то
г. &макс + &мин Омакс — DMall
U =--------------- с = --------------------
2 2
Приведенная формула непригодна для расчета числа витков при задан-
ной индуктивности, так как в этом случае неизвестны величины D и с.
Определение числа витков можно делагь с помощью приближенной формулы
для индуктивности многослойной катушки
^"(млгя) = 0,01 DMllH кА
Эта формула дает несколько преуменьшенный результат. Из нее
следует
' имип .
Число витков по этой формуле получается преувеличенным, и, следова-
тельно, подгонку индуктивности можно будет делать, сматывая несколько
витков.
64
Пример 8. Найти индуктивность многослойной катушки, имеющей раз-
меры DMUH =1.4 см. DMaKC =2.6 см. 6 = 1,1 см. ш=200.
Решение. Находим D и с:
1,4 + 2,6 „
D =---------— 2 см\
2,6—1,4
------— = 0,6 см.
2
0,08-22-2002 12 800
Тогла L =-------------------=-------— — 580 мкгн.
югда ь 3-2 + 91,1+ 10-0,6 22
По приближенной формуле получается 1=0,01 • 1,4 • 2002=560 мкгн.
Пример 6. Найти число витков многослойной катушкн, которая должна
иметь 1=200 мкгн при DMUIt=2 см.
1/200 .
Решение, и =10 I/ -g" = 100 витков.
Под влиянием экрана индуктивность уменьшается на 10—20%. При на-
личии экрана в расчете числа витков следует брать L на 10—20% больше
заданной.
§ 2.12. ВОПРОСЫ И ЗАДАЧИ
1. Какие колебания называются свободными и каковы их свойства?
2. Объясните процесс свободных колебаний в колебательном контуре.
3. От чего зависят амплитуда и частота свободных колебаний в контуре?
4. Почему свободные колебания могут быть только затухающими?
5. Почему колебания не могут происходить в контуре, составленном из
конденсатора и активного сопротивления?
6. Что такое добротность контура и какова она для хороших контуров?
7. Чем объясняется сдвиг фаз на 90° между током и напряжением в ко-
лебательном контуре?
8. Где находится энергия в контуре, если от начала разряда конденсато-
ра на катушку прошел промежуток времени, равный 1/8 периода?
9. Что произойдет с частотой и длиной волны свободных колебаний кон-
тура, если индуктивность £ уменьшить в 9 раз, а емкость контура одновре-
менно уменьшить в 4 раза?
10. Составить схему колебательного контура с постоянным конденсато-
ром, вариометром для плавной настройки и дополнительной катушкой с
отводами и переключателем для грубой настройки.
11. Как сделать свободные колебания в контуре незатухающими?
12. Контур имеет собственную частоту /о=2000 кгц. К нему присоединен
генератор переменной эдс, имеющий частоту /=2500 кгц. Какова будет час-
тота колебаний в контуре?
13. В чем отличие вынужденных колебаний от свободных?
14. В чем заключается явление резонанса?
15. Что надо сделать, чтобы при резонансе напряжений получить воз-
можно большие напряжения на катушке и на конденсаторе?
16. Можно ли получить резонанс напряжений в контуре, не включая в него
непосредственно генератор переменной эдс?
17. Что показывает кривая резонанса?
18. В контуре наблюдается резонанс напряжений. Данные контура: xL =
=хс =800 ом, г=40 ол. Напряжение генератора (7=10 в. Найти ток в кон-
туре и напряжения на £ н на С.
19. Подсчитать сопротивление контура для генератора в случае резонанса
токов, если данные контура следующие: £=150 мкгн, С=200 пф и г=25 ол:.
20. В каком случае контуры называют связанными?
5—2607 65
21. Почему в катушках высокочастотных контуров применяют сердечники
из магнитодиэлектриков, а не из стали?
22. Какая связь двух контуров называется критической?
23. Какие особенности имеют кривые резонанса связанных контуров?
24. Почему экраны на катушках увеличивают их активное сопротивление?
25. Можно ли для устранения паразитной емкостной связи поместить
между катушками трансформатора высокой частоты сплошной медный экран?
26. Как изменится частота собственных колебаний контура, если увели-
чить число витков катушкн?
27. Что надо сделать, чтобы резонанс в контуре был более острым?
28. Как нужно изменить индуктивность контура, чтобы длина волны его
увеличилась в 4 раза?
29. Почему индуктивная связь наименьшая, если витки катушек первичного
и вторичного контуров расположены под прямым углом друг к другу?
30. Как определить из кривой резонанса контура его полосу пропускания?
31. Объясните уменьшение индуктивности катушки под влиянием экрана.
32. Как влияет на индуктивность катушки сердечник из магнитодиэлек-
трика?
33. Для чего применяются в контурах подстроечные конденсаторы?
34. Как осуществить индуктивную связь между контурами, у которых ка-
тушки находятся иа значительном расстоянии друг от друга? Нарисовать
схему.
35. Какую полосу пропускания должен иметь колебательный контур для
различных видов радиопередачи?
36. Один контур настроен на волну 300 м, а другой — на волну 6 м. Доб-
ротность у обоих контуров равна 50. Найти полосу пропускания каждого
контура.
37. Как влияет сопротивление, шунтирующее контур, на добротность кон-
тура и его резонансные свойства?
38. Как влияет внутреннее сопротивление генератора, питающего парал-
лельный контур, на резонансные свойства этого контура?
39. Что такое вносимое сопротивление?
ГЛАВА 3
ЛИНИИ, ВОЛНОВОДЫ И ОБЪЕМНЫЕ РЕЗОНАТОРЫ
§ 3.1. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ
Если по проводу проходит переменный ток, то вокруг про-
вода возникают переменные электрическое и магнитное поля,
образующие вместе электромагнитное поле, представляющее
собой особый вид материи.
Электромагнитное поле, движущееся в пространстве, иначе
называется электромагнитной волной. Радиоволны являются
именно такими электромагнитными волнами.
Раздельно друг от друга переменные электрическое и маг-
нитное поля существовать не могут. Всякое изменение электри-
ческого поля вызывает появление переменного магнитного поля,
и, наоборот, всякое изменение магнитного поля вызывает появ-
ление переменного электрического поля. Нельзя называть элек-
тромагнитным полем постоянные электрическое и магнитное по-
ля, существующие одновременно в каком-либо месте простран-
ства. В этом случае оба поля самостоятельны и не имеют взаи-
модействия между собой. А электромагнитное поле является со-
четанием равноправных переменных электрического и магнитно-
го полей, взаимодействующих друг с другом, как бы поддержи-
вающих друг друга.
Электромагнитное поле всегда движется в пространстве со
скоростью, равной
с
V = --- ,
где е и р — соответственно диэлектрическая и магнитная про-
ницаемости среды, заполняющей данное пространство, ас —
скорость распространения электромагнитного поля в безвоздуш-
ном пространстве, составляющая 300000 км)сек. Для воздуха
можно считать е= 1, ц= 1 и тогда v~c.
Взаимная связь между переменными электрическим и маг-
нитным полями объясняет причину движения электромагнитно-
го поля в пространстве. Изменения электрического поля созда-
ют в окружающем пространстве магнитное поле, которое не
остается постоянным, а меняется, так как меняется создавшее
5* 67
его электрическое поле. Но изменяющееся магнитное поле, в
свою очередь, создает вокруг себя электрическое поле, которое
тоже изменяется и создает опять магнитное поле и т. д. Таким
образом, электромагнитное поле представляет колебательный
процесс, захватывающий все новые части пространства.
При своем распространении электромагнитное поле теряет
связь с проводом, вокруг которого оно первоначально созда-
лось. Можно выключить ток в проводе, но электромагнитная
волна будет продолжать свое движение в пространстве.
Электромагнитные волны несут с собой энергию, полученную
от тока в проводе. Радиоволны распространяются от провода с
переменным током во все стороны подобно лучам света, которые
также являются одним из видов электромагнитных волн. При-
нято говорить, что провод с переменным током излучает элек-
тромагнитные волны в пространство. Чем больше мощность пе-
ременного тока в проводе, тем больше энергия излучаемых
волн. Еще сильнее зависит эта энергия от частоты. При повы-
шении частоты в 2, 3, 4 и т. д. раза энергия излучаемых волн
возрастает соответственно в 4, 9, 16 и т. д. раз, т. е. она пропор-
циональна квадрату частоты. Эффективное излучение электро-
магнитных волн возможно только в случае, когда длина прово-
да соизмерима с длиной волны. Низким частотам соответству-
ют очень длинные волны; например, переменному току электри-
ческой сети, имеющему частоту 50 гц, соответствует длина вол-
ны 6 000 000 м, или 6000 км. Таким образом, излучение на этой
частоте может быть эффективным только при длине провода
в сотни и тысячи километров. Отсюда ясно, что при сравнитель-
но небольшой длине проводов токи низкой частоты практически
дают ничтожное излучение электромагнитных волн по сравне-
нию с токами высокой частоты. Для получения мощного излу-
чения и передачи электромагнитных волн на большие расстоя-
ния необходимо применять токи высокой частоты порядка сотен
тысяч и миллионов герц.
Электромагнитные волны свободно распространяются в без-
воздушном пространстве. Но было бы неправильно считать, что
электромагнитные волны есть движение энергии в пустоте, так
как в природе нет пустоты и нет энергии без материи. В свете
последних достижений науки можно утверждать, что электро-
магнитные волны представляют собой движущуюся материю.
В прошлом некоторые ученые предполагали, что все безвоз-
душное пространство и все промежутки между частицами обыч-
ных веществ заполнены особым видом материи — «мировым
эфиром», а электромагнитные волны являются колебательным
процессом в этом мировом эфире. Современная физика отвергла
существование мирового эфира; однако до сих пор иногда ус-
ловно говорят, что радиостанция излучает волны «в эфир», что
радиоволны распространяются «в эфире» и т. д.
68
Рассмотрим подробнее некоторые свойства электромагнит-
ного поля и составляющих его электрического и магнитного
полей.
В электромагнитном поле электрические и магнитные сило-
вые линии взаимно-перпендикулярны. Магнитные силовые ли-
нии являются замкнутыми, охватывающими либо проводник
с током, либо переменное электрическое поле. Электрические
силовые линии либо идут от одного электрического заряда к
другому, либо представляют собой замкнутые линии, охваты-
вающие переменное магнитное поле. Магнитные силовые линии
у поверхности проводника с током параллельны этой поверхно-
сти. Электрические силовые линии не могут идти около поверх-
ности идеального проводника вдоль нее, а всегда перпендику-
лярны к этой поверхности. Последнее свойство требует поясне-
ния. Если имеется идеальный проводник, не обладающий со-
противлением, то при прохождении тока в нем не образуется
падения напряжения. Все его точки имеют один и тот же потен-
циал. Значит, вдоль его поверхности электрические силовые
линии идти не могут, так как они всегда проходят через точки
с разными потенциалами.
Два последних свойства определяют структуру электромаг-
нитного поля около поверхности проводника, т. е. на границе
между проводником и окружающим его пространством. Поэто-
му их называют граничными условиями. Электромагнитное поле
вблизи поверхности проводника всегда имеет такую структуру,
при которой выполняются эти граничные условия.
Электромагнитные волны, распространяющиеся в свободном
пространстве или вдоль двухпроводной линии, являются попе-
речными. У них электрические и магнитные силовые линии ле-
жат в плоскости, перпендикулярной к направлению распростра-
нения волны, т. е. в поперечной плоскости. Иначе говоря, у та-
кой волны направления сил магнитного и электрического полей
находятся в плоскости, перпендикулярной к направлению дви-
жения волны.
Сила поля характеризуется величиной напряженности поля,
являющейся вектором. Как известно, векторами называют ве-
личины, имеющие не только числовое значение, но и определен-
ное направление. Принято векторы изображать на чертежах
стрелками, причем длина стрелки может показывать числовое
значение вектора в каком-либо масштабе, а направление стрел-
ки должно соответствовать направлению действия данного век-
тора. Вектор напряженности поля в данной точке всегда на-
правлен по касательной к силовой линии, проходящей через эту
точку. На рис. 3.1 изображены для поперечной волны векторы
напряженности электрического поля Е, напряженности магнит-
ного поля Н и скорости распространения волны v. Взаимное
расположение этих векторов для поперечной волны подчиняет-
69
ся следующему правилу: если вращать винт по кратчайшему
расстоянию от Е к Н, то его поступательное движение покажет
направление вектора v (рис. 3.1).
Иногда изображают стрелками только два вектора, напри-
мер Е и Н, а третий вектор, перпендикулярный к плоскости чер-
тежа, показывают в виде крестика, если он направлен от нас,
или в виде точки, если он направлен на нас (рис. 3.2).
Рис. 3.1, Взаимное располо-
жение векторов Е, Н и о в по-
перечной электромагнитной
волне
Волна движется Волна движется
на нас от нас
Рис. 3.2. Другой способ изо-
бражения векторов Е, Н и о
Следует помнить, что в электромагнитной волне векторы Е
и Н в каждой точке пространства непрерывно изменяют свою
величину (например, по синусоидальному закону). Векторы Е и
Н изменяются также и вдоль направления распространения
волны.
От величин Е и Н зависит мощность электромагнитной вол-
ны. Если выражать Е в вольтах на метр и И в амперах на метр,
то их произведение дает мощность в ваттах потока энергии, пе-
реносимой электромагнитной волной через 1 м2 поперечного
сечения волны. Произведение векторов Е и И называют векто-
ром Пойнтинга и измеряют в ваттах на квадратный метр. По
направлению этот вектор совпадает с вектором &’)•
§ 3.2. БЕГУЩИЕ ВОЛНЫ В ЛИНИЯХ
Проволочная линия или любой провод является электриче-
ской цепью с распределенными параметрами. В отличие от элек-
трических цепей с сосредоточенными параметрами, в которых
индуктивность сосредоточена в катушках, а емкость — в конден-
саторах, у линий каждый участок провода обладает емкостью,
индуктивностью и активным сопротивлением. Эти параметры в
линии распределены вдоль всего провода.
Электрические цепи с сосредоточенными параметрами обыч-
но имеют малые размеры по сравнению с длиной волны. Напря-
') Впервые вопрос о мощности потока энергии разработал русский уче-
ный Н. А. Умов в 1874 г.
70
жение и ток в них распространяются за промежутки времени, во
много раз меньшие, чем период колебаний. Поэтому процессы
в таких цепях рассматриваются только во времени. А линии
имеют длину такого же порядка, как длина волны, и время рас-
пространения тока и напряжения в них получается такого же
порядка, что и период колебаний. Вследствие этого в линиях
приходится изучать процессы не только во времени, но и в про-
странстве.
Линии, служащие для передачи электромагнитных колеба
ний высокой частоты, принято называть длинными' линиями
в отличие от коротких линии,
длина которых много меньше
длины волны. С этой точки
зрения линия электропередачи
длиной 100 км, работающая
на частоте 50 гц, является ко-
роткой, так как при столь низ-
кой частоте длина волны со-
ставляет 6000 км. Зато линия,
имеющая длину 1 м, при ча-
стоте 100 Мгц считается длин-
ной, потому что длина волны в
этом случае равна 3 м. В ра-
диотехнике целесообразно из-
мерять длину линий не линей-
ными мерами, а длиной волны.
Тогда сразу ясно, что линии,
имеющие длину 1/4 Л, 1/2 X,
2 Л, 5Л и т. д., т. е. сравнимые
с длиной волны, являются
длинными.
Следует уточнить понятие
о поперечных размерах линии.
Принято считать линией толь-
ко такую систему из двух па-
раллельных проводов,
расстояние
ше длины волны.
Wltrtfiffl--------------------у
00-----------------------------
+ Я" ~~
Рис. 3.3. Бегущая волна в линии
которая имеет поперечные размеры, т. е
между проводами и толщину проводов, много мень-
Когда к линии подключен генератор переменной эдс
(рис. 3.3), то вдоль линии двигается бегущая волна. Она пред-
ставляет собой распространение электромагнитного поля в од-
ном направлении, в данном случае от генератора к концу ли-
нии.
Скорость распространения бегущей волны вдоль линии опре-
деляется по формуле
71
где Ц и Ci — погонные индуктивность и емкость линии, т. е.
индуктивность и емкость, выраженные в генри и фарадах на
единицу длины.
Величины Lt и Ci зависят от конструкции линии. Чем боль-
ше поверхность проводов линии и чем меньше расстояние меж-
ду ними, тем больше погонная емкость С! и тем меньше погон-
ная индуктивность Li. Обычно Lt имеет порядок единиц микро-
генри на метр, a Ci составляет несколько пикофарад на метр.
Для воздушной линии, между проводами которой изолято-
ром является воздух, произведение LiCt всегда имеет значение
Ц-, где с — скорость света в безвоздушном пространстве, рав-
С*
ная 3-108 м/сек. Поэтому v—c, т. е. скорость распространения
бегущих волн вдоль воздушной линии равна скорости света.
В такой линии при изменении емкости Сь например, путем из-
менения диаметра проводов или расстояния между ними индук-
тивность L] всегда изменяется в обратную сторону, так что про-
изведение LtC\ остается постоянным, а следовательно, и ско-
рость распространения в любом случае равна 3-108 м/сек.
При наличии твердой изоляции между проводами или изоля-
торов, поддерживающих провода, скорость v уменьшается. Дей-
ствительно, если между проводами имеется диэлектрик, то по-
гонная емкость возрастет, но индуктивность не изменится; про-
изведение LiCi увеличится и скорость распространения v умень-
шится.
Зависимость скорости распространения от диэлектрической
и магнитной проницаемостей среды, окружающей провода,
определяется формулой, приведенной в предыдущем параграфе.
При распространении бегущей волны вдоль линии в прово-
дах возникает колебание электронов, которое передается даль-
ше, захватывая новые, более удаленные участки линии. Вдоль
линии распространяются переменный ток и переменное напря-
жение. В каждой точке провода ток и напряжение (относи-
тельно другого провода или относительно земли) изменяются
во времени. Но вместе с тем колебательный процесс передается
вдоль линии от одних ее точек к другим.
Бегущую волну, представляющую собой распространение
механических колебаний, можно наглядно получить на опыте
с длинной веревкой. Если один ее конец привязать, а другой
встряхнуть, то по веревке «пробежит» волна.
Распространение бегущей волны можно изобразить графи-
чески. Рассмотрим такой график для одного провода. В другом
проводе происходит такой же процесс с обратной фазой. При-
мем провод за нулевую ось и будем в некотором масштабе от-
кладывать под прямым углом к проводу величину напряжения.
Тогда бегущая волна для разных моментов времени может быть
изображена так, как показано на рис. 3.3.
72
Пусть в момент включения напряжение генератора имеет
амплитудное значение. Так как в этот момент волна еще не
успела распространиться вдоль провода, то никакого напряже-
ния и тока в линии еще нет (рис. 3.3 а). Через четверть периода
волна распространится на расстояние, равное четверти длины
волны, и амплитуда напряжения будет на таком же расстоя-
нии от генератора. Но в самом начале линии в этот момент на-
пряжение уже равно нулю (рис. 3.3б), так как к этому времени
до нуля уменьшилось напряжение генератора. Еще через чет-
верть периода напряжение генератора, т. е. в начале линии,
опять станет наибольшим, но с обратным знаком, а волна прой-
дет вдоль линии расстояние, равное ’/г Л (рис. 3.3в). На
рис. 3.3г и б показано распределение напряжения в линии в мо-
менты времени /=3/4 Т и t=T после начала процесса. Кроме
того, на рис. 3.3 б штрихом изображено распределение напря-
жения для нескольких следующих моментов.
Надо помнить, что при таком графическом изображении вол-
ны вдоль горизонтальной оси отложено не время, а расстояние.
Каждая синусоида, показанная на рис. 3.3, изображает распре-
деление напряжения вдоль линии для некоторого момента вре-
мени. Для следующего момента кривая будет смещена вдоль
оси, так как волна распространяется от генератора. Можно по-
казать графически изменение напряжения во времени для ка-
кой-нибудь точки линии. Оно также изображается синусоидой,
но вдоль горизонтальной оси должно быть отложено время. Это
будет график колебания, а не бегущей волны.
При бегущей волне изменения тока и напряжения совпада-
ют по фазе. Если в какой-либо точке линии в данный момент
напряжение наибольшее, то и ток наибольший, а через чет-
верть периода в этой точке и ток и напряжение будут равны
нулю. Поэтому кривые на рис. 3.3 вместе с тем изображают
в другом масштабе и распределение тока.
Напряжение (разность потенциалов) связано с наличием
электрического поля, а ток всегда сопровождается магнитным
полем. В том месте линии, где напряжение наибольшее, и элек-
трическое поле наиболее сильное, а магнитное поле сильнее
всего там, где ток имеет наибольшее значение. Так как у бегу-
щей волны ток и напряжение совпадают по фазе, то изменения
электрического и магнитного полей также совпадают по фазе.
На рис 3.4 показаны электрическое и магнитное поля для попе-
речного разреза линии и распределение этих полей вдоль линии.
Ясно, что кривые на рис. 3.3 показывают распределение вдоль
линии не только напряжения и тока, но также электрического
и магнитного полей.
Для каждой линии отношение амплитуды напряжения бегу-
щей волны Um к амплитуде тока бегущей волны 1т или отноше-
ние их действующих значений (U, I) является постоянной вели-
73
чиной. Она называется волновым сопротивлением линии Zo и
зависит от конструкции линии.
Чем больше емкость линии, тем больше ток, возникающий
в ней под действием данного напряжения, подобно тому, как
возрастает зарядный ток конденсатора при увеличении его ем-
кости. А при увеличении индуктивности линии ток уменьшает-
ся за счет возросшего противодействия эдс самоиндукции.
Отсюда следует, что волновое сопротивление уменьшается при
Магнитное
поле
Электрическое Распределение полей Вдоль линии
поле
Рис. 3.4. Электрическое и магнитное поля в линии
увеличении емкости линии и возрастает при увеличении ее ин-
дуктивности. Математически это выражает формула
Zo
У линий из двух одинаковых параллельных проводов вели-
чина Zo обычно составляет сотни ом. При увеличении диаметра
проводов и уменьшении расстояния между ними Ct растет, а
Li уменьшается, и поэтому Zo также уменьшается.
Так как напряжение и ток в бегущей волне совпадают по
фазе, то волновое сопротивление следует считать активным.
Мощность бегущей волны также является активной и опреде-
ляется формулой
/га
P=/t7 = Z2Z0 = 4-.
Для получения режима бегущей волны нужно в конце линии
включить активное сопротивление R, равное волновому сопро-
тивлению Zo (рис. 3.5). Тогда вся мощность бегущей волны по-
глощается в этом сопротивлении и энергия все время безвоз-
вратно уходит от генератора. В этом случае говорят, что линия
согласована с нагрузочным сопротивлением.
Важной величиной является входное сопротивление линии
Zex, т. е. сопротивление линии для питающего генератора.
Оно равно отношению напряжения и тока в начале линии. В за-
висимости от значения Zex генератор работает в том или ином
74
режиме и отдает в линию большую или меньшую мощность.
Для режима бегущей волны входное сопротивление является
активным и равно волновому сопротивлению линии
' 7 = 7
^вх — ^0"
В каждой линии имеются потери энергии. Поэтому ампли-
туды тока и напряжения бегущей волны по мере удаления ее
от генератора уменьшаются, т. е. волна при своем распростра-
нении вдоль линии затухает. Существует ряд причин, вызываю-
щих потери энергии в линии. Ток нагревает провода. Перемен-
ное электрическое поле нагревает изоляторы. Часть энергии
Рис. 3.5. Нагрузка линии для получения ре-
жима бегущих волн
уходит с излучаемыми в пространство электромагнитными вол-
нами. В проводниках, расположенных вблизи линии, например
в земле, других линиях, металлических крышах и т. д., под дей-
ствием электромагнитного поля линии индуктируются токи,
которые создают расход энергии. В изоляторах возникают токи
утечки, а при высоких напряжениях наблюдается стекание
электрических зарядов в воздух, сопровождающееся свечением
(явление «короны»),
У правильно построенных линий в режиме бегущей волны
потери энергии незначительны, так что ими во многих случаях
пренебрегают. Теория работы такой идеальной линии гораздо
проще, чем теория процессов в линии с потерями. Практически
коэффициент полезного действия (кпд) линии, равный отноше-
нию мощности в конце линии к мощности в ее начале, при ре-
жиме бегущей волны получается достаточно высоким (порядка
80—95%) даже при значительной длине линии. Далее, если нет
оговорок, мы будем рассматривать идеальные линии.
§ 3.3. ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ЛИНИЙ
Применяются два основных типа линий: линия из двух оди-
наковых параллельных проводов, которую для краткости назы-
вают симметричной, и коаксиальная линия.
Достоинствами симметричной линии являются простота
устройства и симметричность, которая в некоторых случаях не-
обходима, например, если линия связана с симметричной антен-
75
ной. Недостатком симметричной линии является антенный эф-
фект, т. е. способность излучать и принимать волны.
Хотя токи в проводах симметричной линии имеют противо-
положное направление, все же некоторое излучение волн есть,
так как провода находятся на расстоянии друг от друга и ком-
пенсация их полей получается неполной. Чем больше расстоя-
ние между проводами, тем сильнее излучение и тем лучше ли-
ния принимает волны.
Симметричная линия должна иметь хорошую изоляцию про-
водов друг от друга и каждого провода от земли. Для сохране-
ния симметричности линии важно, чтобы ее провода были оди-
наково расположены относительно земли и различных местных
предметов
Рис. 3.6. Коаксиальная линия
Волновое сопротивление симметричной линии Zo зависит от
отношения расстояния между центрами проводов b к диаметру
провода d. Например, для b/d=4 получается Zo=250 ом, а
для bfd=l§ величина Zo возрастает до 600 ом.
Если требуется симметричная линия с меньшим волновым
сопротивлением, то ее делают из двух плоских лент. Значение
Zo такой линии зависит от отношения ширины ленты D к рас-
стоянию между лентами Ь. Для Dfb=\ величина Zo составляет
150 ом, а для Dlb—’З она снижается до 20 ом. Приведенные
значения Zo относятся к воздушным линиям. При наличии твер-
дой изоляции потери в линии возрастают, а скорость распро-
странения волн и волновое сопротивление уменьшаются в Vе
раз, где е — диэлектрическая проницаемость изоляции. Обычно
уменьшение получается примерно в 1,5—1,8 раза.
Широкое применение нашла коаксиальная линия. Она со-
стоит из внутреннего провода, вокруг которого располагается
внешний провод в виде трубки (рис. 3.6). В гибких кабелях
этим проводом является оплетка из медных проводов, обычно
покрытая оболочкой из пластмассы. Между внутренним и внеш-
ним проводами находятся изоляторы в виде шайб из высокоча-
стотной керамики или пластмассы. Иногда все внутреннее про-
странство заполняется гибкой пластмассой.
Коаксиальная линия является несимметричной. По своему
устройству она сложнее и дороже, чем симметричная линия, но
76
зато имеет ряд преимуществ. Потери энергии на излучение в та-
кой линии практически отсутствуют, так как электромагнитное
поле находится только внутри линии. На рис. 3.6 б показаны
для коаксиальной линии электрические силовые линии, идущие
радиально, и магнитные силовые линии в виде концентрических
окружностей. Внешний провод является экраном, и поэтому ко-
аксиальная линия не излучает и не принимает волны, т. е. не
обладает антенным эффектом. Весьма удобно также то, что ток
высокой частоты во внешнем проводе проходит только по его
внутренней поверхности. Внешняя поверхность не несет на себе
тока и имеет нулевой потенциал. Ее не требуется изолировать
от земли, что облегчает прокладку линии.
Следует отметить, что потери в проводах коаксиальной ли-
нии меньше, чем в проводах симметричной линии. Это объясня-
ется тем, что активное сопротивление внешнего провода коакси-
альной линии, благодаря его большой поверхности значительно
меньше, нежели у обычных проводов.
Волновое сопротивление коаксиальной линии зависит от от-
ношения диаметров D/d обоих проводов. Чем меньше это отно-
шение, тем больше емкость линии и тем меньше волновое соп-
ротивление. Например, для воздушной коаксиальной линии при
D/d=l,5 величина Zo составляет 25 ом, а при Dfd=b она воз-
растает до 125 ом. Уменьшение Zo из-за наличия изолирующих
шайб получается примерно на 15%, а от сплошной изоляции —
в 1,5—1,8 раза. В большинстве случаев коаксиальные высоко-
частотные кабели делаются с волновым сопротивлением от 50
до 75 ом.
§ 3.4. СТОЯЧИЕ ВОЛНЫ В ЛИНИЯХ
Режим бегущей волны получается в линии только в случае,
если она нагружена на активное сопротивление, равное волно-
вому. При ином значении нагрузочного сопротивления в линии
получается более сложный процесс. Рассмотрим случай, когда
линия разомкнута на конце, т. е. когда нагрузочное сопротивле-
ние бесконечно велико. Так как в конце разомкнутой линии нет
нагрузочного сопротивления, энергия бегущей волны не может
быть поглощена в конце линии, но волна не может и продол-
жать удаляться от генератора, потому что линия обрывается.
Бегущая волна, дойдя до конца разомкнутой линии, отражает-
ся и двигается обратно к генератору. Таким образом, в линии
распространяются две бегущие волны: одна—падающая — дви-
жется от генератора к концу линии, а другая — отраженная —
движется в обратном направлении.
Физически процесс отражения можно объяснить следующим
образом. Когда падающая волна доходит до конца линии, то
там начинают накапливаться заряды, а следовательно, возни-
77
кает дополнительная разность потенциалов. Она действует по-
добно напряжению некоторого генератора и возбуждает в линии
новую бегущую волну, движущуюся от конца линии к ее нача-
лу, т. е. отраженную волну.
Пренебрегая потерями в линии, можно считать, что энер-
гия отраженной волны равна энергии падающей волны. В ре-
зультате сложения двух волн, имеющих одинаковые амплитуды
и движущихся навстречу друг другу, возникают так называемые
стоячие волны, которые резко отличаются от бегущих волн.
На рис. 3.7 показано сложение падающей и отраженной
волн напряжения для некоторого момента времени. Для приме-
ра взят момент, когда амплитуда падающей волны находится
на расстоянии 1/8 Л от конца линии. Штрихом изображено про-
должение падающей волны, которое существовало бы, если бы
линия не обрывалась. Если эту штриховую синусоиду перегнуть
на 180° вокруг вертикальной оси, проходящей через конец ли-
нии, т. е нарисовать в обратную сторону, то она будет изобра-
жать отраженную волну. Отраженная волна является продол-
жением падающей волны, но только движется от конца линии к
генератору. Суммарное напряжение падающей и отраженной
волн показано жирной линией. Оно имеет наибольшее значение
в точках 77i и 77г (на конце линии и на расстоянии 1/2 Л от кон-
ца). В точках У1 и У2 на расстояниях 1/4 X и 3/4 X от конца ли-
нии это напряжение равно нулю.
В любой другой момент падающая и отраженная волны
складываются так, что в точках и П2 напряжение будет на-
ибольшее, а в точках Уг и У2 — равно нулю. Например, через
одну восьмую периода падающая волна сдвинется вправо на
1/8 Л и в точке <У| будет ее нулевая фаза, а отраженная волна
сдвинется на 1/8 Л влево и в точку У1 придет ее нулевая фаза.
Ясно, что в точке У1 суммарное напряжение опять равно нулю,
78
Рис. 3.8. Распределение напряжения
вдоль линии при стоячей волне для раз-
ных моментов времени
а в точках 77i и П2 напряжение будет наибольшее и равно двой-
ной амплитуде бегущей волны.
Точки <У| и У2, в которых напряжение всегда равно нулю, на-
зываются узлами напряжения, а точки наибольшего напряже-
ния nt и П2 называются пучностями. Узлы и пучности остаются
в одних и тех же точках линии, и вся суммарная волна «стоит
на месте». Поэтому ее и назвали стоячей волной.
Стоячую волну можно получить на опыте с веревкой, если
один ее конец непрерывно качать и посылать к закрепленному
концу бегущие волны, которые будут отражаться от места креп-
ления.
Характер распределения напряжения вдоль линии при стоя-
чей волне не изменяется с течением времени. В разные моменты
времени изменяется только величина напряжения в каждой точ-
ке линии. На рис. 3.8 пока-
зано распределение напря-
жения вдоль разомкнутой
линии для нескольких раз-
личных моментов времени
на протяжении одного полу-
периода. Кривая / соответ-
ствует фазе, когда напря-
жение в линии наибольшее.
Далее напряжение стано-
вится меньше (кривые 2 и
3). Через четверть периода
(прямая 4) напряжение во
всей линии равно нулю. Затем оно меняет знак и возрастает
(кривые 5 и б). Через полпериода после начала процесса напря-
жение снова достигает амплитудного значения (кривая 7), но с
обратным знаком. В каждой точке линии напряжение колеблет-
ся по синусоидальному закону, причем амплитуда этого колеба-
ния для разных точек различна. Для пучностей амплитуда наи-
большая, равная двойной амплитуде бегущей волны, для дру-
гих точек она меньше и, наконец, для узлов она равна нулю.
Все сказанное относится и к току. Но отраженная волна тока
движется от конца линии с противоположной фазой. Действи-
тельно, электроны, дойдя до конца линии, дальше не могут пе-
ремещаться и двигаются обратно. Это означает, что ток изменя-
ет знак. В результате на конце линии суммарный ток равен
нулю, т. е. получается узел тока.
Таким образом, в стоячей волне узлы тока получаются там,
где пучности напряжения, а пучности тока находятся в узлах
напряжения. Иначе говоря, стоячая волна тока сдвинута на
1/4 Л относительно стоячей волны напряжения. Графически это
изображено на рис. 3.9 двумя кривыми. Кривая тока дана
сплошной линией, а кривая напряжения — штрихом.
79
Амплитуда напряжения в пучности Uny4, равная двойной
амплитуде напряжения бегущей волны 2 Um, пропорциональна
амплитуде тока в пучности !пуч, которая равна двойному зна-
чению амплитуды тока бегущей волны 2 1т. Отношение этих ве-
личин есть волновое сопротивление Zo;
2U
или Unyil = Iny4Z0.
£ 'т
т-
/ а-
' Коней
пинии
и напряже-
линии
Рис. 3.9. Изображение сто-
ячих волн тока
ния в
1пуч
Мощность стоячей волны является реактивной, так как энер-
гия не расходуется (линию мы считаем идеальной). Действи-
тельно, как уже говорилось, во времени ток и напряжение име-
ют сдвиг фаз на четверть периода, т. е. на 90°. Если в какой-то
момент в линии напряжение имеет амплитудное значение, то в
это время ток везде равен нулю. Через четверть периода напря-
жение по всей линии уменьшится до
нуля, а ток дойдет до амплитудного
значения.
Кривые рис. 3.9 показывают обыч-
но распределение тока и напряжения
для амплитудных значений и, следо-
вательно, по времени отличаются друг
от друга на 1/4 Т. Нет смысла показы-
вать кривые для других моментов вре-
мени, так как пучности и узлы не сдвигаются. Даже если изо-
бражена только одна кривая, например для тока, то по ней мож-
но судить и о распределении напряжения вдоль линии.
Сдвиг фаз на 90° между током и напряжением при стоячей
волне показывает, что в линии происходит колебание энергии,
сходное с колебательным процессом в замкнутом контуре. Ког-
да напряжение в линии наибольшее, а ток равен нулю, то вся
энергия сосредоточена в электрическом поле. Через четверть
периода напряжение равно нулю, а ток имеет наибольшее зна-
чение, и вся энергия сосредоточена в магнитном поле. Еще через
четверть периода энергия снова возвратится в электрическое
поле, и процесс колебания энергии повторится.
Выясним теперь процессы в разомкнутой линии при различ-
ном соотношении между ее длиной и длиной волны питающего
генератора. Для определенности примем, что внутреннее сопро-
тивление генератора значительно меньше волнового сопротив-
ления линии. На рис. 3.10 показано распределение тока и на-
пряжения для характерных случаев работы линии и приведены
для них эквивалентные схемы (с целью упрощения кривые тока
и напряжения показаны только для одного провода).
Как известно, на конце разомкнутой линии всегда получа-
ются пучность напряжения и узел тока. На входе линии ток и
напряжение могут иметь различные значения в зависимости от
длины линии. Входное сопротивление также изменяется в ши-
80
роких пределах, так как оно всегда равно отношению напряже-
ния к току в начале линии. При этом во всех случаях, когда
входное сопротивление линии значительно больше внутреннего
сопротивления генератора, можно считать, что напряжение на
зажимах генератора равно его эдс.
Когда длина линии I меньше четверти длины волны
(рис. 3.10 а), то в начале линии ток и напряжение имеют неко-
торые значения и сдвинуты по фазе на 90°. Следовательно,
Резонанс токо&
Рис. 3.10. Стоячие волны в разомкнутой линии
различной длины
Эквивалентные
схемы
Резонанс
напряжений
входное сопротивление в этом случае является реактивным.
Оказывается, что оно имеет емкостный характер. Действитель-
но, два коротких провода, подключенных к генератору, пред-
ставляют собой конденсатор. И чем короче линия, тем меньше
емкость этого конденсатора, т. е. тем больше емкостное вход-
ное сопротивление. Генератор в этом случае нагружен на неко-
торую емкость, что и показано на эквивалентной схеме справа.
Вследствие большой величины входного сопротивления ток в
линии получается малым, а напряжение в линии незначительно
превышает напряжение генератора.
Если приближать длину линии к 1/4Х, то напряжение в на-
чале линии становится меньше по сравнению с его значением в
пучности, а. ток увеличивается и входное сопротивление умень-
шается. Когда 1=1/4 X (рис. 3.106), то в начале будут узел на-
6—2607 81
пряжения и пучность тока. Тогда Zex = — = 0, и для генерато-
ра получается режим короткого замыкания.
В этом случае напряжение в линии, пропорциональное току,
достигает наибольшего значения, т. е. наблюдается явление ре-
зонанса напряжений. Таким образом, четвертьволновая разом-
кнутая линия эквивалентна последовательному резонансному
контуру. Как известно, такой контур имеет при резонансе наи-
меньшее и чисто активное сопротивление. Поэтому ток и на-
пряжение в нем при резонансе достигают наибольших значе-
ний. Идеальный контур имеет при резонансе входное сопротив-
ление, равное нулю, подобно идеальной линии. При изменении
длины линии в ту или другую сторону от 1/4 X ее входное со-
противление увеличивается и становится емкостным или индук-
тивным. Именно так меняется при расстройке и сопротивление
последовательного контура.
В реальной линии имеются потери энергии, и %вх при резо-
нансе неточно равно нулю. Обращается в нуль только реактив-
ное входное сопротивление, a Zex становится наименьшим и чи-
сто активным, так как оно обусловлено наличием потерь.
Пусть теперь длина линии больше 1/4 Z, но меньше 1/2 X.
Тогда напряжение в начале линии уже не равно нулю. Входное
сопротивление возрастет и примет индуктивный характер
(рис. 3.10в). При этом ток и напряжение получаются значитель-
но меньше, чем в четвертьволновой линии, подобно тому, как
уменьшаются ток и напряжение при расстройке контура.
По мере приближения I к 1/2 X входное сопротивление увели-
чивается. Когда /=1/2Х (рис. 3.10г), то напряжение в начале
линии принимает наибольшее значение, равное эдс генератора,
а ток становится равным нулю. Следовательно, входное сопро-
тивление должно быть бесконечно велико. В действительности,
вследствие наличия потерь в линии, входное сопротивление не
равно бесконечности, а принимает некоторое наибольшее зна-
чение и является чисто активным. Получается резонанс, подоб-
ный резонансу токов в параллельном контуре. В данном случае
полуволновая линия эквивалентна параллельному резонансному
контуру потому, что ее входное сопротивление при изменении
длины в ту или другую сторону от 1/2 X уменьшается и приоб-
ретает емкостный или индуктивный характер. Такое же измене-
ние сопротивления при расстройке свойственно и параллельно-
му контуру.
Изменяя дальше I в пределах от 1/2 Л до Л и вообще при
удлинении линии на целое число полуволн, можно получить по-
вторение всех рассмотренных режимов и значений ZBX.
Все рассмотренные случаи можно получить и при постоян-
ной длине линии, изменяя длину волны генератора Л. Тогда по-
следовательный резонанс получится в случаях, когда вдоль ли-
82
пии укладывается нечетное число четвертей волны (1/4 X, 3/4 X,
5/4 Хит. д.). Иначе говоря, кроме резонанса на основной волне,
соответствующей /=1/4Х, будет наблюдаться резонанс на лю-
бой нечетной гармонике. Параллельный же резонанс в линии
получится не только на основной волне, когда /= 1/2Х, но и на
любых как четных, так и нечетных гармониках, когда вдоль
линии укладывается целое число полуволн (1/2 X, X, 3/2 X и
т. д.). Линия как колебательная система способна резонировать
на многих волнах. Этим она отличается от простого колеба-
тельного контура, имеющего только одну резонансную частоту.
Свойство резонировать не только на основной собственной
частоте, но и на гармониках характерно для всех колебатель-
ных систем с распределенными параметрами. Например, у стру-
ны, имеющей массу и упругость, распределенные по всей ее
длине легко возбудить колебания на гармониках, но это невоз-
можно у маятника.
Следует обратить внимание на то, что при длине линии, рав-
ной 1/2X или целому числу полуволн, входное сопротивление
получается таким же, как и сопротивление на конце линии (в
данном случае бесконечно большое). А при длине линии, рав-
ной 1/4 X или нечетному числу четвертей волны, входное сопро-
тивление равно нулю, т. е. имеет величину, обратную сопро-
тивлению на конце линии (0 = — Такое влияние длины линии
\ 00 /
на величину входного сопротивления наблюдается и при любых
других значениях нагрузочного сопротивления /?.
Линия длиной в целое число полуволн не изменяет величину
сопротивления и у нее всегда Zex = R, а линия длиной, равной
нечетному числу четвертей волны, преобразовывает большое
нагрузочное сопротивление в малое входное и наоборот.
В режиме стоячих волн работает также короткозамкнутая
линия (рис. 3.11), у которой на конце нагрузочное сопротивле-
ние равно нулю (7?=0). Поглощение энергии в таком сопротив-
лении отсутствует, и падающая волна полностью отражается.
Поэтому возникают стоячие волны, как и в разомкнутой ли-
нии. Разница заключается в том, что распределение тока и на-
пряжения в короткозамкнутой линии сдвинуто на четверть вол-
ны по сравнению с разомкнутой линией.
На конце линии напряжение равно нулю, т. е. там находится
узел напряжения, так как /?=0 (короткое замыкание). Но у
стоячей волны узлы напряжения совпадают с пучностями тока
и наоборот. Значит, на конце короткозамкнутой линии полу-
чается пучность тока. Действительно, ведь там, где имеется
короткое замыкание, ток всегда бывает наибольшим. У разом-
кнутой линии, наоборот, на конце были пучность напряжения
и узел тока. Зная, что получается на конце линии, нетрудно
начертить кривые распределения тока и напряжения для раз-
6* 83
личных соотношений между длиной линии и длиной волны ге-
нератора.
Эти кривые даны на рис. 3.11 для идеальной линии, у кото-
рой волновое сопротивление значительно больше внутреннего
сопротивления генератора. Они показывают, что короткозамк-
нутая линия по своим свойствам противоположна разомкнутой.
При K1/4Z входное сопротивление имеет индуктивный ха-
рактер (рис. 3.11а). В этом случае линию можно представить
Рис. 3.11. Стоячие волны в короткозамкнутой линии
различной длины
как прямоугольный виток, обладающий некоторой индуктивно-
стью. Если /=1/4Х, то Zejr = со и, следовательно, короткозамк-
нутая четвертьволновая линия эквивалентна параллельному
резонансному контуру (рис. 3.11 б). Когда 1/4X<Z<l/2X, то
входное сопротивление имеет емкостный характер (рис. 3.11 в).
Наконец, при /=1/2Х входное сопротивление равно нулю и ли-
ния эквивалентна последовательному резонансному контуру
(рис. 3.11 г). При дальнейшем увеличении длины линии все пов-
торяется. Если изменять частоту генератора при неизменной
длине линий, То получается резонанс не только на основной ча-
стоте, но и на гармониках, как в разомкнутой линии.
84
§ 3.5. НАГРУЗКА ЛИНИИ НА РАЗЛИЧНЫЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ
Рассмотрим случаи нагрузки линии на активное сопротивле-
ние различной величины (рис. 3.12). На этом рисунке показано
распределение вдоль линии не амплитудного, а действующего
значения напряжения, которое изменяется только по величине,
U
к-1о
кбв=1
бегущие волны
1'^
I UftUH
Стоячие волны i кбв=0
Стоячие волны i
Смешанные волны
।____ ।_______
*>Z0
кбв<1
К=0
нбв=О
U мин Унаке.
~ R<Z0
кбвИ
Рис. 3.12. Распределение напряжения
вдоль линии при различных ее нагрузках
Смешанные волны
ко не меняет знака. Это напряжение показывает вольтметр или
индикатор переменного напряжения, подключаемый к различ-
ным точкам линии. Для упрощения кривая тока не показана.
Как и раньше, линию считаем идеальной и принимаем, что вну-
треннее сопротивление генератора значительно меньше волно-
вого сопротивления линии.
Если нагрузочное сопротивление равно волновому сопротив-
лению (рис. 3.12 а), в линии распространяется бегущая волна
и напряжение вдоль линии везде одинаково. В разомкнутой
(рис. 3.12 6) и короткозамкнутой линиях (рис. 3.12 г) получает-
ся режим стоячих волн, и вдоль линии чередуются узлы и пуч-
85
ности. У разомкнутой линии на конце находится пучность напря-
жения, а у короткозамкнутой — узел напряжения.
Когда R больше Zo, но не равно бесконечности (рис. 3.12в),
то режим линии является средним между режимом бегущей вол-
ны и режимом разомкнутой линии. Его называют режимом сме-
шанных, или комбинированных, волн. Так как R не равно Zo, то
в конце линии поглощается только часть энергии падающей вол-
ны. Остальная часть энергии уходит обратно с отраженной вол-
ной, вследствие чего возникают стоячие волны. Однако в линии
есть и бегущая волна, переносящая энергию от генератора в со-
противление нагрузки R.
Распределение напряжения в этом случае напоминает рас-
пределение в разомкнутой линии. Но вследствие того, что амп-
литуда отраженной волны меньше амплитуды падающей волны
в том месте, где должен быть узел, суммарное напряжение не
снижается до нуля. Оно имеет некоторое наименьшее значе-
ние Uман, равное разности напряжений падающей и отражен-
ной волн. А в местах пучностей получается некоторое наиболь-
шее напряжение Uмакс, равное сумме этих напряжений, но
меньшее, чем удвоенное напряжение падающей волны. Чем бли-
же R к Zo, тем ближе режим линии к режиму бегущей волны и
тем меньше разница между Uмакс и UMUH. И, наоборот, чем
больше R, тем ближе режим к случаю разомкнутой линии и тем
резче максимумы и минимумы напряжения.
Для характеристики режима линии пользуются коэффици-
ентом бегущей волны (кбв). Он введен А. А. Пистолькорсом в
1927 г. и определяется как отношение UMUH к UMaKC. В случае,
когда Zo<iR, он равен отношению Zo к R:
кбв = -^- = А-.
макс К
При одной бегущей волне кбв=1, а для режима стоячих
волн кбв=0. Чем ближе величина кбв к единице, тем ближе ре-
жим линии к режиму бегущей волны. Иногда применяется вели-
чина, обратная кбв, называемая коэффициентом стоячей волны:
ксв - Ч™!™..
UflUH
Если R<Z0 (рис. 3.12 5), то получается также режим сме-
шанных волн, но распределение напряжения похоже на распре-
деление в короткозамкнутой линии. Только на месте узлов по-
лучаются не нулевые, а минимальные напряжения. Все, сказан-
ное о режиме смешанных волн для случая R>Z0, остается в си-
ле и здесь. Коэффициент бегущей волны Определяется через на-
86
пряжение, как и раньше, но отношение сопротивлений надо
взять обратное, так как кбв всегда должен быть меньше еди-
ницы:
кбв = = -5- .
Чмакс ?о
Когда линия работает в режиме бегущей волны, то в нагру-*
зочное сопротивление отдается наибольшая полезная мощ-
ность— вся мощность бегущей волны. Если же сопротивление
нагрузки не равно волновому сопротивлению линии, то полезная
мощность в нагрузке будет меньше, так как часть энергии воз-
вращается с отраженной волной обратно в генератор. Однако
уменьшение мощности с изменением нагрузочного сопротивле-
ния происходит не резко и поэтому некоторое отступление от
режима чисто бегущей волны допустимо. Например, когда со-
противление нагрузки в два раза больше или меньше Zo, т. е.
когда кбв=0,5, то энергия отраженной волны составляет всего
лишь 11 % энергии падающей волны.
Следует отметить, что в режиме смешанных волн, когда R не
равно Zo, входное сопротивление, вообще говоря, уже не являет-
ся чисто активным, а обычно имеет реактивную составляющую,
которая характеризует возврат части энергии в генератор. Толь-
ко при длине линии, равной целому числу четвертей волны, Zex
будет чисто активным, потому что в линии такой длины наблю-
дается резонанс.
В случае, когда в конце линии включено реактивное сопро-
тивление, т. е. емкость или индуктивность, также получается ре-
жим стоячих волн. Действительно, в реактивном сопротивлении
энергия падающей волны не расходуется, а лишь временно за-
пасается и возвращается обратно. Поэтому в линии складыва-
ются падающая и отраженная волны равной амплитуды и воз-
никают стоячие волны.
Наиболее сложным случаем является нагрузка линии на пол-
ное сопротивление Z, имеющее активную и реактивную части.
При такой нагрузке в линии будет режим смешанных волн, так
как часть энергии падающей волны поглощается в активном со-
противлении, но остальная часть возвращается с отраженной
волной вследствие наличия реактивного сопротивления и в ре-
зультате того, что активное сопротивление не равно волновому
сопротивлению.
§ 3.6. волноводы
Хотя коаксиальные линии применяются широко, но все же
они обладают некоторыми существенными недостатками, осо-
бенно заметными на сантиметровых волнах. Потери в этих
линиях с повышением частоты значительно возрастают, так как
87
поверхность внутреннего провода линии мала, а следовательно,
его сопротивление сравнительно велико. Кроме того, увеличи-
ваются потери в изоляторах, отделяющих внутренний провод от
внешнего. Если же увеличить диаметр внутреннего провода, т. е.
уменьшить расстояние между ним и внешним проводом, то по-
является опасность пробоя изоляции, особенно при больших
мощностях.
На сантиметровых волнах линию во многих случаях заме-
няют волноводом, представляющим собой металлическую труб-
ку круглого или прямоугольного сечения, внутри которой рас-
пространяется электромагнитная волна (рис. 3.13). Стенки
волновода играют роль экрана, не дающего электромагнитным
волнам распространяться в разные стороны и заставляющего
Рис. 3.13. Круглый и прямоугольный
волноводы
его внутренней поверхности, если
их перемещаться только
вдоль волновода.
По сравнению с коакси-
альной линией потери энер-
гии в волноводе меньше, так
как отсутствует внутренний
провод и нет никаких изоля-
торов. Наибольшее напря-
жение в волноводе полу-
чается между диаметрально
противоположными точками
волновод имеет круглое сече-
ние, или между противоположными стенками, если его сечение
прямоугольное (рис. 3.13). Расстояние между этими точками
больше, чем расстояние между проводами в коаксиальной ли-
нии, и поэтому опасность пробоя при высоких напряжениях зна-
чительно меньше.
Однако волноводы имеют свой недостаток, который ограни-
чивает их применение. В коаксиальной или симметричной линии
могут распространяться волны любой частоты, • а в волноводе
возможно распространение только волн, у которых частота
выше некоторой определенной величины, называемой критиче-
ской частотой f кр. Иначе говоря, в волноводе могут распростра-
няться только волны, у которых длина короче некоторой критиче-
ской длины волны 1кр. Критическая длина волны приблизитель-
но вдвое больше поперечного размера волновода. Если волновод
имеет диаметр 3 см, то критическая длина волны будет пример-
но Хкр =6 см. Более длинные волны через такой волновод рас-
пространяться не могут.
Ясно, что волноводы для коротких или метровых волн непри-
годны, так как это были бы трубы с поперечными размерами в
единицы или десятки метров! Даже для дециметровых волн па.
перечник волновода должен быть порядка десятков сантиметров,
что также неудобно. Поэтому волноводы используются только
88
на сантиметровых волнах, для которых конструкция волновода
не получается слишком громоздкой.
Теория распространения радиоволн в волноводах весьма
сложна, и можно рассмотреть лишь некоторые выводы этой тео-
рии, которые хорошо подтверждены экспериментами.
В волноводе поперечная электромагнитная волна распростра-
няться не может. Действительно, магнитное поле существует
только внутри волновода, стенки которого являются экраном
для электромагнитного поля высокой частоты. Поэтому магнит-
ное поле в волноводе не может охватывать проводник с током,
так как нет внутреннего провода, а оно должно охватывать
продольное электрическое поле. Но поперечная электромагнит-
ная волна не содержит продольного электрического поля. Если
же предположить, что электрическое поле в волноводе попереч-
ное, то оно должно охватываться замкнутыми магнитными сило-
выми линиями, которые будут лежать в продольных плоскостях.
Однако у поперечной волны не может быть продольного магнит-
ного поля.
Опыт и теория показывают, что в волноводах могут распро-
страняться электромагнитные волны различных типов. Все они
делятся на две группы: 1) электрические волны, обозначае-
мые Е, имеют электрическое поле, рас-
положенное и в поперечном и в про-
дольном направлениях, а магнитное
поле только в поперечной плоскости;
2) магнитные волны, обозначаемые Н,
имеют магнитное поле, расположенное
поперек и вдоль волновода, а электри-
ческое поле только в поперечной пло-
скости1).
Волну в волноводе можно рассмат-
ривать как сумму поперечных волн,
распространяющихся зигзагообразно
Рнс. 3.14. Пути волн различ-
ной длины в волноводе
путем многократного отражения от
стенок, как показано на рис. 3.14. При этом более длинные вол-
ны распространяются с большим числом отражений и зигзагов.
Физический смысл отражения волн от проводника заклю-
чается в том, что падающая волна создает в поверхностном слое
проводника токи, которые, в свою очередь, дают излучение но-
вых электромагнитных волн, т. е. отраженных волн. Если про-
водник идеальный, то возникшие токи совершенно не расходуют
*) Так как у волн Е магнитное поле является только поперечным, то их
иногда называют поперечно-магнитными волнами и обозначают ТМ. Волны Н,
у которых чисто поперечным является только электрическое поле, иногда на-
зывают поперечно-электрическими волнами и обозначают ТЕ (Т — символ по-
перечного действия сил). Поперечная электромагнитная волна получает при
этом обозиаченне ТЕМ.
89
энергию на его нагрев и энергия отраженной волны равна энер-
гии падающей волны. Практически каждый проводник не яв-
ляется идеальным, в нем происходит некоторая потеря энергии
на нагревание, и энергия у отраженной волны всегда несколько
меньше, чем у падающей.
На рис. 3.15 показаны электрическое и магнитное поля для
простейшей основной волны типа Н, которая наиболее часто
применяется на практике. Магнитные силовые линии здесь изо-
бражены штриховыми, а электрические силовые линии — сплош-
ными линиями.
Рис. 3.15. Структура магнитного и электрического полей в пря-
моугольном волноводе для основной волны типа Н
Силовые линии, перпендикулярные к плоскости чертежа, по-
казаны либо точками, если они идут на нас, либо крестиками,
если они идут от нас.
Так как волна, отраженная от одной стенки, складывается с
волной, отраженной от противоположной стенки, то в попереч-
ном направлении волновода всегда получаются стоячие волны.
Бегущая волна в поперечном направлении не может распростра-
няться, так как движению энергии в одну сторону препятствуют
стенки волновода. В поперечном направлении в простейшем слу-
чае укладывается одна стоячая полуволна так, что у противо-
положных стенок могут быть узлы, а в середине — пучность или
наоборот. В направлении вдоль волновода может получаться
различный режим. Если на конце волновода отражение отсут-
ствует, то будет бегущая волна. Полное отражение, например, в
случае, если конец волновода закрыт металлической стенкой,
дает режим стоячих волн. При частичном отражении будут сме'
шанные волны.
90
Для изображенной на рис. 3.15 волны в точках Л и В полу-
чается максимум поперечной составляющей магнитного поля, а
в точках Б и Г — максимум его продольной составляющей. Рас-
стояние АВ равно половине длины волны. В точке Д напряжен-
ность магнитного поля равна нулю. У следующей (соседней)
полуволны магнитного поля всё повторяется, но только магнит-
ные силовые линии идут в противоположном направлении.
В случае бегущей волны вся нарисованная картина поля дви-
жется вдоль волновода, так что рис. 3.15 следует рассматривать
как мгновенный фотоснимок поля, справедливый только для од-
ного момента времени. Распределение магнитного поля вдоль
волновода для этого момента показывают кривые рис. 3.15. Один
из них показывает распределение поперечной составляющей
Нпопер, а другой — продольной составляющей Нпрод. При этом
следует помнить, что поперечная составляющая получается наи-
большей на средней плоскости волновода (на линии АВ) и по
мере приближения к стенкам уменьшается до нуля, а продоль-
ная составляющая, наоборот, имеет наибольшее значение у сте-
нок и по мере приближения к средней плоскости волновода
уменьшается до нуля.
На рис. 3.15 г даны кривые, показывающие изменение Нпроэ
и И попер вдоль стороны b поперечного сечения волновода. Эти
кривые соответствуют стоячим волнам магнитного поля в попе-
речном направлении, причём Нпрод имеет пучности у стенок и
узел посередине, а //пояер — наоборот.
Необходимо отметить, что картина поля, показанная с по-
мощью некоторого числа силовых линий, является весьма гру-
бой. Силовые линии, конечно, отображают реально существую-
щее поле, но чем оно сложнее, тем более неточным становится
данный метод. Изображение поля силовыми линиями не вскры-
вает точной структуры поля. Это особенно чувствуется при рас-
смотрении сложных полей в волноводах. Однако в нашем распо-
ряжении нет более совершенного метода изображения структу-
ры электрического или магнитного поля.
У электрического поля волны И структура проще, так как оно
имеет только поперечную составляющую. На рис. 3.15 в показа-
но распределение электрического поля в поперечном направле-
нии, а на рис. 3.15 г приведена кривая изменения напряженно-
сти поля Е по этому направлению. Как видно, вдоль размера Ь
укладывается одна стоячая полуволна электрического поля, при-
чем в середине волновода получается пучность, а у стенок —
узлы. Таким образом, вдоль стороны b распределение электри-
ческого поля совпадает с распределением поперечной составляю-
щей магнитного поля (рис. 3.15 г). Не следует при этом забы-
вать, что векторы Е и Н„опер взаимно-перпендикулярны.
В направлении вдоль волновода электрическое поле распре-
делено так, как изображено на рис. 3.15 6. Соответствующая
91
кривая показывает, что в этом направлении закон распределения
электрического поля также совпадает с распределением попе-
речной составляющей магнитного поля, т. е. максимум электри-
ческого поля получается там, где имеется максимум поперечного
магнитного поля. Такая структура поля характерна для бегущей
волны, у которой колебания электрического и магнитного полей
совпадают по фазе, т. е. наибольшее количество электрических
силовых линий имеется там, где находится наиболее сильное маг-
нитное поле. А в случае стоячей волны, наоборот, максимум
электрического поля находится там, где магнитное поле наибо-
лее слабое.
Помимо основной волны, существуют еще и многие другие
типы волн. Для классификации волн в прямоугольных волно-
водах принята следующая система. Около обозначения волны
ставится индекс из двух цифр, показывающих соответственно
число стоячих полуволн вдоль меньшей и большей сторон попе-
речного сечения. Например, рассмотренная основная волна типа
Н обозначается Н01 (или ТЁ01), так как для нее вдоль стороны а
поперечного сечения волновода стоячей волны нет, а вдоль сто-
роны Ь распределена одна стоячая полуволна. В прямоугольном
волноводе могут также распространяться волны высших поряд-
ков, имеющие более сложные поля, в которых вдоль одной сто-
роны сечения распределено две, три или больше стоячих полу-
волн. Эти волны не имеют практического применения, так как
ведут к увеличению сечения волновода и потерь по сравнению с
простейшими волнами.
Для классификации волн в круглых волноводах к обозначе-
нию волны также прибавляют две цифры в виде индексов. Пер-
вая цифра показывает число стоячих полуволн вдоль полуок-
ружности, а вторая — соответствует числу стоячих полуволн
вдоль радиуса.
Вдоль волновода всегда наблюдается некоторое затухание
волны, т. е. ее энергия постепенно уменьшается. Это объясняет-
ся тем, что на внутренней поверхности стенок волновода созда-
ются токи, которые расходуют часть своей энергии на нагрев
металла. Потери энергии отсутствовали бы только в случае сте-
нок из идеального проводника.
При понижении частоты к критическому значению затуха-
ние возрастает, что объясняется увеличением числа отражений
волн от стенок. Когда частота близка к критической, затухание
становится очень большим, а критическая волна вообще не про-
ходит вдоль волновода. Но и при значительном повышении ча-
стоты затухание также возрастает за счёт того, что толщина по-
верхностного слоя, в котором проходят токи, уменьшается, а его
сопротивление увеличивается. Отсюда следует, что на некоторой
средней наивыгоднейшей частоте затухание имеет наименьшую
величину.
92
В волноводах могут наблюдаться бегущие, стоячие и смешан-
ные волны в зависимости от наличия большего или меньшего от-
ражения на конце волновода. Режим работы характеризуется
коэффициентом бегущей волны, который равен кбв = *ын , где
^макс
Емин и Емакс — наименьшая и наибольшая величины действую-
щего значения напряженности электрического поля, измеренные
при перемещении вдоль волновода какого-либо индикатора поля.
Если в конце волновода безвозвратно расходуется вся энергия
бегущей волны, то в волноводе получается режим чисто бегущей
волны. Действующее значение напряженности электрического
поля в различных точках вдоль волновода тогда будет неиз-
менно (затухание во внимание не принимается) и кбв=1.
Этот режим наиболее выгоден для передачи волн, так как при
нем потери в волноводе наименьшие и в нагрузку отдается мак-
симум энергии. Например, в передающих устройствах сантимет-
рового диапазона волновод соединяет генератор с антенной. Для
получения в волноводе бегущей волны антенна должна погло-
щать полностью энергию, передаваемую по волноводу, т. е. ан-
тенна как нагрузка должна быть согласована с волноводом.
При проведении многих измерений и испытаний на сантимет-
ровых волнах также необходим режим бегущей волны в волно-
воде. Для его получения в конце волновода помещают поглоща-
ющую или оконечную нагрузку. Она представляет собой провод-
ник со значительным сопротивлением, занимающий некоторый
объём или поверхностный слой на пластинке диэлектрика.
Если на конце волновода волна полностью отражается, то
устанавливается режим стоячих волн. Полное отражение можно
получить, закрыв конец волновода металлической, хорошо про-
водящей крышкой. Режим стоячих волн используется при раз-
личных измерениях. Он удобен для измерения длины волны в
волноводе, так как в стоячей волне напряженность поля Е в уз-
лах равна нулю. Это дает возможность установить положение
двух соседних узлов, расстояние между которыми равно полови-
не длины волны.
Режим смешанных волн получается, если на конце волновода
энергия поглощается частично. Практически, обычно всегда бы-
вает этот режим, так как невозможно получить чисто бегущую
или чисто стоячую волну. Особенно трудно осуществить режим
бегущей волны. Принято считать, что нагрузка хорошо согласо-
вана с волноводом, если кбв получается не меньше 0,8. Во мно-
гих случаях даже довольствуются значением кбв от 0,5 и выше.
Режимы работы волновода имеют сходство с режимами для
двухпроводной линии (рис. 3.12). Случай, когда конец волново-
да закрыт, аналогичен короткозамкнутой линии. Однако режим
разомкнутой линии получить в волноводе нельзя. Если конец
волновода оставить открытым, то волна лишь частично отра-
гз
жается, а частично излучается в пространство, и поэтому полу-
чается режим смешанных волн.
Устройства, связывающие волноводы с другими цепями, слу-
жат для возбуждения волн в волноводе или для отбора энергии
из волновода. Любое устройство, дающее возбуждение волн, мо-
жет быть использовано и для приема волн.
Электрическая связь осуществляется с помощью металличе-
ского проводника, называемого штырьком (или зондом), и уста-
новленного внутри волновода вдоль электрических силовых ли-
ний в том месте, где электрическое поле наиболее сильное.
Обычно такой штырек является продолжением внутреннего про-
вода коаксиальной линии, подводящей энергию к волноводу.
Рис. 3.16. Электрическая связь коаксиальной
линии с волноводом для волны Ны
Так как размеры штырька соизмеримы с длиной волны, то он ра-
ботает как хорошая антенна.
На рис. 3.16 показано возбуждение волны типа Я01 в пря-
моугольном волноводе при помощи штырька, расположенного в
1 ,
пучности электрического поля на расстоянии —л от закрытого
конца волновода, служащего для отражения волн. Этот участок
волновода длиной 1/4 X подобно четвертьволновой короткозамк-
нутой линии имеет входное сопротивление, близкое к бесконечно-
сти, и практически не влияет на режим работы подводящей ли-
нии.
Чем больше длина штырька, находящегося в волноводе, тем
сильнее связь, т. е. тем больше энергии передается в волновод,
подобно тому как более высокая антенна дает более сильное из-
лучение, нежели антенна малых размеров.
Магнитная связь осуществляется с помощью витка (петли)
связи, который располагается в месте, где магнитное поле наи-
более сильно, причем его плоскость перпендикулярна магнитным
силовым линиям. Так как размеры витка соизмеримы с длиной
волны, то он дает эффективное излучение электромагнитных
волн и его можно уподобить одновитковой рамочной антенне
большого размера (см. §4.5). На рис. 3.17 показано одно из
94
возможных расположений витка Для возбуждения в прямоуголь-
ном волноводе волны Н0}.
Чем больше размеры витка, тем сильнее связь. Регулировку
связи удобно осуществлять поворотом витка. Следует иметь в
виду, что магнитная связь всегда сопровождается некоторой
электрической связью.
При отборе энергии штырьки или витки связи выполняют
роль приемной антенны. Волны, прошедшие по волноводу, соз-
дают своим электрическим полем в приемном штырьке некото-
рую эдс, а в витке связи эдс индуктируется магнитным полем.
Применяется также дифракционная связь, т. е. связь через
отверстие. Например, можно передать часть энергии волны из
одного волновода в другой, если в общей стенке этих волноводов
сделать отверстие той или иной формы. Такая связь усиливается
при увеличении размеров отверстия. При электрической и маг-
нитной связи имеется всегда и некоторая дифракционная связь,
так как коаксиальная линия своим открытым концом соединена
с волноводом.
Рис. 3.17. Магнитная
связь линии с волново-
дом для случая волны
Нш
Рис. 3.18. Повороты и скручивание
волновода
Конструктивное выполнение волноводов весьма разнообраз-
но. Для уменьшения потерь в волноводе его внутреннюю по-
верхность делают возможно более гладкой и нередко покрывают
ее серебром. Весьма тщательно соединяют отдельные части вол-
новода друг с другом. Важно свести к минимуму частичные от-
ражения волн от различных неоднородностей, имеющихся в вол-
новоде. К таким неоднородностям относятся, например, повороты
и ответвления, а также вращающиеся сочленения двух волно-
водов. Любые нарушения однородности внутреннего устройства
волновода приводят к отражению волн, в результате чего умень-
шается кбв, возрастают потери и снижается кпд волновода.
Применяются плавные изгибы (рис. 3.18 а) и уголковые по-
вороты (рис. 3.18 6). Для поворота направлений векторов Е и Н
делают скручивание волновода (рис. 3.18в). При соединении
95
двух частей волновода, если одна часть должна вращаться, при-
бегают к дроссельному соединению, которое устраняет влияние
плохого контакта в стыке (рис. 3.19). В этом соединении волно-
воды снабжены двумя фланцами, между которыми имеется щель
длиной '/г Л, эквивалентная полуволновой короткозамкнутой ли-
Рис. 3.19. Дроссельное сое-
динение двух частей волно-
вода
нии. Замыкание на конце этой щели
(в точке Л) сделано сплошным метал-
лом, а контакт двух поверхностей на-
ходится в точке Б на расстоянии
от короткозамкнутого конца. В этом
месте находится узел тока, и наличие
дополнительного сопротивления в кон-
такте не играет роли.
Зато на входе линии — щели (в
точке В), как и на короткозамкнутом
конце, сопротивление близко к нулю.
Таким образом, обе части волновода соединены через это весь-
ма малое сопротивление, которое почти не зависит от сопротив-
ления контакта в точке Б.
§37. КОЛЕБАТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ В ВИДЕ РЕЗОНАНСНЫХ ЛИНИИ
При повышении частоты качество Q обычных колебательных
контуров, составленных из катушки и конденсатора, уменьшает-
ся и на свч становится недопустимо малым. Действительно, с
повышением частоты быстро растут потери энергии. За счет по-
верхностного эффекта увеличивается сопротивление проводов.
Возрастают потери в твёрдых диэлектриках. Особенно значи-
тельными становятся при свч потери на излучение, так как раз-
меры элементов контура получаются одного порядка с длиной
волны. Контур работает как антенна, и его уже нельзя считать
замкнутым. Сильное излучение создаёт также паразитные связи
этого контура с другими цепями. Увеличение потерь приводит к
возрастанию активного сопротивления контура г.
В то же время характеристическое сопротивление контура р
значительно уменьшается. Величина р связана с первичными
параметрами контура L и С следующим соотношением:
Для повышения частоты нужно уменьшить L и С контура.
Однако значительное уменьшение величины С невозможно, так
’) Эта формула легко получается из выражения р =2л/0Ц, если вместо
f0 подставить
96
как в нее входят междуэлектродные емкости лампы, подклю-
ченной к контуру, и емкость монтажа. Кроме того, часто прихо-
дится включать в контур для настройки конденсатор переменной
емкости. Поэтому емкость контура обычно не может быть мень-
ше 5—10 пф. Приходится для получения нужной частоты умень-
шать во много раз индуктивность, и величина р снижается.
В результате качество контура Q, равное -2- , резко ухудшается,
и это является важнейшей причиной, заставившей применять на
свч иные колебательные системы.
На сантиметровых волнах и частично на дециметровых уст-
ройство контуров обычного типа становится вообще невозмож-
ным, так как даже короткий проводник, соединяющий электроды
лампы, и казалось бы просто замыкающий их, обладает слиш-
ком большой индуктивностью.
Следующий пример дает представление об индуктивности,
которой должен обладать контур, имеющий емкость С=10 пф,
для случая, когда частота fo= 1000 Мгц—1 000000 кгц (X—
= 30 см). По формуле
_ 25-109
получаем с
т 25- 109 п ААПК
L = -------= 0,0025 мкгн.
1012-10
В §3.2 указывалось, что прямолинейный проводник длиной в
1 м имеет индуктивность порядка единиц микрогенри. Следова-
тельно, в данном случае индуктивность контура должна пред-
ставлять собой проводник длиной всего лишь в несколько милли-
метров, что явно неосуществимо.
Таким образом, контуры обычного типа, как правило, могут
быть использованы лишь на волнах не короче метровых. Только
в редких случаях на наиболее длинных дециметровых волнах
(70-4-100 см) встречаются контуры, у которых в качестве индук-
тивности используется полувиток трубки или проволоки, а ем-
костью является междуэлектродная емкость лампы, причем для
уменьшения ее влияния и для настройки последовательно вклю-
чают конденсатор переменной емкости с максимальной емкостью
в несколько пикофарад. Подобные контуры обладают довольно
низким качеством.
В § 3.4 было показано, что разомкнутые или короткозамкну-
тые линии, имеющие длину, кратную ’А Z, эквивалентны последо-
вательному или параллельному резонансному контуру. Отрезки
симметричных или коаксиальных линий являются наиболее рас-
пространенными колебательными системами для диапазона де-
циметровых волн.
В большинстве приемных и передающих схем встречаются
главным образом параллельные контуры. Поэтому основным
7—2607 97
типом контура для дециметровых волн является четвертьволно-
вый отрезок короткозамкнутой симметричной или коаксиальной
линии. Входное сопротивление такой линии при настройке в ре-
зонанс имеет весьма большую величину и является чисто актив-
ным. При расстройке в ту пли иную сторону от резонанса вход-
ное сопротивление уменьшается и приобретает емкостный или
индуктивный характер. Как известно, именно так изменяется
вблизи резонанса полное сопротивление параллельного резонан-
сного контура.
Резонансные линии, работающие в качестве колебательных
контуров, обладают высоким качеством Q, которое может дохо-
дить до нескольких тысяч.
С укорочением длины волны, т. е. с повышением частоты, ка-
чество резонансных линий Q увеличивается, что является боль-
шим их преимуществом по сравнению с обычными контурами.
Резонансная линия обычно бывает подключена к лампе, и
поэтому к входу линии оказывается присоединенной между-
электродная емкость. В этом случае колебательной системой
является линия совместно с емкостью лампы, и для получения
резонанса на некоторой частоте f0 необходимо, чтобы входное
сопротивление линии ZBX было индуктивным и равным емкост-
1 TZ
ному сопротивлению -------. Короткозамкнутая линия имеет ин-
2п/0С
Рис. 3.20. Различные способы на-
стройки резонансной линии
дуктивное входное сопротивле-
ние при длине, меньшей —. Та-
ким образом, практически прихо-
дится брать не четвертьволно-
вую, а более короткую линию.
Во многих случаях необходи-
ма настройка линии на некото-
рый диапазон частот. Даже при
работе на одной частоте колеба-
тельная система должна иметь
устройство для подстройки на
нужную частоту.
Настройка симметричной ли-
нии чаще всего производится с
помощью подвижного коротко-
замыкателя, перемещение кото-
рого вдоль линии меняет ее длину
(рис. 3.20 а).
Чтобы устранить недостаток этого метода — непостоянство
трущегося контакта, — нередко осуществляют настройку конден-
сатором переменной емкости, включенным на вход линии
(рис. 3.206). Увеличение его емкости дает настройку на более
длинную волну.
98
Иногда конденсатор для настройки включают в конец линии,
вместо короткозамыкателя (рис. 3.20в). Тогда, если емкость его
велика, а следовательно, сопротивление мало, то линия близка
к короткозамкнутой и резонансная длина волны примерно в
4 раза больше длины линии; в случае же наименьшей емкости
линия близка к разомкнутой и резонансная длина волны получа-
ется примерно в 2 раза длиннее линии. Практически удается по-
лучить диапазон с отношением л — несколько меньше 2.
Колебательные системы в виде симметричных линий облада-
ют тем недостатком, что они создают значительное внешнее элек-
тромагнитное поле. Вследствие этого образуются паразитные
Рис. 3.21. Настройка коаксиальной линии с помощью
короткозамыкающего плунжера
связи с другими цепями и велики потери на излучение. В таких
линиях весьма заметны потери и в самих проводах, имеющих
сравнительно малый диаметр. Для устранения излучения и па-
разитных связей иногда применяют экранировку линии, но и при
ней потери остаются значительными.
Более высокими качествами обладают контуры, сделанные из
коаксиальных линий. Потери в них малы, так как провода имеют
большую поверхность и отсутствует излучение благодаря тому,
что внешний проводник является экраном. Очевидно, что устра-
няются и паразитные связи с другими цепями. Все точки наруж-
ной поверхности внешнего провода коаксиальной линии имеют
нулевой потенциал, и поэтому линия может быть смонтирована
без всякой изоляции. Коаксиальные резонансные линии удобны
еще потому, что для работы с ними выпускаются специальные
лампы, у которых выводы от электродов сделаны цилиндриче-
ской формы. В соединении с внешним коаксиальным контуром
такие выводы составляют один общий контур.
Для настройки коаксиальных контуров путем изменения их
длины вдоль линии перемещается короткозамыкающий поршень,
называемый плунжером (рис. .3.21). Этот метод дает настройку
в довольно широких пределах. Необходимо, чтобы плунжер пе-
ремещался легко и плавно и вместе с тем имел хороший контакт
по всей окружности как с внешним, так и с внутренним провод-
никами. Для обеспечения лучшего контакта по окружности плун-
жера делаются гибкие контактные пружины.
Несмотря на то, что были предложены многочисленные кон-
струкции плунжеров, все же трущийся контакт с проводами ли-
нии создает значительные потери и не обладает постоянством.
Можно устранить трущийся контакт и сделать небольшой зазор
между плунжером и проводниками линии. Тогда линия будет
уже не короткозамкнутая, а нагруженная на емкость, образо-
ванную этим зазором. При таком безконтактном плунжере на-
стройка получается на более узкий диапазон. Кроме того, трудно
обеспечить постоянство настройки, так как возможны изменения
величины зазора.
Часто применяется настройка с помощью конденсаторов пере-
менной емкости на входе коаксиальной линии. Однако устройст-
во такого конденсатора с изменением емкости в больших преде-
лах представляет трудности. Его легче осуществить при малых
мощностях, когда напряжения невысокие, а следовательно, воз-
можно установить малое расстояние между обкладками конден-
сатора; при более высоких напряжениях это расстояние должно
быть значительным. Простая конструкция подобного конденса-
тора показана на рис. 3.22, но она не обеспечивает настройку в
широком диапазоне.
Рис. 3,22. Настройка линии с помощью конден-
сатора
Связь резонансных линий с другими цепями применяется как
для отбора энергии электромагнитного поля от этих линий, так
и для подведения к ним энергии. Симметричные линии чаще все-
го связываются с другими цепями индуктивно. Для связи приме-
няется виток или полувиток провода (рис. 3.23). Чем больше
100
размеры этого витка и чем ближе он к короткозамкнутому кон-
цу линии, тем сильнее связь. Кроме того, связь будет более силь-
ной, если плоскости линии и витка параллельны друг другу, осо-
бенно, когда виток расположен в плоскости самой линии. В этом
случае виток пронизывается наиболее сильным магнитным по-
током. Изменение связи достигается пере-
мещением витка относительно линии.
Можно, например, поворачивать плоскость
витка относительно плоскости линии.
Коаксиальная резонансная линия, бу-
дучи соединена с электронной лампой,
представляет собой полностью экраниро-
ванную систему. Поэтому элементы связи
нужно вводить внутрь линии. На рис. 3.24
Линия
Виток связи
Рис. 3.23. Индуктив-
ная связь линии с
другими цепями
показаны основные виды связи.
Рис. 3.24. Способы связи коаксиальной линии
с другими цепями
Индуктивная или магнитная связь (рис. 3.24 а) осуществляет-
ся с помощью витка (петли) связи, который обычно является
окончанием коаксиальной соединительной линии и располагается
вблизи конца линии, где магнитное поле наиболее сильное. Для
изменения связи виток поворачивают, и тогда изменяется вели-
чина магнитного потока, пронизывающего виток.
Емкость или электрическая связь показана в двух вариантах
на рис. 3.24 б и в. В этом случае внутрь линии в радиальном на-
правлении вводят штырек, иногда называемый зондом. Благо-
даря тому, что он располагается вдоль электрических силовых
линий, в нем создается некоторая переменная эдс (при отборе
энергии). Штырек обычно представляет собой конец внутреннего
провода коаксиального кабеля. Чем больше длина этого штырь-
ка, т. е. чем глубже он «погружен» в электрическое поле, тем
101
сильнее связь. Иногда для увеличения связи на конец штырька
ставится пластинка (рис. 3.24в). Приближая ее к внутреннему
проводу резонансной линии, можно связь усилить. Связь тем
сильнее, чем ближе расположен штырек к пучности напряжения,
т. е. началу линии, где электрическое поле наиболее сильное.
В некоторых схемах применяется непосредственная связь
(рис. 3.24 г), аналогичная автотрансформаторной связи в обыч-
ных контурах. Ее недостаток — невозможность изменения вели-
чины связи.
§ 3.8. ОБЪЁМНЫЕ РЕЗОНАТОРЫ
Колебательные системы в виде резонансных линий являются
основными для дециметровых волн, но на сантиметровых волнах
длина линии получается такого же порядка, как ее диаметр, и о
линии вообще уже говорить нельзя. Даже на наиболее коротких
дециметровых волнах (104-30 см) применение резонансных ли-
ний часто становится неудобным.
Основным типом колебательных систем для сантиметровых
волн (и отчасти для дециметровых) являются объёмные резона-
торы, предложенные советским учёным М. С. Нейманом в 1939—
1940 гг.1. Теория работы и расчёта объемных резонаторов была
развита в трудах М. С. Неймана, Г. В. Кисунько и ряда других
учёных.
На рис. 3.25 показан переход от контура с сосредоточенными
параметрами к объёмному резонатору. Пусть контур обычного
типа имеет ёмкость в виде конденсатора С, образованного дву-
мя круглыми пластинками, и индуктивность в виде прямоуголь-
ного витка Li (рис. 3.25 а). Как известно, качество такого кон-
тура на свч получается весьма низким. Если подключить к кон-
денсатору параллельно несколько витков (рис. 3.25 6), то индук-
тивность и активное сопротивление уменьшаются. В результате
этого повысятся собственная частота контура f0 и его доброт-
ность Q. Например, если включить 25 витков, то индуктивность
уменьшится в 25 раз, а частота увеличится в 5 раз, так как
, Z-i , 1
L = —L и /0 =-----=^.
25 2яУТС
Характеристическое сопротивление контура уменьшится в
5 раз, что следует из формулы
1 Они известны также под названием объемные контуры или полые резо-
наторы.
102
а активное сопротивление контура г уменьшится в 25 раз (если
считать его сосредоточенным только в витках). Поэтому каче-
ство контура, равное—, возрастёт в 5 раз. Увеличивая число
витков, присоединяемых к конденсатору С, придем к случаю,
когда все витки сольются в одну общую замкнутую металличе-
скую поверхность (рис. 3.25в). Если для этого надо N витков, то
на основании приведенного выше примера можно считать, что
резонансная частота и качество контура возрастут в раз.
Таким образом, колебательный контур превратился в закры-
тую металлическую коробку цилиндрической формы, представ-
ляющую собой объемный резонатор. Принтом в действительно-
сти качество контура возрастает не в У N раз, а гораздо больше
Рис. 3.25. Переход от обычного контура (а) к объемному
резонатору (в)
вследствие того, что замкнутая металлическая поверхность яв-
ляется хорошим экраном, и поэтому электромагнитное поле су-
ществует только внутри резонатора.
Объемный резонатор подобно коаксиальной резонансной ли-
нии представляет собой экранированную колебательную систе-
му, в которой отсутствуют потери на излучение и нет внешнего
поля, способного создать паразитные связи с другими цепями.
Крбме того, в объемном резонаторе нет потерь в твердых диэлек-
триках и активное сопротивление стенок резонатора очень мало
благодаря их большой поверхности. В результате всего этого,
если от резонатора не отбирается энергия, то его качество мо-
жет доходить до десятков тысяч. Удобно также то, что наружная
поверхность объемного резонатора имеет нулевой потенциал и
не несет на себе токов. Поэтому объемные резонаторы могут
монтироваться без изоляции.
Колебательный процесс в резонаторе, по существу, пред-
ставляет собой стоячие электромагнитные волны, возникшие
благодаря отражению волн от стенок резонатора. Структура
электромагнитного поля в резонаторах подчиняется тем законам,
которые были приведены в §3.1 для электромагнитных волн.
На рис. 3.26 показаны силовые линии электрического и магнит-
ного полей в цилиндрическом резонаторе, являющемся одним из
103
простейших по своей конструкции. Электрические силовые ли-
нии идут от одного основания цилиндра к другому, а магнит-
ные силовые линии в виде концентрических колец окружают
электрическое поле. Такая структура поля является простейшей,
но в объемных резонаторах могут существовать колебания и
других видов, имеющие различную структуру поля.
Исторически одним из первых был тороидальный резонатор
(рис. 3.27 а). Электрическое поле в нем сосредоточено главным
Рис. 3.26. Поле в
цилиндрическом
объемном резона-
торе
Рис. 3.27. Виды торои-
дальных резонаторов
образом в средней части между двумя дисками, а магнитные си-
ловые линии расположены кольцами вокруг электрического поля.
Однако резонатор по рис. 3.27 а сложен в изготовлении, и в на-
стоящее время резонаторы такого типа делаются иной формы.
Наиболее распространены тороидальные резонаторы, показан-
ные на рис. 3.27 бив и называемые иначе коаксиальными.
Действительно, резонатор рис. 3.27 в составлен из двух коак-
сиальных цилиндров и напоминает коаксиальную линию, корот-
козамкнутую на одном конце и имеющую некоторую емкость на
другом конце. Но все же его нельзя назвать линией, так как он
имеет размеры внутренней полости одного порядка в радиаль-
ном и осевом направлениях, а у линии длина должна быть зна-
чительно больше разности радиусов. Конечно, резкой границы
между коаксиальным объемным резонатором и коаксиальной
линией провести нельзя. Если у коаксиального объемного
резонатора увеличить отношение высоты h к радиальному раз-
101
меру r2—/•], то рн постепенно превратится в коаксиальную ли-
нию.
В некоторых случаях применяются резонаторы, подобные
изображенным на рис. 3.27 6 и в, но имеющие размер г2—г},
значительно больше высоты h. Их называют резонаторами типа
радиальной линии. Иногда применяются объемные резонаторы
прямоугольной формы (в виде параллелепипеда). Возможно
устройство резонаторов и многих других форм.
Объемный резонатор в отличие от обычного контура имеет
не одну собственную частоту, а множество резонансных частот.
Это свойство характерно для колебательных систем с распреде-
ленными параметрами, и мы уже встречались с ним, рассматри-
вая резонансные линии. У линий резонанс на той или иной гар-
монике определяется числом четвертей или половин волны,
укладывающихся вдоль линии. В объемных резонаторах различ-
ное число стоячих волн может укладываться не в одном направ-
лении, а вдоль любого из трех размеров. Так как эти размеры
могут находиться между собой в любом соотношении, то резо-
нансные частоты объемного резонатора нельзя назвать гармони-
ками. Они не обязательно в целое число раз больше основной
частоты.
Прямоугольный или цилиндрический объемный резонатор
можно рассматривать как короткий волновод, закрытый с обоих
концов металлическими стенками. Вдоль него бегущие волны
распространяться не могут, и поэтому режим стоячих волн по-
лучится не только в поперечном сечении, но и в продольном на-
правлении. Резонанс будет наблюдаться на частотах, для кото-
рых вдоль волновода укладывается целое число полуволн.
Для простейшего типа колебаний, поле которых было пока-
зано на рис. 3.26, характерно то, что собственная частота не за-
висит от высоты резонатора h, а определяется только его диа-
метром D
г _ 23-ю3 п . _1ОГ>
АО(Мгц) — £) ИЛИ А(СЛ4) - 1’Ли(см),
Возможно также возбуждение других колебаний высших по-
рядков, частоты которых в большинстве случаев не кратны
основной (наинизшей) частоте. Получение в резонаторе колеба-
ний того или иного типа зависит от частоты возбуждающих резо-
натор внешних колебаний и от способа возбуждения, т. е. от того,
какое устройство применяется для возбуждения. Колебания выс-
ших порядков обычно на практике не используются. Однако они
могут возникнуть как вредные (паразитные) колебания.
Устройства для связи объемных резонаторов с другими цепя-
ми, в частности с другими резонаторами, осуществляются так же,
как и в волноводах. Элементы связи служат либо для возбуж-
дения колебаний в резонаторах, либо для отбора от них энергии.
105
Электрическая связь устраивается с помощью штырька
(рис. 3.28 а), а магнитная связь — с помощью витка (петли)
(рис. 3.28 6). Все, что говорилось о них применительно к волно-
водам, относится и к объемным резонаторам. Эти виды связи
аналогичны емкостной и индуктивной связям в обычных конту-
рах. На рис. 3.28 виг показаны эквивалентные схемы, подчер-
кивающие это сходство. Нередко электрическая или магнитная
связь применяется в резонаторе дважды: один раз для возбуж-
дения колебаний, а другой раз — для отбора энергии (рис. 3.29).
Рис. 3.28. Электрическая (а) и магнитная
(6) связь резонатора с другими цепями и
их эквивалентные схемы (в и г)
Резонатор
Рис. 3.29. Связь резонатора
с двумя цепями
Резонатор
Рис. 3.30. Дифракци-
онная связь волново-
да с объемным резо-
натором (через отвер-
стие)
Связь объемных резонаторов с волноводами делается часто
дифракционная — через отверстие, причем для согласования
обычно ставятся диафрагмы (рис. 3.30). В некоторых радиотех-
нических устройствах связь с резонатором осуществляется с по-
мощью электронного потока. Для пропускания этого потока в
стенках резонатора делаются отверстия.
Качество объемных резонаторов, связанных с другими цепя-
ми, получается значительно меньше, чем при отсутствии связи.
Отбор энергии от резонатора равносилен увеличению потерь в
резонаторе. Поэтому всегда нужно различать качество самого
резонатора, не имеющего связи с другими цепями, и качество
нагруженного резонатора.
Настройку объемных резонаторов на необходимый диапазон
частот можно осуществить изменением их объема. На рис. 3.31
показаны различные способы изменения объема резонаторов.
Подвижный плунжер (рис. 3.31 а) устраивается так же, как и
в коаксиальной резонансной линии, и обладает теми же недо-
106
статками. Часто встречается конструкция рис. 3.31 б, в которой
внутренний цилиндр резонатора может ввинчиваться и вывинчи-
ваться. Этот метод удобен и дает настройку в широком диапазо-
не. Если внутренний цилиндр полностью вывинчен, то резонатор
Рис. 3.31. Настройка объемного резонатора
путем изменения его объема
будет цилиндрическим и частота его получается наиболее высо-
кой. При постепенном ввинчивании цилиндра резонатор превра-
щается в коаксиальный, и собственная частота у него понижает-
ся. Иногда у резонатора делают упругую гофрированную стенку,
которую можно прогибать
с помощью Йажимного вин-
та (рис. 3.31 в).
Другим методом наст-
ройки является показанное
на рис. 3.32 а включение в
резонатор конденсатора пе-
ременной емкости. Наибо-
лее простая конструкция
изображена на рис. 3.32 6.
11еремещение внутри резо-
а) б)
Рис. 3.32, Настройка объемного резо-
натора с помощью конденсатора пе-
ременной емкости
патора винта с пластинкой дает также некоторое изменение объе-
ма, но основное влияние на частоту оказывает изменение емко-
сти в пучности электрического поля или вблизи нее. Увеличение
этой емкости дает уменьшение собственной частоты резона-
тора.
Изменение частоты в небольших пределах путем ввинчива-
ния внутрь резонатора винтов часто применяют для подстройки
на нужную частоту. Иногда для этого используют поворот
короткозамкнутого витка или металлического диска в пучности
магнитного поля или вблизи нее. Такой способ дает повышение
собственной частоты, причем оно будет наибольшим в случае,
когда плоскость витка или диска перпендикулярна магнитным
силовым линиям.
ЮГ
§ 3.9. ВОПРОСЫ И ЗАДАЧИ
1. Если заряженный конденсатор находится между полюсами магнита, то
в нем будет и электрическое поле и магнитное. Можно ли в этом случае поле
внутри конденсатора считать электромагнитным?
2. Как следует определять сущность электромагнитных волн с точки зре-
ния современной физики?
3. Как зависит скорость распространения радиоволн от свойств среды, в
которой волны распространяются?
4. Почему провода электрической сети, в которых протекает ток с частотой
50 гц, очень плохо излучают электромагнитные волны?
5. Каковы основные свойства электромагнитного поля?
6. Как расположены в электромагнитной волне векторы напряженности
электрического и магнитного полей?
7. Что такое вектор Поннтинга?
8. В чем различие между длинными и короткими линиями?
9. Какая электромагнитная волна называется бегущей? Каковы ее основ-
ные свойства?
10. Как зависит скорость распространения бегущих волн в линии от погон-
ных емкости и индуктивности линии?
11. Что такое волновое сопротивление линии? Каков порядок ее величины
для линии из двух параллельных проводов?
12. Ток и напряжение бегущей волны в линии соответственно равны 2 а и
600 в. Найти волновое сопротивление линии и мощность бегущей волны.
13. Линия имеет погонные индуктивность и емкость Li=2 мкгн//л и С(=
=8 пф/м. Найти волновое сопротивление линии и скорость распространения
бегущей волны в ней.
14. Какие явления вызывают потери энергии при распространении волн в
линиях?
15. При каком условии в линии наблюдается чисто бегущая волна?
16. Каким образом в линии возникают стоячие волны? В чем их отличие
от бегущих волн?
17. Что такое узлы и пучности стоячей волны?
18. Почему сдвиг фаз между напряжением и током в бегущей волне равен
нулю, а в стоячей волне ои составляет 90°?
19. Как распределены ток и напряжение в разомкнутой и короткозамкну-
той линии?
20. Как изменяется входное сопротивление разомкнутой и короткозамкну-
той линии в зависимости от соотношения между длиной линии и длиной
волны?
21. Какие наименьшие по длине отрезки линий эквивалентны последова-
тельному и параллельному резонансным контурам?
22. Покажите распределение тока и напряжения в отрезке короткозамкну-
той линии, когда в нем получается последовательный резонанс на 1, 2 и 3-й
гармониках.
23. Начертите графики распределения тока и напряжения в линии, если она
нагружена на сопротивление, равное половине ее волнового сопротивления.
Каково в этом случае значение коэффициента бегущей волны и коэффициента
стоячей волны?
24. Какой режим будет в линии, если она нагружена иа конденсатор, у ко-
торого емкостное сопротивление равно волновому сопротивлению линии? Как
изменится режим, если параллельно этому конденсатору включено еще актив-
ное сопротивление?
25. Каковы преимущества и недостатки волноводов по сравнению с
коаксиальной линией?
26. Что такое критическая длина волны волновода?
27. Для каких волн целесообразно применять волноводы? Почему?
28. Чем отличаются друг от друга электромагнитные волны типа Е и
типа Я?
108
29. Какого типа волна распространяется в двухпроводных линиях?
30. В чем заключается физический смысл отражения электромагнитной
волны от металлической стенки?
31. Какая волна получила название волны 7/щ?
32. Можно ли получить в волноводе режимы, аналогичные режимам рабо-
ты короткозамкнутой и разомкнутой линии?
33. Каким образом в волноводе может быть создан режим чисто бегущих
волн?
34. Как осуществляется связь волновода с коаксиальной линией?
35. На каких волнах применяются колебательные системы в виде резо-
нансных линий? В чем их достоинства и недостатки по сравнению с обычными
колебательными контурами?
36. Какими способами можно настраивать резонансные линии на разные
частоты?
37. Почему коаксиальная резонанснаи линия имеет более высокие качест-
ва, чем симметричная линия?
38. На чем основана возможность монтажа объемного резонатора или
коаксиальной резонансной линии на металлическом шасси без всякой изо-
ляции?
39. Как видно видоизменить конструкцию обычного колебательного конту-
ра, чтобы превратить его в объемный резонатор?
40. Почему объемные резонаторы имеют очень высокую добротность?
41. Начертите электрическое и магнитное поля в коаксиальном объемном
резонаторе по рис. 3.27 б.
42. Какими способами можно связать объемный резонатор с коаксиаль-
ной линией?
43. Какие устройства применяются для настройки объемных резонаторов
на различные частоты?
ГЛАВА 4
АНТЕННЫЕ УСТРОЙСТВА И РАСПРОСТРАНЕНИЕ
РАДИОВОЛН
§ 4.1. АНТЕННА (ОТКРЫТЫЙ КОНТУР)
Антенной называется система проводников, служащих для из-
лучения радиоволн на передающей станции и для улавливания
радиоволн на приемной станции. Иначе говоря, антенна осущест-
вляет преобразование энергии тока высокой частоты в энергию
радиоволн или, наоборот, преобразует энергию радиоволн в
энергию тока высокой частоты.
Впервые в мире антенну применил А. С. Попов. В дальней-
шем в теорию и технику антенных устройств большой вклад
внесли советские ученые М. В. Шулейкин, А. А. Пистолькорс,
В. В. Татаринов, М. А. Бонч-Бруевич, А. Л. Минц, Г. 3. Айзен-
берг и другие. В Советском Союзе были разработаны и осущест-
влены многие оригинальные типы антенн.
В состав антенного устройства во многих случаях, помимо
самой антенны, служащей для излучения или приема радиоволн,
входит еще фидерная линия, которая служит для передачи с наи-
меньшими потерями электромагнитных волн от передатчика к
антенне или от антенны к приемнику. Для правильной работы
антенного устройства сами фидерные линии не должны обла-
дать антенным эффектом, т. е. излучать или принимать радио-
волны.
Принято разделять антенны на передающие и приемные,
хотя принципиальной разницы в устройстве между ними в боль-
шинстве случаев нет. Передающая антенна должна излучать в
нужном направлении электромагнитные волны с возможно
большей энергией. В приемной антенне радиоволны, пришедшие
в определенном направлении, должны создавать колебания с
возможно большей энергией.
Антенные устройства обладают свойством обратимости. Это
значит, что любая передающая антенна, как правило, может
работать в качестве приемной и наоборот. Кроме того, если
антенна, работающая в качестве передающей, обладает некото-
рыми свойствами, то подобные же свойства остаются и в случае
использования данной антенны для приема. Например, если ап-
110
тенна лучше всего излучает волны в некотором определенном
направлении, то она будет принимать лучше всего волны, прихо-
дящие с этого же направления. Практически иногда передаю-
щие и приемные антенны все же имеют некоторые различия.
Рассмотрим прежде всего элементарные принципы устрой-
ства и работы простейших антенн.
Замкнутый колебательный контур, имеющий малые размеры
по сравнению с длиной волны, очень плохо излучает электромаг-
нитные волны. Это можно объяснить следующим образом.
Электромагнитные волны излучаются проводником, по кото-
рому проходит ток высокой частоты. Если провод согнуть в виде
петли (рис. 4.1 а), то в двух его половинках токи направлены в
противоположные стороны.
Рис. 4.1. Противоположные направления токов в
элементах колебательного контура
Волны, создаваемые этими токами, противоположны по фазе
и, если расстояние между проводами d мало по сравнению с дли-
ной волны, то эти волны будут в пространстве взаимно уничто-
жаться.
Таким образом, провод в виде петли почти не излучает элек-
тромагнитные волны. То же можно сказать и о проводе в виде
прямоугольного или круглого витка (рис. 4.16 и в), имеющего
размеры много меньше длины волны. Токи в противоположных
сторонах квадратного витка направлены в разные стороны и вол-
ны, создаваемые этими токами, имеют противоположные фазы.
В направлении, перпендикулярном к плоскости витка, эти вол-
ны взаимно уничтожаются. А в направлении вдоль плоскости
витка сдвиг фаз между этими волнами немного отличается от
180°, так как одна из волн проходит лишний путь, равный d, и не-
сколько запаздывает по фазе. Но если сторона витка много мень-
ше длины волны, то запаздывание ничтожно и практически
волны, идущие в этом направлении, также взаимно уничтожа-
ются.
У круглого витка малого диаметра каждому данному элемен-
ту провода, например, элементу А на рис. 4.1 в, соответствует
другой диаметрально противоположный элемент (Б на
рис. 4.1 в), причем в этих элементах токи направлены в разные
стороны. Волны, создаваемые этими элементами, имеют проти-
воположные фазы и практически взаимно уничтожаются.
Ill
Если бы размер d составлял заметную часть длины волны X,
то волны, идущие в направлении вдоль плоскости витка от его
противоположных сторон, имели бы сдвиг фаз, значительно от-
личающийся от 180°, так как одна из волн заметно запаздывала
бы, и поэтому взаимного уничтожения волн не получалось бы.
Только в направлении, перпендикулярном витку, волны шли бы
путями одинаковой длины и взаимно уничтожали бы друг друга.
В радиотехнических колебательных контурах, работающих
на средних и коротких волнах, витки катушек имеют обычно диа-
метр порядка нескольких сантиметров, а длина волны измеряет-
ся десятками и сотнями метров. При таком соотношении практи-
чески можно считать, что каждый виток в отдельности не излу-
чает, а следовательно, и вся катушка в целом также не будет
излучать.
Рис. 4.2. Превращение замкнутого
контура в открытый
Весь контур на этих волнах можно представить как один ви-
ток, в противоположных элементах которого токи протекают в
разных направлениях. В соединительных проводах АБ и ВГ
(рис. 4.1) токи имеют противоположные направления. То же
можно сказать и о токах в участках АВ и БГ, т. е. в катушке и в
конденсаторе. Так как геометрические размеры контура малы по
сравнению с длиной волны, то контур практически излучает
очень слабо.
Однако возможно изменить устройство колебательного кон-
тура так, что в отдельных его элементах токи будут иметь оди-
наковое направление в пространстве, т. е. колебания в отдель-
ных элементах контура совпадут по фазе. Тогда волны, созда-
ваемые этими элементами, взаимно не уничтожатся и получится
значительное излучение. Это достигается превращением замк-
нутого контура (рис. 4.2 о) в открытый контур, т. е. в антенну.
Если раздвинуть обкладки конденсатора и развернуть соеди-
нительные провода в прямую линию (рис. 4.2 6), то направления
112
токов в этих проводах станут одинаковыми. Подобный контур из-
лучает волны все же недостаточно, так как отсутствует излуче-
ние катушкой, и токи, протекающие по обкладкам конденсатора,
направлены в противоположные стороны и под прямым углом
к токам в соединительных проводах.
Дальнейшее увеличение излучения волн получится, если вы-
тянуть провод катушки в прямую линию и вместо обкладок для
создания необходимой емкости применить провода достаточной
длины (рис. 4.2 в). Тогда направление токов во всех элементах
провода будет одно и то же, т. е. колебания во всех частях про-
вода будут совершаться в одинаковых фазах, и излучение волн
Рис. 4.3. Схема для
возбуждения свободных колебаний в открытом контуре
и колебательный процесс в нем
станет наибольшим. Таким образом, открытый контур в простей-
шем случае представляет собой прямолинейный провод. Прак-
тически в нем все же обычно оставляют небольшую катушку Lca
для связи с генератором (рис. 4.2 г).
Всякий провод обладает собственной индуктивностью и соб-
ственной емкостью, распределенными по его длине, а поэтому
является своеобразным колебательным контуром, в котором
можно получить свободные электрические колебания. На схеме
рис. 4.3 а в положении 1 переключателя П обе половины провода
заряжаются от батареи Б. Если перевести переключатель в по-
ложение 2, то электроны будут двигаться вдоль провода в на-
правлении от нижней его половины к верхней, а затем в обрат-
ном направлении, т. е. в проводе возникнут свободные затухаю-
щие колебания.
Отдельные фазы колебательного процесса в проводе показа-
ны на рис. 4.36. В верхней части рисунка показано распределе-
ние электрического и магнитного полей, а в нижней части — гра-
фик изменения тока и напряжения в антенне.
8—2607 113
Напряжением в какой-либо точке антенны принято называть
разность потенциалов между данной точкой и симметрично ей
расположенной точкой на второй половине провода. График тока
показывает также изменение напряженности магнитного поля, а
график напряжения — изменение напряженности электрическо-
го поля. На рис. 4.3 6 график напряжения и соответствующее
ему электрическое поле изображены штриховой линией, а гра-
фик тока и соответствующее ему магнитное поле — сплошной
линией.
Рис. 4.4. Индук-
тивная связь от-
крытого контура с
генератором
Антенна
Земля
Рис. 4.5. Антенное
устройство с заземле-
нием (а) и с проти-
вовесом (б)
Земля
у
Антенна
С’ ^св
В начальный момент (0 на рис. 4.3 б) провод обладает потен-
циальной энергией электрического поля зарядов, сосредоточен-
ных на верхней и нижней половинах провода. Тока еще нет, а
разность потенциалов имеет максимальную величину. При
возникновении движения электронов вдоль провода ток возра-
стает, а напряжение уменьшается, и энергия электрического
поля переходит в кинетическую энергию магнитного поля, созда-
ваемого током. Через четверть периода электрическое поле заме-
няется магнитным полем. В этот момент (/ на рис. 4.3 6) ток
максимален, а напряжение равно нулю. Затем ток и магнитное
поле уменьшаются. Возникает эдс самоиндукции, которая под-
114
держивает движение электронов и провод перезаряжается. Энер-
гия переходит из магнитного поля в электрическое. К концу
второй четверти периода (момент 2) снова энергия сосредоточе-
на в электрическом поле, но направление поля изменилось на
обратное. Далее, в течение следующей половины периода весь
процесс повторяется в обратном направлении и восстанавливает-
ся первоначальное состояние. В промежуточные моменты, не-
изображенные на верхнем чертеже, одновременно существуют
электрическое и магнитное поля, так как энергия распределена
между обоими полями. Электрическое и магнитное поля имеются
вдоль всего провода, причем магнитное поле наиболее сильное в
середине провода, где ток наибольшей величины, а на концах
провода ток равен нулю и магнитное поле отсутствует.
Открытый контур, представляющий собой прямолинейный
провод, в котором могут происходить свободные электрические
колебания, называют симметричным вибратором, или, короче,
просто вибратором, или диполем. Для получения в нем незатуха-
ющих колебаний его связывают с генератором, например, при
помощи индуктивной связи (рис. 4.4). В простейшем случае ан-
тенное устройство для длинных, средних, а иногда и коротких
волн может быть выполнено следующим образом. По возможно-
сти выше над землей подвешивается сама антенна, т. е. система
проводов, играющая роль одной обкладки конденсатора. Второй
обкладкой является земля или второй провод, называемый про-
тивовесом и подвешенный невысоко над землей.
Такое антенное устройство является несимметричным. Ем-
кость Сл между антенной и землей (или противовесом) доходит
до десятков или даже сотен пикофарад. Схематически антенные
устройства с заземлением и с противовесом показаны на рис.
4.5 а и б. На этих же рисунках даны условные обозначения ан-
тенны, земли и противовеса, применяемые в радиотехнических
схемах.
§ 4.2. СИММЕТРИЧНЫЙ ПОЛУВОЛНОВЫЙ ВИБРАТОР
Рассмотрим более подробно симметричный вибратор, кото-
рый является основной частью многих антенн, работающих на
коротких и ультракоротких волнах. Он представляет собой чет-
вертьволновую разомкнутую линию, провода которой разверну-
ты в одну прямую (рис. 4.6). Большинство свойств двухпровод-
ной линии, рассмотренных ранее, сохраняется и у вибратора.
В нем также создаются стоячие волны, причем на концах прово-
да всегда получаются узлы тока и пучности напряжения. Распре-
деление тока и напряжения вдоль вибратора получается такое
же, как и вдоль проводов линии. В зависимости от соотношения
между длиной вибратора и длиной волны генератора входное
сопротивление вибратора принимает различные значения.
В частности, при резонансе оно чисто активное.
8* 115
Скорость распространения электромагнитых волн вдоль
реального вибратора несколько меньше, чем 3-108 м!сек, и по-
этому резонанс получается в случае, когда длина провода вибра-
тора немного меньше ’/аХ (примерно 0,47 X). Если вибратор рас-
положен близко к земле и различным местным предметам, то
приходится брать его еще короче. Кроме того, если в середину
вибратора включена катушка для связи с генератором, то длина
вибратора должна быть взята с учетом того, что провод катуш-
ки является частью провода вибратора. При наличии такой ка-
тушки в ее средней точке получается пучность тока и узел на-
пряжения.
d)
Рис. 4.6. Переход от четвертьволновой разомкну-
той линии (а) к полуволновому вибратору (б)
Основное отличие вибратора от линии заключается в его
способности хорошо излучать радиоволны. Двухпроводная линия
излучает радиоволны слабо, так как магнитные поля обоих про-
водов во внешнем пространстве почти полностью взаимно унич-
тожаются вследствие противоположных направлений токов в
проводах; у вибратора же обе половинки провода расположены
по одной прямой и токи в них совпадают по направлению. По-
этому излучения от этих токов складываются.
Поскольку вибратор хорошо излучает радиоволны, нельзя
считать его идеальной линией. В нем получается режим смешан-
ных, а не стоячих волн. В результате теоретического и практи-
ческого исследования полуволнового вибратора выяснилось, что
энергия излучаемых им волн эквивалентна потерям в активном
сопротивлении 73 ом, которое следует считать включенным в
пучность тока. Такое условное сопротивление, потери в котором
эквивалентны потерям на излучение, называют сопротивлением
излучения (Ru3Jt).
Если бы в самом проводе и в изоляторах не было потерь
энергии, то входное сопротивление вибратора в пучности тока
116
при резонансе составляло бы 73 ом. Но в каждом вибраторе
имеются потери на нагрев провода и изоляторов, на утечку и т. п.
Поэтому Zax, называемое иначе полным сопротивлением антен-
ны RA, для полуволнового вибратора приближенно считают рав-
ным 80 ом (добавляя 7 ом на потери). Именно такое сопротив-
ление оказывает вибратор генератору, включенному в пучность
тока (в середину вибратора).
Полная мощность колебаний в антенне (в вибраторе) РА
определяется через ток в пучности /л и сопротивление RA
Рл = •
А А 'А
Мощность излучаемых волн
Р = I2 R .
из л ‘ а *'изл
Отсюда следует, что кпд вибратора определяется как
Р из.г Rus.i
Р А ~ *А '
Величина кпд для полуволнового вибратора получается до-
статочно высокой — порядка 0,9 и даже выше.
При изображении распределения тока и напряжения в виб-
раторе следовало бы учитывать наличие бегущей волны, которая
переносит вдоль вибратора энергию, идущую на излучение и на
потери в самом вибраторе. Однако для упрощения принято изо-
бражать только стоячую волну.
Надо помнить, что рис. 4.6 6 показывает распределение тока
и напряжения без учета сдвига фаз на 90° между ними. Для бо-
лее полного представления о колебательном процессе в вибра-
торе на рис. 4.7 даны графики распределения тока и напряже-
Рис. 4.7. Распределение тока н напряжения
в вибраторе в различные моменты времени
ния в нем в различные моменты времени в течение одной поло-
вины периода. В начале (рис. 4.7 а) тока еще нет, а напряжение
имеет наибольшее значение. За время ,/а Т от начала колебания
117
напряжение уменьшилось и возник ток (рис. 4.76). Через чет-
верть периода от начала колебания ток достигает наибольшей
величины, а напряжение равно нулю (рис. 4.7в). Затем ток
уменьшается, и снова появляется напряжение, но уже противо-
положного знака, так как половинки провода перезаряжаются
(рис. 4.7г). Когда пройдет полпериода от начала колебания, ток
уменьшится до нуля, а напряжение возрастет до максимума
(рис. 4.76). После этого процесс повторяется в обратном на-
правлении.
На рис. 4.8 а показаны электрическое и магнитное поля во-
круг вибратора. Распространившиеся от вибратора электромаг-
нитные волны всегда имеют определенную поляризацию, т. е.
Рис. 4.8. Электромагнитное поле около вибратора и на
значительном удалении от него
электрические и магнитные силовые линии у них располагаются
в определенных плоскостях. Если волны распространяются сво-
бодно, без преломлений и отражений, то на значительном удале-
нии по направлению, перпендикулярному к вибратору, электри-
ческие силовые линии располагаются параллельно вибратору,
а магнитные силовые линии — перпендикулярно к нему
(рис. 4.8 6).
Принято поляризацию радиоволн определять по направлению
электрического поля. Когда вибратор расположен вертикально,
(рис. 4.8), волна поляризована вертикально, так как электриче-
ские силовые линии расположены в вертикальной плоскости.
Если же вибратор расположен горизонтально, то излучаемые им
волны имеют горизонтальную поляризацию.
Следует обратить внимание на то, что электромагнитные по-
ля вблизи вибратора и вдали от него имеют различный характер.
На значительном расстоянии от вибратора поле представляет со-
бой бегущую волну, удаляющуюся от вибратора. Здесь, как и во
118
всякой бегущей волне, колебания электрического и магнитного
полей совпадают по фазе и энергия распределена поровну между
этими полями. Такое электромагнитное поле принято называть
полем излучения. Конечно, это поле существует и вблизи вибра-
тора, поскольку он излучает и в нем имеются бегущие волны то-
ка и напряжения, переносящие вдоль вибратора к отдельным
его элементам энергию, расходующуюся на излучение.
Однако в вибраторе имеются также стоячие волны, ампли-
туда которых гораздо больше, чем амплитуда бегущих волн.
Энергия стоячих волн является чисто реактивной. Поле этих
волн не удаляется от вибратора, а в нем совершается лишь ко-
лебание энергии, переходящей из электрического поля в магнит-
ное и обратно. Таким образом, непосредственно около вибратора
существует сравнительно сильное электромагнитное поле стоя-
чих волн, в котором электрическое и магнитное поля совершают
колебания со сдвигом фаз 90°. Это поле, значительно более силь-
ное, нежели поле излучения, называют полем индукции. Его
напряженность очень быстро убывает при удалении от вибра-
тора.
Пространство вблизи вибратора на расстояниях, меньших
длины волны от него, в котором существует поле индукции, на-
зывают зоной индукции или ближней зоной. А пространство на
расстояниях, значительно больших длины волны, в котором
практически наблюдается только поле излучения, называют
дальней или волновой зоной (или зоной излучения).
Разумеется, что резкой границы между ближней и дальней
зонами нет. Одна постепенно переходит в другую, и между ними
существует промежуточная зона, в которой поле индукции и
поле излучения имеют напряженности одного порядка.
§ 4.3. СОБСТВЕННЫЕ ЧАСТОТА И ДЛИНА ВОЛНЫ АНТЕННЫ
Частота свободных колебаний открытого контура зависит от
его емкости и индуктивности, которые могут быть грубо опре-
делены, если известна длина и толщина провода антенны. Очень
грубо можно считать, что каждый метр провода имеет емкость
около 5 пф и индуктивность около 2 мкгн. Например, если длина
антенны 40 м, то ее емкость СД получается порядка 200 пф и
индуктивность L д= 80 мкгн.
Чем длиннее провод, тем больше индуктивность и емкость
антенны, а следовательно, меньше частота (и больше длина
волны), соответствующая собственным свободным колебаниям
антенны. Если учесть, что скорость распространения электро-
магнитного поля вдоль провода равна 300000 км/сек, то можно
получить формулы для расчета собственной длины волны или
частоты антенны в зависимости от длины провода. Волна про-
ходит в одном направлении вдоль провода антенны за полупе-
119
риод. Значит, длина провода открытого контура I равна Это
же вытекает из распределения тока и напряжения в антенне.
Отсюда следует формула
к = 21.
Таким образом, длина волны собственных колебаний изоли-
рованной от земли антенны равна удвоенной длине провода.
Заменяя длину волны частотой по формуле
. 300000
Л =---------„
f
•где f выражено в килогерцах, получаем
f _ 150000
/(,кч) ~ 1(М)
Например, если длина провода антенны /“30 м, то собствен-
г 150000 r-ппп Л
ная частота равна f= ——— = 5000 кгц, а собственная длина
волны Х=2-30=60 м. Практически вследствие влияния земли
и других местных предметов собственная длина волны обычно
несколько больше удвоенной длины провода.
Для максимального излучения волн нужно получить в антен-
не наиболее сильные колебания. Антенна питается от генератора
и в ней получаются вынужденные колебания. Их амплитуда мак-
симальна в случае резонанса, когда частота генератора равна
собственной частоте антенны. При индуктивной связи с генерато-
ром антенна является вторичным контуром и в ней может
быть резонанс напряжений.
Если передатчик должен работать на различных волнах, то
необходимо настраивать антенну, т. е. изменять ее собственную
частоту. Можно для этого изменять длину провода антенны, но
такой метод неудобен.
Практически антенну, как и замкнутый колебательный кон-
тур, настраивают при помощи конденсаторов переменной емко-
сти или вариометров.
Для удлинения собственной волны антенны в нее последова-
тельно включают катушку, что равносильно увеличению длины
провода. Например, можно включить вариометр, который будет
также служить для плавной настройки (рис. 4.9 а). Последова-
тельное включение в антенну конденсатора вызывает укорочение
собственной длины волны антенны (рис. 4.9 6), так как конден-
сатор включен последовательно с емкостью самой антенны СЛ, в
результате чего общая емкость антенного контура уменьшается.
Для более широкого диапазона настройки иногда в антенну
включают и удлинительную катушку и укорачивающий конден-
сатор.
120
В случае заземленной антенны на конце провода, соединен-
ном с землей, не может быть пучности напряжения, так как зем-
ля имеет нулевой потенциал. Следовательно, у земли получается
узел напряжения и пучность тока. Поэтому при возбуждении
колебаний на основной волне (на 1-й гармонике) в заземленной
антенне вдоль нее укладывается 3/ч А,- Распределение тока и
Рис. 4.9. Удлинение и укорочение длины волны антенны антенне
напряжения для этого случая показано на рис. 4.10. Таким об-
разом, зависимость собственной длины волны от длины провода
у заземленной антенны выражается так:
/ — — или X — 4 /.
4
Вследствие влияния земли и местных предметов собственная
длина волны получается обычно больше.
Практически считают, что
К = (5^-6)/.
§ 4.4. ПРОСТЕЙШИЕ ПРИЕМНЫЕ И ПЕРЕДАЮЩИЕ АНТЕННЫ.
ЗАЗЕМЛЕНИЕ И ПРОТИВОВЕС
Рассмотрим простейшие антенны, применяемые главным об-
разом на средних волнах.
Прием радиоволн основан на том, что они воздействуют на
всякий проводник, находящийся на их пути, и наводят в нем эдс.
Электромагнитное поле радиоволны приводит в колебание элек-
троны, находящиеся в таком проводнике, и создает в нем ток с
частотой, равной частоте тока в антенне передатчика. Простей-
шие приемные антенны, как правило, не настраиваются на часто-
121
ту принимаемых сигналов и поэтому длина провода у них не
имеет важного значения.
В любой антенне имеются потери энергии. Наличие значи-
тельных потерь в приемной антенне для современных приемни-
ков, дающих огромное усиление сигналов, не играет особой роли.
Эти приемники дают хороший прием даже с плохими антеннами.
Но для простых приемников с малым усилением желательно
применять хорошие антенны, в которых потери энергии не-
велики.
Наилучший прием дают наружные антенны. Высота антен-
ны должна быть в сельской местности примерно 6—10 м от зем-
ли, а в городах 3—5 м от крыши. Провод применяется голый
медный или специальный канатик диаметром 1—2 мм. В край-
нем случае можно использовать стальной провод. Изолирован-
ный провод также пригоден, так как изоляция не является
препятствием для радиоволн. Для
радиовещательного приема исполь-
зуются следующие типы антенн.
Однопроводная Г-образная ан-
тенна (рис. 4.11) по форме напоми-
нает букву Г. На концах горизон-
тальной части ставятся изоляторы,
предотвращающие утечку тока ан-
тенны в землю. Благодаря этому
ток идет в приемник по снижению,
которое также изолируется от
земли.
Однопроводная Т-образная антенна устанавливается обычно
в случае, если приемник расположен посредине между двумя
высокими точками подвеса. Снижение берется от середины гори-
зонтальной части.
Вертикальная или наклонная антенна делается без горизон-
тальной части и имеет один вертикальный или наклонный про-
вод. На больших зданиях иногда устанавливают одну цен-
тральную мачту, от которой в разные стороны идут наклонные
антенны. Присоединять к одной антенне несколько приемников
нельзя, так как они будут мешать друг другу.
Антенны с сосредоточенной емкостью отличаются от предыду-
щей тем, что на верхнем конце их имеется проводник в виде спи-
рали или пучка проволок («метелка»), увеличивающий емкость.
Эти антенны не имеют особых преимуществ перед простыми вер-
тикальными.
Комнатные и суррогатные антенны применяются в случае,
когда невозможна установка наружной антенны. С ними прием
получается хуже и в городских условиях обычно сопровождается
большими помехами. Чем выше расположена комната, тем
лучше работает комнатная антенна. Железобетонные стены силь-
122
Около 90'
ЙЗОЛИГПОрЬ!
Горизонтальная часть
вертикальная часть
(снижение или отвод)
Рис. 4.11. Однопроводная Г-об-
разная антенна
I Штепсельная
\ розетка сети
S SO-lOOnp
Предохранитель
на 0,25 а ।----
Приемник
03
Рис. 4.12. Прием на ос-
ветительную сеть вместо
антенны
разности потенциалов,
но поглощают радиоволны и делают комнатную антенну мало
пригодной.
Суррогатной антенной может быть какой-либо проводник,
служащий для других целей, например, осветительная сеть.
В приемник включается один ее провод через разделительный
конденсатор емкостью 50—100 пф (точная величина емкости
значения не имеет) и предохранитель на ток не больше 0,25 а
(рис. 4.12). Конденсатор практически не пропускает переменный
ток сети вследствие малой частоты его, а токи высокой частоты,
возникающие в проводах сети под влиянием радиоволн, свободно
проходят через конденсатор в приемник,
в качестве антенны осветительной сети
следует делать осторожно. Кроме того,
через сеть в приемник проникают помехи
от электрических установок.
Современные приемники имеют высо-
кую чувствительность и могут давать
прием удаленных станций на антенну в
виде провода длиной в несколько десят-
ков сантиметров. Но все же прием на
наружную антенну значительно лучше.
Поле электромагнитной волны, воз-
действующей на приемную антенну, оце-
нивают величиной напряженности элект-
рического поля этой волны. Она равна
приходящихся на 1 м длины электрических силовых линий.
Дальние радиостанции создают в месте приема напряженность
полд, нескольких микровольт на метр (лкв/л). Если напряжен-
ность поля какой-либо радиостанции составляет 10 мкв!м, то это
равносильно напряженности поля в конденсаторе, имеющем об-
кладки на расстоянии 1 м друг от друга и заряженном до на-
пряжении в 10 мкв. Более сильные поля радиоволн измеряются
в милливольтах на метр (мв/м).
Электродвижущая сила, наводимая в антенне радиоволна-
ми, зависит от напряженности поля волны, высоты приемной
антенны и её конструктивных особенностей. Для сравнения ка-
чества антенн различной высоты и формы введено понятие о
действующей высоте антенны, которая обычно меньше геомет-
рической высоты.
Если обозначить действующую высоту антенны hd, а напря-
жённость поля Е, то эдс Еа, возникающая в антенне под дейст-
вием радиоволны, может быть рассчитана по формуле
FA = Ehd.
Например, если hd =8 м и £=50 мкв!м, то ЕА =400 мкв.
Вертикальная антенна, работающая на собственной волне,
имеет действующую высоту, равную примерно. 0,64 геометриче-
123
ской высоты h. Если же высота такой антенны много меньше ,
4
то hd будет около 0,5 h. При наличии горизонтальной части hg
может достигать величины 0,8 h и даже 0,9 Л.
Земля в радиоустановках играет двоякую роль. Она образу-
ет одну из проводящих обкладок емкости антенна — земля, а
также служит для предохранения радиоустановки от разрядов
атмосферного электричества. Для выполнения первой задачи
земля может быть заменена специальным проводником — про-
тивовесом. Вторую задачу может выполнить только земля. На
антенне нередко накапливаются большие электрические заря-
ды. Это бывает при прохождении заряженной грозовой тучи над
антенной или при близком ударе молнии. Иногда зимой сухой
Рис. 4.13. Способы включения грозового переключателя
и грозового предохранителя
наэлектризованный снег или летом пыль, поднятая ветром, мо-
гут зарядить антенну до значительного потенциала. Если антен-
на изолирована от земли, то накопившийся в ней заряд может
перейти в виде искры в землю и при этом повредить приёмник
или вызвать пожар. Поэтому у радиостанций с наружными ан-
теннами надо обязательно заземлять антенну при приближении
грозы и после окончания работы.
Для быстрого отключения антенны от приёмника и соедине-
ния ее с землей служит грозовой переключатель в виде ползун-
ка с двумя контактами или рубильника (рис. 4.13). Устанавли-
вают его на оконной раме или около окна, чтобы вводы антен-
ны и заземления шли к нему кратчайшим путем. Дополнением
к переключателю является грозовой предохранитель — искро-
вой промежуток примерно в 0,5 мм между двумя остриями или
зубчатыми пластинками, присоединяемыми к антенне и земле.
Тогда, если антенна не заземлена, заряд с нее может уходить в
землю в виде искр через грозовой предохранитель.
Антенна вовсе не «притягивает» молнию, как думают мно-
гие. Молния ударяет не всегда в самый высокий предмет, так
124
как она,распространяется по линии наименьшей электрической
прочности воздуха, которая обычно извилиста. Заранее предви-
деть, куда молния ударит, — невозможно. Все зависит от состо-
яния воздуха в данный момент. Удары молнии в антенну весь-
ма редки. В большинстве случаев они при заземленной антенне
менее разрушительны, чем при отсутствии антенны или молние-
отвода.
В городе для заземления можно использовать трубы водо-
провода. Если делается специальное заземление, то закапыва-
ют в яму какой-либо металлический предмет или забивают в
землю кусок водопроводной трубы с припаянной проволокой.
Заземление иногда может быть не пригодно для приема. На-
пример; заземление в сухой почве имеет очень большое сопро-
тивление. В городских условиях заземление может служить ис-
точником помех от «блуждающих токов», причиной которых яв-
ляется главным образом трамвай, у которого ток проходит не
только через рельсы, но и кратчайшим путем к электростанции
через землю. Поэтому иногда вместо заземления присоединяют
противовес, который делается в виде провода, подвешиваемого
под антенной изолированно от земли. Противовесом всегда
пользуются на передвижных радиостанциях, для которых по-
стоянное хорошее заземление сделать невозможно, так как мес-
тоположение станции меняется.
На самолетах противовесом обычно служит металлический
корпус самолета. Антенна может висеть под самолетом с грузи-
ком на конце. Она выпускается после взлета, а при посадке
убирается. Делается также постоянная (жесткая) антенна в ви-
де провода, натянутого вдоль корпуса или плоскостей самолета.
На морских и речных судах в качестве заземления служит вода.
Передающие антенны конструируют и строят так, чтобы по-
тери энергии в них были минимальны, так как уменьшение по-
лезной мощности приводит к уменьшению дальности действия
передатчика. Чтобы мощность излучаемых волн была наиболь-
шей, передающие антенны всегда настраиваются на частоту
передатчика. Поэтому длина провода этих антенн обычно опре-
деляется диапазоном волн передатчика. Чем больше мощность
передатчика, тем выше напряжение в антенне и тем лучше она
должна быть изолирована от земли.
Антенны для мощных передатчиков представляют собой ог-
ромные сооружения. Они делаются большой высоты и иногда
специально конструируются для излучения воли преимущест-
венно в одном направлении. Из рассмотренных выше антенн в
качестве передающих применяются Г-образная, Т-образная и
вертикальная или наклонная антенны. Размеры антенны зави-
сят от диапазона волн.
Для коротких волн антенны имеют сравнительно небольшие
размеры, а для средних волн емкость антенны должна быть зна-
125
чительной. С целью увеличения емкости антенны горизонталь-
ную часть выполняют из нескольких проводов. Иногда их рас-
полагают в виде цилиндра. Такая антенна встречается на кораб-
лях. Для передающих антенн заземление из-за значительных
потерь не применяется, а используются противовесы различных
систем.
§4.5. РАМОЧНАЯ И МАГНИТНАЯ АНТЕННЫ
Рамочная антенна, коротко называемая рамкой, представля-
ет собой катушку индуктивности большого размера и обла-
дает свойством направленного приема. Рамка лучше всего
принимает волны, направленные вдоль ее плоскости; волны
перпендикулярные к этой плоскости, рамка совсем не принимает.
Поворачивая рамку, можно получить наилучшую слышимость
нужной станции и избавиться от помех некоторых других стан-
ций.
Рис. 4.14. Направленное действие рамки
Если рамка расположена под прямым углом к направлению
прихода радиоволн (рис. 4.14а), то в обеих половинках каж-
дого ее витка возникают две равные эдс Et и Е2, направленные
навстречу. В результате эдс во всей рамке равна нулю. А если
рамка расположена вдоль движения волны (рис. 4.14 6), то
фазы эдс Ei и Е2 неодинаковы, поскольку волна раньше дохо-
дит до одной половины витков. В рамке возникает некоторая
разностная эдс. Она тем больше, чем больше размеры рамки и
число её витков и чем короче волна.
Направленное действие рамочной антенны характеризуется
резким минимумом приема, а максимум получается расплывча-
тым. Действующая высота рамки обычно составляет десятые
доли метра, и поэтому эдс в рамке получается малой. Чтобы
усилить прием, рамку включают в состав первого (входного)
контура приемника, который настраивают на частоту принима'
126
емых сигналов. Тогда за счёт резонанса получается усиление
напряжения в десятки раз.
В последнее время успешно применяется магнитная антенна,
представляющая собой видоизменение рамочной антенны. Она
выполняется в виде катушки
па ферромагнитном сердечни-
ке, наиболее подходящим ма-
териалом для которого являет-
ся феррит (рис. 4.15). Благо-
даря высокой магнитной про-
ницаемости феррита (порядка
нескольких сотен) под дейст-
вием магнитного поля электро-
магнитной волны в катушке
получается значительно бо-
лее сильный магнитный поток,
нежели при отсутствии сер-
дечника. Поэтому даже при
малых размерах катушки в
магнитной антенне возникает
такая же эдс, как и в рамоч-
ной антенне гораздо больших
размеров.
Практически сердечник
магнитной антенны имеет дли-
ну порядка 10—30 см и площадь поперечного сечения 0,5—1 см2.
Число витков катушки бывает порядка нескольких десятков.
Направленное действие магнитной антенны такое же, как ра-
мочной. Магнитная антенна обыч-
но монтируется внутри приемни-
ка. Для использования ее на-
правленных свойств в больших
приемниках устраивают враще-
ние антенны с помощью специ-
альной ручки. По своей действую-
щей высоте магнитная антенна
равноценна комнатной антенне
небольших размеров и поэтому
для приемников с низкой чувст-
вительностью непригодна.
Рамочную и магнитную антенны целесообразно применять
главным образом тогда, когда нужно уменьшить помехи от дру-
гих радиостанций, имеющих волну, близкую к волне принимае-
мой станции, но расположенных в ином направлении.
Важным применением рамки является определение место-
нахождения радиостанции, называемое радиопеленгацией или
радиопеленгированием (рис. 4.16). Во время приёма сигналов
127
Рис. 4.15. Устройство магнитной' ан-
тенны и ее изображение на схемах
НеизВестная _
радиостанция
Пеленгаторные станци
Рис. 4.16. Определение располо-
жения неизвестной радиостанции
неизвестной радиостанции рамочные антенны на пеленгаторных
станциях А и В поворачиваются до момента пропадания или
уменьшения до минимума слышимости и измеряются углы меж-
ду направлениями на пеленгируемую станцию и прямой АВ.
Пересечение на карте направлений АС и ВС в точке С дает мес-
то расположения радиостанции. Радиопеленгация позволяет ко-
раблям или самолётам определять свое местонахождение в ту-
мане, в облаках или ночью, принимая на рамочную антенну
сигналы известных радиостанций.
Рамочные антенны большого размера применяются и как
передающие для направленного излучения на радиомаяках, да-
ющих правильный курс самолётам и кораблям, и в других слу-
чаях.
§ 4.6. ФИДЕРНЫЕ ЛИНИИ
Фидерные линии, работающие в режиме стоячих (вернее,
смешанных) волн, применяются только в случае, если длина
фидера невелика, например равна ‘АХ или 7г X. Такие фидеры,
в частности, используются для распределения энергии между
отдельными элементами сложных направленных антенн.
В линиях со стоячей волной потери энергии выше, а кпд ни-
же, чем у линий с бегущей волной. Линия со стоячей волной
должна быть строго определенной длины, равной целому числу
(четному или нечетному) четвертей волны.
Линии с бегущей волной имеют ряд существенных преиму-
ществ. Потери энергии в них меньше, и поэтому кпд выше, что
важно при значительной длине линии. Напряжение и ток в слу-
чае бегущих волн меньше, чем при стоячих волнах. При мень-
шем напряжении предъявляются менее жесткие требования к
изоляции линии. Удобно то, что при линии с бегущей волной ге-
нератор нагружен на постоянное и чисто активное сопротивле-
ние, равное волновому сопротивлению линии и не зависящее от
ее длины. Поэтому линия с бегущей волной может быть сдела-
на любой длины независимо от длины волны. Вся энергия волн,
передаваемых по линии, за исключением небольшой ее доли,
теряющейся в самой линии, отдается в передающую антенну.
Чтобы получить режим бегущей волны, надо обеспечить ра-
венство нагрузочного сопротивления и волнового сопротивле-
ния линии, т. е. согласовать линию с нагрузкой. Однако такое
согласование, при котором коэффициент бегущей волны кбе«=
= 1, получить трудно. Практически уже хорошо, если кбв = 0,84-
-4-0,9. При этом ухудшение работы линии незначительно. Во
многих случаях довольствуются даже величиной кбв=0,5-4-0,7.
Несколько типичных конструкций симметричных фидеров
показаны на рис. 4.17. Для фидеров по рис. 4.17 а и б изолиру-
ющие распорки делают из высококачественного диэлектрика.
128
Фидер с перекрещивающимися проводами (рис. 4.17 б) приме-
няется для приемных антенн. Он обладает меньшим антенным
эффектом. В простейшем случае для приемных антенн исполь-
зуется фидер рис. 4.17 в, состоящий из двух свитых вместе
изолированных проводов (в виде шнура). Очень удобны симмет-
ричные кабели ленточного типа (рис. 4.17г), имеющие два про-
вода, запрессованные в ленту из гибкой пластмассы. Для умень-
шения емкости лента между проводами делается тонкой или
Рис. 4.18. Коаксиальный кабель для фидерной линии
имеет отверстия. На рис. 4.17 д показан симметричный экрани-
рованный кабель, у которого антенный эффект отсутствует.
Симметричные кабели, выпускаемые промышленностью, обыч-
но имеют Zq от 80 до 300 ом. Как видно, некоторые типы сим-
метричных фидеров могут быть изготовлены самостоятельно из
двух проводов (рис. 4.17 а, б ив).
Применяемые для несимметричных фидеров коаксиальные
кабели изготовляются исключительно в заводских условиях.
Промышленность выпускает много различных типов коаксиаль-
ных высокочастотных кабелей. Большинство из них имеет вол-
новое сопротивление от 50 до 90 ом и рассчитано на пробивное
напряжение от 1 до 15 кв. Устройство наиболее распространен-
ного кабеля со сплошной изоляцией показано на рис. 4.18.
9—2607 129
В таких кабелях в качестве изоляции применяется гибкая
пластмасса, вносящая малые потери на высоких частотах (на-
пример, полиэтилен). Внутренний провод бывает одножильный
или многожильный. Внешний провод сделан в виде оплетки нз
медных проволочек и покрыт сверху защитной пластмассовой
оболочкой.
§ 4.7. НАПРАВЛЕННОЕ ДЕЙСТВИЕ ОДИНОЧНОГО ВИБРАТОРА И
СИСТЕМЫ НЕСКОЛЬКИХ ВИБРАТОРОВ
Чем короче волны, тем легче осуществляется направленная
передача. Необходимое направленное действие может быть до-
стигнуто устройством антенн в виде систем нескольких вибра-
торов. Применяя вибраторы с определенным сдвигом фаз меж-
ду токами в них и располагая вибраторы на определенных рас-
стояниях друг от друга, можно достичь того, что излучаемые
ими волны будут складываться в нужном направлении и почти
полностью взаимно уничтожаться в других направлениях.
Рис. 4.19. Меридиональные (а) и экваториальная
(б) плоскости
Рассмотрим направленность излучения одиночного полувол-
нового вибратора. Теоретически и практически установлено, что
вибратор дает наибольшее излучение в направлении, перпенди-
кулярном проводу самого вибратора, и совершенно не излучает
в направлении вдоль провода.
Направленное действие антенны показывают с помощью ха-
рактеристик или диаграмм направленности. Они наглядно изоб-
ражают изменение напряженности поля излучаемых волн в за-
висимости от направления. Эти диаграммы показывают обычно
в двух плоскостях. Одна из них, в которой лежит сам вибратор,
называется меридиональной плоскостью. Вторая плоскость, пер-
пендикулярная проводу, называется экваториальной плоско-
стью. Для вертикального вибратора эти плоскости показаны на
рис. 4.19.
130
Если измерить на одном л том же расстоянии от вибратора,
но по разным направлениям, напряженность поля излучаемых
волн, то возможно построить характеристику направленности.
Практически нужно обойти вокруг вибратора по окружности в
интересующей нас плоскости с каким-либо измерителем или ин-
дикатором напряженности поля.
Полуволновой вибратор в экваториальной плоскости не об-
ладает направленным действием, т. е. излучает во все стороны
Рис. 4.20. Диаграммы направленности вибра-
тора в экваториальной (а) и меридиональной
(б) плоскостях
одинаково. Его характеристика направленности в этой плоско-
сти изображается окружностью, центр которой совпадает с се-
рединой вибратора (рис- 4.20 а). Величина напряженности
поля, получающаяся в том или ином направлении, пропорцио-
нальна длине радиуса, проведенного из центра к этой окружно-
сти. Так как все радиусы одинаковы по длине, то ясно, что диа-
грамма показывает отсутствие направленности.
В меридиональной плоскости диаграмма направленности
вибратора изображается фигурой, напоминающей восьмерку,
каждая половинка которой близка к окружности (рис. 4.20 б).
На этом графике напряженность поля, получающаяся в том
или ином направлении, пропорциональна длине вектора, про-
веденного от центральной точки О к кривой. При этом надо
помнить, что радиусы различной длины, например ОА и ОБ на
рис. 4.20 б, изображают напряженность поля на одном и том
же расстоянии от вибратора, но по разным направлениям
от него.
На характеристиках направленности удобно величину нап-
ряженности поля откладывать в относительных единицах, т. е.
наибольшую напряженность поля и соответствующий ей радиус
ОА принимать за единицу, а радиусы в других направлениях
брать соответственно меньше. Так, например, если в направле-
нии ОБ напряженность поля в два раза меньше наибольшей
9* 131
Рис. 4.21. Простран-
ственная диаграмма
излучения вибратора
напряженности поля, то радиус ОБ должен составлять 0,5 ра-
диуса ОА.
Если восьмерку рис. 4.206 повернуть вокруг вибратора, как
вокруг оси, то получается пространственная характеристика
направленности в виде так называемого тороида, показанного
в разрезе на рис. 4.21 и напоминающего «бублик» без отвер-
стия. Любой радиус, проведенный из центральной точки торои-
да О к его поверхности, характеризует относительную величину
напряженности поля в данном направлении.
Так как у антенн из нескольких вибраторов пространствен-
ные диаграммы направленности получаются весьма сложными,
то обычно рассматривают направлен-
ность только в двух наиболее важных
плоскостях. Иногда даже достаточно ди-
аграммы направленности в одной пло-
скости.
Благодаря свойству обратимости ан-
тенн характеристика направленности
излучения остается в силе и при исполь-
зовании антенны для приема. В эквато-
риальной плоскости (рис. 4.20 а) вибра-
тор принимает одинаково волны,
пришедшие с разных направлений. В ме-
ридиональной плоскости (рис. 4.20 6)
лучше всего принимаются волны, приходящие в направлении АО,
хуже — в направлении БО, а в направлении Ьдоль вибратора
волны совсем не принимаются.
Обратимость направленных свойств нетрудно объяснить.
Представим себе, что вибратор на рис. 4.8 а является прием-
ным и волна, показанная на рис. 4.8 б, приближается к нему, а
не удаляется. В этом случае магнитные силовые линии волны
перпендикулярны к проводу вибратора, и, пересекая его, они
создают в нем наибольшую индуктированную эдс. Но если вол-
ны приходят не перпендикулярно к вибратору, а вдоль него, то
магнитные силовые линии не будут пересекать провод вибрато-
ра и никакой эдс в нем не получится.
Легко также установить обратимость свойств вибратора и в
отношении поляризации волн. Действительно, вертикальный
вибратор (рис. 4.8) излучает вертикально поляризованные вол-
ны и способен принимать их. Такой вибратор не может излу-
чать волны с горизонтальной поляризацией. И если к нему
придет горизонтально поляризованная волна, то приема не бу-
дет, так как магнитные силовые линии, расположенные верти-
кально, не пересекут провод и эдс не возникнет.
Приведенные диаграммы показывают, что одиночный вибра-
тор обладает слабо выраженной направленностью. Но все же ее
необходимо учитывать при установке антенн. Для наилучшей
132
создают
тогда они
Горизонтальный
вибратор
Рис. 4.22. Различное взаимное располо-
жение приемного и передающего вибра-
торов
связи вибраторы приемной и передающей антенн должны быть
параллельны друг другу (рис. 4.22 а). Если они расположены
под прямым углом (рис. 4.22 6), то вследствие направленного
действия вибраторов связи не будет. При ином расположении
вибраторов под прямым углом (рис. 4.22 в) связи также не бу-
дет, так как волны, излучаемые одним вибратором, имеют не ту
поляризацию, какая необходима для приема их вторым вибра-
тором. Если, например, излучает левый вибратор, то его волны
поляризованы вертикально,
эдс в правом приемном виб-
раторе, расположенном го-
ризонтально. Во всех про-
межуточных случаях распо-
ложения вибраторов связь
будет хуже, чем в случае,
показанном на рис. 4.22 а.
На практике характери-
стики направленности и по-
ляризация несколько иска-
жаются из-за отражения
волн от местных предметов,
окружающих антенну, а так-
же из-за того, что про-
вод вибратора не бывает
точно прямолинейным.
Вследствие этого даже для
случаев, приведенных на
рис. 4.-22 б и в, связь все же
получается. Этому также
способствуют преломление, отражение и искривление пути ра-
диоволн, наблюдающиеся при распространении их в атмосфере.
На рис. 4.23 показана диаграмма направленности в эквато-
риальной плоскости двух параллельных вибраторов, которые
расположены на расстоянии ‘/г А, друг от друга и имеют токи,
совпадающие по фазе (такие вибраторы называются синфазны-
ми). В этом случае вместо окружности, характерной для оди-
ночного вибратора (для сравнения она показана на рис. 4.23
штрихом), получается сплющенная восьмерка, что объясняется
следующим образом.
В направлениях ОА и ОБ волны от обоих вибраторов при-
ходят в какую-либо удаленную точку путями одинаковой дли-
ны. Поэтому они совпадают по фазе и складываются. Если то-
ки в вибраторах одинаковы, то суммарная напряженность поля
в этих направлениях Емакс получается удвоенной по сравнению
с напряженностью поля от одного вибратора Ег. В направлени-
ях ОВ и ОГ волны вибраторов идут с противоположными фа-
зами, так как волна от одного вибратора проходит лишний
133
путь, равный ‘/г ?«, и за счет этого отстает по фазе на 180°. Ясно,
что в этих направлениях волны взаимно уничтожаются, т. е. из-
лучения нет. В других направлениях получается некоторый
промежуточный сдвиг фаз между 0 и 180° и суммарная напря-
женность поля оказывается меньше, чем =2£(.
Рис. 4.23. Направленное излучение в экваториаль-
ной плоскости двух синфазных вибраторов
Наличие двух противоположно направленных максимумов
излучения часто нежелательно. Применив другую систему двух
вибраторов, можно получить
Рис. 4.24. Диаграмма направлен-
ности вибратора 1 с рефлектором 2
максимум излучения только в одну
сторону. Этот важный случай по-
казан на рис. 4.24. На нем дана
диаграмма направленности в
экваториальной плоскости двух
параллельно расположенных виб-
раторов, находящихся на рас-
стоянии 1/4 Л друг от друга, при-
чем ток вибратора 1 отстает по
фазе на 90° от тока вибратора 2.
По направлению ОА волна от
вибратора 2 проходит лишний
путь, равный 1/4 Л и у нее полу-
чается отставание по фазе на 90°
от тока вибратора 2. Но так как
эта волна излучается вибрато-
ром, в котором ток опережает по
фазе на 90° ток вибратора 1, то
волны обоих вибраторов движутся в направлении ОА, совпадая
по фазе, и напряженность поля удваивается (Емакс —2 Ej).
В обратном направлении (ОБ) волна от вибратора 1 излучается
с отставанием по фазе на 90° относительно тока вибратора 2 и,
проходя лишний путь в 1/4 Л, дополнительно отстает по фазе
еще на 90°. Таким образом, она отстает по фазе на 180° от вол-
ны, излучаемой вибратором 2, и в результате обе волны взаимно
134
уничтожаются, т. е. излучение в этом направлении отсутствует
(£ut.„=0). По направлениям ОВ и ОГ волны от вибраторов
движутся со сдвигом фаз 90°, и суммарная напряженность поля
получается равной 1,4 £1.
Диаграмма направленности двух таких вибраторов пред-
ставляет собой кривую, называемую кардиоидой, и показывает
наглядно, что имеется только один максимум излучения в на-
правлении, в котором расположен вибратор с током, отстающим
по фазе (для сравнения на рис. 4.24 показана штрихом харак-
теристика направленности одиночного вибратора). Получается,
что вибратор 2 как будто отражает волны, излучаемые вибра-
тором 1. Поэтому вибратор 1 принято называть антенной, а
вибратор 2 — зеркалом, или рефлектором.
Когда от передатчика энергия подводится к рефлектору по
фидерной линии, так же как и к антенне, то рефлектор назы-
вается активным. Подобные рефлекторы встречаются только
в специальных антеннах. Зато часто применяется пассивный
рефлектор, ни с чем не соединенный и несколько удлиненный
по сравнению с вибратором, выполняющим роль антенны.
Пассивный рефлектор получает энергию от электромагнит-
ных волн, излучаемых вибратором-антенной. Эти волны про-
ходят путь в за счет которого создается их отставание по
фазе на 90°. Электродвижущая сила, индуктируемая в рефлек-
торе, отстает еще на 90° от создающего ее электромагнитного
поля. Из-за того, что длина рефлектора больше, чем нужно для
резонанса, его сопротивление имеет индуктивный характер (по-
добно разомкнутой линии с длиной больше четверти волны) и
ток в нем отстает от эдс еще на 90°. В результате ток в рефлек-
торе отстает от тока в антенне примерно на 270°, что равносиль-
но опережению на 90°. А это и есть условие получения максиму-
ма излучения в сторону, противоположную рефлектору.
Конечно, пассивный рефлектор действует несколько хуже,
чем активный, так как ток в нем получает меньше, чем в ан-
тенне, и сдвиг фаз не точно равен 90°. Поэтому характеристика
направленности имеет примерно вид, показанный на рис. 4.25
(для сравнения штрихом показана кардиоида). Как видно, не
получается удвоенная напряженность поля в направлении наи-
большего излучения и не уничтожается полностью излучение в
обратную сторону. На практике подбором длины рефлектора
и расстояния между ним и антенной стараются добиться наи-
меньшего излучения в сторону рефлектора и наибольшего в
сторону антенны.
Возможен и другой вариант получения наибольшего излуче-
ния в одну сторону. Если к вибратору 2 (рис. 4.24) подвести
энергию от передатчика, а вибратор 1 сделать пассивным (не
соединенным ни с чем) и несколько укоротить его длину, то по-
лучится характеристика направленности, подобная изображен-
135
ной на рис. 4.25. В этом случае вибратор 2 является антенной,
а вибратор 1 называют директором, так как он направляет из-
лучение в свою сторону.
Роль вибратора-директора объясняется следующим обра-
зом. Волны от антенны проходят к директору путь в и
вследствие этого отстают по фазе на 90°. Индуктированная в
директоре эдс отстает еще на 90°, но ток, созданный этой эдс,
опережает ее на 90°, так как сопротивление укороченного виб-
ратора имеет емкостный характер (подобно разомкнутой ли-
нии, у которой длина меньше •/* X). В результате ток директора
отстает примерно на 90° от то-
ка антенны, и характеристика $
направленности получается в
Рис. 4.26. Диаграммы направ-
ленности вертикального вибра-
тора с учетом влияния земли
Рис. 4.25. Диаграмма направ-
ленности вибратора с пассив-
ным рефлектором
рис. 4.25. Наилучшая направленность достигается подбором
длины директора и его расстояния от антенны.
Практически антенны обычно располагаются вблизи земли
или каких-либо массивных металлических предметов (корпус
корабля, самолета, автомашины и т. д.), которые принято так-
же называть землей. Эти проводящие поверхности отражают
радиоволны и оказывают поэтому сильное влияние на направ-
ленные свойства антенн. При исследовании этого влияния зем-
лю приближенно считают идеальным проводником, так как
учет действительной проводимости земли весьма сложен.
Характеристики направленности антенн, приведенные выше,
не учитывали влияние земли. Некоторое представление о на-
правленности антенн с учетом влияния земли дают следующие
примеры. Если вибратор В расположен непосредственно над
землей, то диаграмма направленности в вертикальной плоскос-
ти представляет собой половину вытянутой восьмерки
(рис. 4.26 а). Другая половина отсутствует потому, что вглубь
136
земли, конечно, никакого излучения нет. В этом случае излуче-
ние в горизонтальном направлении увеличивается вдвое по
сравнению с уединенным вибратором.
Более сложная направленность получается, если вибратор
расположен на некоторой высоте над землей, например на вы-
соте /г=Л (рис. 4.26 6). Тогда максимум излучения в горизон-
тальном направлении остается, но появляется несколько макси-
мумов излучения под некоторыми углами к горизонту. Между
этими максимумами получаются нули излучения. Диаграмма
направленности приобретает многолепестковый вид, что объяс-
няется следующим образом. Для некоторых направлений раз-
ность путей волн, идущих непосредственно от вибратора, и
волн, отраженных от земли, составляет четное число полуволн
(или целое число волн) и тогда волны идут, совпадая по фазе,
т. е. складываются друг с другом и дают максимумы; по дру-
гим направлениям эта разность путей составляет нечетное чис-
ло полуволн, за счет чего создается сдвиг фаз на 180° и получа-
ются минимумы. Чем больше высота вибратора над землей по
сравнению с длиной волны, тем больше максимумов и миниму-
мов и диаграмма направленности имеет больше лепестков. Это
особенно характерно для антенн укв, для которых часто Л.
Направленность в горизонтальной
го вибратора, расположенного над
землей, отсутствует в силу его пол-
ной симметрии по отношению ко
всем возможным направлениям.
Так как в действительности зем-
ля не является идеальным провод-
ником, то отраженные от нее волны
имеют уменьшенную амплитуду за
счет некоторого поглощения в зем-
ле. Поэтому в направлениях мак-
симумов излучение несколько
уменьшается, а в направлениях минимумов не получается нуль
излучения. В результате этого многолепестковая диаграмма на-
правленности приобретает расплывчатый вид (рис. 4.27). Сле-
дует учитывать, что диаграмма направленности искажается и от
влияния местных предметов.
плоскости у вертикально’
Рис. 4.27. Действительная
диаграмма направленности
с учетом неидеальной про-
водимости земли
§ 4.8. АНТЕННЫ ДЛЯ КОРОТКИХ И МЕТРОВЫХ ВОЛН
Рассмотрим наиболее распространенные антенны для ко-
ротких и метровых волн (а иногда и для средних волн), исполь-
зуемые как в качестве передающих, так и в качестве приемных.
Штыревая и вертикальная антенны. Переносные и передвиж-
ные радиостанции для работы на небольшие расстояния поль-
зуются штыревой антенной, представляющей собой металличес-
137
кий вертикальный стержень, составленный из нескольких час-
тей (колен) и установленный обычно на самой радиостанции
(рис. 4.28 а).
Радиостанция
Рис. 4.28. Штыревая антен-
на и распределение тока
в ней
Для увеличения дальности действия на верхушку штыря на-
саживается звездочка или метелка, которая несколько увеличи-
вает емкость антенны и изменяет распределение тока в штыре.
Без звездочки на верхнем конце штыря будет узел тока (/=0)t
138
а при наличии звездочки узел тока сместится на концы ее лучей
п, следовательно, на конце штыря ток и излучение не будут рав-
ны нулю (рис. 4.28 б).
Противовесом для штыревой антенны обычно служит метал-
лический корпус радиостанции.
Большую дальность действия дает вертикальная антенна в
виде металлической мачты или в виде вертикального провода,
подвешенного на деревянной мачте (рис. 4.29). Противовес для
вертикальной антенны обычно делается из нескольких прово-
дов, расположенных невысоко над землей. Штыревая и верти-
кальная антенны не обладают направленным действием в го-
ризонтальной плоскости.
Антенны типа «диполь». Эти антенны у переносных радио-
станций малой мощности представляют собой два провода оди-
наковой длины, растянутые в одну линию (рис. 4.30). Низко
расположенный диполь дает наибольшее излучение и наилуч-
ший прием в направлении, в котором растянуты луни, а наи-
меньшее излучение и наихудший прием — в направлении, пер-
пендикулярном лучам. При работе на малых расстояниях лучи
диполя,, если они сделаны из изолированного провода, могут
даже быть растянуты на земле. Для повышения дальности дей-
ствия луч, включенный в качестве антенны, поднимают в наклон-
ное положение, и тогда максимальное излучение будет в сторо-
ну противовеса.
Для связи на больших расстояниях диполь располагают вы-
соко над землей, а также применяют антенны, состоящие из
нескольких вибраторов. Длина вибратора должна быть выбра-
на в-зависимости от отношения длины волны Л к диаметру про-
вода d. Так, например, если . X/d=40, то /~0,47 X, а при
Z/d=1000 длина вибратора должна составлять 0,485 Л. Вибра-
тор из тонкого провода обладает более высокой добротностью,
а следовательно, узкой полосой частот пропускаемых колеба-
ний. Если желательно расширить эту полосу, чтобы вибратор
Рис. 4.30. Антенна типа «диполь»
работал хорошо в пределах некоторого диапазона, его делают
из стержней или трубок диаметром 10—30 мм.
При небольшом расстоянии от передатчика или приемника
до антенны могут применяться фидеры со стоячей волной. На-
пример, антенны с короткими фидерами, работающими в режиме
13э
стоячих волн, применяются для передвижных радиостанций на
автомашинах, самолетах и т. д. Простейшие антенны с такими
фидерами показаны на рис. 4.31. В антенне рис. 4.31а вибратор
имеет симметричное питание в пучности тока (питание током),
в которой его входное сопротивление получается порядка 80 ом.
Длина фидера при индуктивной связи с контуром передатчика
или приемника должна быть равна целому числу полуволн, что-
бы в катушке связи LA была пучность тока. Практически длину
фидера всегда берут на 5—10% меньше расчетной.
---Ток
— Напряжение
Рис. 4.31. Антенны с питанием стоячей волной
Несимметричное питание антенны напряжением показано на
рис. 4.31 б. Фидер подключается только одним проводом к кон-
цу вибратора. Так как в пучности напряжения ZBX очень велико
(как у разомкнутой линии с длиной ’/гМ» то фидер работает в
режиме стоячих волн и его длина должна составлять нечетное
число четвертей волны.
На рис. 4.31 в показано питание вибратора напряжением с
помощью коаксиального кабеля. Сам вибратор при питании по
рис. 4.31 бив может располагаться под углом от 90 до 180° к
фидерной линии. Питание напряжением может быть симметрич-
ным, если оно применяется для двух синфазных вибраторов.
Такая схема питания широко используется в сложных синфаз-
ных антеннах (рис. 4.31 г), дающих остронаправленное излуче-
ние. Подобные антенны впервые были разработаны и исследо-
ваны проф. В. В. Татариновым. Они имеют несколько вибра-
торов-антенн, в которых токи совпадают по фазе, и обычно
такое же количество вибраторов-рефлекторов. Вибраторы мо-
гут быть расположены как горизонтально, так и вертикально.
Учитывая поляризацию волн, надо соблюдать условие, чтобы
»40
Рис. 4.32. Сложная риифазная ан-
тенна из 16 вибраторов с зерка-
лом (сетка зеркала полностью не
показана)
вибраторы передающей и приемной антенн были параллельны
ДРУГ другу. Для упрощения конструкции в качестве зеркала ча-
сто применяют металлическую сетку, расположенную на рас-
стоянии ’/4 X от активных вибраторов. Зеркалом может служить
также металлический лист, но сетка имеет меньший вес и на нее
меньше давление ветра, что важно при значительных размерах
антенны.
Питание активных вибраторов в сложных антеннах обычно
производится при помощи разветвленной системы фидеров. На
рис. 4.32 показана сложная синфазная антенна с 16 вибратора-
ми, расположенными горизонтально, и зеркалом в виде сетки.
Для получения синфазной рабо-
ты вибраторов каждый фидер,
идущий от одной пары вибрато-
ров к другой паре, перекрещи-
вается. Это необходимо для ком-
пенсации сдвига фаз на 180°, по-
лучающегося вследствие того,
что расстояние между двумя со-
седними парами вибраторов со-
ставляет ’/г Фидеры, распре-
деляющие энергию в подобной
антенне, работают в режиме сме-
шанных волн, так как фидер под-
ключается к двум синфазным
вибраторам в пучностях напря-
жения, в которых входное сопро-
тивление вибратора велико. Оно
составляет тысячи ом, т. е. много
больше волнового сопротивления
фидера.
При значительном удалении антенны от передатчика фидер
должен работать в режиме бегущей волны, что достигается со-
гласованием фидера с антенной. Наиболее простым является
питание вибратора током при помощи коаксиальной линии,
имеющей Zo=70—80 ом, т. е. примерно равное Zex вибратора
(рис. 4.33 а). Однако коаксиальная линия, будучи несимметрич-
ной, нарушает симметричность вибратора и ухудшает его ра-
боту.
На рис. 4.33 бив показано питание вибраторов двухпро-
водным и однопроводным фидерами, подключенными в точках .4
и Б, находящихся между пучностью тока и пучностью напряже-
ния. В этих точках входное сопротивление вибратора является
средним между его наименьшим значением Zex —80 ом в пуч-
ности тока и наибольшим значением в пучности напряжения.
Точки А и Б подобраны так, что Zex =Z0. Размеры, показанные
на рис. 4.33, относятся к работе антенн на основной волне, но
14!
можно возбуждать их и на некоторых гармониках. Антенна на
рис. 4.33 б является симметричной. .Часть фидера с расходящи-
мися проводами является трансформатором сопротивления (его
иногда называют дельта-трансформатором). По мере увеличения
расстояния между проводами Zo линии возрастает и в точках А
и Б оно равно Zex вибратора.
фидер
Рис. 4,34. Петле-
вой вибратор
А. А. Пистолькорса
Большими преимуществами обладает широко распространен-
ная петлевая или шлейф-антенна, предложенная А. А. Пистоль-
корсом. Она представляет собой два близко расположенных
параллельных полуволновых вибратора, замк-
нутых друг с другом на концах, с питанием
током в пучности одного из них (рис. 4.34).
Токи обоих вибраторов совпадают по направ-
лению, и поэтому такая антенна эквивалентна
одному вибратору с удвоенным током. Сопро-
тивление излучения, а следовательно, и вход-
ное сопротивление петлевой антенны пример-
но в четыре раза больше, чем у обычного виб-
ратора, н составляет около 320 ом. При такой
величине Zex можно получить согласование
с симметричным фидером, у которого отноше-
ние расстояния между проводами к диаметру
проводов составляет 6/d=64-8. Петлевая антенна является бо-
лее широкополосной, чем обычный вибратор.
Для получения более острой направленности часто приме-
няют антенну с рефлектором и директором (рис. 4.35), а также
с несколькими директорами (рис. 4.36), называемую антенной
типа волновой канал, или директорией антенной.
В таких антеннах основным излучателем служит обычный
полуволновой вибратор, или петлевая антенна. Для получения
наилучших результатов нередко производят регулировку антен-
ны опытным путем, определяя характер ее излучения при помо-
щи индикатора напряженности поля. Наличие пассивных вибра-
торов (рефлекторов и директоров) снижает входное сопротивле-
ние антенны. Практически расстояние между вибраторами
142
может быть в пределах от 0,1 X до 0,25 X. Размеры, показанные
па рис. 4.35 и 4.36, являются не единственно возможными, а при-
мерными.
Направленное действие антенн характеризуют коэффициен-
том направленного действия (кнд), введенным А. А. Пистолькор-
сом в 1929 г. Он показывает, во сколько раз нужно увеличить
мощность излучения при переходе от направленной антенны к
ненаправленной для сохранения неизменной напряженности
поля в месте приема. При этом под ненаправленной антенной
понимают некоторую воображаемую антенну, излучающую во
все стороны одинаково.
Практически такая антенна
не существует. Даже по-
луволновой вибратор, у
которого направленность
меньшая по сравнению с
другими типами антенн,
имеет кнд, равный 1,64. Зна-
чения кнд, конечно, относят-
ся к случаю, когда радио-
связь осуществляется в на-
правлении главного макси-
мума диаграммы направлен-
ности. У днректорных антенн величина кнд примерно равна чис-
лу директоров, умноженному на 5. Для современных сложных
остронаправленных антенн кнд может иметь значения до не-
скольких тысяч.
Рис. 4.36. Директорией антенна
Если предполагается при помощи направленной антенны ве-
сти радиосвязь в различных направлениях, то антенну вращают
при помощи тросов из помещения, в котором расположена ра-
диостанция.
Для согласования фидерной линии с антенной применяются
различные устройства, из которых рассмотрим два наиболее
распространенных.
1) Четвертьволновый трансформатор представляет собой
четвертьволновую линию, включенную между главной линией
143
и антенной и работающую как трансформатор сопротивлений
(рис. 4.37).
Предположим, что главная линия имеет волновое сопротив-
ление Zo, а сопротивление нагрузки R не равно Zo. Оказывается,
что входное сопротивление трансформирующей четвертьволно-
вой линии, т. е. сопротивление в точках А и Б, равно
7 _ Z0T
ЛБ~ R ’
где ZnT — волновое сопротивление трансформирующей линии.
Рис. 4.37. Согласование ли-
нии с нагрузкой через чет-
вертьволновый трансфор-
матор
Подобрав величину Z0T, можно
получить Z АБ =ZG. Тогда в основ-
ной линии (слева от точек А и Б)
получится режим бегущей волны, а
режим смешанных волн будет толь-
ко в короткой трансформирующей
линии (справа от точек А и Б). Оп-
ределить требуемое Z0T можно по
формуле
Например, если Zo=32O ом, а сопротивлением нагрузки является Zex виб-
ратора, равное 80 ojh, то Zot = V 320-80=160 ом. Для этого случая на
рис. 4.37 показаны распределение тока и напряжения вдоль линии. В транс-
формирующей линии
кбв
ZBx
Z0T
80
160
= 0,5.
Поэтому ток и напряжение вдоль этой линии изменяются в два раза, при-
чем ток к концу линии возрастает, а напряжение умеиьщается. На конце
линии
ZBX= = ом.
‘макс
В начале линии напряжение в два раза больше, а ток в два раза меньше,
чем в конце линии. Отсюда
„ Uмакс ^UMUH _о _
ZAB -------=----------= 4 Zex = 320 ом, т. е. равно Zo.
мин 1 .
2 ‘макс
Таким образом, четвертьволновая линия преобразовывает нагрузочное
сопротивление 80 ом в 320 ом и создает в основной линии кбв = 1. А без со-
80
гласующего устройства в основной линии получился бы кбв = = 0,25.
Чтобы получить нужное волновое сопротивление, подбирают
расстояние между проводами трансформирующей линии Ь или
диаметр провода d, или то и другое так, чтобы отношение bjd
соответствовало нужному значению Z0T. Для коаксиальных ли-
144
ний нужная величина Z0T получается путем подбора отношения
диаметров.
2) U-колено служит для согласования несимметричного ко-
аксиального фидера с симметричной антенной. Устройство U-
колена в наиболее простом варианте показано на рис. 4.38. Оно
представляет собой отрезок коаксиального кабеля, подключен-
ный своим началом в точке А к концу коаксиального фидера и
к одной половине вибратора. Другой
конец U-колена присоединен к прово-
ду второй половины вибратора (точка
Б). Наружные провода (оболочки) фи-
дера и U-колена замкнуты накоротко.
Чтобы волна, прошедшая через
U-колено в точке Б, отстала по фазе
на 180° от волны в точке Д, длина
U-колена должна составлять
где X — рабочая длина волны, а е —
диэлектрическая проницаемость изо-
лятора, примененного в кабеле. У боль-
шинства коаксиальных кабелей, имею-
Рис, 4.38. Схема устройст-
ва U-колеиа
щих сплошной диэлектрик между вну-
тренним проводом и оболочкой, е = 2,3 и поэтому 1^ 1/3 X.
Так как в точках А и Б фазы противоположные, то к этим
точкам можно присоединить симметричную нагрузку в виде виб-
ратора. При этом, если волновое сопротивление фидера равно
Zo, то сопротивление между точками А и Б равно 4Z0. Для по-
лучения согласования Zex вибратора также должно быть равно
4 Zo. Например, при применении коаксиального фидера с волно-
вым сопротивлением 80 ом через U-колено удобно питать оди-
ночный петлевой вибратор, имеющий Zejc=320 ом. Если
Z ек вибратора значительно отличается от 4Z0, необходимо меж-
ду U-коленом (точки А и Б) и вибратором включить согласую-
щий четвертьволновый трансформатор.
§ 4.9. СПЕЦИАЛЬНЫЕ АНТЕННЫ ДЛЯ ДЕЦИМЕТРОВЫХ И
САНТИМЕТРОВЫХ ВОЛН
Антенны с зеркалами. Расходящиеся световые лучи от точеч-
ного источника света, помещенного в фокусе вогнутого пара-
болического зеркала, собираются таким зеркалом в пучок па-
раллельных лучей. На этом основано действие прожектора или
автомобильной фары. Подобным же образом работают и пара-
болические зеркала для радиоволн. Они делаются либо из
сплошного листового металла, либо из металлической сетки.
10—2607 145
Однако параболические зеркала для радиоволн не дают та-
кой высокой направленности, какая получается для световых
лучей. Это объясняется тем, что размеры зеркал для световых
лучей в огромное число раз больше длины световых волн, а для
радиоволн размеры параболического зеркала лишь в несколько
раз больше длины радиоволны. Чем больше соотношение меж-
ду размерами зеркала и длиной волны, тем лучше направлен-
ность. Таким образом, на более коротких волнах направленность
улучшается. Ухудшение направленности радиоволн происходит
еще потому, что фокусом зеркала
является одна точка, а излучатель
радиоволн имеет обычно значи-
тельные размеры.
Зеркало в виде параболоида
(рис. 4.39 а) дает улучшение на-
правленности во всех плоскостях, но
Рис. 4.39. Антенны с зеркалом сложно в изготовлении. Антенны
в виде параболоида (а) и в с таким зеркалом дают при доста-
виде параболического цилин- точных ег0 размерах очень хоро-
дра ' шую направленность. Например,
если параболоид имеет диаметр,
равный 30 X, то главный лепесток диаграммы направленности
занимает угол всего лишь 2—3°. Коэффициент направленного,
действия таких антенн может достигать нескольких тысяч.
Проще по устройству зеркало в виде параболического ци-
линдра (рис. 4.39 6), но оно дает недостаточное сжатие диаграм-
мы направленности в меридиональной плоскости. В качестве
Рис. 4.40. Антенны с параболическим зеркалом и дополнитель-
ными направляющими устройствами (а и б). Антенна с уголко-
вым отражателем (в)
излучателя в фокусе зеркала в простейшем случае помещают
один вибратор. Чтобы направить все излучение на зеркало, ча-
сто к активному вибратору добавляют пассивный вибратор-реф-
лектор, а иногда еще и директор (рис. 4.40 а). На сантиметро-
вых волнах в фокусе зеркала можно расположить отверстие
волновода, соединенного с передатчиком (рис. 4.40 б). Самым
простым является уголковый отражатель из двух металлических
146
листов, расположенных под углом порядка 45° друг к другу
(рис. 4.40 в).
Рупорные антенны. Если электромагнитные волны возбужда-
ются в волноводе с открытым концом, то через это отверстие
происходит излучение волн. Однако значительная часть волн
па конце волновода отражается, так как при переходе от волно-
вода к открытому пространству получается резкое изменение
условий распространения волн, а в этом случае всегда возни-
кает отражение. Иначе можно сказать, что волновые сопротив-
ления волновода и открытого пространства неодинаковы. Что-
бы не было отражения, необходимо осуществить согласование
волновода с открытым пространством. Для этого и служит ру-
пор, который создает также некоторую направленность.
Рис. 4.41. Антенны-рупоры:
а) секториальный; б) пирамидальный;
в) конический
Секториальный рупор (рис. 4.41 а) имеет расширение только
в одной плоскости. Расширение в двух плоскостях характерно
для пирамидального рупора (рис. 4.41 б). У круглого волно-
вода применяется конический рупор (рис. 4.41 в). Размеры ру-
пора всегда больше длины волны, так как для волновода, пи-
тающего рупор, и для самого рупора характерна критическая
длина волны Хкр, а рабочие волны должны быть короче
Рис. 4.42. Возбуждение рупора
от коаксиальной линии
Рис. 4.43.
Двухкоиус-
ная (би-
коническая)
антенна
Возбуждение волн в рупоре осуществляется либо волноводом,
либо при помощи коаксиальной линии, которая заканчивается
штырем (рис. 4.42). Для усиления направленного действия ино-
гда применяют несколько синфазных рупоров, поставленных в
ряд. Преимуществом рупорной антенны является возможность
работы на довольно широком диапазоне без каких-либо измене-
ний в самой антенне.
Оригинальной является двухконусная (биконическая) антен-
на, возбуждаемая коаксиальной линией (рис. 4.43), Она прнме-
10* 14?
няется в случае, когда не должно быть направленности в гори-
зонтальной плоскости.
Диэлектрические антенны применяются главным образом на
сантиметровых волнах. Диэлектрический стержень с постепенно
уменьшающимся диаметром имеет на тонком конце плавное за-
кругление, а другой его конец вставлен в металлический стакан,
являющийся отражателем. В стакан входит штырек от фидер-
ной линии (рис. 4.44 а). Подобная антенна по существу пред-
ставляет собой диэлектрический волновод. Материал, из кото-
рого сделана антенна, имеет диэлектрическую проницаемость
значительно большую, чем у воздуха, и создает малые потери
энергии на свч. Электромагнитные волны, двигаясь внутри
стержня, отражаются от его поверхности (рис. 4.44 б) и совер-
шают путь в виде ломаной линии, как и в обычных волноводах.
Рис. 4.44, Принцип устройства и работы диэлектри-
ческой аитеииы
Частично волны преломляются на границе раздела между
твердым диэлектриком и воздухом и преломленные лучи выхо-
дят в окружающее пространство под таким углом, что диаграм-
ма направленности получается сжатой. Постепенное сужение ди-
электрического стержня необходимо для лучшего согласования
антенны с открытым пространством подобно тому, как в рупор-
ной антенне для той же цели сделано постепенное расширение
волновода.
Диэлектрические антенны допускают изменение рабочей вол-
ны примерно в 2—3 раза. Они также обладают критической дли-
ной волны Ккр и не могут работать на волнах длиннее ХКр . До-
стоинством диэлектрической антенны являются ее небольшие
размеры: диаметр — (0,54-1) X и длина — (34-10) X.
Щелевые антенны, называемые иначе дифракционными, были
впервые предложены М. С. Нейманом в 1940 г. Если в стенке
объемного резонатора или волновода сделать щель той или иной
формы, то от этой щели будет происходить излучение волн.
Сопротивление излучения и диаграмма направленности щеле-
вой антенны зависят от формы щели и распределения электри-
ческого поля в ней. Одиночная щель обладает слабой направ-
ленностью подобно одиночному вибратору. Для более острой
143
направленности применяют несколько щелей, излучающих син-
фазно или с некоторым определенным сдвигом фаз.
Преимущество щелевых антенн состоит в том, что они не
имеют выступающих частей. Такие антенны в корпусе самолета
не создают добавочного сопротивления воздуху. Сама щель мо-
жет быть заполнена каким-либо диэлектриком, создающим ма-
лые потери энергии.
§ 4.10. РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН
Воздух, окружающий Землю, состоит из азота, кислорода,
водорода и некоторых других газов. Наибольшую плотность воз-
дух имеет у поверхности земли, и здесь он является хорошим
диэлектриком. При удалении от поверхности земли плотность
воздуха уменьшается, и он становится весьма разреженным; гра-
ница атмосферы находится на высоте, примерно 1000 км и даже
более. В нижнем слое атмосферы, расположенном до высоты
Л
220-500W1 ^пой/\г
180-ЦОкн- -' '----------- ’ V/
Слой £
90-130кн.________________________- ~
60- 80км--------- Сло^ j) - - _
Рис. 4.45. Ионизированные слои атмос-
феры
10—14 км и называемом тропосферой, все'газы хорошо переме-
шаны, и воздух имеет здесь постоянный состав. На высотах в
сотни километров различные газы, составляющие воздух, рас-
полагаются слоями, более тяжелые — ниже, более легкие —
выше. Таким образом, атмосфера на этих высотах неоднородна
по составу.
Под влиянием лучей Солнца, космических лучей и других
факторов воздух ионизируется, т. е. часть атомов газов, входя-
щих в состав воздуха, распадается на свободные электроны
и положительные ионы. Ионизированный воздух оказывает силь-
ное влияние на распространение радиоволн.
Для различных газов максимум ионизации получается на
разной высоте. Ионизированный слой атмосферы, т. е. ионосфе-
ра, состоит из нескольких слоев (рис. 4.45). На высоте 60—80к,и
находится слой D, существующий только днем. Следующий
149
слой Е располагается на высоте 90—130 км. Еще выше нахо-
дится слой F, имеющий ночью высоту 250—350 км, а днем раз-
деляющийся на два слоя: F\ — на высоте 180—220 км и F2— на
высоте 220—500 км. Проведенные в СССР с помощью геофизи-
ческих ракет исследования показали, что над максимумом иони-
зации в слое Е следует область, в которой ионизация меняется
сравнительно медленно и плавно переходит к максимуму иониза-
ции в слое F, а затем медленно убывает.
Высота, толщина и проводимость ионизированных слоев раз-
личны в различное время суток и года вследствие изменения
ионизирующего действия солнечных лучей. Кроме того, свой-
ства ионосферы меняются из года в год, повторяясь через каж-
дые 11 лет, что связано с изменением деятельности Солнца. Чем
больше ионизирующее действие солнечных лучей, тем больше
проводимость и толщина ионизированных слоев и тем ниже они
располагаются. Днем проводимость и толщина их больше, а вы-
сота над землей меньше, чем ночью. Летом проводимость и тол-
щина ’ ионосферных слоев больше,' а высота меньше, чем зи-
мой1)- Через каждые 11 лет на Солнце повторяется максимум
солнечных пятен, являющихся мощными источниками ионизи-
рующих излучений. В это- время проводимость и толщина иони-
зированных слоев достигает максимума, и они располагаются
ниже. Таким образом, свойства земной атмосферы, влияющие
на распространение радиоволн, изменяются по сложным зако-
нам. Происходят также изменения случайного характера, кото-
рые предусмотреть вообще невозможно.
Например, иногда в течение нескольких часов или суток
наблюдаются магнитные бури. Они состоят в том, что на Солнце
происходят мощные извержения потоков электронов, достигаю-
щих земной атмосферы и сильно влияющих на ионосферные слои.
Наиболее сильно в этом случае изменяется слой Ег. Его прово-
димость уменьшается, высота возрастает, он расщепляется на
отдельные электронные облака или даже совершенно разру-
шается. При вторжении в атмосферу метеорных потоков на вы-
соте слоя Е (порядка 100 км) иногда возникает так называемый
спорадический слой Е с сильной ионизацией, имеющей обычно
протяженность не более тысячи километров и существующий
несколько часов. В атмосфере непрерывно происходят также
беспорядочные изменения ионизации (флуктуации), особенно в
более высоких слоях (F2). Изменения в ионосфере нарушают
нормальное распространение радиоволн и иногда приводят к
прекращению радиосвязи. Наибольшее влияние такие явления
оказывают на распространение коротких волн.
При распространении радиоволн наблюдается ряд явлений.
*) Только в слое F2 зимой проводимость больше, чем летом,-
150
Рассеяние энергии волн. Волны идут от антенны передатчика
во все стороны, и по мере удаления их энергия распределяется
на все большее пространство. Величина энергии в каждой части
пространства становится все меньше. Единственным средством,
снижающим рассеяние энергии, является направленное излуче-
ние, при котором радиоволны посылаются узким пучком подобно
лучу прожектора. При этом увеличивается дальность действия
и во многих случаях исключается возможность подслушивания.
Направленное излучение волн используется в радиомаяках для
авиации и морского транспорта, в радиолокации, позволяющей
определять местонахождение различных объектов, и т. д.
Поглощение волн. При прохождении радиоволн через раз-
личные вещества наблюдается поглощение энергии волн этими
веществами. Оно отсутствует в безвоздушном пространстве.
Очень мало поглощение в неионизированном воздухе. В твер-
дых диэлектриках, полупроводниках и проводниках поглощение
радиоволн значительно. Если радиоволна встречает какой-либо
проводник, то большая часть ее энергии поглощается им. Объяс-
няется это тем, что волна приводит в движение электроны про-
водника и создает в нем ток высокой частоты. На образование
его и расходуется энергия волны. В частности, на этом основан
прием радиоволн антенной. Если же волна движется вдоль про-
водника, то поглощение энергии гораздо меньше. Поэтому над
проводящей поверхностью, например, над морем, вдоль рек, же-
лезных дорог и проводных линий, радиоволны распространяются
дальше, чем над сухой почвой.
Диэлектрики также поглощают энергию волн. Поле волны
создает, в молекулах диэлектриков смещение электронов — ток
смещения. Он является током высокой частоты, т. е. представ-
ляет собой колебание электронов внутри молекул. Токи смеще-
ния вызывают нагревание диэлектрика, на что расходуется энер-
гия. Полупроврдники объединяют в себе свойства проводников
и диэлектриков. В них возникают и токи проводимости и токи
смещения. Ионизированные слои атмосферы, являющиеся полу-
проводниками, заметно поглощают энергию проходящих волн.
При движении радиоволн над земной поверхностью происхо-
дит поглощение их энергии самой почвой и различными мест-
ными предметами и препятствиями в виде гор, холмов, лесов,
городских зданий, проводных линий и т. д. Особенно сильное
поглощение создают металлические крыши, железобетонные со-
оружения, провода, горы с металлическими рудами или влаж-
ными пластами земли, сырые каменные дома, леса.
Отражение и преломление волн. В однородной среде волна
распространяется прямолинейно, а в местах перехода волны из
одной среды в другую наблюдаются отражение ее и преломле-
ние. Эти явления всегда возникают на границе двух сред, имею-
щих различные диэлектрические проницаемости ei и ег.
151
Отражение заключается в том, что волна, дойдя до границы
между средами, поворачивает под некоторым углом обратно
(рис. 4.46 а). Волна, пришедшая под прямым углом к плоской
поверхности, отражается обратно также под прямым углом.
Если к такой поверхности пришли волны параллельным пучком,
то они после отражения пойдут также параллельно. В случае
неровной поверхности отраженные волны пойдут в разных на-
правлениях. Лучше всего радиоволны отражаются от проводни-
ков. Физический смысл отражения радиоволн заключается в том,
что падающая волна создает в поверхностном слое отражаю-
щего тела токи, которые дают излучение новых, т. е. отражен-
ных волн.
Рис. 4.46. Отражение (а), преломление (б) и диф-
ракция (в) волн
При переходе волн из одного диэлектрика в другой наблю-
дается их преломление (рефракция), т. е. изменение направле-
ния движения волны (рис. 4.46 б). Преломление волп
объясняется тем, что в различных веществах скорость распрост-
ранения волн различна. Чем больше разница-между диэлектри-
ческими проницаемостями и ег и чем длиннее волна, тем
сильнее преломление.
Таким образом, радиоволна, встречая проводник, частично
поглощается и частично отражается При встрече радиоволны с
диэлектриком или полупроводником она поглощается, отражает-
ся и преломляется.
Дифракция волн. Этим термином называют огибание волна-
ми препятствий. Например, радиоволны способны обогнуть го-
ру, большое здание и т. д. (рис. 4.46в). Чем длиннее волна, тем
лучше она огибает препятствия. Конечно, волна не может по-
вернуть очень круто. Поэтому иногда за горами или металличе-
скими сооружениями, сквозь которые радиоволны пройти не мо-
гут, образуются местные «зоны молчания». В них не слышны
152
некоторые радиостанции, но несколько дальше, благодаря диф-
ракции, слышимость снова восстанавливается.
Интерференция волн. Интерференция волн есть сложение в
данном месте двух или нескольких волн. Интерферировать, т. е.
складываться, могут волны различных передающих радиостан-
ций. Тогда возникают помехи в виде писка, воя, свиста, гуде-
ния, хрипения. Если же интерференция наблюдается между вол-
нами одной и той же станции, пришедшими к месту приема раз-
ными путями, то благодаря разнице в их фазах получается либо
усиление, либо ослабление волны.
Волны, излучаемые горизонтально и распространяющиеся
вдоль земной поверхности в нижнем слое атмосферы, называют-
ся поверхностными (или земными). Они испытывают поглоще-
ние землей и различными местными предметами, которое тем
больше, чем выше частота. В зависимости от частоты эти волны
в большей или меньшей степени огибают кривизну земного шара.
Волны, излучаемые наклонно под различными углами к по-
верхности земли, называются пространственными. Они погло-
щаются в слабо ионизированной атмосфере незначительно и до-
ходят до ионосферы, в которой происходит их преломление. Так
как в слоях ионосферы ионизация и диэлектрическая проницае-
мость изменяются постепенно, то путь радиоволны представляет
собой плавную кривую. Чем длиннее волна и чем сильнее иони-
зация, тем больше искривляет путь волна. На рис. 4.47 показаны
слои Е и F2, наблюдаемые ночью. Луч 1, соответствующий не
Рис. 4.47. Пути радиоволн в атмосфере
слишком короткой волне, сильно преломляется в слое Е и воз-
вращается на поверхность земли. Принято говорить, что луч 1
отражается слоем Е. Лучи 2
и 3, соответствующие более
коротким волнам, проходят
слой Е насквозь, так как его
ионизация недостаточна
для того, чтобы возвратить
их. Ионизация слоя F2 не-
достаточна, чтобы вернуть
на землю луч 3. Причина
этого либо в том, что волна
3 очень коротка, либо в том,
что луч 3 входит в слой F2
почти под прямым углом и,
проходя до середины слоя, где ионизация максимальна, не пово-
рачивает настолько, чтобы вернуться на поверхность земли.
Такой луч уходит в межпланетное пространство и для земной
радиосвязи является потерянным. Точка возвращения на землю
луча 2 отстоит от передатчика значительно дальше, чем луча /.
В ионизированных слоях волны испытывают и поглощение,
которое возрастает при уменьшении частоты. Так как высота и
153
степень ионизации слоев ионосферы меняются, то пути простран*
ственных волн в атмосфере тоже меняются. Этим объясняется
значительное изменение слышимости радиостанций в течение
суток и в течение года, а также явление замирания сигналов.
Причина замирания большей частью заключается в том, что в
приемную антенну приходят радиоволны от одного и того же
передатчика несколькими путями различной длины. Например,
в пункт А (рис. 4.47) попадают поверхностная волна и простран-
ственная волна, отраженная слоем Е. Благодаря изменениям,
происходящим в ионосфере, длина пути пространственных лучей
все время меняется и поэтому меняются их фазы. В результате
сложения (интерференции) волн наблюдаются непрерывные ко-
лебания слышимости, которые достигают то максимума, когда
фазы волн совпадают, то минимума, если фазы противоположны.
Бороться с замиранием довольно трудно. Наиболее эффектив-
ным средством является прием на 2—3 антенны, находящиеся
на расстоянии 200—300 м друг от друга. Антенны соединяются
линиями с приемником, имеющим отдельные усилители высокой
частоты и детекторы для каждой антенны, но общий усилитель
низкой частоты. Этот метод основан на том, что замирание не
происходит одновременно в разных местах. В то время, как в
одной антенне сигналы замирают, в другой антенне, наоборот,
получается усиление, и, таким образом, слышимость в приемнике
мало изменяется. Некоторое уменьшение колебаний слышимости
дают также автоматические регуляторы усиления (см. гл. 10).
Рассмотрим особенности распространения различных волн.
Длинные волны. Поверхностные волны длиной 3000—30 000 м
распространяются, огибая кривизну земного шара и некоторые
препятствия, благодаря дифракции. Поверхность земли и раз-
личные препятствия сильно поглощают энергию этих волн. Про-
странственные волны этого диапазона отражаются от ионосфе-
ры (днем от слоя D и ночью от слоя Е), возвращаются на землю,
отражаются от ее поверхности, снова поднимается вверх, по-
вторно отражаются от ионосферы и т. д. Отражения также со-
провождаются довольно сильным поглощением энергии волн и
поэтому для передачи на большие расстояния длинными волнами
нужны передатчики значительной мощности. Явление замирания
при длинных волнах почти не наблюдается. Зимой и ночью слы-
шимость на длинных волнах несколько лучше, чем летом и днем,
что объясняется меньшим поглощением волн, так как воздух зи-
мой и ночью менее ионизирован. Различные другие изменения
в ионосфере и тропосфере практически не влияют на распростра-
нение длинных волн. По сравнению, с другими волнами длинные
волны отличаются наибольшим постоянством распростране-
ния.
Средние волны (200—3000 л). На этом диапазоне простран-
ственные волны днем очень сильно поглощаются в ионосфере и
154
практически не используются для радиосвязи. Поверхностные
волны также сильно поглощаются в земле, и тем больше, чем
короче волна и чем хуже проводимость поверхностного слоя
земли. Наименьшее поглощение создает морская вода, наиболь-
шее — сухая почва. Таким образом, средние волны днем распро-
страняются на сравнительно небольшое расстояние, а с наступ-
лением темноты дальность связи резко возрастает, так как резко
уменьшается поглощение этих волн при отражении от ионосфе-
ры. Увеличение дальности связи происходит также зимой.
Вследствие интерференции поверхностных и пространствен-
ных лучей или пространственных лучей, пришедших различными
путями, в ночное время при приеме средних волн иногда наблю-
даются замирания. Для приема средних волн характерны зна-
чительные атмосферные помехи, создаваемые электрическими
разрядами в атмосфере. Они особенно сильны летом.
Рис. 4.48. Зона молчания на коротких волнах
При переходе от одних волн к другим условия распростра-
нения изменяются не резко, а постепенно. Поэтому диапазон
20004-3000 м по свойствам приближается к длинным волнам,
а указанные выше особенности средних волн наиболее резко
выражены на диапазоне 2004-600 м.
Короткие и промежуточные волны (104-200 м). Вследствие
высоких частот поглощение этих волн землей и местными пред-
метами велико и поверхностный луч имеет небольшую дальность,
обычно не более десятков километров. Чем меньше мощность
и чем короче волна, тем меньше это расстояние. За зоной слы-
шимости поверхностной волны для волн короче 80 м существует
зона молчания («мертвая зона»), где никакой слышимости нет
(рис. 4.48). Эта зона для разных волн и различного времени
суток и года имеет протяжение от сотен до тысячи километров.
Чем короче волна, тем больше зона молчания. Ночью она боль-
ше, чем днем, а зимой больше, чем летом. За зоной молчания
начинается снова зона слышимости, образованная пространст-
венными лучами, вернувшимися на земную поверхность после
преломления в ионосфере. В этой зоне слышимость обычно хо-
рошая, но наблюдаются замирания. Они на коротких волнах бы-
155
вают почти всегда и могут быть резкими и частыми. У волн
804-200 м зоны молчания, как правило, не бывает. На волнах
504-80 м зона молчания наблюдается иногда только ночью.
Волны 354-70 м (и более длинные) применяются главным об-
разом для дальней ночной связи и называются ночными. Для
связи на малые расстояния (поверхностным лучом) они исполь-
зуются и днем.
Пространственные лучи коротких волн обычно отражаются
слоем F2 и испытывают поглощение в слое Е, который они про-
ходят дважды. При дальней связи днем ночные волны дают сла-
бую слышимость, так как они сильно поглощаются в слое Е.
Ночью же, когда поглощение в слое Е уменьшается, эти волны
на дальних связях дают хорошую слышимость. Для волн 104-25 м
поглощение в слое Е невелико. Поэтому они применяются для
дневной связи и называются дневными волнами. Зона молчания
на этих волнах получается значительно больше, особенно ночью.
Волны 104-25 м для ночной работы мало пригодны, так как
ночью ионизация слоя F2 недостаточна для того, чтобы вернуть
их обратно на землю; а волны 254-35 м используются как днем,
так и ночью для связи на большие расстояния. Например, радио-
вещательные коротковолновые станции работают днем преиму-
щественно на волнах 104-35 м, а ночью — на волнах 254-70 м.
Изменения высоты и проводимости слоев ионосферы в тече-
ние суток, в различное время года и в течение 11-летнего периода
деятельности Солнца создают непостоянство связи на коротких
волнах и меняют границы зоны молчания. Днем и ночью, ле-
том и зимой для связи приходится применять различные волны.
Но громадным достоинством коротких волн является большая
дальность связи: тысячи километров при мощности передатчиков
порядка нескольких десятков ватт. Возможна связь с антипо-
дами, т. е. на расстояние, равное половине окружности Земли
(20 000 км).
Различные возмущения в ионосфере иногда нарушают связь
на коротких волнах. Такие нарушения наиболее сильно прояв-
ляются в областях, близких к магнитным полюсам Земли, так
как именно к ним направляются потоки электрически заряжен-
ных частиц, попадающих в земную атмосферу от Солнца. Дли-
тельность нарушений связи обычно не превышает нескольких
часов. В такие периоды связь приходится осуществлять на более
длинных волнах или через промежуточные (ретрансляционные)
станции, расположенные дальше от магнитных полюсов. Можно
довольно точно предсказывать ионосферные возмущения, так
как они связаны с периодическими изменениями деятельности
Солнца и, в частности, с его вращением вокруг своей оси. Сведе-
ния о предстоящих ионосферных возмущениях и изменениях ус-
ловий распространения коротких волн публикуются в так назы-
ваемых радиопрогнозах. Однако бывают ионосферные возмуще-
156
ния и непериодического характера, которые заранее предсказать
невозможно.
На коротких волнах иногда наблюдается явление радиоэхо,
когда сигналы от передатчика приходят к приемнику двумя пу-
тями: по кратчайшему расстоянию, например, 2000 км, и по вто-
рому пути кругом земного шара (в нашем примере они пройдут
38 000 км). Сигнал по второму пути приходит с некоторым опоз-
данием, в данном случае, равным примерно '/? сек. Прохожде-
ние коротких волн вокруг земного шара объясняется их много-
кратным отражением от ионосферы и поверхности земли. Таким
путем волна может даже 2 раза и больше обойти кругом
Земли.
Совершенно особый случай дальнего распространения радио-
волн открыл советский ученый Н. И. Кабанов. Он обнаружил.
что радиоволны, попавшие после преломления в ионосфере на
земную, поверхность и испытавшие рассеянное отражение от нее,
распространяются частично в обратном направлении и после вто-
ричного преломления в ионосфере могут попасть в то место, от-
куда они были посланы (рис. 4.49). Это явление получило назва-
ние «эффекта Кабанова» и может быть использовано для радио-
локации весьма удаленных частей земной поверхности. Конечно,
энергия таких волн, пришедших обратно к источнику излучения,
ничтожно мала и их обнаружение стало возможно только бла-
годаря высокой чувствительности современных приемников.
Большое преимущество коротких волн — это малое влия-
ние на них атмосферных и многих промышленных помех, вызы-
ваемых электрическим транспортом, электросваркой и т. д. Чем
короче волна, тем меньше чувствуются эти помехи1).
Метровые, дециметровые, сантиметровые и миллиметровые
волны. Волны короче 10 м, как правило, не отражаются ионосфе-
рой, а пронизывают ее насквозь и уходят в межпланетное про-
странство. Наблюдались случаи отражения их от Луны и даже
*) Некоторые виды помех, например от электрического зажигания автома-
шин, иа более коротких волнах сильнее. Подробнее о помехах см. гл, 10.
157
от Венеры. Для надежной связи земных радиостанций исполь-
зуются обычно поверхностные лучи. Но они сильно поглощаются
местными предметами и почти не обладают свойством дифрак-
ции. Поэтому важно, чтобы между передающей и приемной ан-
теннами по прямой линии не было препятствий. Для передачи
на десятки километров, когда сказывается кривизна земного
шара, антенны поднимают на значительную высоту. При невы-
соких антеннах удается связь лишь на расстояниях порядка ки-
лометров (в пределах видимости). Различные местные предметы
(здания, леса и т. д.) являются серьезными препятствиями для
связи. Телевизионные передачи на укв при антеннах, поднятых
на большую высоту, удается осуществить на 100 км, а иногда
и дальше.
Таким образом, для наземных радиостанций метровые, деци-
метровые и сантиметровые волны используются главным обра-
зом при связи на небольшие расстояния. Зато связь с космиче-
скими кораблями на укв осуществляется на огромных расстоя-
ниях в сотни тысяч и даже миллионы километров. Важным
преимуществом укв при связи поверхностным лучом является
сравнительно небольшое замирание и малая зависимость рас-
пространения от времени суток и времени года. На этих волнах
легче всего осуществить направленную передачу. Почти полное
отсутствие помех также является большим достоинством волн
короче 10 м.
В связи с развитием телевидения и любительской связи на
укв наблюдается много случаев приема ультракоротковолновых
передатчиков на расстояниях в сотни и тысячи километров. Но
в большинстве случаев такой прием не бывает регулярным и со-
провождается замиранием. Имеется несколько причин сверх-
дальнего распространения укв. В годы наибольшей солнечной
активности в дневное время от ионосферы отражаются волны
с длиной, начиная от 6—7 м.
Иногда наблюдается отражение еще более коротких волн
(до 3 м) от возникающих на не очень продолжительное время
(спорадических) сильно ионизированных областей ионосферы —
электронных облаков. В частности, метеоры, попадающие в зем-
ную атмосферу, создают на своем пути ионизированные области
(метеорные следы). Изменение температуры и содержание влаги
в тропосфере в некоторых случаях приводит к усиленной атмо-
сферной рефракции ультракоротких волн. В результате полу-
чается возможность распространения этих волн путем много-
кратного отражения их от некоторого слоя тропосферы и от зем-
ли. Наконец, наблюдается рассеянное отражение укв от
неоднородностей, существующих на разной высоте в тропосфере
и ионосфере (рис. 4.50).
В последнее время при помощи такого рассеянного отраже-
ния успешно осуществляется регулярная надежная связь на укв
15з
на больших расстояниях. Это стало возможным благодаря вы-
сокой чувствительности современных приемников.
Следует отметить значительное поглощение сантиметровых
волн в атмосфере. Например, волны короче 5 см поглощаются
Неоднородность
Рис. 4.50. Связь за
счет рассеянного от-
ражения волн от не-
однородностей в ат-
, мосфере
Земля
различными капельными образованиями в атмосфере — дождем,
туманом, снегом. Волна 1,3 см поглощается водяными парами.
Это создает иногда затруднения в использовании укв.
§ 4.11. ВОПРОСЫ И ЗАДАЧИ
1. Что такое обратимость антенных устройств?
2. Почему замкнутый колебательный контур плохо излучает электромаг-
нитные волны?
; 3. Каким образом замкнутый контур можно превратить в открытый?
4 Как распределены ток и напряжение в симметричном вибраторе?
5. Почему вибратор в отлнчне от двухпроводной линии хорошо излучает
радиоволны?
6. Что такое сопротивление излучения антенны?
7. Какова величина входного сопротивления вибратора, если питающий
его генератор включен в пучность тока?
8. Вибратор имеет сопротивление потерь 9 ом. Ток в его пучности состав-
ляет 0,5 а. Найти мощность излучаемых волн и кпд вибратора.
9. Как поляризованы волны, излучаемые вибратором, расположенным вер-
тикально?
10. Вибратор имеет длину 2,6 м. Найтн частоту его собственных колебаний
и соответствующую длину волны.
11. Зачем настраивают антенну радиопередатчика в резонанс на частоту
излучаемых волн?
12. Как можно удлинить илн укоротить собственную длину волны антенны?
13. Почему комнатные и суррогатные приемные антенны значительно ху-
же, чем наружные?
14. Пригоден ли для приемной антенны изолированный провод?
15. Каким образом следует подключать к приемнику вместо антенны осве-
тительную сеть?
16. В каких единицах измеряют напряженность поля радиоволн?
17. Что такое действующая высота антенны?
18. Для чего нужно заземление на приемной радиостанции?
19. Правильна ли установка антенны на чердаке под железной крышей?
20. Что такое противовес?
, 21. Какое значение для передающей антенны имеет ее горизонтальная
часть?
22. Если в одном доме в разных его концах 'находятся два приемника, то
159
можно подвесить на крыше две Г-образные антенны на двух мачтах вместо
четырех. Как это сделать?
23. Какими свойствами обладает рамочная антенна?
24. Что такое магнитная антенна? Каковы ее свойства?
25. Как устроены симметричная и коаксиальная фидерная линии? Каковы
их преимущества и недостатки?
26. Какова величина волнового сопротивления у фидерных линий?
27. В чем преимущества режима бегущих волн в фидерной линии по срав-
нению с режимом стоячих волн?
28. Каковы направленные свойства полуволнового вибратора?
29. Будет ли вертикальный вибратор принимать радиоволны с вертолета,
который находится иа какой-то высоте точно над вибратором?
30. Как должны быть расположены вибраторы передающей и приемной
радиостанций для обеспечения наилучшей связи?
31. Что такое синфазные вибраторы?
32. Какую систему двух вибраторов надо применить, чтобы направить
излучение в одну сторону?
33. Чем отличается вибратор-директор от вибратора-рефлектора?
34. В чем заключается влияние земли на направленные свойства антенны?
35. Как объяснить улучшение излучения вертикальной антенны, если на ее
верхнем конце установить проволочную звездочку нли метелку?
36. Начертите схему устройства антенны в виде полуволнового вибратора,
питаемого в пучности тока фидером со стоячей волной.
37, Как устроены сложные синфазные антенны н каковы их свойства?
38. Покажите на чертеже, как осуществляется в простейших случаях пи-
тание вибратора фидером с бегущей волной.
39. Как устроен петлевой вибратор и в чем его преимущества?
40. Как устроена директорная антенна? Почему ее вибраторы могут
быть прикреплены без изоляции в своих средних точках к общему металли-
ческому стержню?
41. Что такое коэффициент направленного действия антенны?
42. Каким образом осуществляется согласование фидера с антенной с по-
мощью четвертьволнового трансформатора?
43. Для чего применяется U-колено и как оно устроено?
44. Как устроены и работают антенны для свч с зеркалами и с рупорами?
45. Каково строение земной атмосферы?
46. Почему ионизированные слои атмосферы ночью находятся на большей
высоте и имеют меньшую ионизацию, чем днем?
47. Что такое спорадический ионосферный слой и в каких случаях он воз-
никает?
48. Какие вещества более сильно поглощают радиоволны?
49. В каких случаях наблюдается отражение и .преломление радиоволн?
50. Что такое дифракция и интерференция радиоволн?
51. Каковы причины явления замирания сигналов?
52. В чем различия в условиях распространения поверхностных и прост-
ранственных радиоволн?
53. Почему для дальней связи на длинных волнах нужны передатчики
большой мощности?
54. Почему волны в диапазоне 2004-600 м ночью распространяются на го-
раздо большие расстояния, чем днем?
55. Каковы особенности распространения коротких волн? Что такое днев-
ные и ночные волны?
56. Каковы особенности распространения ультракоротких волн? За счет
каких явлений удается использовать ультракороткие волны для связи на
дальние расстояния?
57. Какие волны должны применяться для связи с космическими корабля-
ми, находящимися на большом удалении от Земли?
58. Можно ли осуществить радиосвязь между двумя подводными лодками,
находящимися на глубине в океане?
160
ГЛАВА 5
ЭЛЕКТРОННЫЕ И ИОННЫЕ ПРИБОРЫ
§ 5.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ЭЛЕКТРОННЫХ И ИОННЫХ ПРИБОРАХ
Широкое применение электронных и ионных приборов объяс-
няется их ценными свойствами. С помощью этих приборов мо-
жно сравнительно просто и с высоким кпд преобразовать элект-
рическую энергию одного вида в электрическую же энергию
другого вида, отличающуюся по форме, величине и частоте тока
или напряжения, а также энергию излучения в электрическую
энергию и обратно. В последнем случае можно осуществить
весьма сложные процессы, при которых оптическое изображе-
ние преобразуется в электрический ток специальной формы или
наоборот (например, в телевизионных и осциллографических
трубках). Малая инерционность, характерная для электронных
приборов, позволяет применять их в огромном диапазоне час-
тот от нуля примерно до 1012 гц. При помощи электронных и
ионных приборов можно осуществить удобное регулирование
различных электрических, световых и других величин плавно
или ступенями, с большой или малой скоростью и с относитель-
но малыми затратами энергии на сам процесс регулирования,
т. е. без значительного снижения кпд, характерного для многих
других способов регулирования и управления.
Все эти достоинства электронных и ионных приборов обус-
ловили их использование для выпрямления, усиления, генери-
рования и преобразования частоты различных электрических
токов, осциллографии электрических и неэлектрических явле-
ний, передачи и приема телевизионных изображений, различных
измерений и многих других процессов. ,
Электронные и ионные приборы, иначе называемые электро-
вакуумными, подразделяются на многие типы по различным Z/y-y
признакам. Простейшие приборы, имеющие только два электро-
да (анод и катод), являются в большинстве случаев неуправля-
емыми. У более сложных, управляемых приборов электронный
поток можно регулировать, воздействуя на него электрическим
полем с помощью управляющих электродов, или магнитным по-
лем.
Особую группу составляют электронные лампы с накален-
ным катодом, которые в зависимости от назначения могут быть
П—96П7 161
генераторными, усилительными, выпрямительными, частотопре-
образовательными, детекторными, измерительными и т. д.
Большинство ламп рассчитано на работу в непрерывном режи-
ме, нс выпускаются и лампы специально для импульсного режи-
ма, создающие электрические импульсы большей мощности при
условии, что длительность импульсов много меньше, чем проме-
жутки времени между ними.
В зависимости от рабочего диапазона частот электронные
лампы подразделяются на низкочастотные, высокочастотные и
сверхвысокочастотные. Электронные лампы, имеющие только два
электрода (катод и анод), называются диодами, причем диоды
для выпрямления переменного тока электрической сети принято
называть кенотронами. Лампы, содержащие управляющие элект-
роды, обычно в виде сеток, бывают с общим числом электродов
от трех до девяти и имеют соответственно названия: триод, тет-
род, пентод, гексод, гептод, октод и эннод. При этом лампы, име-
ющие две сетки и более, т. е начиная с тетрода, выделяются в
группу многозлектродных ламп. Если лампа содержит несколь-
ко систем электродов с независимыми потоками электронов, то
ее называют комбинированной (двойной диод, двойной триод,
триод-пентод, двойной диод-пентод и др.). По принципу ра-
боты и другим особенностям электронные лампы той или иной
группы, в свою очередь, подразделяются на различные типы.
Например, в группе электронных ламп для сверхвысоких частот
имеются магнетроны, клистроны, лампы бегущей волны (ЛБВ),
лампы обратной волны (ЛОВ) и другие.
Основными типами ионных приборов являются газотроны,
тиратроны, стабилитроны и ртутные вентили (управляемые и
неуправляемые). Большую группу составляют электронно-луче-
вые приборы, к которым относятся приемные и передающие те-
левизионные трубки различных типов, осциллографические и
запоминающие трубки, электронно-лучевые переключатели и
другие. В группу фотоэлектронных приборов входят электро-
вакуумные фотоэлементы (электронные и ионные) и фотоэлект-
ронные умножители-
Электронные и ионные приборы классифицируются еще и по
многим другим признакам: по типу катода (накаленный или
холодный), по устройству баллона (стеклянный, металлический,
керамический или комбинированный, например, металлокерами-
ческий), по роду охлаждения (естественное или лучистое, при-
нудительное воздушное, водяное).
Приведенная выше далеко не полная классификация пока-
зывает, что имеется большое количество различных типов элек-
тронных и ионных приборов; изучить их все, конечно, невозмож-
но. В данной главе будут рассмотрены только самые основные
из этих приборов, широко применяемые в радиоэлектронной ап-
паратуре.
162
§ 5.2. ДВИЖЕНИЕ ЭЛЕКТРОНОВ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ
И МАГНИТНОМ ПОЛЯХ
Во всех электронных и ионных приборах электронные пото-
ки в вакууме или газе, находящемся под тем или иным давле-
нием, подвергаются воздействию электрического поля. Взаимо-
действие движущихся электронов с электрическим полем являет-
ся основным процессом в электронных и ионных приборах. Рас-
смотрим движение электрона в электрическом поле.
На рис. 5.1 а изображено электрическое поле в вакууме ме-
жду двумя плоскими электродами. Они могут представлять со-
бой катод и анод диода или любые два соседних электрода мно-
гоэлектродного прибора. Представим себе, что из электрода.
Рис. 5.1. Движение электрона в ускоряющем (я), тормозящем (6) и по-
перечном (в) электрических полях
имеющего более низкий потенциал, например из катода, вы-
летает электрон с некоторой начальной скоростью Ор. Поле дей-
ствует на электрон с силой F и ускоряет его движение к элект-
роду, имеющему более высокий положительный потенциал, на-
пример к аноду. Иначе говоря, электрон притягивается к
электроду с более высоким положительным потенциалом. По-
этому поле в данном случае называют ускоряющим. Двигаясь
ускоренно, электрон приобретает наибольшую скорость в конце
своего пути, т. е. при ударе об электрод, к которому он летит.
В момент удара кинетическая энергия электрона также будет
наибольшей. Таким образом, при движении электрона в уско-
ряющем поле происходит увеличение кинетической энергии элек-
трона за счет того, что поле совершает работу по перемещению
электрона. Электрон всегда отнимает энергию от ускоряющего
ноля.
Скорость, приобретаемая электроном при движении в уско-
ряющем поле, зависит исключительно от пройденной разности
потенциалов U и определяется формулой
v 600 |/ U [км/сек].
11*
163
Удобно скорости электронов выражать условно в вольтах.
Например, скорость электрона 10 в означает такую скорость, ко-
торую электрон приобретает в результате движения в ускоря-
ющем поле с разностью потенциалов 10 в. Из приведенной фор-
мулы легко найти, что при U=100 в скорость и — 6 000 км/сек.
При таких больших скоростях время пролета электрона в про-
странстве между электродами получается весьма малым, по-
рядка 10~8-?- 10~10 сек.
Рассмотрим теперь движение электрона, у которого на-
чальная скорость v0 направлена против силы F, действующей на
электрон со стороны поля (рис. 5.16). В этом случае электрон
вылетает с некоторой начальной скоростью из электрода с бо-
лее высоким положительным потенциалом. Так как сила F на-
правлена навстречу скорости v0, то получается торможение
электрона и поле называют тормозящим. Следовательно, одно и
то же поле для одних электронов является ускоряющим, а для
других — тормозящим, в зависимости от направления началь-
ной скорости электрона.
Кинетическая энергия электрона, движущегося в тормозя-
щем поле, уменьшается, так как работа совершается не силами
поля, а самим электроном, который преодолевает сопротивле-
ние сил поля. Энергия, теряемая электроном, переходит к полю.
Таким образом, в тормозящем поле электрон всегда отдает
энергию полю.
Если начальную скорость электрона выражать в вольтах
(По), то уменьшение скорости равно той разности потенциалов
U, которую проходит электрон в тормозящем поле. Когда на-
чальная скорость электрона больше, чем разность потенциалов
между электродами (П0>П), то электрод пройдет все рассто-
яние между электродами и попадет на электрод с более низким
потенциалом. Если же U0<U, то, пройдя разность потенциа-
лов, равную По, электрон полностью потеряет свою энергию,
скорость его станет равна нулю, он на момент остановится и
начнет ускоренно двигаться обратно (рис. 5.1 б).
Если электрон влетает с некоторой начальной скоростью t'o
под прямым углом к направлению силовых линий поля (рис.
5.1 в), то поле действует на электрон с силой F, направленной
в сторону более высокого положительного потенциала. Поэтому
электрон совершает одновременно два взаимно-перпендикуляр-
ных движения: равномерное движение по инерции со скоростью
t’o и равномерно-ускоренное движение в направлении действия
силы F. Как известно из механики, результирующее движение
электрона должно происходить по параболе, причем электрон
отклоняется в сторону более положительного электрода. Когда
электрон выйдет за пределы поля (рис. 5.1 в), то дальше он бу-
дет двигаться по инерции прямолинейно равномерно.
Из рассмотренных законов движения электронов видно, что
164
электрическое поле всегда воздействует на кинетическую энер-
гию и скорость электрона, изменяя их в ту или другую сторону.
Таким образом, между электроном и электрическим полем всег-
да имеется энергетическое взаимодействие, т. е. обмен энерги-
ей. Кроме того, если начальная скорость электрона направлена
не вдоль силовых линий, а под некоторым углом к ним, то элек-
трическое поле искривляет траекторию электрона, превращая
ес из прямой линии в параболу.
Рассмотрим теперь движение электрона в магнитном поле.
Движущийся электрон представляет собой элементарный
электрический ток и испытывает со стороны магнитного поля
такое же действие, как и проводник с током. Из электротехники
известно, что на прямолинейный проводник с током, .находящий-
ся в магнитном поле, действует механическая сила под прямым
углом к магнитным силовым линиям и к проводнику. Ее направ-
ление изменяется на обратное, если изменить направление тока
или направление магнитного поля. Эта сила пропорциональна
напряженности поля, величине тока и длине проводника, а так-
же зависит от угла между проводником
Она будет наибольшей, если проводник
кулярно силовым линиям; если же
проводник расположен вдоль линий
поля, то сила равна нулю.
Если электрон в магнитном поле
неподвижен или движется вдоль сило-
вых линий, то на него магнитное поле
вообще не действует. На рис. 5.2 пока-
зано, что происходит с электроном, ко-
торый влетает в равномерное магнит-
ное поле, созданное между полюсами
магнита, с начальной скоростью щ
перпендикулярно к направлению по-
ля. При отсутствии поля электрон
двигался бы по инерции прямолиней-
но и равномерно (штриховая линия); при наличии поля на него
будет действовать сила F, направленная под прямым углом к
магнитному полю и к скорости ц0- Под действием этой силы элек-
трон искривляет свой путь и двигается по дуге окружности. Его
линейная скорость v0 и энергия при этом остаются неизменными,
так как сила F все время действует перпендикулярно к скорости
t’o- Таким образом, магнитное поле в отличие от электрического
поля не изменяет энергию электрона, а лишь закручивает
§ 5.3. УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП РАБОТЫ ДИОДА
В электронных лампах используется поток свободных
тронов в вакууме. Поэтому в каждой электронной лампе
ходимо получить в достаточном количестве свободные электро-
165
и направлением поля,
расположен перпенди-
Рис. 5 2. Движение электро-
на в поперечном магнитном
поле
его.
элек-
необ-
ны. Явление выделения свободных электронов с поверхности тех
или иных веществ называют электронной эмиссией.
Испускание электронов под влиянием тепла называют термо-
электронной эмиссией. К другим видам эмиссии относятся: элек-
тростатическая или автоэлектронная эмиссия — вырывание элек-
тронов сильным электрическим полем, вторичная электронная
эмиссия — выбивание электронов ударами быстро движущихся
электронов, электронная эмиссия под ударами ионов, фотоэлек-
тронная эмиссия — выделение электронов под действием лучей
света.
Рис. 5.3. Принцип устройства электродов и схема-
тическое изображение диода
Работа электронных ламп основана на использовании тер-
моэлектронной эмиссии, которая состоит в том, что накаленный
до высокой температуры проводник выделяет в окружающее
пространство свободные электроны. Это объясняется тем, что в
проводнике имеются беспорядочно движущиеся «полусвобод-
ные» электроны, скорость которых при нагревании увеличивает-
ся. При высокой температуре они движутся так быстро, что
некоторые из них вылетают за пределы проводника.
Простейшая двухэлектродная электронная лампа (диод)
представляет собой два электрода в стеклянном или металли-
ческом баллоне (рис. 5.3). Одним электродом лампы служит
нить накала, называемая катодом, другим электродом является
металлическая пластинка, называемая анодом.
Катод служит для эмиссии электронов. Количество электро-
нов, выделяемое катодом за каждую секунду, называют током
эмиссии или просто эмиссией и выражают обычно в миллиам-
перах.
При малых температурах эмиссии практически нет, а при
увеличении температуры она растет все быстрее и быстрее, дос-
тигая значительной величины при температурах порядка сотен
градусов и выше. Чрезмерно повышать температуру нельзя, так
как в конце концов нить перекалится и расплавится, что обыч-
но не совсем правильно называют перегоранием.
Итак, чем больше температура катода, тем больше эмиссия.
При увеличении поверхности катода эмиссия также стано-
вится больше. На величину эмиссии большое влияние оказыва-
ет материал катода.
166
Анод служит для того, чтобы притягивать электроны, выде-
ляемые катодом, и создавать в лампе поток свободных электро-
нов.
Чтобы анод мог притягивать электроны, он должен быть за-
ряжен положительно. Притяжение электронов к аноду объяс-
няется тем, что между анодом и катодом образуется электричес-
кое поле. Электроны, вылетевшие из катода, под действием этого
поля движутся к аноду (рис. 5.4).
Баллон служит для того, чтобы внутри лампы можно было
создать вакуум, т. е. пространство, из ко-
торого удален почти весь воздух. Для
свободного движения электронов к ано-
ду вакуум должен быть очень высоким.
Наличие воздуха в лампе недопустимо и
потому, что накаленный катод сгорит,
т. е. вступит в химическое соединение с
кислородом. Если вакуум недостаточен,
то электроны при полете от катода к
аноду, ударяя в молекулы воздуха, иони-
зируют их. Из молекул будет выбита
часть электронов, и молекулы превра-
тятся в положительные ионы. Ионы, от-
талкиваемые анодом, двигаются к като-
ду и создают ионный ток, нарушающий
правильную работу лампы. В хорошей
лампе после откачки остается не более
Рис. 5.4. Действие элек-
трического поля анода
на электроны в диоде
одной миллиардной доли воздуха, бывшего вначале. Но зато
ионные приборы основаны на использовании явления иониза-
ции.
Воздух из баллона выкачивают сначала насосами предвари-
тельного разрежения (форвакуумными насосами), а затем вы-
соковакуумными. Кроме того, в лампу заранее помещают кусо-
чек металла магния или бария, называемый поглотителем или
геттером. После откачки лампу разогревают, геттер испаряется
и при охлаждении оседает на стекле баллона, покрывая его с
внутренней стороны зеркальным (магний) или коричневато-чер-
ным (барий) налетом. Этот слой металла поглощает остатки
воздуха и газы, выделяющиеся из электродов лампы во время
работы, т. е. поддерживает высокий вакуум.
В цилиндрической конструкции электродов (рис. 5.3 а) анод
выполняется в виде цилиндра (трубочки), а катод прямой или
согнут в виде буквы Л. В прямоугольной конструкции анод име-
ет форму коробочки, а катод сделан в виде буквы Л или М
(рис. 5.3 6). Бывают и иные формы электродов. Материалом для
анода служит обычно тугоплавкий металл, например никель,
молибден, тантал, а иногда и уголь. Устройство катодов рас-
смотрено в § 5.5.
167
§ 5.4. СХЕМА ВКЛЮЧЕНИЯ ДИОДА
На рис. 5.5 изображена схема включения диода.
Батарея, накаливающая катод, называется батареей нака-
ла Бн. Цепь, образованная этой батареей и нитью, называется
цепью накала.
Нить накала обозначают буквой н, катод — буквой к. Ток
накала, проходящий через нить, обозначают /к, а напряжение
накала, т. е. напряжение на концах нити UH. Для контроля ве-
личины Uн включают вольтметр, а для регулировки накала
включают реостат. Однако эти приборы не обязательны.
Напряжение накала у маломощных ламп не превышает не-
скольких вольт; ток накала у них порядка десятков или сотен
Рис. 5.5. Способы изображения цепей диода на схемах
миллиампер. При применении нескольких ламп их нити накала
соединяют параллельно, если напряжение батареи Бн примерно
равно нормальному напряжению накала, а если источник нака-
ла дает значительно большее напряжение, то нити соединяют
последовательно (при одинаковом токе накала) или смешанно.
Для поглощения избытка напряжения в цепь накала вместо
реостата или помимо него включают некоторое постоянное со-
противление.
Батарея, включенная между катодом и анодом, называется
батареей анода Ба. Цепь, составленная из этой батареи и про-
странства между анодом и катодом внутри лампы, называется
анодной цепью. Для обозначения этой цепи принята буква а.
Ток в анодной цепи называют анодным током или током ано-
да и обозначают /о, Он представляет собой поток электронов,
летящих от катода к аноду внутри лампы.
В электротехнике принято обратное движению электронов
условное направление тока, от плюса источника тока по внеш-
ней цепи к минусу источника. Оно показано на рис. 5.5 стрел-
ками. Но при изучении электронных ламп целесообразно рас-
сматривать истинное движение электронов от минуса источника
к его плюсу. Электроны анодного тока движутся в направлении
168'
от минуса Ба на катод лампы, внутри лампы они летят с като-
да к аноду, далее они движутся в направлении от анода к плю-
су Ба и внутри анодной батареи от ее плюса к минусу. Анодный
ток может быть при условии, если катод достаточно накален,
анод имеет положительный потенциал по отношению к катоду
и анодная цепь замкнута.
Разность потенциалов между анодом и катодом называют
анодным напряжением или напряжением на аноде и обознача-
ют Ua. Для схемы рис. 5.5 оно равно напряжению анодной бата-
реи.
Вообще при рассмотрении процессов в любых электронных
приборах потенциал катода считают нулевым и потенциал всех
электродов указывают относительно катода.
Именно анодное напряжение создает анодный ток. Назначе-
ние цепи накала — обеспечить нагрев катода. Назначение анод-
ной цепи — при наличии эмиссии катода создать анодный ток.
На схеме рис. 5.5 а к одному концу катода присоединены
минус Ба и минус Бн. Эта точка называется общим минусом и
обычно соединяется с металлическим корпусом. Ее считают точ-
кой нулевого потенциала и все напряжения измеряют относи-
тельно этой точки. Соединение Ба и Бн часто делается у выводов
батарей или на зажимах, служащих для присоединения бата-
рей. Тогда по проводу общего минуса идут вместе токи накала
и анода.
Схемы с электронными лампами можно изображать по-раз-
ному. На рис. 5.5 а изображены батареи накала и анода, а на
рис. 5.56 показаны лишь зажимы этих батарей. Цепь накала
для упрощения обычно полностью не показывают, а от нити
ведут лишь один провод к минусу батареи анода (рис. 5.5в).
Иногда показывают только один плюсовой зажим анодной бата-
реи, подразумевая, что ее минус включается на корпус.
У ламп небольшой мощности анодное напряжение может
быть до нескольких сотен вольт, а анодный ток всегда меньше
тока накала и составляет несколько миллиампер или десятков
миллиампер. Для измерения анодного тока в анодную цепь
включают миллиамперметр, а для измерения анодного напря-
жения— вольтметр (рис. 5.6 а). На рис. 5.6 6 изображена не-
правильная схема, в которой миллиамперметр будет показывать
сумму анодного тока и тока, потребляемого вольтметром.
Основное свойство диода — способность проводить ток толь-
ко в одном направлении. Электроны могут двигаться только от
катода к аноду и только тогда, когда анод имеет положительный
потенциал относительно катода. При обратной полярности диод
заперт для тока; он размыкает цепь, так как отрицательно заря-
женный анод отталкивает электроны. Сам же анод не испускает
электроны, которые могли бы притягиваться к положительно
заряженному катоду.
169
Итак, диод имеет одностороннюю проводимость. Он является
вентилем, т. е. прибором, пропускающим ток в одну сторону.
Благодаря этому диод применяется для выпрямления пере-
менного тока, т. е. преобразования переменного тока в ток одно-
го направления. Схема выпрямления с помощью диода
Рис. 5.6, Измерение анодного тока и анодного напряжений:
а) правильное включение приборов, б) неправильное
(рис. 5.7 а) состоит из последовательно включенных генератора
переменного тока Г, диода Д и нагрузочного сопротивления R.
Генератор дает переменную эдс Е (рис. 5.7б), а ток в цепи и на-
пряжение на сопротивлении R будут пульсирующими
t
Рис. 5.7. Схема и графическое изображение выпрямления
переменного тока с помощью диода
(рис. 5.7в). Отрицательные полуволны тока не проходят через
диод. Если учесть направление движения электронов через со-
противление R, то ясно, что конец сопротивления R, соединенный
с катодом диода, имеет всегда положительный потенциал.
§ 5.5. ТИПЫ КАТОДОВ
Сначала все лампы делали с катодами из тугоплавкого ме-
талла вольфрама, имеющего температуру плавления около 3400°.
Но эти катоды очень неэкономичны, так как их нужно накали-
170
вать до высокой температуры, на что затрачивается большая
энергия. Гораздо экономичнее активированные катоды из воль-
фрама или другого металла, на поверхность которого наносится
слой активных металлов или окисей, обладающих способностью
хорошо выделять электроны при сравнительно низких темпера-
турах. Большинство современных радиоламп имеет активирован-
ные катоды. Только некоторые мощные электронные лампы из-
готовляют с чисто вольфрамовым катодом.
При повышении температуры накала эмиссия катода возра-
стает, но уменьшается срок его службы. Поэтому катод изготов-
ляют так, чтобы эмиссия происходила при наименьшей возмож-
ной температуре и наименьшей затрате энергии на накал.
У вольфрамового катода эмиссия получается при температуре
порядка 2300°, что соответствует белому или светло-желтому
накалу. Она значительно меньше, чем у активированных като-
дов. Ценным качеством вольфрамового катода является постоян-
ство эмиссии и нечувствительность к перекалу. После временно-
го перекала эмиссия катода не уменьшается. У активированных
катодов эмиссия не так постоянна, от перекала она легко теряет-
ся, и восстановить ее не удается. Для вольфрамового катода
значительный перекал также опасен, так как нить может рас-
плавиться.
Потеря эмиссии от перекала или от долгой работы у активи-
рованных катодов объясняется тем, что при повышенной темпе-
ратуре активный слой испаряется. Срок службы активирован-
ных катодов определяется понижением эмиссии на 10 или 20%
вследствие истощения активного слоя (у вольфрамовых катодов
за счет того, что катод постепенно испаряется под действием вы-
сокой температуры и уменьшает свою поверхность).
Активированные катоды не вполне устойчиво работают при
высоких анодных напряжениях. Возникающие в небольшом ко-
личестве даже при хорошем вакууме положительные ионы под
действием высокого напряжения с силой ударяют в катод и раз-
рушают его активный слой. Подобная ионная бомбардировка
не опасна для вольфрамовых катодов.
Следует отметить, что для ламп с вольфрамовым катодом не
требуется геттер и поэтому баллон у них прозрачный. Это объ-
ясняется тем, что испаряющиеся частички вольфрама образуют
на внутренней поверхности баллона слой, поглощающий газы.
Применяются следующие типы активированных катодов.
Карбидированный катод изготовляется из вольфрама или
молибдена с примесями металла тория и углерода. Применяются
также торированные катоды, не содержащие углерода. Карбиди-
рованные катоды имеют рабочую температуру около 1700°
(желтый накал) и применяются в некоторых лампах средней
мощности, работающих при анодных напряжениях не свыше
1500 в.
171
Оксидный катод изготовляется из никеля или платины и по-
крывается окисями металлов бария, стронция, кальция. Рабочая
температура его 800° (красный накал), эмиссия значительно
больше, чем у вольфрамового и карбидироваиного катодов.
Этот катод широко применяется в различных лампах, но не при-
годен для непрерывной работы при высоких анодных напряже-
ниях. Он выдерживает небольшой перекал, но зато понижение
накала не следует допускать, так как оно может создать частич-
ное разрушение оксидного слоя или даже перегорание катода
вследствие возникновения в оксидном слое местных очагов пе-
регрева *. Оксидный катод с успехом используется для импульс-
ной работы. При кратковременном действии высоких анодного
и сеточного напряжений от него можно получить эмиссию, во
много раз большую, чем при непрерывной работе. Но после каж-
дого импульса необходимо давать катоду «отдых», чтобы в ок-
сидном слое накопилось достаточное количество электронов,
необходимое для создания следующего импульса.
Бариевый катод из вольфрамовой проволоки, покрытой
медью и слоем окиси бария и металлического бария, сейчас уже
не применяется.
Лампы с активированным катодом легко отличить потому,
что они имеют на баллонах зеркальный или темный налет гет-
тера.
Нити накала, испускающие электроны, называются катодами
прямого или непосредственного накала. Лампы с такими като-
дами применяются в батарейных приемниках и. радиостанциях,
для которых важен экономный расход энергии источника нака-
ла. В большинстве случаев катоды прямого накала нельзя на-
каливать переменным током, так как температура и эмиссия
будут пульсировать с частотой, равной удвоенной частоте пи-
тающего тока. Только сравнительно толстую нить, которая не
будет успевать остывать при колебаниях тока, можно питать
переменным током.
В лампах для приемников и усилителей с питанием от сети
переменного тока применяют подогревные катоды, называемые
иначе катодами косвенного накала или эквипотенциальными.
Их впервые предложил А. А. Чернышев.
Подогревный катод изображен на рис. 5.8 а. Катодом являет-
ся никелевая трубочка с оксидным слоем, а нить накала (подо-
греватель) покрыта теплостойкой изоляцией из алунда (окисел
алюминия) и вставлена внутрь катода в виде прямой петли или
петли, свернутой в спиральку. Таким образом, нить служит толь-
ко для подогрева, а катод только для эмиссии. Ток накала по
катоду не проходит. Тепловая инерция такого катода настолько
велика, что для нагрева или охлаждения его нужны десятки
1 Если в это время есть значительный анодный ток,-
172
секунд. Поэтому при колебаниях переменного тока температура
катода будет оставаться неизменной. Зато лампа начинает ра-
ботать не сразу после включения накала, а через 20—40 секунд,
когда катод прогреется.
Встречаются также катоды в виде цилиндрика с оксидным
слоем на донышке и подогревателем внутри (рис. 5.8 6).
Схема включения лампы с подогревным катодом показана
на рис. 5.8 в. .Цель накала может быть совершенно отдельной,
не соединенной с цепью анода (общего минуса нет). Вывод от
катода присоединяют к минусу источника анодного напряжения.
Иногда катод соединяют с одним концом нити.
Рис. 5.8. Устройство подогревных катодов и схема вклю-
чения лампы с подогревным катодом
При применении ламп с подогревным катодом следует иметь
в виду, что изоляция между катодом и нитью, находясь в нака-
ленном состоянии, у большинства ламп выдерживает без опас-
ности пробоя напряжение не свыше 100 в (редко большее).
Маломощные лампы с катодом прямого накала имеют тон-
кую нить и потребляют на накал меньший ток, чем лампы с по-
догревным катодом. Для переносных радиостанций лампы с
катодом прямого накала удобнее потому, что после включения
накала они сразу же начинают работать. Если же, например, в
приемнике используются лампы с подогревным катодом, то при
двусторонней связи накал их должен оставаться включенным и
тогда, когда станция работает на передачу. Непрерывный накал
ламп приводит к дополнительному расходу энергии, что недо-
пустимо при питании от сухих батарей и аккумуляторов. Поэто-
му лампы с подогревным катодом применяются главным обра-
зом в радиоаппаратуре с питанием от электросети.
В последнее время стали применяться новые катоды, обла-
дающие высокой эмиссией и стойкостью к ионной бомбардиров-
ке. Они дают очень большую эмиссию в импульсном режиме и
17J
имеют простое устройство. К ним относятся бариево-вольфрамо-
вые катоды (L-катоды), оксидно-ториевые катоды и другие.
Катоды могут работать при небольшом недокале. Такой ре-
жим желателен для увеличения срока службы ламп. Только для
оксидного катода при наличии значительного анодного тока не-
докал опасен. Наоборот, перекал катода, не давая заметного
улучшения работы лампы, резко сокращает срок ее службы.
§ 5.6, ХАРАКТЕРИСТИКА ДИОДА
Для лампы всегда устанавливается нормальное напряжение
накала, которое остается постоянным. Анодное напряжение во
время работы меняется. Например, в выпрямителе (рис. 5.7) на
анод лампы подается пере-
менное напряжение. Поэто-
му важно знать зависи-
мость между анодным то-
ком и анодным напряжени-
ем. График этой зависимо-
сти называется характери-
стикой диода.
Пример такой характе-
ристики дан на рис. 5.9 а. По
вертикальной оси отложен
анодный ток Iа в миллиам-
перах, а по горизонтальной
оси — анодное напряжение
Uа в вольтах.
Когда анодное напря-
жение равно нулю, анодный
ток тоже равен нулю, так
как электроны не притяги-
ваются анодом. Увеличение
анодного напряжения вызы-
вает возрастание анодного
тока в известных пределах,
но после этого дальнейшее
повышение анодного напря-
жения уже не дает значи-
тельного увеличения анод-
ного тока. Получается ток
насыщения 1 нас (на рис. 5.9а /кае=80 ма при Ua =30 в).
Насыщение объясняется следующим образом. При малых анод-
ных напряжениях не все электроны, вылетающие из катода, до-
стигают анода. Часть их возвращается на катод и образует в
пространстве вокруг катода электронное облачко, имеющее про-
странственный (или объемный) заряд (рис. 5.4). Объемный от-
рицательный заряд отталкивает вылетающие из катода элекг-
174
роны и мешает аноду притягивать их. Если анодное напряжение
мало, то только электроны, вылетевшие из катода с большой
скоростью, смогут преодолеть действие объемного заряда и
анодный ток будет мал. Режим, при котором на анод попадает
только часть электронов,, испускаемых катодом, называется ре-
жимом ограничения (точнее, режимом ограничения анодного то-
ка объемным зарядом). Обычно лампы работают в режиме
ограничения. Иногда лишь на время достигается режим насы-
щения.
По мере увеличения анодного напряжения все большее число
электронов летит к аноду и электронное облачко вокруг катода
уменьшается. При достаточно большом анодном напряжении
все электроны движутся на анод, и облачко исчезает. Анодный
ток в данном случае будет таком насыщения / нас и равен току
эмиссии I эм, который определяется полным числом электронов,
испускаемых катодом каждую секунду. Таким образом, в режи-
ме насыщения все электроны, испускаемые катодом, летят на
анод.
Если увеличить накал, то эмиссия возрастет и увеличится
ток насыщения. При уменьшении накала эмиссия и ток насыще-
ния уменьшаются. На рис. 5.96 показаны характеристики диода
для нескольких значений напряжения накала UH.
В современных лампах ток насыщения при увеличении Ua
постепенно растет, т. е. характеристика в области насыщения
имеет подъем. Причиной этого являются электростатическая
эмиссия — вырывание электронов полем анода и дополнитель-
ный нагрев катода анодным током. Наиболее резко выражено
насыщение у вольфрамового катода, а у оксидного катода оно
мало заметно, так как электрическое поле анода, проникая в
оксидный слой, создает значительную электростатическую эмис-
сию. Кроме того, оксидный слой имеет большое сопротивление,
и поэтому он сильно дополнительно нагревается током анода.
В современных диодах нормальный анодный ток получается
при анодном напряжении до 20-j-30 в. Следует отметить, что при
Ua= 0 анодный ток не равен нулю, а имеет небольшую величи-
ну. Это объясняется тем, что электроны вылетают из катода с
различными скоростями и некоторые из них, имеющие наиболь-
шие скорости, могут долетать до анода, преодолевая отталки-
вающее действие электронного облачка. Анодный ток умень-
шается до нуля лишь при небольшом отрицательном напряжении
анода (обычно порядка десятых долей вольта).
Характеристика диода непрямолинейна, что объясняется
главным образом влиянием объемного заряда. Эта характери-
стика криволинейна или, как принято говорить, нелинейна.
Сопротивления обычных проводников подчиняются закону Ома.
У них ток и напряжение в соответствии с законом Ома пропор-
циональны друг другу и график зависимости тока от напряже-
175
ния является прямой линией, проходящей через начало коорди-
нат. Такие сопротивления называются линейными. Диод, как и
все другие электронные приборы, обладает нелинейной характе-
ристикой. Он представляет собой нелинейный прибор (нелиней-
ное сопротивление), не подчиняющийся закону Ома.
§ 5.7. ПАРАМЕТРЫ ДИОДА
Параметрами лампы называются величины, характеризую-
щие ее свойства. К ним прежде всего относятся напряжение и
ток накала. Важнейшим параметром является внутреннее сопро-
тивление диода, т. е. сопротивление промежутка анод — катод,
который проводит ток, поскольку в нем имеются свободные
электроны. Величина этого сопротивления вследствие нелиней-
ных свойств диода различна для постоянного и переменного
тока. Сопротивление диода при постоянном токе Ro, иначе назы-
ваемое статическим, определяется отношением анодного напря-
жения к анодному току;
г> —
Ro
*а
В разных точках характеристики диода, т. е. для разных зна-
чений тока, величина Ro различна. Это является особенностью
всех нелинейных приборов.
Внутреннее сопротивление диода для переменного тока Rt
(точнее, для изменений тока), называемое обычно просто вну-
тренним сопротивлением, а иногда дифференциальным, является
основным параметром. На среднем участке характеристики, ко-
торый приближенно можно считать прямолинейным, R{ практи-
чески не изменяется. Величину Rt определяют как отношение
изменения анодного напряжения к вызванному им изменению
анодного тока. Если некоторому анодному напряжению Uai со-
ответствует ток /о1, а при новом значении напряжения Uai ток
становится равным lat, го
Uа1
1м
Изменение или, как говорят в математике, приращение той
или иной величины обозначают символом А (греческая буква
дельта) и поэтому формулу для определения Rt можно записать:
Найдем для примера Rt на линейном участке характеристики
диода, показанной на рис. 5.9 а. При изменении Ua от 12 до 23 в
ток /о меняется от 20 до 60 ма. Таким образом, At7o=23—12=
= 11 в и Д/о =60—20=40 ма. Отсюда следует, что
R. = 11 -v = 275 ом.
1 40-10-3
175
Для сравнения найдем 7?0 для какой-либо точки линейного
участка той же характеристики. Например, при Uа=20 в ток
Ja= 50 ма и тогда получается
/?0 = —Г = 400 ом.
50-10-3
Как видно, Ro не равно Rt.
У современных диодов Rt и Ro обычно бывают порядка со-
тен ом, причем Ro несколько больше Rt- Для малых токов, соот-
ветствующих начальному участку характеристики, Rt и Ro
возрастают до тысячи ом и более.
Величина, обратная Rh называется крутизной характеристи-
ки (или короче просто крутизной). Она обозначается буквой S и
является внутренней проводимостью диода для переменного
тока:
S = 1
Rl bUa
Принято крутизну выражать в миллиамперах на вольт
(ма!в). Порядок величины S — единицы миллиампер на вольт и
более (для среднего участка характеристики диода).
При использовании любых ламп надо учитывать максималь-
но допустимую мощность потерь на аноде Ра ши!с, называемую
иначе максимально допустимой мощностью рассеяния на аноде.
Она зависит от размеров, конструкции и материала анода и мо-
жет быть от десятых долей ватта у маломощных ламп до многих
киловатт у мощных.
Электроны под влиянием притяжения к аноду развивают
большую скорость и с силой ударяют в анод. Скорость электро-
нов тем выше, чем больше анодное напряжение. Например, если
Ua =100 в, то скорость электронов при ударе" об анод достигает
6000 км]сек. От «электронной бомбардировки» анод нагре-
вается. Он может накалиться докрасна и даже добела. Величи-
на мощности Ра, рассеиваемой на аноде, подсчитывается по
формуле:
Рв = 4^в.
Например, если Ua =30 в, а Iа =20 ма, то мощность, рассеи-
ваемая на аноде, Ра =30*0,02=0,6 вт.
Эта мощность является потерянной, так как нагрев анода не
нужен. Чрезмерный нагрев анода опасен — анод может рас-
плавиться или выделить газы, которые нарушат вакуум в
лампе.
При работе лампы всегда должно быть соблюдено условие:
Ра < ?амакс, т- е- рассеиваемая на аноде мощность должна быть
меньше максимально допустимой. Для увеличения РамаКс уве-
личивают поверхность и размеры анода, изготовляют его из
тугоплавкого металла с ребрами для увеличения площади ох-
лаждения. Кроме того, для лучшего охлаждения чернят анод
12—2607 177
так как черная поверхность больше излучает тепловые лучи, чем
светлая. В мощных лампах применяют охлаждение анода про-
точной водой (предложено впервые М. А. Бонч-Бруевичем) или
воздухом с помощью вентиляторов.
Важными параметрами, определяющими возможность при-
менения диодов в различных случаях, являются максимально
допустимый анодный ток 1амакс и максимально допустимое об-
ратное напряжение Uобр макс. Часто указывают отдельно макси-
мально допустимый импульс анодного тока, т. е. допустимое
мгновенное значение тока, и максимально допустимое значение
постоянного тока. Получение больших анодных токов ограничи-
вается эмиссионной способностью катода, перегревом и разру-
шением оксидного слоя катода и величиной максимально
допустимой мощности потерь на аноде. При выпрямлении пе-
ременного тока с помощью диода анодное напряжение периоди-
чески становится отрицательным. В этом случае анодного тока
нет, все напряжение источника приложено к диоду и, если оно
чрезмерно велико, то возможен пробой изоляции между анодом
и катодом. Поэтому нельзя допускать обратное напряжение
выше максимально допустимого.
К параметрам диода следует отнести емкость анод — катод
Са/с, в которую входят емкость между самими электродами, а
также емкость между выводными проводничками и контактами
цоколя. Эта емкость бывает порядка единиц пикофарад и более.
На низких частотах ее сопротивление очень велико (миллионы
ом), и она практически не влияет на работу диода. А на частотах
от десятков мегагерц и выше сопротивление емкости Сак стано-
вится такого же порядка, как внутреннее сопротивление диода, и
даже меньше его. Тогда переменный ток будет сравнительно сво-
бодно проходить через эту емкость и выпрямляющее действие
диода в большей или меньшей степени нарушится.
§ 5.8. ТИПЫ И КОНСТРУКЦИИ диодов
Маломощные диоды для детектирования, как правило, выпу-
скаются с катодами косвенного накала. Они имеют электроды
небольшого размера, рассчитаны на малые анодные токи, малую
допустимую мощность потерь на аноде и невысокое обратное
напряжение. Более мощные диоды (кенотроны) служат для
выпрямления переменного тока сети и выпускаются с катодами
как прямого, так и косвенного накала. Широкое применение
имеют двойные диоды, представляющие собой два диода в од-
ном баллоне. Кенотроны такого типа называют двуханодными.
По существующей у нас системе (ГОСТ 5461-59) приемно-
усилительные лампы, к которым относятся детекторные диоды
и кенотроны небольшой мощности, имеют обозначения, состоя-
щие из четырех элементов. Первый элемент — округленное до
целого числа вольт напряжение накала. Второй элемент — бук-
178
ва, показывающая тип лампы. Одинарные диоды имеют букву Д,
двойные диоды — X, кенотроны — Ц (независимо от числа ано-
дов). Третий элемент — номер, который ставится для ламп
различных типов, имеющих остальные элементы обозначения
одинаковыми. Четвертый элемент — буква, указывающая конст-
руктивное оформление: С — стеклянная лампа, П — стеклянная
лампа уменьшенного размера («пальчиковая»), Б и А — мини-
атюрные лампы с диаметром баллона соответственно 10 и 6 мм,
Ж—стеклянная лампа тина «желудь» специально для укв,
д — лампа для сверхвысоких частот с дисковыми или цилиндри-
ческими выводами от электродов, Л — лампа с замковым цоко-
лем, устраняющим воз-
можность выпадания лам-
пы из гнезда при тряске.
Отсутствие буквы обоз-
начает металлическую
лампу. Например,
6Х2П — стеклянный двой-
ной диод пальчиковой
серии с напряжением
накала 6,3 в.
Для мощных кенотро-
нов первый элемент обо-
значения — буква В, вто-
рой элемент — номер ти-
па прибора, третий эле-
мент — тире, четвертый
элемент — дробь, в кото-
рой числитель показывает
Рис. 5.10. Схематическое изображение дио-
дов различных типов
максимально допустимый
выпрямленный ток в амперах, а знаменатель — максимально до-
пустимое обратное напряжение в киловольтах.
На рис. 5.10 показаны схематические изображения диодов
различных типов. Одинарные диоды могут быть трех типов.
Наиболее прост диод с катодом прямого накала (рис. 5.10а).
К таким диодам относятся высоковольтные кенотроны Щ1С
и Щ7С, а также большинство мощных кенотронов. У диодов с
катодом косвенного накала вывод от катода делается иногда
общим с одним из выводов нити (рис. 5.106). Примером являет-
ся кенотрон 2Ц2С. С отдельным выводом от катода (рис. 5.10 в)
выпускаются диоды 6Д4Ж и 6Д6А.
Двойным диодом с катодом прямого накала (рис. 5.10 г) яв-
ляется двуханодный кенотрон 5ЦЗС. Схематические изображе-
ния на рис. 5.10 г и следующих рисунках даны упрощенно.
В действительности двойные диоды имеют две отдельные нити
накала, соединенные внутри лампы параллельно или последова-
тельно. На рис. 5.106 показан двуханодный кенотрон, имеющий
12*
179
два отдельных катода, вывод от которых сделан общий, соеди-
ненный с одним из выводов нити. Так построен кенотрон 5Ц4С.
Возможен общий вывод от катодов, сделанный отдельно от нити
(рис. 5.10е). Этот вариант встречается в кенотронах 6Ц4П
и 6Ц5С.
Наиболее универсальные двойные Диоды, например 6Х6С
и 6Х2П, имеют отдельные самостоятельные выводы от катодов
(рис. 5.10 ж). У детектор-
Рнс. 5.11. Внешний
вид и цоколевка
двойного диода 6Х6С (а) н двуханодно-
го кенотрона 5Ц4С (б) (в разных мас-
штабах)
ных двойных диодов ста-
вится металлический экран
для устранения паразитной
емкостной связи между це-
пями обоих диодов. На схе-
матическом изображении
его обычно не показывают.
Двойные диоды с самостоя-
тельными выводами от ка-
тодов нередко используют-
ся в двух различных частях
какой-либо схемы. В таких
случаях на схеме показы-
вают в соответствующих
местах половинки лампы
(рис. ,5.10 з). Это упрощает
вычерчивание и чтение схе-
мы, так как устраняются
длинные многократно пере-
секающиеся провода.
Размеры баллона лампы
зависят от ее мощности.
В более мощных лампах
сильнее тепловое излучение
от электродов. Тепловые лу-
чи частично проходят сквозь
баллон, если он прозрач-
ный, но часть их энергии
поглощается стеклом, кото-
рое нагревается. Особенно
разогревается непрозрач-
ный баллон, например покрытый слоем геттера, так как он пог-
лощает всю энергию лучей. Чтобы температура баллона не ста-
ла недопустимо высокой, увеличивают его поверхность.
На рис. 5.11 показаны двойной диод 6Х6С и кенотрон 5Ц4С
со стеклянным баллоном. У подобных ламп электроды укреп-
ляются на стеклянной ножке в виде трубки, сплющенной на
одном конце (рис. 5.12). В нее впаяны проволочки из металла,
имеющего одинаковый температурный коэффициент расширения
180
Траверсы
Рис. 5.12.
Стеклян-
ная ножка
для креп-
ления
электродов
лампы
со стеклом. Таким металлом может быть платинит (сплав нике-
ля с железом, покрытый слоем меди и закиси меди), молибден,
вольфрам, высокохромистая сталь (феррохром), сплавы никеля
с кобальтом и железом, носящие название «фернико» и «ковар».
Проволочки, впаянные в стекло, одними концами приварены к
более толстым проволокам из никеля, молибдена или вольфра-
ма, которые служат для крепления электродов и называются
траверсами (рис. 5.12). Другие концы выводных проволочек
приварены к медным проводникам, идущим внутри ножки к
контактным штырькам цоколя. Через ножку лампы проходит
стеклянная трубочка для откачки воздуха (штенгель), которая
после откачки запаивается. Иногда откачку производят через
«сосок» на баллоне. Траверсы крепятся выше и ни-
же электродов в слюдяных пластинках, благодаря
чему сохраняется определенное расстояние между
электродами. Верхняя слюдяная пластинка плот-
но входит в баллон, обеспечивая неизменное и
прочное расположение электродов.
У стеклянных ламп более старого типа приме-
нялся цоколь, в котором были несимметрично рас-
положены четыре штырька. Современные стеклян-
ные и металлические лампы имеют восьмиштырь-
ковый (октальный) цоколь. В нем штырьки распо-
ложены по вершинам правильного восьмиугольни-
ка, а в центре находится более длинный и толстый
направляющий штырек — ключ — из изоляционного
материала, имеющий специальный выступ, обеспе-
чивающий правильную установку лампы в гнездо.
Внутри ключа располагается запаянная часть штен-
геля. Для примера на рис. 5.11 показана цоколевка
двойного диода 6Х6С и кенотрона 5Ц4С. Штырьки принято ну-
меровать в порядке, указанном на рис. 5.11 а. У различных ламп
электроды соединяются со штырьками в разном порядке. Метал-
лический баллон или металлический экран, имеющийся внутри
некоторых ламп, соединен обычно с одним из штырьков. В каж-
дом отдельном случае надо руководствоваться цоколевкой дан-
ной лампы, приведенной в справочнике. Штырьки, не соединен-
ные с электродами, на цоколе обычно отсутствуют. Например,
у лампы 5Ц4С нет штырьков 1,3,5 и 7.
Кенотроны для выпрямления напряжений не более сотен
вольт имеют выводы от всех электродов на цоколь. У кенотро-
нов, рассчитанных на выпрямление напряжений порядка тысяч
вольт, нельзя располагать выводы анода и катода близко друг
от друга, так как может быть пробой изоляции между ними.
Анод таких кенотронов выводится на верх баллона. Для приме-
ра на рис. 5.13 показаны внешний вид и цоколевка высоковольт-
ного кенотрона 2Ц2С.
181
Металлические лампы по сравнению со стеклянными имеют
следующие преимущества: меньшие размеры, большую проч-
ность, хорошую экранировку от влияния внешних электрических
и магнитных полей, так как экраном служит сам баллон лампы.
Недостатком их является худшая теплоотдача, в результате
которой баллон сильно нагревается (можно обжечь руку). Кро-
ме того, в этих лампах больше спаев ме-
талла со стеклом, через которые иногда
в баллон проникает воздух. В настоящее
время металлические лампы делаются
только маломощными. Баллон металли-
ческих ламп изготовляется из стали.
К нижней части баллона приваривается
стальной диск со штенгелем и отверстия-
ми, в которые вварены втулки из ферни-
ко. В эти втулки впаяны капли стекла
(бусинки) с выводными проводниками и
траверсами электродов (рис. 5.14 а).
Применяется также сплошное стек-
лянное донышко со стеклянным же
штенгелем. Оно заштамповывается в
кольцо из фернико, которое приваривает-
ся к баллону. Траверсы и выводы впая-
ны в стеклянное донышко (рис. 5.14 б).
Внешний вид металлического двойного
Ключ
Рис. 5.13. Внешний вид
и цоколевка высоко-
вольтного кенотрона
2Ц2С
диода 6X6 показан на рис. 5.14 в.
Для очень высоких частот (до 300—
600 Мгц) делаются лампы типа «же-
лудь». Они имеют электроды малого
размера для уменьшения междуэлект-
родной емкости. Расстояние между элек-
тродами также сделано малым, чтобы
время пролета электронов от катода
к аноду было значительно меньше пе-
риода колебаний, который на сверхвы-
соких частотах очень мал. Выводы от
электродов в этих лампах сделаны в раз-
ные стороны через стекло баллона ко-
роткими прямыми проводниками. На рис. 5.15 а показан внеш-
ний вид диода 6Д4Ж-
Пальчиковые лампы представляют собой стеклянные лампы
малых размеров без цоколя для частот до 200 Мгц. В них выво-
ды от электродов сделаны в виде семи или девяти заостренных
проводников, впаянных в утолщенное стеклянное основание
лампы, называемое плоской ножкой. Эти проводники служат
контактными штырьками. Внешний вид и цоколевка пальчико-
вого двойного диода 6Х2П показаны на рис. 5.15 б.
182
Рис. 5.14. Различные конструкции выводов от электро-
дов у металлических ламп (а и б) и внешний вид двой-
ного диода 6X6 (в)
а)
Рис. 5.15. Внешний вид диода типа «желудь» 6Д4Ж (а), паль-
чикового двойного диода 6Х2П (б) и миниатюрного диода
6Д6Л (в)
183
Миниатюрные бесцокольные лампы, например диод 6Д6А
-(рис. 5.15 в), имеют выводы от электродов, сделанные гибким
луженым проводом толщиной 0,4 мм. Они расположены в ряд
вдоль ножки лампы. У одного края ножки находится цветная
метка, от которой ведут отсчет расположения выводов.
Рассмотренные принципы устройства и конструктивного
оформления диодов остаются в силе и для более сложных ламп.
§ 5.9. УСТРОЙСТВО И РАБОТА ТРИОДА
Триод'отличается от диода наличием третьего электрода, рас-
положенного между катодом и анодом и называемого управляю-
щей сеткой или просто сеткой.
На рис. 5.16 показаны распространенные конструкции элек-
тродов триода.
Действие управляющей сетки
заключается в том, что она
управляет потоком электро-
нов внутри лампы, т. е.
анодным током.
Вследствие того, что сет-
ка несплошная, она доволь-
но свободно пропускает
электроны, летящие к ано-
ду. Но для электрического
поля, создаваемого зарядом
анода, она является экра-
ном. Это поле перехваты-
вается сеткой и лишь не-
значительная часть его про-
никает к катоду сквозь про-
светы сетки.
Рис. 5.16. Конструкция электродов
триода
Таким образом, сетка экранирует катод от анода, она ослаб-
ляет действие анода на электроны, вылетающие с катода.
На рис. 5.17 показаны для сравнения электрические поля в
диоде и триоде. Видно, что сетка задерживает большую часть
поля. Чем гуще сетка, тем сильнее экранирует она катод от влия-
ния анода. Вследствие этого и отчасти потому, что сетка распо-
ложена ближе к катоду, чем анод, небольшие изменения потен-
циала на сетке оказывают гораздо более сильное действие на
анодный ток, чем значительные изменения потенциала на аноде.
Напряжением на сетке или сеточным напряжением называют
разность потенциалов между сеткой и катодом, т. е. потенциал
сетки относительно катода. В лампах с катодом прямого накала
все напряжения-отсчитывают относительно отрицательного кон-
ца катода.
При небольшом отрицательном напряжении сетка отталки-
вает электроны, но часть их все же пролетает в ее просветы
184
благодаря притяжению анодом. Однако можно увеличить отри-
цательное напряжение сетки настолько, что она будет отталки-
вать все электроны и уничтожит анодный ток. Лампа будет за-
сетке помогает аноду притяги-
облачка
Рис. 5.17. Электрические поля в диоде
и триоде
перта.
Итак, отрицательное напряжение сетки уменьшает анодный
ток и может прекратить его.
Положительный потенциал на
вать электроны из электронного
электронов вследствие
своей большой скорости
пролетает по инерции в
просветы сетки и притя-
гивается к аноду, так как
анодное напряжение
обычно выше сеточного.
Часть электронов все же
притягивается сеткой и
попадает на нее, образуя
сеточный ток. При боль-
шом положительном на-
пряжении сетки анодный
ток возрастает до величи-
ны тока насыщения, но
одновременно значительно
в триоде анодный ток насыщения меньше тока эмиссии катода
на величину тока сетки.
причем большинство
возрастает и сеточный ток. Поэтому
Рис. 5.18. Схемы цепей- триодов с катодом прямого
накала и подогревным катодом
Итак, положительное напряжение сетки увеличивает анодный
ток и может довести его до насыщения, а также создает сеточ-
ный ток.
Изменяя напряжение сетки от некоторого отрицательного до
некоторого положительного значения, можно изменять анодный
185
ток от нуля до тока насыщения. В этом и заключается управ-
ляющее действие сетки.
На рис. 5.18 показаны схематически триоды с катодом пря-
мого накала и с подогревным катодом, а также их цепи накала,
анода и сетки. Для обозначения сетки и всех величин, относя-
щихся к ней, принята буква с ’. В цепь сетки на схеме рис. 5.18
включена батарея Бс плюсом на сетку лампы; штриховыми
стрелками показано движение электронов сеточного тока 1С
внутри лампы от катода к-сетке, а во внешней части цепи сет-
ки — в направлении к катоду. При наличии тока сетки в проводе
катода и на участке сетка — катод внутри лампы проходит сум-
марный ток, называемый током катода 1к=1а-\~ !»•
Рассмотренные электронные процессы в триоде при различ-
ных напряжениях сетки наглядно показаны на рис. 5.19. На
Лампа
заперта
Режим ограничения
Режим
насыщения
Рис. 5.19. Движение электронов в триоде при различных напряже-
ниях ча сетке
этом рисунке стрелками показаны направления движения элек-
тронов.
В схеме на рис. 5.19 и в большинстве последующих схем
цепь накала для упрощения не показана.
§ 5.10. УСИЛЕНИЕ С ПОМОЩЬЮ ТРИОДА
Основным назначением триода является усиление перемен-
ных напряжений. Переменное напряжение, которое нужно уси-
лить, подводится к цепи сетки, а усиленное напряжение полу-
чается в анодной цепи. Схема усиления с одной лампой
называется ступенью или каскадом усиления (рис. 5.20). Ее
составными частями являются: лампа, источники питания Ба
и Бн и нагрузочное сопротивление Ra, включенное в анодную
цепь. Источник переменного напряжения присоединен к сетке
1 Иногда вместо нее применяют букву «g» латинского алфавита (от анг-
лийского слова grid — сетка).
186
и катоду лампы. Изменение напряжения на сетке вызывает
пульсации анодного тока. Пульсирующий анодный ток содержит
постоянную и переменную составляющие. На нагрузочном со-
противлении Ra анодный ток создает пульсирующее падение
напряжения, которое также имеет постоянную и переменную со-
ставляющие. Если нагрузочное сопротивление Ra достаточно
велико, то амплитуда переменного напряжения на нем UmR
значительно больше амплиту-
ды переменного напряжения
на сетке Uтс . Отношение этих
напряжений называется коэф-
фициентом усиления ступени и
обозначается буквой к
Коэффициент усиления сту-
пени показывает, во сколько
раз данная ступень усиливает Рис. 5.20. Схема ступени усиления
переменное напряжение.
Если, например, t7mc=2 вив анодном токе под влиянием
этого напряжения появилась переменная составляющая Ima~
= 0,5 лш, то при нагрузочном сопротивлении /?а=40 000 ол!
получим
И р = lma Ra = 0,0005 - 40 000 = 20 в.
тц та а f
Усиление напряжения получилось в 10 раз, т. е. коэффициент
усиления ступени равен к=20:2=10. Если бы при такой же
величине /та=0,5 ма взять Ra равным 4000 ом, то усиления не
будет, так как в этом случае Umn =0,0005-4000= 2 в. При еще
меньшем Ra вместо усиления получится ослабление. Этот рас-
чет является приближенным, так как надо было учитывать, что
при уменьшении Ra амплитуда переменного тока возрастает.
В усилительной ступени происходит усиление мощности элек-
трических колебаний, т. е. в анодной цепи получается энергия пе-
ременного тока, значительно большая, чем в цепи сетки. Эту
энергию доставляет анодная батарея. Энергия электрических
колебаний, поступающих в цепь сетки, производит лишь управ-
ление энергией анодной цепи. Если на сетке напряжение неиз-
менно, то и анодный ток постоянен. Как только на сетку станет
поступать переменное напряжение, анодный ток начнет пульси-
ровать, т. е. изменяться в соответствии с изменениями напряже-
ния сетки. За счет энергии анодной батареи и благодаря управ-
ляющему действию сетки в анодной цепи появляются усиленные
электрические колебания, которые выделяют свою энергию в
сопротивлении Ra. Генератором переменного анодного тока
является лампа, получающая энергию от анодной батареи.
187
Увеличение энергии (мощности) электрических колебаний
является основным свойством усилительной ступени; оно отли-
чает ее от повышающего трансформатора, который повышает
напряжение, но не энергию (мощность).
Триод может применяться для усиления переменных напря-
жений различных частот. На рис. 5.21 а дана примерная схема
Рис. 5.?1. Сх<^ы ступеней усиления напря-
жения высокой частоты (с) и низкой час-
тоты (б)
ступени усиления колебаний высокой частоты. От приемного
контура LtCi, связанного с антенной, переменное напряжение
подается на сетку. В качестве анодного нагрузочного сопротив-
ления включен контур L2C2, настроенный на частоту усиливае-
мых колебаний (резонансный контур). Такой контур при резо-
нансе токов имеет большое и чисто активное сопротивление.
Генератором для него является лампа. Постоянная составляю-
щая анодного тока свободно проходит через катушку L2, а пере-
менная составляющая создает на контуре переменное напряже-
ние, усиленное по сравнению с напряжением на сеточном
контуре.
183
Рассмотренная схема ступени резонансного усилителя высо-
кой частоты широко применяется в приемниках и передатчиках.
По причинам, которые будут рассмотрены далее, в таких ступе-
нях вместо триодов применяют более сложные лампы.
На рис. 5.21 б показана ступень усиления колебаний низкой
частоты, получаемых от микрофона М. Переменное напряжение
от вторичной обмотки микрофонного трансформатора подается
на сетку. В качестве анодного нагрузочного сопротивления
включен телефон 7’. В обеих схемах усилителей анодная батарея
зашунтирована конденсатором С, представляющим для перемен-
ной составляющей анодного тока небольшое сопротивление.
§ 5.11. ТРИОД В ЛАМПОВОМ ГЕНЕРАТОРЕ
источников питания, анодного
Рис. 5.22. Схема лампового ге-
нератора с обратной связью
попадает отрицательная по-
В гл. 2 было выяснено, что для получения в колебательном
контуре незатухающих колебаний необходимо периодически до-
бавлять в контур энергию с помощью малоинерционного
реле. Им может быть триод, так как замыкание и размыкание
анодной цепи изменением потенциала на сетке происходит очень
быстро.
Электромагнитное реле действует гораздо медленнее благо-
даря значительной инерции и на высоких частотах работать не
может. Электронная лампа как реле практически не обладает
инерцией на частотах до 100 Мгц.
Простейший ламповый генератор незатухающих колебаний
(рис. 5.22) состоит из триода,
колебательного контура LC и ка-
тушки Lt в цепи сетки, связанной
индуктивно с катушкой L. Если
накалить катод лампы и зам-
кнуть анодную цепь, то по ней
пойдет ток, который зарядит
конденсатор С. Последний будет
разряжаться на катушку, и в
контуре возникнут свободные ко-
лебания. Частота их определяет-
ся емкостью и индуктивностью
контура. Переменный ток, прохо-
дящий через катушку L, индукти-
рует в катушке Lc переменное на-
пряжение. управляющее анод-
ным током лампы. Когда на сети
луволна напряжения, лампа запирается. Положительная полу-
волна напряжения на сетке отпирает лампу, и через нее прохо-
дит анодный ток. Электроны этого тока идут в направлении от
анода к верхней обкладке конденсатора С. Если на ней в это вре-
мя возрастает отрицательный заряд, то анодный ток подзаря-
189
дит конденсатор и скомпенсирует потери энергии в контуре.
Описанный процесс повторяется в каждый период.
Но если при положительной полуволне напряжения сетки на
верхней обкладке конденсатора С растет положительный заряд,
то электроны анодного тока уменьшают его. Колебания в кон-
туре не будут поддерживаться и затухнут еще быстрее. Чтобы
этого не получилось, необходимо правильно включить концы ка-
тушек. Если незатухающие колебания не возбуждаются из-за
неверного включения, то достаточно переключить концы у одной
из катушек или повернуть одну катушку на 180° по отношению
к другой. Кроме того, для генерации колебаний необходимо,
чтобы индуктивная связь между катушками L и Lc была доста-
точна, т. е. чтобы они находились близко друг к другу.
Ламповый генератор осуществляет преобразование энергии
постоянного тока анодной батареи в энергию переменного тока.
Это получается благодаря тому, что часть энергии колебаний
попадает из контура в цепь сетки и управляет анодным током,
который возмещает потери энергии в контуре. Таким образом
за счет энергии анодной батареи с помощью лампы в контуре
LC создаются незатухающие колебания.
Связь анодной цепи с сеточной через катушки L и Lc назы-
вают обратной связью, а процесс поддержания незатухающих
колебаний называют самовозбуждением.
Примером генератора незатухающих колебаний служат часы.
Маятник подобен колебательному контуру. Закрученная пружи-
на аналогична анодной батарее, а роль лампы выполняет меха-
низм часов. Энергия закрученной пружины поддерживает неза-
тухающие колебания маятника.
Ламповые генераторы могут генерировать токи различной
частоты в зависимости от величин L и С контура. Все радиопе-
редатчики имеют своей главной частью ламповый генератор. Во
многих приемниках он также играет важную родь.
§ 5.12. ХАРАКТЕРИСТИКИ ТРИОДА
Для изучения работы электронных ламп большую помощь
оказывают характеристики, т. е. графики зависимости анодного
юка и сеточного тока от сеточного или анодного напряжения.
Основной характеристикой триода является сеточная харак-
теристика — график зависимости анодного тока от напряжения
сетки при постоянном анодном напряжении >.
Характеристики триода можно снять, пользуясь схемой
рис. 5.23. В ней напряжение от сеточной и анодной батарей по-
дается на лампу через потенциометры Ri и /?2, которыми можно
1 Иногда ее также называют анодно-сеточной характеристикой.
190
изменять Uc и Ua от нуля до величины напряжения батареи.
Напряжения измеряются вольтметрами и V2. Миллиампер-
метр mA измеряет анодный ток.
Установим потенциометром К2 определенное анодное напря-
жение, например С/а=100 в, и будем поддерживать его постоян-
ным. Потенциометром Ri установим отрицательное напряжение
сетки, запирающее лампу. Пусть оно равно —16 в. Затем станем
Рис. 5,23. Схема для снятия характеристики
триода
уменьшать отрицательное напряжение сетки и измерять анод-
ный ток. После значения Uc=0 переключим полюсы сеточной
батареи и вольтметра Vi и будем подавать на сетку положитель-
ное напряжение. Допустим, что значения анодного тока получи-
лись такими, как в табл. 5.1.
Таблица 5.1
ис, в —16 —12 —8 —4 0 +4 +8 +12 +16 4-20 +24
1а, М1 0 2,5 7,5 15 22,5 30 37 42,5 45 45 45
По этой таблице построена характеристика (рис. 5.24). Она
имеет следующие участки: нижний изгиб АВ, средний прямоли-
нейный участок БВ, верхний изгиб ВГ и область насыщения ГД.
Нижний изгиб образуется потому, что при некотором отри-
цательном напряжении сетки анодный ток прекращается.
При напряжении на сетке, соответствующем нижнему изгибу
характеристики, около катода имеется наиболее плотное элект-
ронное облачко, которое сильно препятствует движению элект-
ронов к аноду. Верхний изгиб объясняется наступлением насы-
щения при некотором положительном напряжении сетки, в дан-
ном случае при +16 в. Если значительно увеличивать положи-
191
тельное напряжение сетки, то анодный ток может даже умень-
шаться. Получается перенапряженный режим, который объяс-
няется следующим образом. Суммарный (катодный) ток 1К
вследствие насыщения растет мало. Поэтому при значительном
возрастании сеточного тока под влиянием большого положитель-
ного напряжения сетки анодный ток уменьшается, т. е. происхо-
дит перераспределение токов в лампе.
( Сеточный ток в большинстве случаев является бесполезным и
даже вредным. Характеристика тока сетки 1С показана на том же
рис. 5.24. Чтобы снять ее, в цепь сетки включают миллиампер-
Рис. 5.24. Сеточные характеристики триода
метр. Ток сетки при отрицательном потенциале сетки отсутству-
ет; при нуле сеточного напряжения этот ток возникает и растет
по мере увеличения положительного напряжения сетки. На
рис. 5.24 штрихом показана также характеристика тока /к, рав-
ного сумме токов 1а и /с. Области характеристик, соответствую-
щие верхнему изгибу, режиму насыщения и перенапряженному
режиму, используются редко, поэтому в справочниках для при-
емных и усилительных ламп эти участки характеристик не при-
водятся.
Благодаря вылету электронов из катода с некоторой началь-
ной скоростью небольшой сеточный ток наблюдается при Uc=
=0, и характеристика сеточного тока начинается от небольшого
отрицательного напряжения сетки (порядка десятых долей'
вольта).
По характеристике можно найти анодный ток для любого зна-
чения напряжения сетки при данном анодном напряжении. На-
пример, из характеристики рис. 5.24 для Uc= —6 в получаем
192
Ia = 11 ма, для Uc = 4-2 в имеем 1 а =26 ма и т. д. Пользовать-
ся характеристикой приходится потому, что зависимость анодно-
го тока от напряжения сетки в виде формулы весьма сложна.
Характеристика анодного тока, приведенная на рис. 5.24, по-
лучается при анодном напряжении, постоянном для всех точек
характеристик. Для других анодных напряжений форма харак-
теристик примерно одна и та же, но расположены они различно.
При более высоком анодном напряжении для прежних напряже-
ний сетки анодные токи будут больше и поэтому характеристика
расположится левее. При более низком анодном напряжении
Рис. 5.25. Семейство сеточ-
ных характеристик триода
для различных анодных на-
пряжений
характеристика, наоборот, сдвинется вправо, так как лампа бу-
дет запираться при меньшем отрицательном напряжении сетки
и анодные токи уменьшатся.
На рис. 5.25 приведена группа характеристик одной лампы
для различных анодных напряжений, называемая семейством
характеристик. Здесь же показано и семейство характеристик
сеточного тока. Он тем больше, чем меньше анодное напряже-
ние. При повышении напряжения анода ток сетки уменьшается,
так как большее количество электронов под действием -доля
анода пролетает сквозь сетку, несмотря на ее притягивающее
действие.
В зависимости от конструкции электродов сеточные характе-
ристики анодного тока могут располагаться либо в левой части—
в области отрицательных напряжений сетки, либо в правой ча-
сти — в области положительных напряжений сетки. Поэтому ха-
рактеристики ламп, а иногда и сами лампы называют левыми
или правыми. Чем гуще сетка, тем меньший отрицательный по-
тенциал запирает лампу, т. е. характеристики получаются более
правыми. В случае редкой сетки лампа запирается при большем
отрицательном напряжении на сетке и характеристики получа-
i 3-2607 193
ются левыми. Приемно-усилительные лампы обычно имеют ле-
вые характеристики для работы без сеточных токов.
Часто также пользуются анодными характеристиками, пока-
зывающими зависимость анодного тока и сеточного тока от анод-
ного напряжения при постоянном напряжении сетки.
В качестве! примера на рис. 5.26 показано семейство таких
характеристик. Они часто даются только для отрицательных на-
пряжений сетки, так как приемные и усилительные лампы рабо-
тают преимущественно при таких напряжениях сетки во избежа-
ние появления сеточного тока.
Рис. 5.26. Семейство анодных характеристик
триода для различных напряжений на сетке1
Основная анодная характеристика для Uc —0 расположена
так же, как и характеристика диода. Она начинается от точки,
напряжение для которой и ток анода равны нулю. От этой же
точки начинаются характеристики для положительных напря-
жений сетки, но идут они выше основной характеристики, так как
анодные токи в этом случае получаются больше. Характеристики
для отрицательных напряжений сетки расположены правее ос-
новной характеристики и начинаются от точек, соответствующих
определенному положительному напряжению на аноде. Напри-
мер, характеристика для Uc— —4 в начинается от точки, соот-
ветствующий С/о=80 в. Это означает, что при анодйых напряже-
ниях меньше 80 в лампа заперта благодаря наличию на сетке
отрицательного потенциала —4 в. Аналогично, характеристика
для Uc ——8 в начинается от точки, соответствующей f/o = 160e,
так как напряжение сетки — 8 в еще сильнее запирает лампу. Из
194
анодных характеристик также можно определить анодный ток
для различных напряжений сетки и анода. Например, для Uc =
= —2 в и Uа = 120 в находим /о = 1 ма, а при увеличении анод-
ного напряжения до 160 в анодный ток возрастает до 2,2 ма.
Штриховая кривая на рис. 5.26 изображает характеристику тока
сетки при некотором положительном сеточном напряжении.
Представляет интерес область характеристик при малых анод-
ных напряжениях (перенапряженный режим). В этом случае
электроны, пролетевшие сетку, в промежутке сетка — анод тор-
мозятся и в большинстве возвращаются на сетку. Той сетки по-
лучается большим, а между сеткой и анодом образуется второе
электронное облачко. Увеличение анодного напряжения рассасы-
вает это облачко. Электроны из него летят к аноду. Ток анода
резко возрастает, а ток сетки резко уменьшается.
§ 5.13. ПАРАМЕТРЫ ТРИОДА
Параметрами, характеризующими усилительные качества
лампы, являются: крутизна, внутреннее сопротивление и коэф-
фициент усиления.
Величина крутизны S показывает, на сколько миллиампер
изменяется анодный ток при изменении напряжения сетки на 1 в,
если анодное напряжение постоянно.
Крутизна характеризует управляющее действие сетки, т. е.
влияние потенциала сетки на анодный ток, и обычно выражается
в миллиамперах на вольт (ма!в). Она определяется формулой
S = - - — - при Ua = const
Д1/с
(символ «const» означает постоянство величины).
Если, например, при изменении напряжения сетки на 3 в
анодный ток изменился на 4,5 ма, а анодное напряжение было
неизменным, то крутизна
__ 4,5 ма _ j ма
Зе_________’ в
Это значит, что изменение напряжения сетки на 1 в вызывает
изменение анодного тока на 1,5 ма. Как видно, для определения
крутизны нужно разделить изменение анодного тока на соответ-
ствующее изменение напряжения сетки при постоянном анодном
напряжении. Чем больше крутизна, тем круче сеточная характе-
ристика. Следует заметить, что крутизна триода определяется
иначе и имеет другой смысл, нежели крутизна диода.
Крутизна зависит от конструкции лампы. Чем больше рабо-
чая поверхность. и эмиссия катода, чем ближе сетка к катоду,
тем больше S- При очень густой или очень редкой сетке S умень-
шается. У различных ламп S может быть от 1 до 30 ма/в и более.
195
Величина крутизны на прямолинейном участке характеристи-
ки наибольшая и почти постоянная, а на нижнем и верхнем из-
гибах она уменьшается. Параметры ламп, приводимые в спра-
вочниках, всегда относятся к прямолинейному участку харак-
теристик.
Крутизну можно определить из характеристики лампы. На
рис. 5.27 изображены характеристики лампы для анодных на-
пряжений 200 и 180 в. При Ua =180 в изменение Uc от 0 до
—2 в дает изменение 1а от 9,5 до 5,5 ма, т. е. на 4ма. Отсюда
находим
£ 4 ма __g ма
2в в
Для непрямолинейного участка характеристики найденная
таким способом крутизна является средней для данного участка.
Она довольно близка к исти.ч-
1а(на) ному значению крутизны в сред-
ней точке этого участка (если
только он не очень большой).
Чем выше крутизна, тем
лучше усиливает лампа, так как
при меньших переменных напря-
жениях сетки будут получаться
значительные колебания анодно-
го тока, а следовательно, и боль-
шие переменные напряжения на
анодном нагрузочном сопротив-
лении. Для получения хорошего
усиления обычно используют
прямолинейную часть характери-
стики, имеющую максимальную
крутизну.
Внутреннее сопротивление Rt
есть отношение изменения анодного напряжения к соответст-
вующему изменению анодного тока при постоянном напряжении
тетки
Rt = ^а- при (Jс = const.
Иначе, внутреннее сопротивление есть сопротивление лампы
между анодом и катодом для переменной составляющей анодно-
го тока. Оно характеризует влияние анодного напряжения на
анодный ток при условии постоянства сеточного напряжения.
Когда триод работает в усилителе или генераторе, то перемен-
ная составляющая анодного тока возникает внутри лампы под
действием переменного напряжения сетки на поток электронов.
Лампа играет роль генератора переменного тока и, как всякий
генератор, имеет определенное внутреннее сопротивление.
196
Рис. 5.27. Сеточные характери-
стики лампы
Если при постоянном напряжении сетки изменение анодного
напряжения на 20 в изменяет анодный ток на 4 ма, то Rt =
20
=------ =5000 ом. Если для другой лампы такое же изменение
0,004
анодного напряжения на 20 в изменяет анодный ток на 1 ма, то
Rt =20:0,001=20000 ом. Таким образом, если анодное напря-
жение меньше влияет на анодный ток, то Rt становится больше.
У триодов Rt бывает от 500 до 100 000 ом и зависит от конст-
рукции электродов. Чем меньше рабочая поверхность и эмиссия
катода, чем гуще и ближе к катоду сетка, а также чем дальше
анод от катода, тем больше Rt. В различных случаях желательна
различная величина Rt. Лампы для усиления колебаний высокой
частоты должны иметь высокое Rit чтобы меньше ухудшать ре-
зонансные свойства колебательного контура, включенного в анод-
ную цепь, а у ламп для мощных усилителей низкой частоты, на-
оборот, желательно небольшое Rt.
Рассмотрим, как можно определить Rt с помощью характери-
стик (рис. 5.27). При напряжении сетки Uc= —2 в изменение
анодного напряжения на 20 в (от 200 до 180 в) дает изменение
20
анодного тока на 2 ма. Отсюда находим Rt = ——— = 10 000ом=
0,002
= 10 ком.
В пределах прямолинейной части характеристик величина R
приблизительно постоянна и имеет наименьшее значение. На
нижнем и верхнем изгибах Rt увеличивается.
Не следует смешивать с внутренним сопротивлением лам-
пы постоянному току Ro, которое не является постоянным пара-
метром лампы даже на прямолинейном участке характеристики.
Величина Ro определяется по закону Ома делением анодного на-
пряжения Ua на анодный ток /о- Например, по характеристикам
рис. 5.27 находим, что для Uа =180 в при Uc = —3 в анодный
ток равен 4 лад и Ro= 180:0,004=45 000 ом, а для того же
анодного напряжения Ua =180 в, но при Uc=— 1 в анодный
ток равен 7,5 ма и поэтому 7?о= 180 : 0,0075=24 000 ом.
Коэффициент усиления лампы р показывает, во сколько раз
изменение напряжения сетки действует на анодный ток сильнее,
чем такое же изменение анодного напряжения. Например, если
для изменения анодного тока на 1 лад нужно изменить анодное
напряжение на 40 в, а напряжение сетки достаточно изменить
всего лишь на 2 в, то ясно, что сетка действует в 20 раз сильнее и,
значит, коэффициент усиления лампы равен 20.
Сетка действует на анодный ток сильнее, чем анод, главным
образом потому, что она задерживает большую часть электриче-
ского поля, созданного зарядом анода, и тем самым ослабляет
его действие. Анод притягивает электроны, вылетающие из като-
да, благодаря электрическому полю, которое образуется между
анодом и катодом. Сетка является препятствием (экраном) для
197
этого поля. Чем гуще сетка, тем большую часть электрического
поля анода она задерживает и тем слабее действие анода на
электроны. А электрические заряды сетки действуют на электро-
ны, вылетающие из катода, без ослабления, так как никаких пре-
пятствий для электрического поля между сеткой и катодом нет.
Силу электрического поля можно характеризовать числом
силовых линий. Если управляющая сетка задерживает 90%
электрических силовых линий, идущих от анода, а 10% их про-
пускает на катод, то можно сказать, что сетка ослабляет действие
анода в 10 раз. Анод действует в 10 раз слабее, чем сетка, и
коэффициент усиления лампы равен 10. Если сетка будет гуще
и задержит 95% силовых линий, а пропустит только 5% их, то
коэффициент усиления ц=20, так как анод действует в 20 раз
слабее на анодный ток, чем сетка. Итак, чем гуще сетка, тем
больше коэффициент усиления ц.
Коэффициент усиления характеризует усиление переменного
напряжения лампой. Пусть, например, лампа в усилителе имеет
|1=10. Предположим, что при подведении к сетке переменного
напряжения с амплитудой U тс =2 в в анодной цепи получается
переменная составляющая тока с амплитудой 1та=2 ма, т. е.
изменение напряжения сетки на 2 в изменяет анодный ток на
2 ма. Если генератор с переменной эдс 2 в включить непосредст-
венно в анодную цепь, то переменная составляющая анодного
тока будет иметь амплитуду в 10 раз меньше, т. е. 0,2 ма. Чтобы
получить в этом случае переменный анодный ток 1та =2 ма,
нужно включить в анодную цепь генератор с переменной эдс не
2 в, а 20 в. Но такой переменный анодный ток /та==2 ма полу-
чается, если на сетку подать переменное напряжение 2 в. Значит,
подача переменного напряжения на сетку создает в анодной цепи
такой переменный ток, как и от генератора с переменной эдс в
10 раз большей величины, включенного в анодную цепь. Из дан-
ного примера видно, что действие переменного напряжения с
амплитудой 2 в на сетке равноценно включению в анодную цепь
генератора с переменной эдс 2 • 10=20 в. Роль этого генератора
выполняет сама лампа.
Можно считать, что при подаче на сетку переменного напря-
жения U„и лампа действует в анодной цепи как генератор с пе-
ременной эдс, в раз большей, т. е. равной pUmc. Сама лампа,
работая как генератор переменного анодного тока, получает
энергию от анодного источника. Представление о лампе как о
генераторе переменной эдс было введено М. А. Бонч-Бруевичем,
а затем независимо от него немецким ученым Г. Баркгау-
зеном.
Итак, коэффициент усиления лампы показывает, во сколько
раз увеличивается переменное напряжение с помощью лампы.
Однако невозможно использовать полностью переменную эдс,
получающуюся в анодной цепи, из-за наличия внутреннего соп-
198
ротивления лампы. В анодную цепь для получения усиленного
напряжения включают нагрузочное сопротивление Ra, на кото-
ром падает часть переменной эдс, развиваемой лампой. Другая
часть эдс теряется на внутреннем сопротивлении Rt лампы. От-
ношение усиленного переменного напряжения Uтк, получающе-
гося на сопротивлении Ra, к переменному напряжению Uтс, по-
данному на сетку, есть коэффициент усиления ступени к, а отно-
шение переменной эдс, действующей в анодной цепи, к перемен-
ному напряжению сетки есть коэффициент усиления лампы р. Ко-
эффициент усиления лампы всегда больше, чем коэффициент уси-
ления ступени. Если бы лампа не имела внутреннего сопротивле-
ния, то вся переменная эдс действовала на нагрузочном сопро-
тивлении и коэффициент усиления ступени равнялся бы ц. Но
такой идеальный случай практически невозможен.
Поясним сказанное примером. Пусть лампа имеет параметры
ц=10, /?4=10 ком, а нагрузочное сопротивление Ra =40 ком.
Если подвести к сетке напряжение С/тс =2 в, то в анодной цепи
будет действовать эдс 2-10=20 в. Она распределится между
Rt и Ra пропорционально их величинам. Переменное напряжение
на Ra будет равно U тц =16 в, т. е. 80% всей эдс, так как 40 кол
составляет 80% сопротивления всей анодной цепи 50 ком. Коэф-
фициент усиления ступени равен к=16:2=8, т. е. меньше ц.
Чем больше Ra по сравнению с Rt, тем большая часть перемен-
ной эдс анодной цепи действует
на Ra и тем ближе к будет к ве-
личине ц.
Рассмотрим определение ко-
эффициента усиления из харак-
теристик. На рис. 5.28 даны ха-
рактеристики лампы для анод-
ных напряжений 175 и 200 в. Из
них видно, что при напряжении
сетки Uc =0 уменьшение анод-
ного напряжения на 25 в с 200 до
175 в вызывает уменьшение анод-
ного тока с 20 до 16 ма, т. е. на
4 ма. А если анодное напряжение
неизменно и равно 200 в, то та-
кое уменьшение анодного тока
на 4 ма можно получить, изменяя
напряжение сетки с 0 в до — 2,5 в, т. е. на 2,5 в. Изменение анод-
ного напряжения на 25 в дает такое же воздействие на анодный
ток, как изменение напряжения сетки на 2,5 в. Следовательно,
сетка действует в 10 раз сильнее, чем анод. Коэффициент усиле-
ния равен 10 и представляет собой отношение изменений анод-
ного напряжения и напряжения сетки, дающих одинаковые из-
менения анодного тока (ц=25:2,5=10).
Рис. 5.28. Сеточные характеристи-
ки лампы
199
Формула для определения р получается следующая
ЛЦ>
Д(7
где Ai/O и АС/е — равноценные по действию на анодный ток из-
менения анодного и сеточного напряжений.
У различных триодов в зависимости от их конструкции ве-
личина коэффициента усиления лежит в пределах от 4 до 100.
Иногда вместо ц пользуются обратной величиной —, которая
называется проницаемостью и обозначается буквой D. Она пока-
зывает, какая доля электрического поля, созданного анодным на-
пряжением, проникает сквозь сетку на катод. Если, например.
ц= 10; то D— ~. Это означает, что сквозь сетку проходит
электрического поля, созданного зарядом анода.
Между параметрами S, Rt и ц существует простая зависи-
мость, позволяющая найти один из этих параметров, если изве-
стны два других. Ее называют внутренним уравнением лампы
или формулой Баркгаузена. Она имеет следующий вид
Р = /?г5.
В этой формуле удобно крутизну характеристики выражать
в миллиамперах на вольт, a Rt — в килоомах. В справедливости
приведенной формулы легко убедиться, если подставить в нее
выражения параметров через величины At/a, At/C и A/a и со-
кратить правую часть на А/о.
Пример 1.
Найти р. лампы, имеющей Rt =20 ком и S=4 ма/в.
Решение. ц=20-4=80..
Пример 2.
Лампа имеет параметры р= 25 и S=2 ма/в. Найти Rt.
Решение. Из формулы ц=/?, S следует, что Ri =р; S=25; 2= 12,5 ком.
Параметры триода можно определить и из анодных характе-
ристик.
Лампы характеризуются еще некоторыми параметрами: ве-
личинами нормальных питающих напряжений, током эмиссии,
сроком службы, максимально допустимой мощностью потерь на
аноде, значениями междуэлектродных емкостей и другими дан-
ными.
§ 5.14. ДИНАМИЧЕСКИЙ РЕЖИМ РАБОТЫ ЛАМПЫ
Если в анодной цепи лампы имеется нагрузочное сопротивле-
ние, то режим лампы называется динамическим (режим с на-
грузкой) в отличие от статического режима (режим без нагруз-
ки) при отсутствии нагрузочного сопротивления. Рассмотренные
выше характеристики триода, а также его параметры S, Rt и р
200
относятся к статическому режиму. Их следует называть статиче-
скими, но для сокращения слово «статические» обычно отбра-
сывают. В радиоаппаратуре лампы большей частью работают в
динамическом режиме. Только в случае, если нагрузочное сопро-
тивление мало по сравнению с внутренним сопротивлением лам-
пы, можно приближенно считать режим статическим (например,
если в анодную цепь включен только миллиамперметр или ка-
кой-либо другой прибор с малым сопротивлением).
Работа лампы в динамическом режиме имеет ту особенность,
что при наличии переменного напряжения на сетке анодное на-
пряжение также изменяется. В статическом режиме анодное
напряжение Ua равно напряжению анодного источника Еа и ос-
тается постоянным при колебаниях сеточного напряжения, не-
смотря на изменения анодного тока. А в динамическом режиме
анодное напряжение меньше, чем напряжение анодного источ-
ника, так как часть последнего падает на нагрузочном сопротив-
лении
^а=Еа — laRa-
Если на сетку лампы подано переменное напряжение, анод-
ный ток пульсирует, меняется падение напряжения на нагрузоч-
ном сопротивлении, а следовательно, изменяется и напряжение
на аноде. При этом изменение анодного напряжения оказывается
в противофазе по сравнению с изменением сеточного напряже-
ния '. Пусть, например, сеточное напряжение увеличилось.
Анодный ток возрастет, и увеличится падение напряжения на
нагрузочном сопротивлении, а напряжение на аноде соответст-
венно уменьшится, т. е. изменится в обратную сторону по сравне-
нию с сеточным напряжением. Таким образом, изменение анод-
ного напряжения противодействует изменениям сеточного напря-
жения. Когда под действием сеточного напряжения происходит
увеличение анодного тока, то уменьшение анодного напряжения
создает некоторое уменьшение анодного тока и наоборот. Благо-
даря этому анодный ток в динамическом режиме изменяется
меньше, нежели в статическом режиме, когда нет противодейст-
вия со стороны анода, называемого реакцией анода. Крутизна
лампы в динамическом режиме меньше статической крутизны S.
Для изучения работы ламп в динамическом режиме пользу-
ются динамической характеристикой. Ее нетрудно построить,
если заданы семейство статических характеристик, напряжение
анодного источника Еа и сопротивление нагрузки Ra. На рис. 5.29а
показано построение сеточной динамической характеристики
некоторой лампы для случая, когда Еа =200 в и Ra =5000 ом.
Если Uc — —12 в, то лампа заперта и анодный ток равен ну-
1 Мы рассматриваем динамический режим только для чисто активного
нагрузочного сопротивления. Если оно имеет реактивные составляющие, то
появляются дополнительные фазовые сдвиги. Такой случай более сложен.
201
лю. Поэтому начало (точка А) динамической характеристики
совпадает с началом статической характеристики для Ua=
= 200 в. При уменьшении отрицательного напряжения сетки
лампа отпирается, появляется анодный ток, который создает па-
дение напряжения на Ra, и анодное напряжение уменьшается.
Для построения динамической характеристики поступаем сле-
дующим образом. При некотором анодном токе (/а=150 в, т. е.
Рис. 5.29, Построение сеточной (а) и анодной (б) динамических характерис-
тик триода
на Ra падает напряжение 200—150=50 в. В этом случае анод-
ный ток можно найти по закону Ома
/ = JL°.-Ua. = = 0,01 а = 10 ма.
а Ra 5000
Ему соответствует точка Б. Переход в эту точку осуществля-
ется изменением сеточного напряжения с —12 до —5 в.
Для Ua =100 в подобным же образом найдем точку В, кото-
100
рой соответствует ток /я — =0,02 а=20 ма. При Ua =
=50 в получаем точку Г, для которой имеем
/ = = 0,03 а = 30 ма.
“ 5000
Через все эти точки проходит сеточная динамическая харак-
теристика, которая показывает изменения анодного тока и анод-
ного напряжения в зависимости от сеточного напряжения, а так-
же разницу между статическим и динамическим режимами.
В статическом режиме Uа—Еа =200 в и поэтому изменение се-
точного напряжения с —12 до —5 в дает изменение анодного
тока на 25 ма (до точки Б'). А в динамическом режиме анодный
ток нарастает только на 10 ма (до точки Д), так как происходит
202
уменьшение анодного напряжения на 50 в. Как видно, крутизна
динамической характеристики значительно меньше, чем стати-
ческой характеристики. Чем больше сопротивление Ra, тем силь-
нее изменение анодного напряжения и тем меньше изменение
анодного тока, т. е. динамическая крутизна становится меньше и
сама динамическая характеристика проходит ниже.
Изучая работу тех или иных ламп в динамическом режиме,
мы будем пользоваться динамической характеристикой, изобра-
жая ее без семейства статических характеристик.
Динамическая характеристика может быть построена и в се-
мействе анодных статических характеристик. Это построение
оказывается более простым, так как анодная динамическая ха-
рактеристика является прямой линией.
Чтобы можно было сделать сравнение, на рис. 5.29 б изобра-
жены анодные характеристики той же лампы, для которой были
показаны на рис. 5.29 а сеточные характеристики, и взяты преж-
ние величины Еа =200 в и Ra =5 ком.
Построение делается с помощью уравнения Ua = Еа—1 aRa.
Это уравнение первой степени относительно Ua и 1а-, в системе
координат la, Ua оно изображается прямой линией, которая и
является анодной динамической характеристикой (ее также на-
зывают линией нагрузки). Такую характеристику удобно строить
по точке ее пересечения с осями координат. Если в приведенном
выше уравнении принять 1а =0, то получим Ua =Еа (точка А).
В этом случае лампа заперта значительным отрицательным на-
пряжением на сетке. Точка А соответствует начальной точке .4
сеточной динамической характеристики (рис. 5.29 а). Вторая точ-
ка определяется, если принять U =0. Тогда, решая уравнение от-
Е 200
носительно /с, найдем Iа =—s~. В нашем случае 1а = —=40 ма.
Ra 5
Отложив эту величину на оси ординат, получим точку М. Пря-
мая линия, проведенная через точки А и М, и есть анодная ди-
намическая характеристика.
В отличие от точки А, соответствующей реальному запира-
нию лампы, точка М не соответствует какому-либо действитель-
ному режиму, так как при (/с = 0 анодный ток не может иметь
наибольшее значение, а равен нулю. Таким образом, точка М
нужна лишь для построения динамической характеристики.
И она, и участок линии AM около этой точки не соответствуют
действительной динамической характеристике (точка М соот-
ветствует случаю, когда анод и катод лампы замкнуты нако-
ротко) .
Анодная динамическая характеристика наглядно показыва-
ет, что при изменении сеточного напряжения в положительную
сторону анодный ток растет, но вместе с тем уменьшается анод-
ное напряжение, так как возрастает падение напряжения на со-
противлении нагрузки. Имея анодную динамическую характе-
203
ристику, можно найти анодный ток, анодное напряжение и па-1
дение напряжения на нагрузочном сопротивлении Ur при любом :
напряжении на сетке. Например, если Uc — —4 в (точка Д), то]
получаем 1а =12 ма, Ua =140 в и Ur =60 в. При токе 1а =
= 12 ма действительно Ur = IaRa = 12 • 5 = 60 в и Ua = Еа —
~UR =200—60 =140 в.
В статическом режиме, когда сопротивление нагрузки Ra от-
сутствует, напряжение на аноде равно 200 в и при Uc = —4 в
ток равен 30 ма. Уменьшение тока в динамическом режиме до
12 ма вызвано понижением анодного напряжения с 200 в до
140 в.
Чем больше R а, тем меньше ток в лампе при прочих равных
условиях и тем ниже проходит динамическая характеристика ,
(точка М расположена ниже). Однако точка А остается на ме-:
сте, так как она определяется только напряжением источника Еа.
Вследствие того, что анодная динамическая характеристика
строится просто и позволяет удобно определять величины Ua и
Ur , ее используют для различных расчетов с электронными
лампами.
§ 5.15. ПРИЕМНО-УСИЛИТЕЛЬНЫЕ ТРИОДЫ
Почти все принципы устройства и конструктивные особенно-
сти диодов относятся и к приемно-усилительным триодам. Спе-
циальные триоды для сверхвысоких частот описаны в § 5.36, а
генераторные триоды — в гл. 10.
Рис. 5.30. Конструкции сеток из тонких проволок
Катоды прямого или косвенного накала у приемно-усили-
тельных триодов делаются исключительно оксидными. Проволо-
ки сеток приваривают или завальцовывают к траверсам. В лам-
пах с высокой крутизной для получения малого расстояния сет-
ка— катод тонкую вольфрамовую проволоку навивают на спе-
циальные рамки (рис. 5.30). Аноды изготовляются из никеля или
никелированной стали. Сборка электродов производится с по-
204
низком частоты и де-
мощью слюдяных или керамических пластин-изоляторов. Осо-
бое внимание уделяется точности сборки и прочности крепления
электродов. Но все же существует заметный разброс парамет-
ров лампы. Он объясняется неоднородностью деталей, их слу-
чайными деформациями при сборке, неточностями сборки, не-
одинаковостью эмиссии катодов у различных экземпляров ламп.
Наибольшее распространение получили приемно-усилитель-
ные триоды, используемые для усиления
тектирования. Некоторые из них приме-
няются также в генераторах и усилителях
высокой и сверхвысокой частот. В обоз-
начениях приемно-усилительных триодов
по ГОСТ 5461—59 вторым элементом для
одинарных триодов является буква С, а
для двойных триодов — Н. При неболь-
шой мощности применяются триоды
6С2С, 6С5С и 6С8С, пальчиковые триоды
6С1П, 6С2П, миниатюрные 6СЗБ, 6С6Б,
6С7Б, триод типа «желудь» 6С1Ж и мно-
гие другие. Лампы 6С2П, 6С6Б и 6С1Ж
предназначены для работы на сверхвы-
соких частотах (в диапазоне метровых
волн и на более «длинных» дециметро-
вых волнах).
Для небольшой мощности выпуска-
ются двойные триоды 6Н8С, 6Н9С, паль-
чиковые 6Н1П, 6Н2П, 6НЗП, 6Н4П,
6Н5П, 6Н15П и ряд других. Все они, за
исключением 6Н15П, имеют отдельные
выводы от катодов и применяются глав-
ным образом на низких частотах. Лампы
6НЗП, 6Н5П и 6Н15П используются и на
высоких частотах. Все перечисленные вы-
ше триоды имеют катод косвенного нака-
ла и крутизну порядка нескольких мил-
лиампер на вольт; у 6С2П она достигает
12 ма!в. Коэффициент усиления у этих
ламп порядка десятков и имеет наиболь-
шее значение у 6Н2П (97) и 6Н9С (70).
Более мощными являются триод с ка-
тодом прямого накала 6С4С, имеющий
левые характеристики (р.~4) и максимально допустимую мощ-
ность потерь на аноде 15 вт, а также двойные триоды 1НЗС,
6Н7С и ряд других. Пример конструкции мощного триода с ка-
тодом прямого накала дан на рис. 5.31.
В последнее время разработаны многие новые типы триодов.
Для работы на метровых волнах выпущены триоды с катодами
205
Рис. 5.31. Мощный уси-
лительный триод с като-
дом прямого иакала
прямого накала 1С12П и 2С14Б. К новым типам триодов с като-
дами косвенного накала относятся триоды 6СЗП, 6С4П,
6С6Б, 6С7Б, двойные триоды 6Н6П, 6Н14П, 6Н16Б, 6Н17Б и
многие другие.
В течение ряда лет проводились работы по увеличению кру-
тизны ламп, от которой зависят усилительная способность лам-
пы и возможность усиления с малыми искажениями различных
электрических импульсов, применяемых в телевидении, радио-
локации, автоматике для других целей. Одним из методов по-
вышения крутизны является уменьшение расстояния сетка — ка-
тод (dCK ). Крутизна триода обратно пропорциональна квадрату
расстояния dCK. Объясняется это тем, что электронное облачко,
окружающее катод, имеет очень малую толщину. Чтобы эффек-
тивно управлять электронным потоком, надо сетку максимально
приблизить к электронному облачку. Тогда будет достигнута вы-
сокая крутизна. Улучшение технологии производства позволи-
ло создать лампы, в которых dCK доведено до десятков микрон.
При этом сетку делают довольно густой с диаметром проводов
порядка 7—10 мк. К подобным лампам с повышенной крутизной
относятся триоды 6СЗП и 6С4П с крутизной около 20 ма/в и
6С15П с крутизной 45 ма/в.
§ 5.16. НЕДОСТАТКИ ТРИОДА
Триоды имеют недостаточный коэффициент усиления, так
как значительная часть электрического поля анода все же про-
никает через просветы сетки. Если сделать очень густую сетку,
то лампа будет запираться при малом отрицательном сеточном
напряжении и почти вся ее характеристика будет располагаться
в области положительных значений напряжения сетки, при ко-
торых сеточный ток чрезмерно велик, что нежелательно. Триод
с высоким р, всегда имеет «правую» характеристику. Практиче-
ски триоды могут иметь наибольшую величину р, до 100.
Второй недостаток триода — значительная емкость между
анодом и сеткой. Между любыми электродами лампы имеются
емкости. Их величина составляет всего лишь несколько пикофа-
рад, но они оказывают существенное влияние на работу лампы.
Емкость анод — сетка Сйс, называемая проходной, особенно
вредно влияет в ступени усиления высокой частоты (рис. 5.32).
Она создает между анодной и сеточной цепями емкостную об-
ратную связь, которая вредна для усилителя. Ее называют па-
разитной обратной связью. Она может превратить усилитель в
генератор с самовозбуждением. Если в усилителе возникает ге-
нерация собственных колебаний («паразитная генерация»), то
правильная работа усилителя нарушается. Кроме того, генери-
рующий усилитель высокой частоты приемника излучает через
антенну мешающие другим приемникам волны.
206
Таким образом, триод не пригоден для усиления высокой ча-
стоты в приемниках. В ступенях усиления низкой частоты ем-
кость Сас почти не оказывает вредного влияния, так как ее со-
противление при низкой частоте велико и обратная связь полу-
чается слабая.
Следует отметить, что триод имеет еще две междуэлектрод-
ные емкости, которые иногда оказывают вредное влияние. Ем-
кость между сеткой и катодом Сск, называемая входной, беспо-
лезно нагружает источник усиливаемого переменного напряже-
ния, подключенный к сетке. На низких частотах сопротивление
if V
ж +£а
Рис. 5.32. Емкость анод—сетка в ступени уси-
ления высокой частоты
входной емкости очень велико и она практически не влияет. Но
с повышением частоты ее сопротивление уменьшается и возрас-
тает протекающий через нее емкостный ток. Он создает потерю
напряжения на внутреннем сопротивлении источника усиливае-
мого напряжения, и тогда полезное переменное напряжение на
сетке уменьшается. Чем выше частота и чем больше внутреннее
сопротивление источника, тем сильнее сказывается это явление.
Выходная емкость между анодом и катодом Сак шунтирует
анодное нагрузочное сопротивление. Результирующее сопротив-
ление уменьшается и усиление снижается. Это влияние мало за-
метно на низких частотах, но становится сильнее с повышением
частоты, когда сопротивление емкости Сак уменьшается.
Вредное влияние емкостей Сск и Сак отсутствует, если в се-
точной и анодной цепях включены резонансные контуры. Напри-
мер, в усилителях высокой частоты и генераторах (рис. 5.21 а и
5.22) емкости Сск и Са,^, только увеличивают емкости контуров.
Все сказанное об емкостях Сск и СаК остается в силе и для бо-
лее сложных ламп.
§ 5.17. УСТРОЙСТВО И РАБОТА ТЕТРОДА
Недостатки триода значительно уменьшаются введением в
лампу второй сетки, расположенной между анодом и управля-
ющей сеткой и называемой экранирующей сеткой. Такая четы-
рехэлектродная лампа называется тетродом.
207
Экранирующая сетка вместе с управляющей экранирует ка-
тод от электрического поля анода, в результате чего значитель-
но возрастает коэффициент усиления р,, а паразитная емкость
анод — управляющая сетка становится весьма малой.
Поясним это примером. Пусть коэффициент усиления триода
равен 20, а Сас =10 пф. Введем экранирующую сетку, которая
пропускает только 1/50 долю электрического поля, созданного
анодом. Число силовых линий, доходящих до управляющей сет-
ки, станет в 50 раз меньше. Управляющая сетка пропустит толь-
ко '/го часть силовых линий и до катода дойдет лишь 1/20 от 1/50,
т. е. 1/1000 часть силовых линий. Действие анода ослабляется в
1000 раз и, следовательно, коэффициент усиления лампы равен
1000. Таким образом коэффициент усиления увеличился в 50
раз, а емкость анод — управляющая сетка уменьшилась в 50
раз и будет составлять всего лишь 0,2 пф. Чтобы получить в
триоде ц=1000, нужна густая сетка, которая пропускала бы
только 1/1000 силовых линий. Но она почти не будет пропускать
анодный ток. А в тетроде обе сетки не являются чрезмерно густы-
ми, и электроны пролетают через них сравнительно свободно.
Обычно экранирующая сетка делается гуще управляющей.
Рис 5.33. Конструкция электродов и схематическое
изображение тетрода
Некоторые силовые линии могут проходить от анода к управ-
ляющей сетке не через экранирующую сетку, а обходным путем,
и в результате паразитная емкость анод — управляющая сетка
не получается достаточно малой. Поэтому в тетроде делаются
208
еще металлические экраны, преграждающие силовым линиям
обходный путь. На рис. 5.33 показаны конструкция электродов
(анод для наглядности разрезан) и схематическое изображение
тетрода.
Вредная емкость создается также между выводами анода и
управляющей сетки, проводами анодной и сеточной цепей. Для
ее уменьшения выводы анода и управляющей сетки в тетродах,
предназначенных для усиления высокой частоты, разносят воз-
можно дальше, друг от друга. Провод управляющей сетки за-
ключают в экранирующую оболочку и ставят экраны, разделя-
ющие детали анодной и сеточной цепей. Стеклянные лампы
иногда помещают в металлический экранирующий чехол. Экра-
ны соединяются с металлическим корпусом приемника.
§ 5.18. ВКЛЮЧЕНИЕ ТЕТРОДА
Экранирующую сетку нельзя соединить с катодом, так как
на промежутке катод — экранирующая сетка внутри лампы не
будет разности потенциалов, необходимой для движения элект-
ронов к аноду. Сам анод слабо притягивает электроны, посколь-
ку его поле действует через две сетки. В результате анодный ток
будет очень мал. Чтобы этого не произошло, на экранирующую
сетку подают положительное напряжение U с2 , составляющее
от 20 до 50% анодного напряжения. По цепи экранирующей сет-
ки течет ток /е2> образуемый электронами, притянутыми к этой
сетке.
На экранирующую сетку можно подать напряжение от части
анодной батареи (рис. 5.34а). Более распространена подача на-
пряжения на экранирующую сетку через понижающее сопротив-
ление /?е2 (рис. 5.34 б) в несколько десятков тысяч или сотен ты-
сяч ом (для маломощных тетродов). Ток экранирующей сетки
на этом сопротивлении создает падение напряжения, кото-
рое вычитается из напряжения анодной батареи Еа :
Uca — Еа I с2 R&.
Если известен ток /сЯ , соответствующий данному режиму
лампы (его можно определить из характеристик), то понижаю-
щее сопротивление Ra определяют по формуле
г> __ Еа — Uc%
Кд — 7 •
'еа
Например, если Еа = 160 в, Uс2 — 60 в и — 0,5 ма, то
г, 160 — 60 100 пололо
Rm —----------------= 200 000 ом.
0,0005 0,0005
Третий способ питания экранирующей сетки — через дели-
тель напряжения — применяется довольно часто (рис. 5.34 в).
14—2607 209
В этом случае анодная батарея замкнута на делитель, состоя-
щий из двух сопротивлений Ri и R2- Через эти сопротивления,
имеющие величину нескольких десятков тысяч или сотен тысяч
ом, проходит ток делителя 1д. Напряжение, создаваемое этим
током на сопротивлении подается на экранирующую сетку.
На питание делителя бесполезно расходуется энергия анод-
ной батареи (ток Ig ). Поэтому в батарейных приемниках дели-
тели напряжения применяются редко. Однако при питании че-
рез понижающее сопротивление изменения величины тока /<%
вызываемые, например, изменениями напряжений накала или
Рис. 5.34. Способы подачи напряжения на экранирующую
сетку тетрода
анода, создают резкие изменения величины U # . При делителе
такие изменения значительно меньше. Это объясняется тем, что
распределение напряжений на сопротивлениях делителя R\ и
/?2 зависит не только от тока экранирующей сетки /и, но и от
тока делителя Ig , который почти не зависит от режима работы
лампы. Чем больше ток [д по сравнению с током /с2, тем ста-
бильнее напряжение 1/с2, но зато больше бесполезный расход
энергии на нагрев делителя. Обычно ток 1д составляет несколь-
ко миллиампер.
210
Расчет сопротивлений и R% можно сделать по закону Ома,
если известны величины Еа, Uc2, 1д и
= и R2 =
‘д
Ед ^С2
1д +
Пример. Требуется рассчитать делитель для подачи напряжения на экра-
нирующую сетку UC2 ==40 в от анодной батареи с напряжением Еа =120 в,
если ток экранирующей сетки I съ =1 ма, а ток делителя /<? =3 ма.
40 „ 120—40 80
Решение. /?1= ~ — 13,3 ком-, R2 = —— = ~т~ = 20 ком.
О О “J- 1 Д
Чтобы экранирующая сетка устраняла паразитную емкость
между анодом и управляющей сеткой, ее необходимо соединить
с катодом через конденсатор достаточно большой емкости. Он
Рис. 5.35. Паразитная обратная связь при отсутствии конденса-
тора в цели экранирующей сетки
должен представлять малое сопротивление, т. е. практически
быть коротким замыканием, для переменного тока. Для токов
высокой частоты он обычно имеет емкость в тысячи или десятки
тысяч пикофарад. Этот конденсатор Сс2 показан на всех
схемах включения тетрода (рис. 5.34). Если его нет, то перемен-
ный ток сможет проходить из анодной цепи в цепь управляющей
сетки через две последовательно включенные междуэлектрод-
ные емкости анод — экранирующая сетка Сас2 и экранирующая
сетка — управляющая сетка (рис. 5.35). Паразитная обрат-
ная связь между анодной и сеточной цепями не будет устранена.
При наличии конденсатора Сс.2 переменный ток высокой час-
тоты от анодного колебательного контура пройдет через емкость
анод — экранирующая сетка Сас2 , затем через конденсатор С ct,
имеющий малое сопротивление, и через конденсатор С вернется
в контур L2C2, т. е. не попадет в цепь управляющей сетки.
14* 211
Конденсатор Cct выполняет еще одну роль. При работе тет-
рода в усилителе ток экранирующей сетки пульсирует так же,
как и анодный ток. Если переменная составляющая тока экра-
нирующей сетки проходит через то падение напряжения на
нем пульсирует, а следовательно, непостоянно и напряжение эк-
ранирующей сетки. Конденсатор Сс2, отводит переменную со-
ставляющую тока экранирующей сетки на катод мимо Ra и
благодаря этому напряжение U# становится постоянным.
§ 5.19. СЕТОЧНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
И ПАРАМЕТРЫ ТЕТРОДА
На рис. 5.36 показаны сеточные характеристики тетрода для
различных анодных напряжений и напряжений экранирующей
сетки. Каждая пара характеристик анодного тока, расположен-
ных близко одна к другой, соответствует определенному напря-
жению экранирующей сетки. Изменение анодного напряжения с
Рис. 5.36. Сеточные характеристики тетрода
(или пентода)
200 до 150 в, т. е. на 50 в, сдвигает характеристику незначитель-
но, вследствие того, что из-за экранирующего действия двух се-
ток анод действует на анодный ток слабо. Зато изменение на-
пряжения Uc2 на 30 в (со 100 до 70 в) дает резкий сдвиг харак-
теристик, так как действие экранирующей сетки ослабляется
только одной сравнительно негустой управляющей сеткой.
Штриховыми линиями показаны характеристики тока экра-
нирующей сетки при UС2 =70 в и анодных напряжениях 150 и
200 в. Как видно, при меньшем анодном напряжении ток экра-
нирующей сетки возрастает, так как экранирующая сетка при-
212
тягивает к себе больше электронов. Характеристики анодного
тока и тока экранирующей сетки начинаются в одном месте, т. е.
лампа запирается сразу по обоим токам. Действительно, если
лампа заперта, то нет ни анодного тока, ни тока экранирующей
сетки. Если же некоторое количество электронов пролетает
сквозь управляющую сетку, то часть их попадает на экраниру-
ющую сетку, а остальная часть притягивается к аноду.
Несмотря на большой коэффициент усиления, характеристи-
ки тетрода «левые» так как положительное напряжение экра-
нирующей сетки действует сквозь сравнительно редкую управ-
ляющую сетку и для запирания лампы необходимо подать на
эту сетку значительный отрицательный потенциал.
Сеточные характеристики тетрода для различных анодных
напряжений идут расходящимся пучком. Это объясняется сле-
дующим образом. Изменение анодного напряжения мало сказы-
вается на суммарном (катодном) токе, так как анод действует
через две сетки. Зато при этом происходит перераспределение
электронного потока. Например, при увеличении Ua ток экрани-
рующей сетки уменьшается, а анодный ток возрастает. Предпо-
ложим, что повышение Uа со 150 до 200 в дает увеличение анод-
ного тока на 10%. Тогда при анодном токе в 1 ма это увеличе-
ние составит 0,1 ма, а при токе в 10 ма оно равно 1 ма. Ток эк-
ранирующей сетки почти настолько же уменьшается. Таким об-
разом, при возрастании анодного тока расхождение между ха-
рактеристиками увеличивается. Вследствие того, что характери-
стики для различных анодных напряжений идут близко друг
от друга, динамические характеристики мало отличаются от
статических и имеют крутизну лишь немного меньше статиче-
ской.
У тетродов крутизна находится в тех же пределах, что у
триодов (1-т-30 ма!в). Зато коэффициент усиления р имеет ве-
личину до нескольких сотен. Внутреннее сопротивление также
больше, чем у триодов, и доходит до сотен тысяч ом. Характе-
ристики у тетродов более криволинейны, чем у триодов. Поэто-
му параметры у тетрода менее постоянны, нежели у триода.
§ 5.20. ДИ НАТРОННЫЙ ЭФФЕКТ В ТЕТРОДЕ
Недостатком тетрода является возникновение тока вторичной
эмиссии. Электроны, ударяя в анод, выбивают из него вторич-
ные электроны. Каждый первичный электрон может выбить да-
же несколько вторичных электронов. Такая вторичная эмиссия
наблюдается во всех лампах, но в диоде и триоде оиа незамет-
на, так как вторичные электроны имеют небольшую скорость и,
отлетев недалеко от анода, возвращаются обратно.
' В тетроде вторичная эмиссия также не проявляет себя, если
напряжение экранирующей сетки меньше, чем напряжение
213
анода, так как при этом все вторичные электроны возвращают-
ся на анод. Если же тетрод работает при больших амплитудах
колебаний, то напряжение анода сильно меняется. Увеличение
напряжения на сопротивлении анодной нагрузки (при возраста-
нии анодного тока) вызывает уменьшение анодного напряже-
ния и наоборот. В некоторые моменты напряжение анода ста-
новится меньше, чем постоянное-напряжение экранирующей
сетки^и тотда вторичные электроны, вылетев с анода, не воз-
вращаются на него, а притягиваются к экранирующей сетке.
Возникает ток вторичных элек-
Рис. 5.37. Анодные характеристики
тетрода
тронов, имеющий направление,
обратное направлению анодно-
го тока, образованного движе-
нием первичных электронов.
Общий анодный ток при этом
уменьшается. Это явление на-
зывают динатронным эффек-
том. Не следует смешивать его
с явлением вторичной эмиссии.
Наличие вторичной эмиссии
необходимо для возникновения
динатронного эффекта, но этот
эффект возникает только тогда,
когда напряжение на аноде
меньше, чем на экранирующей
сетке.
Динатронный эффект наглядно доказывает анодная харак-
теристика тетрода (рис. 5.37). При увеличении анодного напря-
жения анодный ток сначала возрастает, так как при малой ско-
рости первичные электроны не выбивают вторичных электронов.
Затем появляется вторичная эмиссия, и анодный ток уменьша-
ется. При дальнейшем увеличении анодного напряжения ток
вторичной эмиссии уменьшается, а анодный ток снова возрас-
тает. Когда анодное напряжение станет больше напряжения эк-
ранирующей сетки, вторичная эмиссия не прекращается, но она
уже не обнаруживается, так как вторичные электроны, выбитые
с анода, теперь все возвращаются на анод. В этом случае на-
блюдается попадание на анод вторичных электронов, выбитых
с экранирующей сетки, за счет которых анодный ток дополни-
тельно возрастает, а ток экранной сетки несколько уменьшается.
Характеристика анодного тока имеет «провал» и «падаю-
щий» участок, в пределах которого анодный ток при увеличе-
нии анодного напряжения не увеличивается, а уменьшается.
Изменение тока экранирующей сетки имеет обратный харак-
тер. Уменьшению анодного тока соответствует увеличение тока
и наоборот. Штриховыми линиями на рис. 5.37 показаны
характеристики при отсутствии вторичной эмиссии и характе-
214
ристика суммарного (катодного} тока. При увеличении анодно-
го напряжения он возрастает незначительно вследствие малого
влияния анода.
Динатронный эффект нарушает правильную работу лампы.
Он препятствует усилению колебаний с большими амплитуда-
ми. Чтобы динатронный эффект не мог возникнуть, напряжение
экранирующей сетки в тетродах должно быть значительно
меньше анодного напряжения. Это необходимо и для того, что-
бы бесполезный ток экранирующей сетки не был чрезмерно ве-
лик.
§ 5.21. УСТРОЙСТВО И РАБОТА ПЕНТОДА
Для устранения динатронного эффекта в тетрод была вве-
дена сетка, расположенная между анодом и экранирующей сет-
кой и называемая защитной. Иногда ее называют противодина-
тронной, а также антидинатронной или пентодной, или просто
третьей. Лампы с тремя сетками называются пентодами.
Рис. 5.38, Схематические изображения пентода и его анодные
характеристики
Защитная сетка соединяется с катодом и имеет нулевой по-
тенциал; относительно анота потенциал ее отрицателен, Благо-
даря~этому она отталкивает вторичннг =м^-ктр<-(иы и при,,ятгтму, •
ет их движению к экранирующей сетке, даже если напряжение
этоилоследней и выше, чем ня аядде Возможность возникно-
вения динатронного эффекта полностью уничтожается.
Хотя защитная сетка делается довольно редкой, но она до-
полнительно ослабляет действие анода. Во многих пентодах сое-
динение защитной сетки с катодом сделано внутри лампы и от-
дельного вывода от этой сетки нет. Если же вывод есть, то он
соединяется с катодом при монтаже схемы (рис. 5.38).
21.)
Пентоды отличаются от тетродов еще более высоким коэффи-
циентом усиления ц, доходящим у некоторых ламп до нескольких
тысяч. Это объясняется тем, что защитная сетка представляет со-
бой дополнительное препятствие для электрического поля анода.
Следовательно, у пентода действие анода еще слабее, чем у тет-
рода.
Благодаря дополнительному экранированию, которое созда-
ет защитная сетка, паразитная емкость С ас1 в пентоде также
меньше, чем в тетроде. Крутизна у пентодов такого же поряд-
ка, как у триодов и тетродов. Внутреннее сопротивление Rt у
пентодов доходит до сотен тысяч и даже миллионов ом.
В пентодах для высоких частот экранирующую сетку делают
более густой. Вследствие этого они имеют коэффициент усиле-
ния до нескольких тысяч, внутреннее сопротивление до несколь-
ких мегом и малую емкость анод — сетка. Пентоды для низких
частот имеют не такую густую экранирующую сетку'. Коэффи-
циент усиления и внутреннее сопротивление у них меньше и
емкость анод — сетка не снижается так значительно.
Сеточные характеристики пентода имеют такой же вид, как
у тетрода (рис. 5.36), причем для различных анодных напряже-
ний они идут еще ближе друг к другу, так как анод действует
еще слабее, чем в тетроде.
На рис. 5.38 показаны анодные характеристики пентода для
различных напряжений управляющей сетки при постоянном на-
пряжении Экранирующей сетки. Сначала характеристики идут
круто вверх, т. е. получается резкое возрастание анодного тока
при небольших изменениях анодного напряжения.
Объясняется это следующим. При нулевом анодном напря-
жении электроны под действием положительного потенциала
экранирующей сетки пролетают в ее просветы, затем их движе-
ние замедляется, они останавливаются и возвращаются на эк-
ранирующую сетку. Между экранирующей сеткой и защитной
образуется скопление электронов — второе электронное об-
лачко.
Анод действует на электроны этого облачка через редкую за-
щитную сетку; поэтому незначительное увеличение анодного на-
пряжения дает быстрый рост анодного тока. По мере увеличе-
ния Uа это облачко рассасывается и рост анодного тока замед-
ляется. Если еще увеличить Ua , то все электроны, пролетевшие
сквозь экранирующую сетку, притянутся к аноду, и электронное
облачко исчезнет. При дальнейшем повышении анодного напря-
жения рост анодного тока идет главным образом за счет увели-
чения числа электронов, притягиваемых анодом из электронного
облачка, находящегося около катода. Но анод действует через
три сетки и действие его ослабляется в сотни и даже тысячи
раз. Вследствие этого значительное увеличение напряжения
анода вызывает весьма малое изменение анодного тока. Харак-
216
теристики становятся пологими, почти горизонтальными. Имен-
но эти участки характеристики используются для работы, так как
на них пентод имеет высокий коэффициент усиления и большое
внутреннее сопротивление, а в начальных круто восходящих
участках характеристик коэффициент усиления, крутизна и
внутреннее сопротивление имеют небольшие значения (как в
триодах).
Чем больше отрицательное напряжение на управляющей сет-
ке, тем меньше анодный ток и тем ниже проходят характери-
стики. Кроме того, они идут более полого и ближе друг к другу.
Это соответствует увеличению внутреннего сопротивления и
уменьшению крутизны. На рис. 5.38 штрихом показана характе-
ристика тока экранной сетки при одном значении напряжения
управляющей сетки. Характеристики показывают отсутствие ди-
натронного эффекта у пентода.
Пологий участок характеристики анодного тока пентода или
тетрода не следует смешивать с насыщением. Увеличением
анодного напряжения ток насыщения в этих лампах вообще не-
возможно получить из-за большого ослабления действия анода
всеми сетками. Режим насыщения может быть достигнут толь-
ко при значительном положительном напряжении управляющей
сетки.
Показанное семейство анодных характеристик соответствует
определенному напряжению экранирующей сетки. При его уве-
личении токи анода и экранирующей сетки возрастают и их ха-
рактеристики располагаются выше. Однако, если напряжение
экранирующей сетки станет значительно выше анодного, то
произойдет перераспределение токов. Резко увеличится ток эк-
ранирующей сетки, а ток анода уменьшится.
Определение параметров пентода по характеристикам име-
ет некоторые особенности. Сеточные характеристики располо-
жены так близко друг к другу, что по ним можно найти только
крутизну. Поэтому параметры находят по анодным характери-
стикам. Для примера на рис. 5.38 показано определение пара-
метров для точки А, соответствующей Ua =160 в и Uс1 = —2 в.
Крутизну следует вычислять, определяя приращения анодного
тока и сеточного напряжения между точками Б и В. В данном
случае А1а ~8 ма и Af7 с1 =4 в. Следовательно, S~8:4=
=2 ма)в. Внутреннее сопротивление определяется по прираще-
ниям анодного напряжения и анодного тока между точками Г и
Д. Они равны AUa =160 в и Д/а = 1 ма и тогда Rt =160: 1 =
= 160 ком. Коэффициент усиления вычисляется по формуле
H=SR, =2-160=320.
Включение пентода в усилитель принципиально не отличает-
ся от включения тетрода. Защитная сетка соединена с катодом
внутри лампы или снаружи ее. Способы питания экранирую-
щей сетки такие же, как у тетрода. Напряжение экранирующей
217
сетки пентода в маломощных усилителях устанавливается по-
рядка 20—50% анодного напряжения, так как при усилении
слабых колебаний не требуется значительного анодного тока.
При усилении мощных колебаний анодный ток должен быть
большим, и поэтому напряжение экранирующей сетки мощных
пентодов берут до 100% анодного напряжения и даже более.
Пентоды для генераторов работают при напряжении экраниру-
ющей сетки от 20 до 80% анодного напряжения. Когда напря-
жение экранирующей сетки должно быть равно анодному на-
пряжению, эту сетку соединяют с плюсом анодного источника
(без понижающего сопротивления или делителя). Конденсатор
Сс2 в усилителях низкой частоты должен иметь емкость поряд-
ка десятых долей микрофарады и более, чтобы его сопротивле-
ние для токов низкой частоты было малым. Все, что было ска-
зано об экранировании тетрода, полностью относится и к пен-
тоду, работающему в усилителе высокой частоты. В пентодах,
работающих в генераторах, часто дают на защитную сетку не-
большое положительное или отрицательное напряжение. При
этом защитная сетка выполняет свою основную роль по-прежне-
му, так как напряжение на ней значительно ниже, чем на аноде.
Положительное напряжение на защитной сетке позволяет уве-
личить полезную мощность. Отрицательное напряжение на за-
щитную сетку подается в случае, если эта сетка используется
для модуляции колебаний высокой частоты, создаваемых гене-
ратором, в котором работает данный пентод.
Иногда пентод используют в качестве триода. В этом случае
экранирующую сетку соединяют с анодом, и тогда эти два элек-
трода работают как один анод. Если защитная сетка имеет
вывод, то и ее соединяют с анодом. При триодном включении
пентода внутреннее сопротивление и коэффициент усиления зна-
чительно уменьшаются, а крутизна остается примерно прежней.
Пентоды являются наиболее универсальными и распростра-
ненными лампами.
§ 5.22. ЛУЧЕВОЙ ТЕТРОД
Помимо пентодов, получили распространение лучевые тетро-
ды, в которых динатронный эффект также устранен.
В лучевом тетроде увеличено расстояние между экранирую-
щей сеткой и анодом, а управляющая и экранирующая сетки
имеют одинаковое число витков, причем их витки находятся
друг против друга (рис. 5.39 а). Благодаря этому электроны ле-
тят к аноду лучами, как показано на рис. 5.39. Чтобы они не
летели в направлении траверс сеток, имеются специальные эк-
раны Э\ и Э2 (рис. 5.39 б). Они соединены с катодом (имеют ну-
левой потенциал) и поэтому электроны двигаются только по на-
218
правлениям, указанным на рисунках1. На схемах лучевые те-
троды часто изображают в виде обычных тетродов.
Если в лучевом тетроде напряжение экранирующей сетки
больше напряжения анода, то в промежутке анод —экраниру-
ющая сетка первичные электроны тормозятся и в некотором ме-
сте образуется скопление этих электронов, т. е. отрицательный
объемный заряд, который отталкивает вылетающие из анода
вторичные электроны и возвращает их обратно на анод.
Рис. 5.39. Устройство электродов лучевого тетрода, его схе-
матическое изображение и анодные характеристики
Объемный заряд, образованный самими электронами, игра-
ет роль защитной сетки. В обычных тетродах электронный по-
ток рассеивается траверсами сеток и витками экранирующей
сетки. Поэтому электроны не летят к аноду сгущенными полз-
ками («лучами») и в промежутке анод — экранирующая сетка
не образуется плотного объемного заряда, способного отталки-
вать обратно на анод вторичные электроны. Достоинством лу-
чевого тетрода следует считать также небольшую величину тока
экранирующей сетки. Это объясняется тем, что электроны летят
«лучами» через просветы экранирующей сетки и почти не за-
держиваются ею.
Лучевые тетроды применяются для мощного усиления коле-
баний низкой частоты, а также в генераторах. На рис. 5.39 г по-
казано семейство анодных характеристик лучевого тетрода. Они
похожи на характеристики пентодов, но имеют более резкий пе-
реход от крутых участков к пологим. Это связано с тем, что
второе электронное облачко в лучевом тетроде полностью расса-
сывается при небольшом анодном напряжении, а в пентоде за-
щитная сетка экранирует облачко от анода и затрудняет расса-
сывание облачка. В лучевых тетродах динатронный эффект все
•1 В лучевых тетродах не покрывают также оксидным слоем части поверх-
ности катода, обращенные к траверсам сеток.
219
же наблюдается при малых анодных токах, т. е. При значитель-
ных отрицательных напряжениях сетки, когда объемный заряд,
тормозящий вторичные электроны, имеет недостаточную вели-
чину, В этом случае характеристики имеют провал. Но эта об-
ласть характеристик практически не используется. Параметры
лучевых тетродов определяются по характеристикам так же,
как и для пентодов. Иногда встречается триодное включение
лучевых тетродов, при котором экранирующая сетка соединяет-
ся с анодом. Примерные параметры лучевых тетродов следую-
щие: крутизна, как у других ламп, в пределах 1-3-ЗО ма/в, внут-
реннее сопротивление от десятков тысяч до сотен тысяч ом, ко-
эффициент усиления — от десятков до сотен.
§ 5.23. ЛАМПЫ С УДЛИНЁННОЙ ХАРАКТЕРИСТИКОЙ
Высокий коэффициент усиления пентодов, работающих в
усилителях высокой частоты, полезен при приеме слабых сигна-
лов, а для сильных сигналов, например от местных радиостан-
ций, при большом усилении создаются сильные искажения.
Для регулировки усиления
в зависимости от силы прини-
маемых сигналов пентоды де-
лают с характеристикой по
рис. 5.40 а, у которой нижний
изгиб сильно вытянут. Это до-
стигается тем, что у управляю-
щей сетки делают среднюю
часть редкой, а крайние части
густыми (рис. 5.406). В ре-
зультате имеются как бы две
лампы: одна с редкой сеткой,
а другая — с густой. Чем гуще
Рис. 5.40. Удлиненная характеристи- сетка» тем меньшее нужно ОТ-
ка лампы и устройство управляющей рицательное напряжение на
сетки такой лампы ней, чтобы запереть лампу.
При значительных отрицатель-
ных потенциалах сетки лампа на участках густой сетки запи-
рается и продолжает работать на участке редкой сетки, что дает
характеристику с малой крутизной S и малым коэффициентом
усиления р, т. е. лампа работает на иижней части характеристи-
ки. При небольших отрицательных напряжениях сетки работают
все ее участки, но главное действие на анодный ток оказывают
участки густой сетки, дающие характеристику с большой кру-
тизной и большим р*.
’ Для усиления с малыми искажениями делают изменение густоты сетки
по более сложному закону, чем показано на рис. 5.406.
220
Такие лампы с удлиненной характеристикой называют так-
же лампами с переменной крутизной или лампами «варимю».
Прием слабых сигналов происходит на крутом участке характе-
ристики, а прием без искажений сильных сигналов — на участ-
ке с малой крутизной, т. е. с малым усилением. Лампы с удли-
ненной характеристикой изображаются на схемах так же, как
и обычные лампы. Об их применении рассказано в гл. 11.
§ 5.24. ПРИЕМНО-УСИЛИТЕЛЬНЫЕ ТЕТРОДЫ И ПЕНТОДЫ
Тетроды обычного типа в качестве приемно-усилительных
ламп не используются. Исключение составляет выходной тет-
род для усилителей низкой частоты 6Э6П (буква Э принята для
обозначения приемно-усилительных тетродов) с крутизной
30 ма!в.
Лучевые тетроды предназначены для оконечных ступеней
усилителей низкой частоты. Маломощные лучевые тетроды не
выпускаются, так как при малых анодных токах в этих лампах
не устраняется динатронный эффект. Наиболее распространен-
ными являются лучевые тетроды с катодом прямого накала
2П1П, 2П2П, с подогревным катодом 6П1П, 6ПЗП, 6П7С,
6П13С, 6П20С и другие. Буква П в системе обозначений приня-
та для мощных пентодов и лучевых тетродов.
Пентоды делятся на два типа, маломощные для усиления
высокой частоты и более мощные для усиления низкой частоты.
Высокочастотные пентоды с нормальной характеристикой
имеют в обозначении после первой цифры букву Ж (например
6Ж8), а пентоды с удлиненной характеристикой — букву К (на-
пример 6КЗ).
Высокочастотные пентоды старых типов имеют вывод уп-
равляющей сетки на верху баллона, а вывод анода — на цоко-
ле. Эта конструкция обеспечивает уменьшение паразитной ем-
кости анод — сетка, но неудобна для монтажа, так как для
присоединения управляющей сетки к схеме нужны специальные
экранированные проводнички. Более удобными являются сов-
ременные одноцокольные лампы, в которых все электроды вы-
ведены на цоколь. При этом анод и управляющая сетка присое-
динены к диаметрально противоположным штырькам, а внутри
цоколя и в ключе имеется металлический экран, соединенный с
корпусом (рис. 5.41а). В этих лампах емкость анод — сетка по-
лучается также весьма малой. Наиболее часто применяются
следующие высокочастотные пентоды.
Пальчиковые-. 2Ж27П, 1К1П, 1К2П (с катодом прямого на-
кала), 6Ж1П, 6Ж2П, 6ЖЗП, 6Ж4П, 6Ж5П, 6К1П, 6К4П (с по-
догревным катодом) и ряд других.
Металлические с выводом управляющей сетки на верху бал-
лона-. 6Ж7 и 6К7 (с подогревным катодом).
221
Одноцокольные металлические: 6ЖЗ, 6Ж4, 6Ж8, 6КЗ, 6К4,
12Ж8, 12КЗ, 12К4 (все с подогревным катодом).
Стеклянные с замковым цоколем: 2Ж27Л (с катодом прямо-
го накала), 4Ж1Л и 12Ж1Л (с подогревным катодом).
Миниатюрные с подогревным катодом: 6Ж1Б, 6Ж2Б, 6Ж5Б,
6Ж10Б, 6К1Б и другие.
«Желуди» с подогревным катодом: 6Ж1Ж и 6К1Ж.
Пентоды с замковым цоколем (рис. 5.41 б) имеют стеклян-
ный баллон в металлическом экране. Выводы от электродов
Рис. 5,41. Выводы электродов в одноцокольной
высокочастотной лампе (а) и внешний вид лам-
пы с замковым цоколем (6)
/биот
сделаны в виде восьми штырьков, впаянных в утолщенное осно-
вание баллона. Штырьки проходят через отверстия в экране.
Направляющий металлический ключ представляет собой одно
целое с экраном. На ключе сделан замок (канавка). Когда лам-
па вставляется в гнездо, специальные пружины заскакивают в
замок и прочно удерживают лампу. Металлический ключ слу-
жит экраном для уменьшения емкости между выводами анода
и управляющей сетки.
Все высокочастотные пентоды успешно применяют и для уси-
ления низкой частоты.
Низкочастотные пентоды выпускаются для оконечных уси-
лителей и отличаются тем, что все их электроды выведены на
цоколь без особой экранировки, так как наличце емкости Сас на
работу усилителей низкой частоты не оказывает особого влия-
ния. К пентодам этого типа относятся 1П2Б, 1ПЗБ, 1П4Б, 6П9,
6П15П, 6П14П, 6П18П и ряд других. Для усиления напряжения
низкой частоты предназначены пентоды 06Ж6Б и 06П2Б.
222
Приемно-усилительные тетроды и пентоды нередко исполь-
зуются в генераторах. Специальные генераторные тетроды и
пентоды рассмотрены в гл. 10.
§ 5.25. МНОГОЭЛЕКТРОДНЫЕ И КОМБИНИРОВАННЫЕ ЛАМПЫ
Особенностью многоэлектродных ламп является наличие
двух управляющих сеток. На них подаются переменнее напря-
жения различной частоты, т. е. лампы эти имеют двойное управ-
ление анодным током. Назначение и применение таких ламп
разбирается в гл. 11. Здесь дается лишь краткое описание их
устройства.
Рис. 5.42. Схематические изображения мно-
госеточных ламп:
а) гексод, б) гептод, в) октод
Существуют четыре типа многоэлектродных ламп.
1. Гексод — это шестиэлектродная лампа, имеющая четыре
сетки (рис. 5.42 а). Сетки 1 и 3— управляющие, 2 и 4 — экрани-
рующие. При этом сетка 4 работает, как обычная экранирую-
щая сетка тетрода, т. е. служит для увеличения коэффициента
усиления ц и уменьшения емкости Сос, а сетка 2 служит для
устранения паразитной емкости между управляющими сетками.
2. Гептод. Семиэлектродная лампа гептод (ранее ее назы-
вали пентагридом, т. е. пятисеточной) применяется для преоб-
разования частоты в приемниках, о чем рассказано в гл. 11. Для
обозначения частотопреобразовательных ламп принята буква А.
Сейчас выпускаются гептоды-преобразователи с подогрев-
ным катодом 6А7, 6А10С и 6А2П и с катодом прямого накала
1А1П и 1А2П (рис. 5.42 6). У них сетка 1 является управляю-
щей сеткой триода. Сетка 2 выполняет одновременно функции
экранирующей сетки и анода триода. Сетка 3 работает как вто-
рая управляющая. Сетка 4, соединенная с сеткой 2 внутри лам-
пы,— также экранирующая. И, наконец, сетка 5 — защитная.
3. Октод — восьмиэлектродная лампа с шестью сетками, по-
казанная схематически на рис. 5.42 в. У нас октоды не приме-
няются.
22J
4. Эннод — это выпущенная в Западной Европе лампа с се-
мью сетками (девятью электродами). Она применяется в каче-
стве ограничителя и детектора частотно-модулированных сигна-
лов в приемниках.
Для уменьшения размеров, упрощения монтажа и экономии
питания выпускаются комбинированные лампы. У них в одном
баллоне помещены две, три или четыре лампы, имеющие свои
отдельные электроды, причем выводы от нитей накала делают-
ся общие. Катоды выводятся либо отдельно, либо на общий
штырек. Нити накала обычно соединяются параллельно. Иногда
Рис. 5.43. Схематические изображения комбинированных
ламп:
fl) и б) двойной триод, в) двойной диод — триод, г) двой-
ной диод — пентод, б) триод — гексод, е) триод — гептод.
ж) триод — пентод
катод является общим для отдельных частей лампы. На схемах
у комбинированных ламп для упрощения часто рисуют одну
нить накала и один катод.
По существующей системе обозначений для комбинирован-
ных ламп приняты следующие буквы: Г — триод с одним или
несколькими диодами, Б — пентод с одним или несколькими
диодами, Ф — триод—пентод, И — триод — гексод или триод —
гептод.
Двойные диоды и двойные триоды уже были рассмотрены ра-
нее. На схемах двойной триод изображается так, как показано
на рис. 5.43ан б.
Триод с диодами представляет собой комбинацию диодов и
триода, обычно усиливающего колебания низкой частоты. Чаще
всего применяются двойные диод — триоды (рис. 5.43 в) 6Г7,
имеющие вывод управляющей сетки на верху баллона, и одно-
цокольные 6Г1, 6Г2, 12Г1, 12Г2, а также тройной диод — триод
6ГЗП.
224
Пентод с одним или двумя диодами (рис- 5.43 г) имеет диоды
для детектирования, а пентод — для усиления низкой частоты
или для других целей. К лампам этого типа относятся двойной
диод—пентод 6Б8С и диод — пентоды 1Б1П и 1Б2П.
Триод — гексод (рис. 5.43 д) служит для преобразования ча-
стоты так же, как и гептод-преобразователь. Выпущен один тип
этой лампы 1И2П.
Триод — гептод (рис. 5.43 е) применяется для преобразова-
ния частоты. У нас выпускается триод — гептод 6И1П.
Триод — пентод (рис. 5.43 ж) представляет собой сочетание
триода и пентода. Выпускается один тип такой лампы 6Ф1П с
отдельными выводами от катодов.
Пентоды иногда применяют в качестве частотопреобразова-
тельных ламп, и тогда защитная сетка используется как вторая
управляющая. Встречается и такое использование пентода, ког-
да его катод, управляющая и экранирующая сетки работают
как триод, а промежуток катод — анод выполняет роль диода.
§ 5.26. СОБСТВЕННЫЕ ШУМЫ ЭЛЕКТРОННЫХ ЛАМП
У всех электронных ламп наблюдаются небольшие беспоря-
дочные изменения (флуктуации) тока анода и токов в цепях
других электродов. При приеме и усилении слабых сигналов
эти флуктуации являются помехой. Они ограничивают увеличе-
ние чувствительности радиоприемников и других электронных
устройств, служащих для обнаружения усиления и измерения
слабых электрических сигналов. Так как при слуховом приеме
флуктуации проявляют себя в виде непрерывного шороха, то их
назвали шумами.
Одна из причин, вызывающих собственные шумы ламп, —
это флуктуации термоэлектронной эмиссии катода. Кроме того,
большую роль играют флуктуации вторичной электронной эмис-
сии с различных электродов лампы, беспорядочное тепловое
движение Электронов в объемном заряде, такое же движение
ионов, появляющихся вследствие несовершенства вакуума, а
также флуктуации процесса распределения общего электронно-
го потока между отдельными положительно заряженными элек-
тродами лампы. Поскольку шумы имеют своей причиной беспо-
рядочные тепловые движения, то с повышением температуры
они усиливаются.
Таким образом, анодный ток лампы всегда имеет шумовую
переменную составляющую. Теоретически и экспериментально
доказано, что этот шумовой ток представляет собой сумму пе-
ременных синусоидальных составляющих с одинаковыми амп-
литудами и всеми возможными частотами от нуля до сверхвы-
соких частот. Но любой усилитель (или другое устройство) про-
пускает колебания только в определенном диапазоне частот.
15-2607
Поэтому практически на выходе усилителя воспринимается
лишь некоторая часть составляющих шума, которая тем боль-
ше, чем шире полоса частот колебаний, пропускаемых усили-
телем.
Следует отметить, что шумят не только лампы. На концах
любого сопротивления или проводника всегда получается на-
пряжение шумов из-за электрических флуктуаций в этом соп-
ротивлении. Беспорядочное тепловое движение электронов соз-
дает непрерывное изменение электрического состояния любого
проводника. Шумовое напряжение от сопротивлений очень не-
велико. Например, если при комнатной температуре на вход
усилителя с полосой частот пропускаемых колебаний в 1 кгц
включено сопротивление в 1 ком, то шумовое напряжение на
выходе усилителя получается таким, как будто на вход включен
некоторый генератор шумового напряжения в 0,125 мкв. При
возрастании температуры, величины сопротивления и полосы
частот это напряжение увеличивается.
Диод создает наименьшие шумы в режиме ограничения, так
как увеличение объемного заряда около катода снижает флук-
туации анодного тока. В качестве измерительных генераторов
шума для. испытания тех или иных радиоэлектронных устройств
применяют специальные шумовые диоды, работающие в режи-
ме насыщения. Уменьшение шумов у триодов достигается уве-
личением крутизны.
Шумы, создаваемые лампами, принято условно считать воз-
никающими от некоторого эквивалентного шумового напряже-
ния, поданного на сетку. Для триодов это напряжение не пре-
вышает десятых долей микровольта; у многоэлектродных ламп
оно может быть до единиц микровольт. Чем больше электродов
у лампы, тем выше у нее уровень собственных шумов. Чтобы
шумы на выходе приемника или усилителя были наименьшими,
необходимо всегда в первой ступени применять лампу с воз-
можно более низким шумовым напряжением.
Помимо шумов, обусловленных основными электронными
процессами внутри лампы, могут наблюдаться еще шумы из-за
недостатков в конструкции лампы. К ним относятся фон от пи-
тания накала переменным током, колебания тока от механиче-
ских вибраций электродов лампы (виброшумы), шумы от из-
менения токов утечки через плохую изоляцию, обладающую не-
постоянством сопротивления, и другие явления.
§ 5.27. НОВЫЕ ТИПЫ ПРИЕМНО-УСИЛИТЕЛЬНЫХ ЛАМП
Значительные успехи достигнуты в создании новых типов
приемно-усилительных ламп с большой крутизной, а также в
повышении их надежности, прочности и долговечности.
Увеличение крутизны достигается уменьшением расстояния
226
сетка — катод до нескольких десятков микрон (см. § 5.15). Но
изготовление ламп с малым расстоянием сетка — катод сложно
и они недостаточно надежны, так как имеется опасность замы-
кания сетки с неровной поверхностью оксидного катода, осо-
бенно при работе лампы в условиях вибраций.
Другим методом увеличения крутизны является применение
катодной сетки, расположенной между управляющей сеткой и
катодом и имеющей положительный потенциал. На рис. 5.44 по-
казана схема включения лампы с катодной сеткой в усилитель-
ную ступень. Электроны, испускаемые катодом, ускоряются ка-
тодной сеткой, пролетают в ее просветы и создают в непосред-
ственной близости около управляющей сетки второе электрон-
ное облачко. В результате управляющая сетка может весьма
эффективно управлять электронным
потоком, идущим от этого облачка
на анод. В прошлом такой прин-
цип позволял получать удовлетво-
рительную работу лампы при низ-
ком анодном напряжении, сейчас же
при нормальном анодном напряже-
нии оказалось возможным значи-
тельно повысить крутизну. Про-
мышленность выпустила лампы с
катодной сеткой 6Ж21П и 6Ж22П,
обладающие соответственно крутиз-
ной 17 и 30 ма/в при анодном на-
пряжении 150 в.
Рис. 5.44. Схема включения
лампы с катодной сеткой в
усилительную ступень
Технология производства этих ламп не очень сложна. Рас-
стояние между сеткой и катодом делается порядка 0,25 мм, и
не нужно изготовлять сетку из провода очень малого диаметра.
Поэтому лампы с катодной сеткой надежнее в работе, чем лам-
пы с малым расстоянием сетка — катод. Однако в цепи катод-
ной сетки имеется значительный ток, что является недостатком.
Правда, на катодную сетку дается небольшое напряжение и при
питании от сети потребление тока цепью катодной сетки не соз-
дает трудностей. У ламп 6Ж21П и 6Ж22П ток катодной сетки
составляет соответственно 35 и 60 ма при напряжении на этой
сетке 12,5 в.
Значительное повышение крутизны достигнуто в лампах , со
вторичной эмиссией1. Исследования по применению вторичной
эмиссии в лампах ведутся давно, но не удавалось сконструиро-
вать такие лампы, работающие устойчиво и имеющие не слиш-
ком большие собственные шумы. Материалы, применявшиеся
для вторичной эмиссии, не обладали достаточно устойчивой
вторичной эмиссией, и неравномерность этого процесса была при-
1 В обозначении таких ламп вторым элементом является буква В.
15* 227
чиной значительных собственных шумов. В последнее время
найдены новые сплавы тяжелых металлов с легкими, например
меди с бериллием, меди с алюминием и др., которые дают вы-
сокую и устойчивую вторичную эмиссию. При их использовании
шумы снижаются, хотя они все же несколько больше, чем в
обычных лампах.
Лампы со вторичной эмиссией имеют еще один электрод
вторично-электронный катод или динод. На него подается поло-
жительный потенциал, меньший, чем на анод. Включение такой
лампы в усилительную ступень показано на рис. 5.45 а. Первич-
ные электроны, летящие от катода, ударяют в динод и выбивают
Рис. 5.45. Схема включения в усилительную ступень лампы со
вторичной эмиссией (а) и принцип устройства ее электродов (б)
из него вторичные электроны, которые летят к аноду, имеюще-
му более высокий положительный потенциал. Поток вторичных
электронов в несколько раз больше, чем поток первичных элект-
ронов. Именно поэтому крутизна лампы получается высокой
Например, лампа со вторичной эмиссией типа 6В1П имеет кру-
тизну 29 ма!в. На рис. 5.456 показан принцип устройства по-
добной лампы. Катод, управляющая сетка и экранирующая сет-
ка— обычные. Динод в виде двух полуцилиндров Д\ и Дг и
анод из двух стержней а\ и аг расположены так, что вторичные
электроны, испускаемые динодом, направляются на анод. Тра-
ектории первичных и вторичных электронов показаны штрихо-
выми линиями. Чтобы первичные электроны летели на нужную
часть поверхности динода, в лампе имеются стержни, соединен-
ные с катодом, т. е. имеющие нулевой потенциал и играющие
одновременно роль защитной сетки (Сз). Благодаря им создает-
ся лучевой принцип работы. Потоки первичных электронов на-
правляются к диноду в виде пучков, имеющих форму секторов и
расположенных между стержнями с3.
Ток динода незначительно меньше анодного тока и во внеш-
ней цепи имеет направление, обратное последнему. Действи-
228
тельно, поток вторичных электронов i2 в несколько раз больше
потока первичных электронов it. Ток анода ia равен току t2, а
ток динода 1д представляет собой разность токов 12—Ц. Кру-
тизна лампы по току динода обычно незначительно меньше, чем
крутизна по анодному току, и у лампы 6В1П составляет 21 Mafe.
Электроны анодного тока движутся по проводнику внешней ча-
сти анодной цепи от анода, а электроны тока динода во внешней
цепи движутся по направлению к диноду, так как внутри лампы
от динода уходит больше вторичных электронов, чем приходит
на него первичных. Эти направления движения электронов то-
ков ia и 1д показаны стрелками на рис. 5.45а.
При подаче на сетку переменного напряжения вследствие
противоположности направлений токов анода и динода на
нагрузочных сопротивлениях, включенных в цепи этих электро-
дов, получаются усиленные переменные напряжения, находя-
щиеся в противофазе. Такие напряжения удобно использовать в
некоторых усилительных схемах. Чтобы эти напряжения были
одинаковыми по амплитуде, сопротивления Ra и Rd должны
быть обратно пропорциональными значениям крутизны по ди-
ноду и аноду.
Объединение в одной лампе различных способов повышения
крутизны, т. е. уменьшение расстояния сетка — катод, введение
катодной сетки и применение вторичной эмиссии или хотя бы
двух из этих трех принципов, дает возможность сконструиро-
вать лампы с крутизной порядка сотен миллиампер на вольт.
Опытные образцы таких ламп уже построены.
Достигнуто значительное увеличение срока службы, а так-
же повышение механической прочности и надежности ламп.
После длительных и кропотливых исследований удалось выяс-
нить различные причины низкой надежности и выхода из строя
ламп. Многие лампы теперь выпускаются не только с обычным
сроком службы, но в новом варианте с повышенной долговеч-
ностью до 5000 ч и больше. Они имеют в конце обозначения по-
сле тире дополнительную букву Е, например 6ПЗС-Е. Ряд ламп
выпускается также с повышенной надежностью и увеличенной
механической прочностью. Обозначения ламп в этом варианте
имеют в конце букву В, например 6П1П-В. Подобные лампы
особенно важны для радиоэлектронных установок, работающих
в тяжелых условиях при сильных вибрациях.
В последние годы стали выпускаться лампы, в которых вме-
сто обычных сеток применяются стержневые электроды. Схема-
тически разрез стержневой лампы изображен на рис. 5.46. Бук-
вой К обозначен катод прямого накала. По бокам от него рас-
полагаются стержневые электроды сь выполняющие роль уп-
равляющей сетки. Отрицательное напряжение, подаваемое на
эти электроды, отталкивает электроны и заставляет их повора-
чивать в стороны, не загораживаемые электродами Получа-
229
ются два электронных пучка, расходящихся от катода в двух
противоположных направлениях. Стержневые электроды с3 вы-
полняют роль экранирующей сетки и имеют положительное на-
пряжение. Электроны под действием этих электродов ускоряют-
ся. Далее размещаются стержневые электроды с3, выполняю-
щие роль защитной сетки, а затем анод А. Стержни Э являются
экранами. Поле анода ускоряет электроны, а электроды с3 спо-
Л собствуют фокусировке электронного
пучка. Управление анодным током осу-
ществляется изменением напряжения на
© Qc3 электродах Характеристики ламп
стержневого типа аналогичны характе-
@ ристикам ламп с обычными сетками.
0 ©сг
0 ©<?
j иггз
А
Рис. 5.46. Схема располо-
жения электродов стер-
жневого пентода
По сравнению с обычными лампами
стержневые лампы могут работать при
меньшей мощности накала, меньшей зат-
рате энергии анодного источника и име-
ют меньшие междуэлектродные емкости.
Они обладают большой механической
прочностью, устойчивостью и надежно-
стью в работе. Промышленностью выпу-
скаются в миниатюрном оформлении
стержневые пентоды 1Ж17Б, 1Ж18Б,
1Ж24Б, 1Ж29Б и ряд других. Из них наи-
меньший ток накала (всего лишь 11,5 ла)
имеет лампа 1Ж24Б.
Новым типом миниатюрных прием-
но-усилительных ламп являются лампы со штампованными ра-
мочными сетками. У них каждая сетка представляет собой боль-
шое количество тонких проволочек, натянутых параллельно друг
другу в отверстии рамки, штампованной из листового металла.
Такие рамочные сетки устанавливаются парами симметрично
относительно подогревного катода, имеющего плоские эмигри-
рующие поверхности. Например, пентод имеет по три сетки с
каждой стороны катода. Анод делается в виде двух пластинок.
§ 5.28. ВЗАИМОЗАМЕНЯЕМОСТЬ ЛАМП
На практике иногда приходится, не имея лампы нужного ти-
па, заменять ее лампой другого типа. Это можно просто сде-
лать, когда заменяющая лампа мало отличается по параметрам
от заменяемой лампы, имеет такую же цоколевку и такие же
питающие напряжения. В более сложных случаях, например при
различии в цоколевке, прибегают к добавочным приспособлени-
ям или переделкам, в частности, к применению переходных па-
нелей.
230
«5
Сложная лампа во многих случаях может работать в качест-
ве более простой, конечно, при условии, что питающие напря-
жения имеют нормальную величину. u '
работать как диод, если анод соеди-
нить с сеткой (рис. 5.47 а). Тетрод
или пентод может работать триодом,
если экранирующую сетку соединить
с анодом, как показано на рис.
5.47 б.
Использование более сложных
ламп в качестве простых иногда де-
лается в радиоаппаратуре для того,
чтобы все лампы были одного типа.
Если большинство их, например, пен-
тоды, но должны быть и триоды, то
вместо специальных триодов использу-
ют те же пентоды, включенные трио-
дом. Комбинированные лампы удается иногда заменять несколь-
кими более простыми лампами, например, двойной диод-пентод
можно заменить двойным диодом и пентодом.
Рис. 5.47. Включение трио-
да в качестве диода и пен-
тода в качестве триода
§ 5.29. ИСПЫТАНИЕ И ПРОВЕРКА ЛАМП
Лампа является деталью, которая наиболее часто выходит
из строя. При нарушении нормальной работы радиоаппаратуры
поиски повреждения во многих случаях следует начинать с ис-
пытания ламп. Существуют специальные испытатели ламп
(ИЛ-12, ИЛ-14 и др.), но самый простой способ проверки лам-
пы заключается в том, что она вставляется на соответствующее
место в исправно работающий радиоаппарат. Тогда о качестве
лампы можно судить по работе аппарата. Однако второго ра-
диоаппарата может не быть. Рассмотрим простейшие методы
проверки ламп без помощи радиоаппаратуры.
Проверка целости нити накала и отсутствия Вамыкания ме-
жду электродами производится с помощью пробника. Удобно
применять пробник, состоящий из вольтметра и источника тока
(вместо вольтметра можно применить телефон или лампочку
накаливания). Присоединяя провода от пробника-к выводам ни-
ти накала (рис. 5.48 а), по отклонению стрелки вольтметра су-
дят об исправности нити. Затем провода пробника присоединя-
ют по очереди к выводам различных электродов — при отсутст-
вии замыканий между ними стрелка вольтметра не должна да-
вать отклонений.
Испытание ламп на эмиссию лучше всего делать по схеме
рис. 5.486. На лампу подается нормальное напряжение накала,
все сетки соединяются с анодом и работают как один анод.
Анодная батарея должна иметь напряжение 10—20 в, т. е. зна-
231
чительно меньше нормального. В анодную цепь включается мил-
лиамперметр или вольтметр, который покажет наличие тока
эмиссии. Если заранее проверить таким образом исправную лам-
Рис. 5.48. Схемы для проверки лампы
на целость нити и на наличие эмиссии
Рнс. 5.49. Схема для проверки эмиссии
ламп с питанием от сети переменного
тока
пу, то по отклонению стрел-
ки можно будет судить о ве-
личине тока эмиссии любой
другой лампы того же типа.
Проверку эмиссии можно
осуществить и без анодной
батареи, если присоединить
анодную цепь к плюсу бата-
реи накала, но ток анода
будет очень мал.
Вместо батарей при про-
верке эмиссии можно ис-
пользовать сеть переменного
тока. Принцип подобной
схемы показан на рис. 5.49.
Трансформатор имеет об-
мотку для накала прове-
ряемых ламп с выводами на
различные напряжения, на-
пример: 1,2; 2; 4 и 6,3 в и об-
мотку для анодного питания
также с выводами на раз-
личное напряжение: 10, 20
и 30 в. В таком приборе
должны быть смонтированы
различные ламповые пане-
ли и предусмотрена возмож-
ность соединения анода с
сетками.
§ 5.30. ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВАЯ ТРУБКА
Электронно-лучевые трубки имеют широкое применение в ра-
диоизмерительной технике, радиолокации, телевидении и других
областях современной радиоэлектроники. Рассмотрим прежде
всего электронно-лучевую трубку с электростатической фокуси-
ровкой и электростатическим отклонением, называемую часто
просто электростатической трубкой.
На рис. 5.50 а и б схематически показаны устройство трубки
и цепи ее питания, а также изображение трубки на схемах.
Подогревный оксидный катод К имеет форму цилиндрика,
внутри которого находится нить накала НН. Эмиссия электронов
получается с покрытого оксидным слоем донышка катода. Около
катода располагается управляющий электрод УЭ цилиндрической
формы с отверстием в донышке, называемый иногда сеткой, мо-
232
дулятором или цилиндром Венельта. На управляющий электрод
подается отрицательное относительно катода напряжение поряд-
ка десятков вольт. Величину его можно регулировать при по-
мощи потенциометра Ri. Электрическое поле между катодом и
управляющим электродом сжимает поток электронов, вылетев-
ших из катода, направляя его в отверстие управляющего элек-
трода. С увеличением отрицательного напряжения на управляю-
щем электроде все больше электронов отталкивается обратно
на катод и уменьшается количество электронов, пролетающих
в отверстие. При некотором отрицательном напряжении на
управляющем электроде все электроны возвращаются на катод.
Два следующих электрода также цилиндрической формы на-
зываются первым и вторым анодами («1 и «г)- Они имеют высо-
кий положительный потенциал относительно катода. Напряжение
второго анода Uai бывает от 600 в до нескольких тысяч вольт,
а напряжение первого анода Uai в несколько раз меньше- Пер-
вый анод имеет перегородки с отверстиями (диафрагмы). В не-
которых трубках конструкция анодов более сложна. Под дейст-
вием ускоряющего поля анодов электроны приобретают большую
скорость. Благодаря диафрагмам и влиянию электрического по-
ля между анодами электроны фокусируются в тонкий пучок —
электронный луч. Вся система, состоящая из катода, управляю-
щего электрода и анодов, называется электронным прожектором
или электронной пушкой.
Электронный луч, пройдя остальное пространство трубки, уда-
ряет в люминесцирующий экран ЛЭ. Последний представляет
собой слой вещества (например, окиси цинка, кремнекислого
цинка и др.), способного давать свечение под ударами электро-
нов. В месте, где электронный луч попадает на экран, получается
светящееся пятно. Различные вещества дают свечение того или
иного цвета. У трубок для визуального наблюдения свечение
зеленое или желтое, а у трубок для фотографирования осцил-
лограмм — синее1. Телевизионные трубки имеют белое све-
чение.
Количество электронов, ударяющих в экран, определяет яр-
кость свечения. Ее регулируют изменением отрицательного по-
тенциала на управляющем электроде. Потенциометр Ri является
регулятором яркости. Фокусировка электронов достигается
изменением разности потенциалов между анодами. Регулятор
фокусировки — потенциометр R3, изменяющий напряжение на
первом аноде. При этом меняется напряженность электрического
поля между анодами, что приводит к улучшению или ухудшению
фокусировки электронного луча.
На пути электронного луча под прямым углом друг к другу
поставлены две пары отклоняющих пластин Пу и Пх. Когда
1 Глаз наиболее чувствителен к зеленому цвету, а фотопленка — к синему.
233
между ними нет разности потенциалов, то они не влияют на
электронный луч. Если подать на пару пластин напряжение, то
между ними образуется электрическое поле, которое отклонит
электронный луч в сторону положительно заряженной пластины.
Чем больше напряжение на пластинах, тем сильнее отклонятся
луч и светящееся пятно на экране трубки.
Пластины игрек Пу отклоняют луч по вертикали и называ-
ются пластинами вертикального отклонения, а пластины икс Пх J
отклоняют луч в горизонтальном направлении и называются
пластинами горизонтального отклонения.
Обычно второй анод электронно-лучевой трубки соединяется
с корпусом и имеет нулевой потенциал относительно земли. Ка-
тод же изолирован от корпуса и имеет высокий отрицательный ~ .
потенциал Прикосновение к проводу катода и цепи накала пред-
ставляет опасность. Вообще всякие прикосновения к схеме труб-
ки можно делать только при выключенном питании.'
Одна отклоняющаяся пластина из каждой пары часто бывает
также соединена с анодом а2, т. е. имеет нулевой потенциал.
На электронный луч сильно влияют внешние электрические ,1
и магнитные поля. Поэтому трубку обычно помещают в экран.
Выводы электродов делаются, как правило, к штырькам цоколя.
На рис. 5.50 для упрощения они показаны в разных местах
трубки.
Электроны, попадающие на экран, необходимо отвести, чтобы
они не заряжали экран до высокого отрицательного потенциала.
Для этого экран делают с вторичной эмиссией и часть внутрен-
ней поверхности трубки покрывают проводящим графитовым ;
споем ГС, соединенным с землей. Вторичные электроны летят от
экрана к этому слою, так как он имеет небольшой положитель-
ный потенциал относительно экрана.
Графитовый слой иногда используется в качестве третьего
анода. В этом случае на него может быть дано более высокое
напряжение, чем на второй анод.
Чтобы установить начальное положение светящегося пятна,
на потенциометры Т?5 и /?6 подается некоторое постоянное напря-
жение. Их движки соединены с незаземленными отклоняющими
пластинами через большие сопротивления Ry и Rs- Когда движки
стоят в средних положениях, то на отклоняющих пластинах на-
пряжение равно нулю. Перемещая движки, можно подавать на
отклоняющие пластины напряжение того или иного знака и сме-
щать пятно по вертикали или по горизонтали.
От выпрямителя через делитель Rt, R2, Rs, Rt подаются раз-
личные напряжения на отдельные электроды электронного про- i
жектора^ Ток, потребляемый трубкой, обычно составляет доли
миллиампера. Делитель также потребляет небольшой ток. Поэ-
234
тому выпрямитель должен давать высокое напряжение при ма«
лом токе. Накал трубки обычно питается переменным током.
Трубку характеризуют величины питающих напряжений, ток
накала, диаметр экрана и чувствительность.
Чувствительностью трубки называют отклонение светящегося
пятна при изменении напряжения на отклоняющих пластинках на
1 в. Она выражается в миллиметрах на вольт (лси/в) и бывает
от 0,1 до 0,5 мм/в. Она несколько выше для пластин, более уда-
ленных от экрана. При увеличении напряжения на втором аноде
чувствительность трубки падает.
Рис. 5.50. Электростатическая (а) и магнитная {в) электронно-лучевые
трубки н их изображения иа схемах (б и г)
Главным свойством электронно-лучевой трубки является ма-
лая ее инерционность. Электронный луч-отклоняется при изме-
нении напряжений на пластинах даже с частотой в миллионы
герц.
Электронно-лучевая трубка с магнитной фокусировкой и маг-
нитным отклонением, называемая просто магнитной трубкой, по-
казана на рис. 5.50 в и г. Ее электронный прожектор имеет только
один анод. ЕЗ качестве второго анода иногда используется гра-
фитовый слой. В некоторых трубках он является единственным
анодом.
Питание управляющего электрода и анода осуществляется
235
так же, как и в электростатической трубке. Выходящий из про-
жектора поток электронов попадает в магнитное поле, созданное
фокусирующей катушкой ФК (на рис. 5.50 она показана в раз-
резе). Эта катушка питается постоянным током. Под влиянием
магнитного поля фокусирующей катушки электронный поток
фокусируется, т. е. движется к экрану сходящимся пучком. Уве-
личивая или уменьшая ток в катушке ФК, можно усиливать или
ослаблять ее фокусирующее действие.
Для отклонения электронного луча служат две пары откло-
няющих катушек, расположенных под прямым углом друг к дру-
гу. На рис. 5.50 в показана пара катушек, расположенных вер-
тикально. Катушки КЛ,. создающие вертикальное магнитное
поле, отклоняют луч по горизонтали. Отклонение луча по верти-
кали осуществляется при помощи катушек Кг , которые распо-
ложены горизонтально и создают горизонтальное магнитное поле.
Чем больше витков имеют отклоняющие катушки и чем боль-
ше ток в них, тем сильнее отклоняется электронный луч. На-
правление его отклонения зависит от направления тока в ка-
тушках.
| Чувствительность магнитных трубок оценивается отношением
отклонения светящегося пятна к ампер-виткам соответствующей
! отклоняющей пары катушек (в миллиметрах на ампер-виток).
। Магнитные трубки по сравнению с электростатическими име-
ют более простое устройство, дают несколько лучшую фокуси-
ровку электронного луча и имеют меньшую длину. Их недостат-
[ ком является непрерывное потребление тока отклоняющими
! катушками. В электростатической трубке отклоняющие пластины
не потребляют тока. К ним нужно подводить только напря-
жение.
' Условные обозначения электронно-лучевых трубок начинают-
ся с числа, которое указывает диаметр или диагональ экрана
в сантиметрах. Затем ставятся две буквы: ДО — для осцилло-
графических и приемных телевизионных трубок (кинескопов)
с электростатическим отклонением и ЛК — для кинескопов с маг-
нитным отклонением. Следующим элементом обозначения яв-
ляется число для отличия друг от друга трубок, у которых
остальные элементы обозначения одинаковы. Иногда в конце
обозначения ставится буква для указания типа люминесцирую-
щего экрана (например, буква Б указывает на белое свечение).
Наиболее распространенными являются осциллографические
трубки 5ЛО38, 7ЛО55, 8ЛО29, ЮЛО43,13ЛО36,13ЛО37,13ЛО48,
13ЛО54', 18ЛО47, 31Л033, и ряд других, а также кинескопы
18ЛК4Б, 18ЛК5Б, 18ЛК15, 18ЛО40Б, 23ЛК1Б, 31ЛК2Б, 35ЛК2Б,
40ЛК1Б, 43ЛК2Б, 53ЛК2Б и многие другие. Последние три труб-
ки имеют металло-стеклянный баллон, а кинескопы 35ЛК2Б,
43ЛК2Б и 53ЛК2Б имеют прямоугольный экран.
236
§ 5.31. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РАЗРЯД В ГАЗАХ
В ионных (газоразрядных) приборах находится газ или пар,
давление которого в большинстве случаев меньше нормального
атмосферного. Прохождение электрического тока через газ на-
зывают электрическим разрядом в газе. При таком разряде про-
исходят следующие явления.
Если энергии электрона, движущегося в газе, при соударении
с атомом газа недостаточно для ионизации, то может произойти
возбуждение атома. Под ударом электрона один из внешних
электронов атома переходит, на более удаленную от ядра орбиту.
Такое возбужденное состояние атома длится обычно малую долю
секунды (порядка 10-9 сек), после чего электрон перескакивает
обратно на свою нормальную орбиту. При этом излучается элек-
тромагнитная волна, обладающая энергией, равной той, которую
атом получил при возбуждении от ударившего электрона. Это
излучение сопровождается свечением газа, если испускаемые
лучи относятся к видимой части электромагнитного спектра.
Ионизация атомов (или молекул) газа происходит при энер-
гии ударяющего электрона значительно больше той, которая
достаточна для возбуждения. В результате ионизации из атома
выбивается электрон. Следовательно, в газовом пространстве
будут находиться уже два свободных электрона, а сам атом пре-
вратится в положительный ион. Если эти два свободных электро-
на имеют достаточую энергию (например, набрали ее при дви-
жении в ускоряющем поле), то каждый из них может ионизи-
ровать новый атом. Тогда число свободных электронов станет
равно четырем, а ионов будет уже три. Эти электроны снова мо-
гут произвести ионизацию. Таким образом, возможно лавинооб-
разное нарастание количества электронов и ионов.
Положительные ионы и электроны совершают в газе беспо-
рядочное (тепловое) движение. Конечно, они также участвуют
в упорядоченном движении, представляющем собой электриче-
ский ток, т. е. электроны движутся к аноду, а ионы — к катоду.
Ионизированный газ, в котором имеется большое количество
электронов и ионов, принято называть электронно-ионной плаз-
мой. Это — своеобразная «электронно-ионная толкучка». Приб-
лижаясь друг к другу на достаточно малое расстояние, электроны
и ионы соединяются, образуя снова нейтральный атом. Этому
способствует взаимное притяжение между разноименными заря-
женными частицами. Восстановление нейтральных атомов в газе
называют рекомбинацией. Она всегда сопровождает процесс
ионизации. Полученный в результате рекомбинации нейтральный
атом может снова подвергнуться ионизации, а затем его состав-
ные части положительный ион и электрон — опять могут уча-
ствовать в рекомбинации и т. д.
В зависимости от того, какой из процессов — ионизация или
237
рекомбинация — имеет перевес, происходит либо увеличение, ли-
бо уменьшение количества свободных заряженных частиц.
В установившемся режиме ионизация и рекомбинация уравно-
вешивают друг друга, т. е. количество свободных электронов
(или ионов), возникающих за данный промежуток времени вслед-
ствие ионизации, равно количеству нейтральных атомов, полу-
чающихся за то же время в результате рекомбинации. При воз-
никновении электрического разряда в газе ионизация имеет
перевес над рекомбинацией. А при прекращении разряда иони-
зация вообще уже не происходит, и вследствие рекомбинации за
какой-то промежуток времени восстанавливается нейтральное
состояние газа.
Поскольку на выбивание из атома электрона затрачивается
энергия, то положительный ион и электрон, получившиеся после
ионизации, имеют в сумме энергию, большую, чем нейтральный
атом. Поэтому рекомбинация сопровождается выделением лучи-
стой энергии. В большинстве случаев при этом наблюдается све-
чение газа.
В зависимости от того, за счет каких факторов в газе обра-
зуются заряженные частицы, необходимые для электрического
разряда, различают самостоятельные и несамостоятельные раз-
ряды. Самостоятельный разряд происходит под действием только
одного электрического напряжения. Несамостоятельный разряд,
помимо приложенного напряжения, требует еще воздействия
каких-либо внешних факторов, способных ионизировать газ. Ими
могут быть лучи света» радиоактивное излучение, термоэлектрон-
ная эмиссия накаленного катода и др.
Рассмотрим основные виды электрических разрядов, встре-
чающихся в ионных приборах.
Темный (или тихий) разряд характеризуется малыми токами
порядка микроампер. Сопровождающее его свечение газа либо
совсем невидимо, либо очень слабо. В радиотехнических ионных
приборах темный разряд практически не используется.
Важное применение имеет тлеющий разряд, для которого ха-
рактерны интенсивное свечение газа и ток порядка единиц и де-
сятков миллиампер. При тлеющем разряде получается объемный
заряд положительных ионов, который нейтрализует действие от-
рицательного объемного заряда электронов. Благодаря этому
почти все приложенное напряжение падает на участке вблизи
катода («область катодного падения»). Это падение напряжения
обычно составляет десятки вольт. Тлеющий разряд существует
за счет электронной эмиссии катода под ударами ионов. Необ-
ходимую для этого скорость ионы набирают, пролетая область
катодного падения. В этой же области и электроны, вылетевшие
из катода, набирают скорость, нужную для ионизации газа.
Дуговой разряд, также имеющий широкое применение в ион-
ных приборах, получается при токах, во много раз больших, чем
238
в тлеющем разряде. Ток дугового разряда поддерживается за
счет термоэлектронной эмиссии накаленного катода или электро-
статической (автоэлектронной) эмиссии жидкого ртутного като-
да. При дуговом разряде падение напряжения сосредоточено
также около катода и в зависимости от рода газа имеет вели-
чину примерно 10—20 в. Малое падение напряжения при боль-
шом токе характерно для дугового разряда. Этот вид разряда
всегда сопровождается интенсивным свечением газа.
§ 5.32. НЕОНОВАЯ ЛАМПА
К ионным приборам с тлеющим разрядом относится неоновая
лампа. Она применяется в качестве индикатора напряжения
высокой частоты и может служить индикатором настройки ко-
лебательного контура в резонанс, а также используется в каче-
стве индикатора высокого анодного напряжения и для других
целей.
Внешний вид и схематическое изображение неоновой лампы
показаны на рис. 5.51. В баллоне находится под давлением по-
рядка единиц или десятков миллиметров ртутного столба газ
неон и имеются два стальных или алюминиевых электрода.
Неоновая лампа не имеет накаливаемого катода. Если напря-
жение на ней ниже напряжения зажигания, различного для раз-
ных типов ламп, то ток через лампу
не проходит. При напряжении, равном
напряжению зажигания, возникает
ионизация газа, и через лампу прохо- '|| !|
дит ток. Прохождение тока сопровож- /77>, ’ г~т
дается свечением оранжево-краснова- Z/rzr\ ' -, ГЕ
того цвета, усиливающимся при повы- J < Ц
шении напряжения. Напряжение за- I J
жигания у неоновой лампы, как и у
других ионных приборов, не является
строго постоянным, так как оно зави-
Ряс. 5.51. Схематическое
изображение и внешний
вид неоновой лампы
сит от расстояния между электродами
и давления газа, а последнее изменяет-
ся при изменении температуры. Све-
чение при постоянном напряжении по-
лучается главным образом у катода, а при переменном напряже-
нии—у обоих электродов. Если уменьшать напряжение на нео-
новой лампе, то при напряжении погасания, несколько мень-
шем, чем напряжение зажигания, она погаснет и перестанет
пропускать ток.
Неоновые лампы имеют напряжение зажигания порядка де-
сятков вольт, а ток у них может быть от долей миллиампера до
единиц или десятков миллиампер. Во избежание порчи неоновую
лампу всегда включают через некоторое сопротивление, ограни-
чивающее ток. Насто оно замонтировано в цоколе.
239
§ 5.33. СТАБИЛИТРОНЫ
Для поддержания постоянства выпрямленного напряжения
применяют ионные стабилизаторы напряжения — стабилитроны.
Они представляют собой приборы тлеющего разряда и имеют
два цилиндрических электрода, входящих один в другой. Элек-
трод с большей поверхностью является катодом. Баллон напол-
нен инёртным газом при небольшом давлении. При правильно
установленном режиме стабилитроны поддерживают напряжение
с точностью до 1—4 в. Последовательно со стабилитроном вклю-
чается ограничительное сопротивление R (рис. 5.52). На графи-
ке рис. 5.52 б показана зависимость выходного напряжения U вых
стабилитрона от входного напряжения U вх . Если увеличить UBX,
то сначала UBUX растет. Затем происходит зажигание стабили-
трона и 1/выл. несколько уменьшается, так как возникает ток,
который создает дополнительное падение напряжения на сопро-
тивлении R. На части поверхности катода появляется свечение..
Дальнейшее увеличение UBX почти не изменяет Ueux, которое
остается примерно равным рабочему напряжению стабилитрона
Ураб . При увеличении UBX растет ток стабилитрона, и свечение
захватывает все большую часть поверхности катода. Именно в
таком режиме осуществляется стабилизация напряжения. Он на-
зывается режимом нормального катодного падения (имеется в
виду падение потенциала около катода). Стабилизацию упро-
щенно можно объяснить тем, что при увеличении тока возрастает
рабочая площадь катода и соответственно уменьшается внутрен-
нее сопротивление стабилитрона. А падение напряжения на нем,
являющееся произведением тока на сопротивление, остается поч-
ти постоянным.
При дальнейшем увеличении UBX наступает режим, когда
свечение захватывает всю поверхность катода. В этом режиме,
называемом режимом аномального катодного падения, стабили-
зации уже не будет, а напряжение увеличивается с ростом тока.
Помимо величины Upa6, параметрами стабилитрона являют-
ся еще минимальный и максимальный токи I мин и /макс,
соответствующие границам режима стабилизации, а также на-
пряжение зажигания Uзаж, которое обычно на 5—25 в выше,
чем Upa6.
Правильный режим стабилизации возможен при определен-
ном значении сопротивления R, рассчитываемом по формуле
_ Ucp Upa6
^срЧ~
где Ucp—средняя величина подводимого напряжения;
1Ср— средняя величина тока стабилитрона, равная
1Н —ток нагрузки, равный .
240
Чем больше сопротивление /?, тем в более широких преде-
лах изменения напряжения получается стабилизация Из форму-
лы для расчета /? ясно, что большее значение 7? получается при
более высоком напряжении источника и при меньшем токе на-
грузки.
Широко применяются стабилитроны СГ2С, СГЗС и СГ4С,
имеющие Iмин =5 ма и /макс =30 ма на рабочие напряжения
75 105, 150 в. Кроме того, изготовляются стабилитроны СГ1П
на’ 150 в, СГ2П на 105 в, СГ5Б на 150 в и другие.
Рис. 5.52. Схемы включения стабилитронов и характери-
стика стабилизации
При больших напряжениях стабилитроны соединяют после-
довательно (рис. 5.52 в) и для облегчения зажигания шунти-
руют сопротивлениями /?| и % в 0,5—1 Мом. Параллельное
соединение стабилитронов не применяется, так как разные эк-
земпляры стабилитронов данного типа не имеют одинаковых
напряжений зажигания. Поэтому при параллельном соединении,
как правило, зажигается только стабилитрон с наименьшим на-
пряжением зажигания.
Следует отметить, что стабилитроны имеют малое внутреннее
сопротивление для переменного тока и поэтому хорошо сглажи-
вают пульсации выпрямленного напряжения. В этом отноше-
нии они равноценны конденсаторам большой емкости.
Недостатком стабилитронов являются большие потери энер-
гии в самом стабилитроне и в сопротивлении R. Поэтому они
применяются только при небольших мощностях, когда не обяза-
тельно получение высокого кпд.
16—2607 241
§ 6.34. ГАЗОТРОНЫ И ТИРАТРОНЫ ДУГОВОГО РАЗРЯДА
Газотрон является ионным прибором с дуговым разрядом для
выпрямления переменного тока. Он имеет накаленный активиро-
ванный катод и анод. В баллоне его находятся пары ртути при
давлении 0,01—0,001 мм рт. ст. или инертный газ.
По сравнению с кенотроном у газотрона анодный ток во мно-
го раз сильнее, что объясняется получением добавочных свобод-
ных электронов от ионизации и нейтрализации отрицательного
объемного заряда положительными ионами. Внутреннее сопро-
тивление газотрона не превышает десятков или единиц ом. Па-
дение напряжения между катодом и анодом порядка 10 в для
ртутных газотронов и до 20 в для газотронов с инертными га-
зами. Оно мало изменяется при изменении тока.
Если увеличивать анодное напряжение газотрона от нуля, то
анодный ток сначала очень мал, так как ионизации еще нет.
Ионизация возникает при напряжении зажигания примерно 10 в.
Зажигание характеризуется возникновением свечения внутри га-
зотрона и нарастанием тока. Дальнейшее повышение напряже-
ния анодного источника не увеличивает анодного напряжения на
газотроне, а дает возрастание тока в цепи й напряжения на на-
грузочном сопротивлении. Последовательно с газотроном всегда
должно быть включено нагрузочное сопротивление. Если его нет,
то все напряжение анодного источника приложено к газотрону,
имеющему малое внутреннее сопротивление. Ток возрастает до
недопустимой величины, т. е. произойдет короткое замыкание,
могущее испортить газотрон,
В эксплуатации газотроны имеют следующие недостатки.
Понижение накала вызывает разрушение катода. Это объясняет-
ся тем, что при понижении эмиссии внутреннее сопротивление
газотрона увеличивается, падение напряжения между анодом и
катодом возрастает и сообщает положительным ионам большую
скорость. В результате ионы с силой бомбардируют катод и вы-
зывают разрушение его активного слоя. Колебания напряжения
накала допускают в пределах от 4-10% до —5%.
Ртутные газотроны должны работать при температуре от 15°
до 50°С, чтобы давление паров ртути было нормальным. Для
этого необходимо сначала включить накал, несколько минут про-
греть газотрон и тогда лишь включать высокое напряжение.
В непрогретом газотроне количество паров ртути, а следователь-
но, и давление ниже нормальной величины. При этом ионизация
недостаточная, внутреннее сопротивление газотрона велико и
падение напряжения на нем большое. Это приводит к тому, что
иоиы сильно бомбардируют и разрушают катод. Выключать
всегда нужно сначала высокое напряжение, а затем накал.
Особенностью газотрона является наличие обратного тока.
Если газотрон работает в выпрямителе, то после уменьшения
242
анодного напряжения до нуля рекомбинация не происходит мгно-
венно. Для процесса деионизации нужно некоторое время. Так
как при этом на аноде растет отрицательное напряжение, то ионы
начинают двигаться к отрицательно заряженному аноду, а элек-
троны — к катоду, и возникает обратный ток. При большом на-
пряжении он может дать «обратное зажигание», т. е. возникно-
вение дугового разряда, и тогда выпрямление переменного тока
нарушается. Для каждого газотрона характерно наибольшее
допустимое обратное напряжение. В ртутных газотронах возник-
новению обратного зажигания способствует наличие на аноде
капелек ртути, которые могут быть источниками эмиссии. Ртут-
ные газотроны, еще не бывшие в работе, полагается прогревать
включением одного накала до тех пор, пока ртуть не испарится.
Рис. 5.53. Внешний вид газотронов и схемати-
ческие изображения газотронов и тиратронов
дугового разряда
Внешний вид одного из ртутных газотронов и два способа
схематического изображения газотронов показаны на рис. 5.53.
Штриховка или точка обозначает наличие газа в баллоне. Ка-
тоды у газотронов обычно оксидные. Напряжение накала
не превышает нескольких вольт, чтобы не возникал дуговой
разряд между концами катода. Анод делается из никеля или из
графита. Вывод анода, как правило, на верху баллона. В балло-
не ртутных газотронов находится несколько капель ртути. Так
как давление паров ртути не должно быть слишком велико, то
имеется дисковый экран, уменьшающий нагревание ртути. Вто-
рой дисковый или цилиндрический экран уменьшает тепловые
потери катода, защищает катод от бомбардировки положитель-
ными ионами, а также уменьшает возможность попадания с ка-
тода на анод частичек активного слоя. Наличие их на аноде
может вызвать обратное зажигание. Газотроны изготовляют пре-
имущественно одноанодными и особенно широко используют в
высоковольтных выпрямителях. В последнее время для газотро-
нов вместо ртутных паров с успехом применяют смеси инертных
газов, например ксенона и криптона.
16* 243
Двуханодные газотроны с аргоном (рис. 5.53 6) применялись
для выпрямления низких напряжений. Они имеют катоды пря-
мого накала из торированного молибдена, аноды — никелевые.
Аргоновые газотроны могут работать при температурах от —30°
до 4-50°С и требуют непродолжительного прогрева катода (при-
мерно 20—30 сек); можно даже включать накал и анодное пи-
тание одновременно. Эти газотроны использовались для зарядки
аккумуляторов, питания усилителей звукового кино и т. д.
Тиратроны — это газотроны, имеющие сетку (газовые трио-
ды). Схематические изображения тиратрона показаны на
рис. 5.33 в.
В отличие от вакуумных триодов в тиратроне сетка не управ-
ляет анодным током. Но, изменяя ее отрицательный потенциал,
можно управлять зажиганием тиратрона. Чем больше отрица-
тельное напряжение на сетке, тем при более высоком анодном
напряжений зажигается тиратрон. После зажигания изменение
потенциала сетки не влияет на анодный ток вследствие того,
что отрицательно заряженная сетка притягивает положительные
ионы, которые окружают сетку и нейтрализуют ее действие.
А при положительном напряжении сетки ее окружают электроны.
Катод и анод в тиратроне устроены обычно так же, как и в
газотроне. Сетка полностью охватывает катод, и электроны могут
двигаться на анод только сквозь сетку. Маломощные тиратроны
по конструкции электродов похожи на вакуумные триоды.
Анодное напряжение у зажженного тиратрона составляет
10—20 в в зависимости от типа тиратрона. До зажигания оно
может быть во много раз больше, если на сетке имеется значи-
тельный отрицательный потенциал. Погасить тиратрон можно,
только разорвав анодную: цепь или уменьшив анодное напряже-
ние до напряжения погасания, которое лишь немного меньше
указанного выше нормального анодного напряжения.
Тиратроны применяются в управляемых выпрямителях, в ко-
торых путем изменения потенциала сетки можно без лишних
потерь энергии регулировать величину выпрямленного напряже-
ния от нуля до максимального значения. Кроме того, они исполь-
зуются в качестве реле и во многих других случаях.
Обозначения газотронов начинаются с буквы Г, а тиратро-
нов — с буквы Т. Вторая буква показывает наполнение ртутны-
ми парами (Р) или инертными газами (Г). Далее стоит номер
для отличия приборов разных типов. В конце указывается наи-
больший выпрямленный (постоянный) ток в амперах и после
дробной черты — наибольшее допустимое обратное напряжение
в киловольтах. Например, ТГ1-0,1/0,3 означает: тиратрон с га-
зовым наполнением, первый номер, наибольший выпрямленный
ток 0,1 а, наибольшее допустимое обратное напряжение 0,3 кв.
Наиболее распространенными являются одноанодные газо-
троны с ксеноно-криптоновой смесью ГГ1-0,5/5, а также двух-
244
анодные — аргоновый ВГ-176 и ртутный ГР1-0,25/1,5. Из тира-
тронов небольшой мощности можно отметить TF1-0,1/0,3, ТГ1Б,
ТГ1-0,1/1,3, ТГЗ-0,1/1,3, имеющие наполнение инертными газами.
Выпускаются также различные мощные газотроны и тиратроны.
Следует отметить, что все ионные приборы как с тлеющим,
так и с дуговым разрядом являются весьма инерционными и
могут работать на частотах, не превышающих нескольких десят-
ков килогерц. Это объясняется тем, что процесс рекомбинации
длится некоторое время. Чем больше масса ионов газа, тем мед-
леннее происходит рекомби-
нация. Поэтому ионные
приборы с парами ртути
наиболее инерционны и для
них предельная частота со-
ставляет единицы килогерц.
§ 5.35. ТИРАТРОНЫ
ТЛЕЮЩЕГО РАЗРЯДА
В последние годы полу-
чили применение тиратроны
тлеющего разряда (тират-
роны с холодным катодом).
Их достоинством является
отсутствие расхода энергии
на накал катода, но зато
они могут быть лишь мало-
мощными. Анодный ток у
тиратронов тлеющего раз-
ряда бывает не более не-
скольких единиц или десят-
ков миллиампер. Эти тира-
троны используются глав-
ным образом в качестве ре-
ле в различных схемах для
автоматики.
На рис. 5.54 а и б пока-
заны две конструкции элек-
тродов тиратрона тлеющего
разряда. Между анодом и
Рис. 5.54. Устройство тиратронов
тлеющего разряда:
с) тиратрон МТХ-90 (/ — катод, 2
анод, 3 — сетка или пусковой элек-
трод); б) тиратрон ТХЗБ и ТХ4Б
(/ — анод, 2 — вторая сетка, 3 — пер-
вая сетка, 4 — катод)
катодом расположен электрод, называемый сеткой, пусковым
анодом или поджигающим электродом. Расстояния между элек-
тродами и давление газа подобраны так, что разряд между сет-
кой и катодом возникает при более низком напряжении, чем раз-
ряд между анодом и катодом; затем разряд переходит на анод,
если только напряжение на аноде имеет достаточную величину.
При этом разряд в промежутке сетка — катод характеризуется
токами порядка единиц или десятков микроампер, а ток глав-
245
ного разряда между анодом и катодом может быть в тысячи раз
большим.
Величина анодного напряжения U3t при котором возникает
разряд в анодной цепи, зависит от тока сетки. Чем больше пос-
ледний, тем при более низком анодном напряжении наступает
разряд. Это объясняется тем, что при большем токе сетки в про-
межутке сетка — катод возникает больше ионов и электронов н
это облегчает возникновение разряда с катода на анод. Однако
величина U3 не может стать меньше того рабочего падения
напряжения Upa6 , которое необходимо для поддержания тлею-
щего разряда между анодом и катодом. При отсутствии тока
сетки анодное напряжение зажигания имеет наибольшую вели-
чину измакв.
Ток в анодной цепи нельзя регулировать изменением напря-
жения на сетке. Его можно только прекратить уменьшением
Рис. 5.55. Схема включе-
ния тиратрона тлеющего
разряда
анодного напряжения ниже напряжения
погасания, которое обычно немного
меньше, чем Upa6. Таким образом, в
этих тиратронах, как и в тиратронах
дугового разряда, после возникновения
главного разряда в анодной цепи сетка
теряет свое управляющее действие.
Схема включения тиратрона тлеюще-
го разряда в качестве реле показана на
рис. 5.55. Напряжение анодного источни-
ка Еа должно быть меньшим, чем U3Ma.!C,
а напряжение Е с — меньшим, чем необ-
ходимое для возникновения разряда в промежутке сетка — ка-
тод. Сопротивление Rc ограничивает сеточный ток и увеличивает
входное сопротивление схемы для источника импульсов, опти-
рающих тиратрон.
Когда положительный импульс напряжения U вх достаточной
величины поступает на сетку, то возникает разряд на участке
сетка — катод. Если при этом получается ток сетки необходимой
величины, то разряд переходит на анод. Следовательно, импульс
напряжения, поданный от маломощного источника в цепь сетки,
может создавать значительный ток в анодном нагрузочном со-
противлении RH.
Отечественная промышленность выпускает миниатюрные ти-
ратроны тлеющего разряда типа ТХЗБ и ТХ4Б (ранее выпускал-
ся тиратрон МТХ-90), наполненные неоново-аргоновой смесью.
Эти тиратроны имеют две сетки. Вторая сетка либо соединяется
с первой, либо на нее подается некоторое положительное на-
пряжение. При соединении сеток вместе тиратрон ТХЗБ имеет
следующие данные. Напряжение сетки, необходимое для разряда
на участке сетка — катод, составляет 90—ПО в. Если анодное
напряжение равно 150 в, то разряд в анодной цепи возникает при
246
токе сетки 5 мка. Напряжение Upa6 — порядка ПО в. Анодный
ток имеет величину 0,5—5 ма. Время восстановления управляю-
щего действия сетки после прекращения прохождения анодного
тока в 1 ма составляет 100 мксек. Применительно к схеме
рис. 5.55 рекомендуется следующий типовой режим: Еа = 1254-
4-175 в; Ес =90 в; Rc> 0,5 Мом; Uех > 20 в. Тиратрон может
работать при температурах окружающей среды от —40° до
+60°С и имеет долговечность 1000 ч. Фактически он может
работать значительно дольше, но с течением времени повыша-
ются напряжение и ток сетки, соответствующие отпиранию ти-
ратрона. У тиратрона ТХ4Б по сравнению с ТХЗБ несколько
больше анодный ток.
§ 5.36. ЭЛЕКТРОННЫЕ ЛАМПЫ ДЛЯ СВЕРХВЫСОКИХ ЧАСТОТ
Обычные диоды, триоды и другие лампы для средних и коротких волн, как
правило, работают неудовлетворительно на свч, что объясняется несколькими
причинами Междуэлектродные емкости и индуктивности выводов оказывают
сильное влияние на работу ламп в диапазоне свч. Они изменяют параметры
колебательных систем, подключенных к лампе, в результате чего понижается
максимальная частота настройки этих систем.
Для каждой лампы существует некоторая предельная частота fMaKc ко-
торая соответствует собственной частоте колебательного контура, образую-
щегося при замыкании накоротко выводов от электродов лампы. Если, на-
пример, при таком замыкании у некоторой лампы получился контур с пара-
метрами С=10 пф и Е=0,016 мкгн. то частота f макс равна:
2я)/£С 2 тс 1^0,016-10~6-10- Iff-12
~ 400- 10е гц = 400 Мгц,
что соответствует длине волны 75 см.
В приведенном примере лампа непригодна для работы в дециметровом
диапазоне, так как при наличии внешнего контура получится резонансная час-
тота значительно ниже 400 Мгц.
Помимо влияния на рабочий диапазон частот, индуктивность и емкость
лампы создают нежелательные связи и фазовые сдвиги, которые во многих
случаях ухудшают работу. Особенно вредное влияние оказывает индуктив-
ность катодного вывода, которая входит одновременно в анодную и сеточную
цепи. Междуэлектродные емкости, имея на свч весьма небольшое сопротивле-
ние, могут вызвать появление значительных емкоствых токов, нагревающих
выводы от электродов и создающих дополнительные потери энергии Напри-
мер, емкость сетка—катод, равная 4 пф, на частоте 1 000 Мгц (Х=30 с.н)
имеет сопротивление 40 ом. Если к вей приложено переменное напряжение
40 в, то возникает емкостный гок 1 а!...
На свч в|>емя пролета электронов в лампе, несмотря на весьма малую ве-
личину (10 — 10 сек), становится соизмеримым с периодом колебаний.
Лампа перестает быть безынерционным прибором. Принято говорить, что иа
свч проявляется инерция электронов. Наличие инерции электронных процес-
сов в лампе создает вредные фазовые сдвиги, искажает форму импульсов
анодного тока и является причиной возникновения значительных сеточных то-
ков. В результате резко снижается входное сопротивление лампы, увеличива-
247
ются потери в цепи сетки и на аноде лампы, а также уменьшается полезная
мощность, отдаваемая в нагрузку.
Инерция электронов практически ие влияет на частотах, соответствующих
коротким и более длинным волнам. Действительно, если период колебаний
Т много больше, чем время пролета электронов в лампе fnp, то переменные
напряжения на электродах лампы за это время не успеют значительно изме-
ниться. Это наглядно показывают графики на рис. 5.56, изображающие изме-
нение напряжений на сетке и аноде лампы для случая, когда период колеба
ннй в 40 раз больше времени пролета электрона. Например, если tnp —
= 10—9 сек, то 7=40 • 10—9 сек, что соответствует
f «= —----к- = 25- 10е гц = 25 Мгц, или А = 12 м.
40-10“9
Для данного случая можно без большой ошибки считать, что пролет каж-
дого электрона от катода к аноду совершается прн постоянных напряжениях
на электродах. Это означает, что движение электронов происходит по обыч-
Рис. 5.56. Сравнение времени пролета
электрона с периодом колебаний для
случая не очень высоких частот
ным законам, без каких-либо новых
явлений, причем анодный ток изме-
няется соответственно изменениям
сеточного напряжения. Переменная
составляющая анодного тока будет
совпадать по фазе с переменным на-
пряжением на сетке.
Иначе происходят электронные
процессы в лампе для случая, когда
время пролета одного порядка с пе-
риодом колебаний. Рассмотрим для
примера случай, когда время пролета
на участке катод — сетка равно
половине периода, а на сетке уста-
новлено постоянное отрицательное
напряжение, соответствующее началу характеристики лампы. В этом режиме
при усилении колебаний не очень высоких частот импульсы анодного тока
проходили бы в течение положительных полупериодов переменного напряже-
ния на сетке, а во время отрицательных полупериодов лампа была бы заперта.
Однако на свч, если tKC= Т, работа лампы существенно изменится.
Электроны, начавшие движение от катода в начале положительного полупе-
риода, пролетят сетку в конце этого полупериода. А электроны, начавшие
движение позже, не все долетят до сетки за время положительного полуперио-
да. Они еще будут в пути, когда на сетке переменное напряжение изменит свой
знак, и поле между сеткой и катодом станет тормозящим. Многие электроны
будут заторможены и, не долетев до сетки, вернутся на катод. Это особенно
относится к электронам, начавшим движение от катода в конце положитель-
ного полупериода, так как они сразу попадают в тормозящее поле.
Возвращение части электронов на катод создает уменьшение импульсов
анодного тока. Поэтому уменьшится н полезная мощность, отдаваемая лампой.
Кроме того, возвращающиеся электроны бомбардируют катод и дополнитель-
но разогревают его. Мощность на это расходуется от источника переменного
сеточного напряжения. Электроны, успевшие пролететь сквозь сетку и движу-
щиеся далее к аноду, попадают в ускоряющее поле, так как при отрицатель-
ном напряжении на сетке увеличивается разность потенциалов между анодом
и сеткой. Эти электроны с увеличенной скоростью бомбардируют анод.
Для других режимов работы лампы, когда время пролета н период коле-
баний соизмеримы, получаются те же явления: уменьшается переменная со-
ставляющая анодного тока, увеличиваются потери на аноде, дополнительно
нагревается катод от ударов возвращающихся электронов.
248
При рассмотрении работы ламп обычно в целях упрощения считают, что
ток в цепи какого-либо электрода образуется в результате непосредственного
попадания на этот электрод потока электронов. Такой поток электронов внут-
ри лампы является конвекционным током. Более глубокое изучение электрон-
ных ламп показывает, что ток во внешней цепи любого электрода является
индукционным (наведенным) током. Сущность этого тока легко уяснить, если
вспомнить явление электростатической индукции.
Пусть имеется проводник АБ (рис. 5.57), к одному концу которого при-
ближается отрицательный электрический заряд В. Тогда электроны проводни-
ка АБ, отталкиваясь зарядом В, уйдут в некотором количестве на удаленный
от индуктирующего заряда конец проводника А, и там получится отрицатель-
ный заряд. На ближнем к индуктирующему заряду конце проводника Б по-
лучится недостаток электронов, т. е. положительный заряд. Во время этого
процесса вдоль проводника АБ пройдет ток, который и является индук-
ционным. Величина его тем больше, чем
больше индуктирующий заряд В и чем _
быстрее он движется. Если удалять за- д ____________ - g &
ряд В, то произойдет обратное явле- pz-----------------_
ние; электроны будут возвращаться из 1=.=--------------;
А в Б и пройдет индукционный ток об- —
ратного направления.
В электронных лампах роль индукти-
рующего отрицательного заряда игра-
ют потоки электронов, движущихся от
Рис. 5.57. Явление электроста-
тической индукции (заряд В
приближается к проводнику
ДБ)
одного электрода к другому, т. е. кон-
векционные токи. Эти токи всегда воз-
буждают индукционные токи в проводах, соединенных с электродами лампы.
Величина индукционного тока возрастает при увеличении количества и ско-
рости летящих электронов, а также при уменьшении расстояния между ними
и данным электродом.
Пусть, например, на анод диода, имеющего накаленный катод, включается
постоянное напряжение. Тогда от катода к аноду начнет двигаться с ускоре-
нием поток электронов, который вызовет появление нарастающего индукцион-
ного тока во внешней цепи. Таким образом, анодный ток возникает не в мо-
мент, когда электроны достигнут анода, а в момент, когда они начнут уда-
ляться от катода.
При постоянных напряжениях или на сравнительно невысоких частотах,
когда tnp < Т, индукционный ток в анодной цепи диода численно равен кон-
векционному току и в этих случаях вообще можно не вводить понятие об ин-
дукционном токе. Но на сверхвысоких частотах, когда за время пролета элек-
тронов напряжения значительно изменяются, необходимо рассматривать ин-
дукционные токи в цепях электродов. Можно, например, представить себе та-
кой случай, когда электроны совершают колебание в промежутке катод —
анод, но из-за своей инерции не успевают попадать на анод. Однако они
будут наводить в анодной цепи переменный индукционный ток.
Рассмотрим возникновение индукционных токов в колебательных конту-
рах, подключенных к лампе. На рис. 5.58 изображен контур, состоящий из ем-
кости С (ею может быть емкость между электродами лампы) н индуктивно-
сти L. Пусть в контуре возникли свободные колебания. Тогда на зажимах
контура и электродах лампы будет переменное напряжение. Предположим,
что между электродами движутся электроны.
Когда поле от переменного напряжения является тормозящим для элек-
тронов (рис. 5.58 с), то индукционный ток iUHd будет током, питающим кон-
тур. Действительно, направление этого тока таково, что создаваемое им на
контуре падение напряжения совпадает по фазе с переменным напряжением
свободных колебаний. Это значит, что индукционный ток препятствует затуха-
нию колебаний в контуре. Иначе говоря, часть кинетической энергии летящих
электронов передается в контур и поддерживает там колебательный процесс.
249
Но если поле от переменного напряжения будет ускоряющим для элек-
тронов (рис. 5.586), то индукционный ток создает на контуре падение на-
пряжения, противоположное по фазе переменному напряжению свободных
колебаний, т. е. способствующее затуханию колебаний. В данном случае кон-
тур теряет часть энергии на увеличение скорости пролета электронов, и по-
этому затухание колебаний в контуре увеличивается.
Таким образом, для уменьшении или даже прекращения затухания, т. е,
для поддержания колебаний в контуре, необходимо направлять поток элек-
тронов между электродами тогда, когда электрическое поле является тормо-
зящим для электронов.
Рис. 5.58. Индукционный ток при движении элек-
тронов в поле, созданном переменным напряже-
нием колебательного контура
Каждая усилительная ступень характеризуется коэффициентом усиления
по мощности Кр, показывающим, во сколько раз усиливается мощность,
где Рейх— полезная мощность, отдаваемая лампой в нагрузочное сопротив-
ление, а Рвх—мощность, теряющаяся во входном сопротивлении лампы Rex,
Если обозначить переменное напряжение на сетке U ех, а переменный ток
а цепи сетки 1ех> то
Чем меньше входное сопротивление лампы, тем больше мощность Рех.-
При малом значении входного сопротивления эта мощность может настоль-
ко возрасти, что Кр станет меньше 1. С переходом на свч входное сопротив-
ление обычных ламп резко уменьшается из-за возникновения индукционных
токов в цепи сетки, и поэтому усиление мощности иа этих частотах полу-
чается малым или даже совсем отсутствует.
Энергвя индукционных токов, возникающих в цепи сетки, бесполезно
теряется на нагрев анода и катода конвекционным током. Действительно,
положительная полуволна сеточного напряжения, ускоряя электровы, летя-
щие от катода, даёт им некоторую дополнительную энергию, а во время от-
рицательного полупернода сеточного напряжения сетка отталкивает электро-
ны, движущиеся к аноду, и они опять получают дополнительную энергию.
В результате электроны бомбардируют с большей силой авод. Кроме того,
Электроны, не пролетающие сквозь сетку, также отталкиваются сеткой во
время отрицательного полупериода сеточного напряжения и получают ещё
некоторую энергию. Они бомбардируют катод со значительной скоростью и
вызывают его дополнительный нагрев. Таким образом, источник сеточного
переменного напряжения в течение всего периода отдает энергию электронам,
250
летящим внутрь лампы, а они, в свою очередь, расходуют эту энергию на
бомбардировку анода н катода.
Малую величину входного сопротивления ламп на свч иллюстрируют
следующие примеры. При работе на волне Х=50 см специальная лампа для
укв типа «жёлудь» 6Ж1Ж имеет Rex =550 ом, лампа 6Ж8 — Rex =55 ом.
а 6Ж4 всего только Rex = 18 ом.
Такое малое входное сопротивление приводит к резкому снижению уси-
ления. Действительно, в гл. 9 (§ 9.7) показано, что коэффициент усиления
ступени, работающей на пентоде, равен:
K^SRa,
где Ra—сопротивление анодной нагрузки. Если в качестве такой нагрузки
применяется резонансный контур, то параллельно ему подключено входное
сопротивление лампы следующей ступени и общее сопротивление нагрузки
окажется меньше Rex . Например, для усилителя с лампами 6Ж1Ж, рабо-
тающими на волне 50 см и имеющими S=l,4 ма/в, можно считать, что
Ra =500 ом, так как Rex =550 ом. Тогда Л=1,4. 10—3 • 500=0,7 и, следова-
тельно, ступень вместо усиления даёт ослабление.
Помимо потерь энергии из-за инерции электронов, в лампах, работаю-
щих на свч, имеется н ряд других потерь. Вследствие поверхностного эффек-
та резко возрастает активное сопротивление самих электродов и выводов от
них. По поверхности этих проводников проходят значительные токн, главным
образом индукционные и емкостные, которые создают бесполезный нагрев.
Также резко увеличиваются на свч потерн в твёрдых диэлектриках, находя-
щихся под воздействием переменного электрического поля, например, в стек-
ле баллона лампы. Возрастают и потери на излучение.
Большие потери энергии в лампах ухудшают кпд усилителей и генера-
торов свч, создают чрезмерный нагрев ламп и резко снижают качество кон-
туров, подключенных к лампам. На свч применяются контуры в виде резо-
нансных линий или объемных резонаторов, которые сами имеют высокую до-
бротность Q, доходящую до тысяч и даже десятков тысяч Но когда эти
контуры присоединяются к лампе, то их добротность резко падает (до вели-
чин порядка сотен) аналогично тому, как уменьшается добротность обычного
контура, если его зашунтировать сравнительно малым сопротивлением.
Специальные лампы обычного типа (диоды, триоды и т. д.) для свч кон-
струируются так, чтобы междуэлектродные емкости и индуктивности выводов
были как можно меньшими. Для уменьшения влияния инерции электронов
расстояния между электродами делаются малыми. Принимаются меры
к уменьшению потерь энергии, в частности для баллона используется специ-
альное стекло с малыми потерями или радиокерамика. В генераторных лам-
пах особое значение приобретает хорошее охлаждение анода и всей лампы
в целом, гак как из-за увеличенных потерь энергии лампы сильно нагре
ваются.
Лампы обычного типа для свч предназначены для метрового и децимет-
рового диапазонов, но для сантиметровых волн большинство их непригодно.
Распространенными, хотя и устаревшими, являются лампы типа «желудь»,
которые применяются на метровых и частично на дециметровых волнах (для
частот не выше 600 Мгц). Особенности их конструкции уже были рассмотре-
ны в § 5.8 (см. рис. 5.15а).
Пальчиковые и сверхминиатюрные бесцокольные лампы,- в том числе
стержневые и со штампованными сетками, также применяются на метровых
волнах и лишь немногие из них в более длинноволновой части дециметрового
диапазона. Например, триоды 6С2П и 6С6Б применяются для генерирования
и усиления на частотах до 500 Мгц. Генерирование колебаний с частотой до
250 Мгц можно осуществить с двойным триодом 6Н15П. В специальной се-
рин батарейных пальчиковых ламп для работы на частотах до 120 Мгц вы-
пущен пентод 2Ж27П. Для метровых волн предназначена серия ламп с зам-
ковым -цоколем, например, пентоды 2Ж27Л (рис. 5.41 б), 2Ж28Л и другие.
251
Примером специальной лампы для воли не короче 10 см может служить
миниатюрный диод 2Д1С (рис. 5.59). Он имеет подогревный катод с рабо-
чей поверхностью в виде диска площадью порядка 1 мм2. На очень малом
_________________________ расстоянии от пего находится анод. Выводы
Ф20
Рис. 5.59, Миниатюрный
Диод для дециметровых
волн
подогревателя и катода имеют вид коротких
проводников, проходящих сквозь плоскую
ножку, т. е. утолщенное основание бал-
лона, а вывод анода сделан на верхний кон-
такт.
На рис. 5.60 показаны внешний вид и кон-
струкция генераторных маломощных триодов
типа 4СЗС или 12СЗС для воли не короче
30 см. В иих подогревный катод окружен сет-
кой обычного типа. Витки сетки соединены с
пластинкой, которая является выводом и слу-
жит для лучшего охлаждения. От нее сквозь
основание баллона лампы проходят два
штырька. Анод имеет вид цилиндра с про-
дольным разрезом, через который проходит
пластинка сетки. Вывод анода сделан пластин-
кой с дополнительным ребром для лучшего
охлаждения, а от нее через баллон выходят
два проводника. Конструкция выводов в фор-
ме пластинок с двумя штырьками дает неко-
торое уменьшение индуктивности. Эти лампы
на волне 30 см могут дать полезную мощность
порядка 0,3 вт.
Для дециметрового диапазона сконструи-
рованы лампы с дисковыми и цилиндрически-
ми выводами. Выводы в виде цилиндров и
дисков различных диаметров служат для удобного соединения лампы с коак-
сиальными резонансными линиями или объемными резонаторами. В этом слу-
чае выводы являются частью стенок той или
иной колебательной системы.
Рис. 5.60. Конструкция электродов (а) и
внешний вид (б) триода 12СЗС
Примером таких ламп служит «маячковый» триод (рис. 5.61). Его подогрев-
ный катод имеет эмиттирующую часть в виде диска. Вывод катода для по-
стоянного тока сделан на штырек цоколя. Кроме того, имеется еще высоко-
частотный вывод в виде цилиндра, связанного с катодом через емкость. Сет-
ка имеет форму диска и находится на расстоянии порядка 0,1 мм от катода.
252
Вывод сетки сделан в виде кольца, пересекающего стекло баллона. Такой вы-
вод имеет очень малую индуктивность. Его можно считать состоящим из
большого числа параллельно включенных и расположенных радиально
выводов, каждый из которых имеет форму прямого проводника. Но прн
параллельном соединении общая индуктивность и активное сопротивление
уменьшаются. Увеличивая число этих выводов, можно в конце концов слить
их в общее кольцо.
Анод впаян в стекло в виде сплошного цилиндра, причем его рабочая
поверхность имеет форму диска и расположена близко к сетке. Баллон лам-
пы состоит из двух самостоятельных цилиндрических частей, припаянных
с разных сторон к сеточному диску. Лампы этого типа имеют небольшую
мощность и применяются в усилителях высокой частоты приемников, гетеро-
динах, маломощных передатчиках. Например, маячковый триод 6С5Д может
генерировать колебания с частотой до 3370 Мгц и на этой частоте дает по-
лезную мощность порядка 35 мет.
С дисковыми и цилиндрическими выводами выпущены некоторые новые
лампы. Триод 6С13Д (рис 5.62 а) за счет устранения цоколя имеет меньшие
размеры, чем маячковые лампы. В ием сделан один вывод от подогревателя,
общий с кольцевым выводом катода. Такой триод в генераторах на частотах
до 3600 Мгц дает полезную мощность не менее 0,1 вт. Оригинальное устрой-
ство имеют триоды «карандашного» типа 6С11Д и 6С16Д (рис. 5.626), ге-
нерирующие колебания мощностью не менее 300 мет на частотах до 1800 Мгц.
Это металлические лампы с посеребренными цилиндрическими выводами ано-
да и катода и дисковым выводом сеткн. Представляет интерес сверхминиа-
тюрный титанокерамический триод 6С17К с цилиндрическими выводами
253
(рис. 5.62 в), Он предназначен для входных усилительных ступеней прием-
ников свч и относится к металлокерамическим приемно-усилительным лам-
пам; Для них последним элементом обозначения принята буква К. На пре-
Рис. 5.62. Новые типы ламп для свч:
а) стеклянный триод с дисковыми выводами (6С13Д); б) триод
«карандашного» типа (6С11Д и 6С16Д); в) сверхминиатюрный
титанокерамический триод с цилиндрическими выводами (6С17К)
дельной частоте 3000 Мгц этот триод дает усиление мощности в 12 раз, а на
частоте 1200 Мгц — в 40 раз.
Ряд специальных ламп для генераторов, и передатчиков свч рассматри-
вается в гл. 10.
§ 5.37. КЛИСТРОНЫ
На сантиметровых волнах успешно применяются клистроны, работа ко-
торых основана на модуляции (т. е. изменении) скорости электронного по-
тока, предложенной Д. А. Рожанским в 1932 г. В этих приборах значитель-
ное время пролета электронов не является вредным, а необходимо для нор-
мальной работы. Клистроны бывают пролетные (двухрезонаториые и много-
резонаторные), пригодные для генерации и усиления колебаний, и отража-
тельные (однорезонаториые), работающие только в качестве генераторов.
Первые пролетные клистроны были построены А. Арсеньевой в 1935 г. по
идеям Д. А. Рожанского. Отражательный клистрон изобретен в 1939 г.
В. Ф. Коваленко.
Схема устройства и включения пролетного двухрезонаториого клистрона
для усиления колебаний показана на рис. 5.63. Электронный поток от катода
к аноду проходит через две пары сеток, являющихся частями стенок двух
объемных резонаторов Р\ и Р2 (в некоторых клистронах вместо сеток сделаны
просто отверстия в стенках резонаторов). Первый резонатор Pi служит
входным контуром. К нему с помощью коаксиальной линии и витка связи
подводятся усиливаемые колебания с частотой f. Его сетки / и 2 образуют
модулятор (группирователь), в котором происходит модуляция скорости
электронов.
Второй резонатор Pt является выходным контуром. В нем получаются
усиленные колебания. Их энергия отбирается с помощью витка связи и коак-
сиальной линии. Сетки 3 и 4 образуют уловитель. На оба резонатора н на
254
анод подано положительное напряжение Up. Ойо создает между сеткой 1 и
катодом ускоряющее поле, под влиянием которого электроны влетают в мо-
дулятор со значительной начальной скоростью По-
Если в резонаторе Pi происходят колебания, то между сетками 7 и 2 есть
пепемевное электрическое поле, которое действует на электронный поток и из-
меняет (модулирует) его скорость. В тот полупернод, когда на сетке 2 име-
ется положительный, а на сетке 7 — отрицательный потенциалы >, поле между
сетками будет ускоряющим, и электроны, проходящие модулятор, получат
добавочную скорость До. Во время отрицательного полупериода на сетке 2
потенциал отрицательный, а на сетке 1 — положительный, т. е, переменное
поле становится тормозящим для элект-
ронов, которые уменьшают свою ско-
рость на величину До. Только те элект-
роны, которые проходят модулятор во
время нулевой фазы колебаний, продол-
жают свое движение со скоростью од.
Таким образом, в пространство меж-
ду сетками 3 и 2, называемое простран-
ством группирования (нли дрейфа),
попадают электроны с разными скоро-
стями. В этом пространстве нет электри-
ческого поля, так как между сетками 3
н 2 нет разности потенциалов, н электро-
ны летят по инерции с неизменными ско-
ростями. Электроны, имеющие большие
скорости, догоняют электроны, движу-
щиеся с меньшими скоростями, и в ре-
зультате электронный поток разби-
вается иа отдельные более плотные груп-
пы электронов — электронные сгустки.
Превращение равномерного электронно-
го потока в электронный сгусток пока-
зано на рис. 5.63 (электроны изображе-
ны точками). Можно сказать, что в ре-
зультате модуляции электронного пото-
ка по скорости в пространстве группи-
рования получается модуляция этого
Рис. 5.63. Схема устройства
двухрезонаторного пролет-
ного клистрона
потока по плотности.
Хорошее группирование возможно только в том случае, если изменение
скорости электронов под влиянием модулирующего переменного поля незна-
чительно по сравнению со скоростью, которую электроны получили от посто-
янного ускоряющего напряжения. Напряжение Up подбирается так, чтобы
наиболее плотный электронный сгусток получился в уловителе. Если Up
слишком велико, то сгусток получится на большем расстоянии (между
уловителем и анодом), а при слишком малом Uр он будет слишком близко
(в пространстве группирования). Отсюда следует, что ускоряющее напряже-
ние Up должно быть аполне определенным и стабильным.
Итак, в уловитель поступают электронные сгустки, следующие друг за
другом с частотой f. Они создают в резонаторе Р, импульсы индукционного
тока и возбуждают в нем колебания. Для получения максимальной ампли-
туды колебаний резонатор Рг должен быть настроен на частоту f, на которую
настроен н резонатор Рь Подобно тому, как в обычной усилительной ступени
высокой частоты импульсы анодного тока проходят через анодный колеба-
тельный контур и создают в нем усиленные колебания, так и в клистроне со-
стоящий из сгустков электронный поток, проходя через резонатор Рг, создает
в нем усиленные колебания. Усиление получается за счет энергии источника
1 Имеются в виду, конечно, переменные потенциалы.
255
постоянного напряжения Up, который создает ускоряющее поле. Электроны
получают в этом поле большую энергию, и благодаря тому, что в резонаторе
f*i происходит модуляция- их скорости, они отдают часть энергии резона-
тору Р2.
Электронные сгустки пролетают через резонатор Pi тогда, когда элек-
трическое поле в нем является тормозящим. Как известно, в этом случае
электроны отдают энергию. Пролетевшие резонатор Pi электроны далее по-
падают на анод и нагревают его. Часть электронов попадает и на сетки ре-
зонаторов. Если бы электронный поток не был модулированным, то он ие
мог бы поддерживать колебания в резонаторе Pi. Действительно, равномер-
ный электронный поток во время того полупериода колебаний, когда поле
в резонаторе ускоряющее, отбирал бы от резонатора некоторую энергию,
а во время следующего полулериода отдавал бы точно такое же количество
энергии. В результате ие происходило бы никакой отдачи энергии от элек-
тронов резонатору Pi.
Применим подобные же рассуждения к взаимодействию электронного
потока с резонатором Pt. В этот резонатор поступает равномерный электрон-
ный поток, который в один полупериод отнимает некоторую энергию от ре-
зонатора, а в следующий полупериод отдает такое же количество энергии
обратно. За целый период энергия от резонатора не отбирается. Это означа-
ет, что входное сопротивление модулятора для резонатора Р\ бесконечно
велико, т. е. нет потерь энергии на процесс модуляции электронов по ско-
рости. Однако из-за инерции электронов в модуляторе получается все же не-
большой расход энергии на модуляцию. Чтобы он был возможно меньше,
применяют более высокое ускоряющее напряжение Up и уменьшают расстоя-
ние между сетками модулятора.
Усиление мощности, даваемое двухрезонаторным клистроном, может
быть порядка нескольких десятков. Недостатком клистрона является то, чго
его кпд, представляющий отношение полезной колебательной мощности
в резонаторе Pi к мощности постоянного тока анодного источника, полу-
чается ниже 20%. Это объясняется следующими явлениями. Группирование
электронов не получается достаточно хорошим, гак как электроны вылета-
ют из катода с различными начальными скоростями. Между электронами
существует взаимное отталкивание, которое ухудшает группирование. Из-за
инерции электронов. ухудшается отдача их энергии резонатору Р2. Часть
электронов вообще ие группируется в сгустки и, следовательно, не участвует
в полезной работе. В результате большая часть энергии бесполезно тратится
на нагрев сеток н анода, так как все электроды в конечном счете с какой-то
скоростью попадают на эти электроды.
Двухрезонаториые клистроны применяются в качестве усилителей в пе-
редатчиках свч, причём полезная мощность в режиме непрерывной работы
может составлять сотни ватт, а в импульсном режиме — десятки киловатт.
Клистроны используют и для умножения частоты. Электронный поток в уло-
вителе является конвекционным током несинусоидальиой формы и имеет рез-
ко выраженные высшие гармоники. Настраивая резонатор Р2 на частоту той
или иной гармоники, получают умножение частоты. Амплитуда гармоник
с повышением их номера убывает медленно. Возможно умножение частоты
даже в 10 и более раз. Для усиления слабых сигналов в приемниках клистро-
ны мало пригодны, так как они создают большие собственные шумы.
Пролетные многорезонаторные клистроны с числом резонаторов более
двух сложнее по устройству, ио обладают преимуществами по сравнению
с двухрезонаторными клистронами. У многорезонаторных клистронов первый
резонатор является входным, а последний — выходным. Промежуточные ре-
зонаторы ни с чем не соединены. Под действием пульсирующего электрон-
ного потока в них возникают колебания и создается переменное электри-
ческое поле, которое дополнительно модулирует электронный поток и улуч-
шает группирование электронов. Поэтому в выходной резонатор попадают
более плотные сгустки электронов. В результате кпд возрастает (До 35—40%
256
более) и усиление мощности может доходить до нескольких миллионов.
Мощные миогорезонаторные клистроны успешно применяются в импульсных
радиопередатчиках и изготовляются на мощности до десятков мегаватт в им-
ПУЛЬДвухрезонаторный клистрон можно превратить в генератор с самовоз-
буждением, если устроить обратную связь между резонаторами Р2 и Pi, иа-
п мер соединив их с помощью коаксиальной линии, длина которой подби-
рается так чтобы получилась нужная фаза колебаний, подводимых обратно
к резонатору Р-- При правильной фазе электронные сгустки проходят через
Р в полупериоды, соответствующие тормозящему полю, и поддерживают ко-
лебания". Иногда в клистронах, имеющих общую стенку у резонаторов Р} и Р2.
делают дифракционную обратную связь в виде отверстия в этой стенке.
Рис. 5.64. Схема устройства
отражательного клистрона
резонатора делается с помощью
делают дифракционную обратную связь в
Генераторные двухрезонаторные клист-
роны не получили широкого распростране-
ния, так как генерации мощных коле-
баний выгоднее применять магнегроны,
у которых кпд значительно выше. А для
маломощных генераторов (гетеродинов)
более удобны отражательные клистроны,
имеющие только одни резонатор.
Схема устройства и включения отража-
тельного (одиорезонаториого) клистрона
показана на рис. 5.64 В нем один объем-
ный резонатор выполняет одновременно ро-
ли модулятора и уловителя. На резонатор
подано высокое постоянное напряжение Up,
служащее для ускорения электронов. За
резонатором находится отражатель — элек-
трод, имеющий отрицательное напряжение
Ue относительно катода. Для лучшей фо-
кусировки электронного потока катод бы-
вает окружен цилиндром, который назы-
вают фокусирующим электродом и соеди-
няют обычно с катодом. Вывод колебаний от
витка связи и коаксиальной линии.
Поток электронов под действием ускоряющего поля влетает в резонатор
и возбуждает в нем импульс индукционного тока. В резонаторе возникают
колебания, создающие между его сетками переменное электрическое поле.
Это поле модулирует электронный поток по скорости так же, как и в про-
летном клистроне. Таким образом, электроны с различными скоростями вы-
летают из резонатора в пространство группирования между резонатором и
отражателем, в котором действует сильное тормозящее поле.
Электроны в этом поле тормозятся, останавливаются, а затем ускорен-
ным движением возвращаются обратно в резонатор. Чем больше скорость
электрона, тем дальше он углубляется в тормозящее поле и тем больше вре-
мени находится в этом поле. В результате электроны, пролетевшие резонатор
во время положительного полупериода н получившие от переменного элек-
трического поля добавочную скорость, могут вернуться обратно в тот же мо-
мент, когда возвратятся электроны, пролетевшие резонатор позднее во время
отрицательного полупериода и получившие торможение со стороны перемен-
ного поля. .
Следующий пример иллюстрирует это. Если бросить вверх друг за дру-
гом с небольшими промежутками три одинаковых предмета, но первому
дать наибольшую скорость, а третьему — наименьшую, то все они могут
упасть обратно одновременно. При этом первый поднимется выше всех и бу-
дет в движении наибольшее время, а последний поднимется меньше всего
и возвратится через наименьший промежуток времени.
Хотя модуляция скорости в отражательном клистроне происходит так же,
как и в пролетном клистроне, но процесс группирования совершается иначе.
17-2607 257
Электроны, пролетающие первоначально резонатор в разные моменты, воз-
вращаются обратно в одни и тот же момент, т. е. группируются в сгусток.
Такой электронный сгусток может вернуться в резонатор в различные момен-
ты времени в зависимости от величины постоянных напряжений Up и Uo-
Электронные сгустки при возврате в резонатор отдают ему свою энергию
только тогда, когда они попадают в тормозящее поле, т. е. когда на сетке I
имеется отрицательный потенциал, а на сетке 2 — положительный (такое поле
для прямого потека электронов является ускоряющим). Больше всего энер-
гии электроны отдают в случае, если они возвращаются в момент амплитуд-
ной фазы тормозящего поля. Когда электронные сгустки возвращаются в ре-
зоиатор в
времени, они
другие
Вывод отражателя
Сетки
Винт для
настройки
Катод
адогрева-
тель
Коаксиальная b
линия-''' !
Стража
тель—
ОвьЕМный
резона-
тор
Злоктрон
нал
пушка
Вывод высоко-
частотной
' энергии
Рис. 5,65. Металлический отражате. ьный
клистрон
мощность у них обычно составляет сотые
шают меньше энергии и мощность
колебаний снижается. Если отда-
ваемая электронами энергия ста-
нет слишком малой, то колебания
вообще не будут поддерживаться
и затухнут. Для получения наи-
большей мощности необходимы
вполне определенные значения на-
пряжений ир и Uo, Особенно
сильно влияет напряжение отра-
жателя,
В отражательных клистронах
наблюдается много явлений, ухуд-
шающих группирование электро-
нов. К ним относятся взаимное
отталкивание электронов, неоди-
наковость их начальных скоро-
стей, неравномерность поля в
пространстве группирования и
около сеток, а также ряд других
причин. Поэтому у отражатель-
ных клистронов кпд весьма низок.
Ои не превышает 3—5%, а иног-
да бывает даже меньше 1%. Та-
кие клистроны не применяют для
мощностей более нескольких
ватт. Наибольшее распростране-
ние получили маломощные отра-
жательные клистроны для гете-
родинов приемников и измери-
тельной аппаратуры. Полезная
или десятые доли ватта.
Пример конструкции клистрона с внутренним резонатором на волну 3 см
показан иа рис. 5.65. По внешнему виду он напоминает металлическую лам-
пу. Объемный резонатор очень малых размеров (диаметр 10 мм и высота
около 2 мм) находится внутри металлического баллона. В ием имеется петлч
связи, от которой выведена коаксиальная линия диаметром примерно 3 мм.
Расстояние между сетками порядка 0,1 мм. Отражатель выведен на верхний
контакт, а катод и нить накала — на штырьки цоколя. Для настройки объем-
ного резонатора имеются две плоские пружины, которые можно сжимать
винтом. Пружины эти действуют на стенки резонатора и несколько изменяют
его объем.
Вообще для изменения частоты колебаний, генерируемых отражательным
клистроном, необходимо изменить собственную частоту резонатора и соот-
ветственно несколько изменить режим питания, например напряжение отра-
жателя, чтобы получились наивыгоднейшие условия самовозбуждения. Имен-
но так производят настройку на разные волны диапазонных отражательных
клистронов.
258
В небольших пределах частоту можно изменять также изменением на-
пряжения отражателя. Такой способ называют электронной настройкой. Если
увеличить отрицательное напряжение отражателя, то электронные сгустки
возвращаются в резонатор раньше и частота колебаний возрастает. А при
уменьшении Uo получается запаздывание возврата электронов в резонатор,
и частота колебаний уменьшается. Можно привести механическую ана-
логию электронной настройки. Пусть колебания маятника поддерживаются
кратковременными внешними толчками. Если эти толчкн даются в моменты,
когда маятник находится в крайнем положении, то частота колебаний равна
собственной частоте маятника. Но можно подталкивать маятник несколько
раньше, не давая ему дойти до амплитудного положения. В этом случае ча-
стота несколько увеличится. Для уменьшения частоты надо давать толчкн
так, чтобы каждое колебание маятника, наоборот, несколько затягивалось.
Пределы электронной настройки принято ограничивать условием уменьшения
полезной мощности не более, чем на 50%. Такая настройка обычно до-
пускается на несколько десятков мегагерц в ту или другую сторону, причем
на каждый вольт изменения напряжения отражателя получается изменение
частоты на десятые доли или единицы мегагерц.
Сильное влияние питающих напряжений и, в первую очередь, напряжения
отражателя на частоту заставляет применять стабилизированное питание
клистрона в тех случаях, когда частота должна быть стабильна.
§ 5.38 МАГНЕТРОНЫ
В магнетронах в результате совместного действия электрического и маг-
нитного полей на потоки электронов получается генерация колебаний высо-
кой частоты.
Еще с начала двадцатых годов советские ученые провели многочислен-
ные теоретические и экспериментальные исследования различных магнетро-
нов. В настоящее время широкое распространение получили многорезонатор-
ные магнетроны, идея создания которых была впервые выдвинута М. А. Бонч-
Бруевичем, а первые конструкции их разработали Н. Ф. Алексеев и
Д. Е. Маляров в 1936—1937 гг.
Рис. 5.66. Принцип устройства многорезонаториого
магнетрона
Устройство многорезонаториого магнетрона показано на- рис. 5.66 и 5.67.
К тод в большинстве случаев применяется оксидный подогревный с большой
(1югш'ХН°рТЬЮ ^иод ВДелан в виде массивного медного блока кольцевой
стпо Ы’ “акУУмное пространство между катодом и анодом называется про-
Р нством взаимодействия, В толще анода имеете* четное число, например
17* 259
восемь, резонаторов, состоящих из отверстия, соединенного щелью с прост-
ранством взаимодействия. Щель выполняет роль конденсатора. На ее по-
верхностях при колебаниях образуются переменные электрические заряды,
между которыми возникает переменное электрическое поле. Индуктивностью
резонатора является поверхность отверстия, которая эквивалентна одному
витку, сделанному из ленточного проводника. Большая поверхность витка
дает уменьшение активного сопротивления и индуктивности. В некоторых
типах магнетронов резонаторы делаются в виде четвертьволновой резонанс-
ной линии, роль которой выполняет щель длиной в четверть волны.
Рис. 5.67, Разрез многорезоиаторного магнетрона
Все резонаторы магнетрона сильно связаны друг с другом, так как
переменный магнитный поток одного резонатора замыкается через сосед-
ние резонаторы. Кроме того, резонаторы соединяют друг с другом опре-
деленным образом с помощью проводов, называемых связками (см.
рис. 5.67), Наружная часть анода обычно делается в виде ребристого ра-
диатора для лучшего охлаждения. С боковых сторон к аноду припаяны мед-
ные диски, которые вместе с анодом образуют баллон, необходимый для со-
хранения вакуума. Выводы от подогревателя сделаны в стеклянных трубках,
спаянных с анодом. Катод подключен внутри магнетрона к одному из вы-
водов подогревателя.
Для вывода энергии колебаний в одном из резонаторов имеется виток
связи, соединенный с коаксиальной линией. Ее вывод также делается с по-
мощью стеклянной трубки. Благодаря сильной связи между резонаторами
отбор энергии получается от всех резонаторов. Вместо коаксиальной линии
на очень коротких волнах иногда применяют волновод, соединенный с резо-
натором через щель. Анод магнетрона имеет высокий положительный потен-
циал относительно катода. Так как анод является корпусом магнетрона, то
260
его обычно заземляют, а катод находится под высоким отрицательным по-
тенциалом. Между анодом и катодом создается ускоряющее поле, силовые
линии которого расположены радиально, как в диоде с цилиндрическими
электродами. Вдоль оси магнетрона действует сильное постоянное магнитное
поле, созданное магнитом, между полюсами которого располагается маг-
нетрон.
Рассмотрим сначала движение электронов в магнетроне, предполагая,
что колебаний в резонаторах нет. Для упрощения изобразим анод без щелей
(рис. 5.68). Под влиянием ускоряющего электрического поля электроны
стремя гея лететь по силовым линиям, т. е. по радиусам, к аноду. Но магии г-
ное поле, действующее перпендикулярно электрическому полю, искривляет их
Рис. 5.68. Влияние
магнитного поля на
движение электронов
в магнетроне
Рис. 5.69. Вращающееся электронное
облако со спицами в магнетроне при
наличии колебаний в резонаторах
траектории. Так как скорость электронов постепенно нарастает, то они летят
не по дуге окружности, а по более сложной кривой. На рис. 5.68 показаны
траектории электрона, вылетевшего из катода с ничтожно малой начальной
скоростью, при различной величине напряженности магнитного поля Н.
Если Н=0, то электрон летит по радиусу 1. При напряженности поля
меньше некоторого критического значения Нкр электрон попадает на анод
по криволинейной траектории 2. Критическая напряженность поля Нкр со-
ответствует траектории 3, когда электрон пролетает у поверхности анода,
почти касаясь ее, и возвращается на катод. Наконец, если Н>Нкр, то
электрон летит по кривой 4.
Магнетроны работают при напряженности поля несколько больше крити-
ческой. Поэтому электроны при отсутствии колебаний пролетали бы близко к
поверхности анода. Так как движется очень большое количество электронов,
то можно считать, что вокруг катода вращается электронное облако в виде
кольца. Конечно, электроны не находятся в нем постоянно. Ранее вылетевшие
электроны возвращаются на катод, а на их место вылетают новые электроны.
Скорость вращения электронного облака зависит от анодного напряжения.
С увеличением этого напряжения электроны пролегают около анода с боль-
шей скоростью. При этом необходимо увеличивать и напряженность магнит-
ного поля для того, чтобы электроны не попадали на анод. Так как все резо-
наторы сильно связаны друг с другом, то они в целом представляют собой
сложную колебательную систему. Когда электронный поток впервые начинает
вращаться около щелей резонаторов (например, при включении анодного на-
пряжения), то в резонаторах появляются импульсы индукционного тока и
возникают собственные затухающие колебания.
261
Вращающийся с определенной скоростью электронный объемный заряд,
образованный совместным действием постоянных электрического и магнит-
ного полей, взаимодействует с переменными электрическими полями резона-
торов и поддерживает в них колебания. Процесс такого взаимодействия весь-
ма сложен. В результате его вращающееся электронное облако из кольцевого
превращается в своеобразное зубчатое (рис. 5.69).
При правильном режиме оно вращается с"такой скоростью, что зубцы про-
ходят мимо тех щелей, у которых в данный момент имеется тормозящее поле,
а промежутки между зубцами, наоборот, проходят мимо щелей с ускоряющи-
ми полями. Поэтому в итоге получается значительная отдача энергии от элек-
тронного потока резонаторам.
Источником этой энергии является анодный источник. Помимо полезной
энергии, конечно, получается и потеря энергии на разогрев катода н анода от
электронной бомбардировки, так как часть электронов попадает на анод, а
другая часть возвращается на катод. Коэффициент полезного действия маг-
нетронов может быть до 70% и даже выше. Магнетроны строятся на мощно-
сти до нескольких тысяч киловатт при импульсной работе. Помимо магнетро-
нов на одну фиксированную частоту, делаются также настраиваемые магне-
троны, в которых изменяется собственная частота резонаторов. Для этой цели
в отверстия резонаторов вводятся медные штырьки, которые уменьшают ин-
дуктивность, или в щели вводятся дополнительные металлические пластинки,
увеличивающие емкость.
§ 5.39. ЛАМПЫ БЕГУЩЕЙ И ОБРАТНОЙ ВОЛНЫ
Двухрезонаторные клистроны, применяемые в качестве усилителей, дают
малое усиление и имеют низкий кпд. Это объясняется тем, что электроны на
малом участке своего пути — в промежутке между сетками выходного резо-
натора — отдают лишь небольшую часть своей энергии. Иначе говоря, элек-
тронный поток, сгруппированный в сгустки, слишком мало взаимодействует
с электрическим полем выходного резонатора. Кроме того, у клистрона боль-
шой уровень собственных шумов и узкая полоса пропускаемых частот, объяс-
няющаяся наличием двух объемных резонаторов с высокой добротностью.
Расширение полосы за счет ухудшения качества резонаторов невыгодно, так
как это снижает усиление и кпд. Однако для усиления частотно-модулиро-
ванных и импульсно-модулированных сигналов, а также радиолокационных
сигналов, имеющих импульсный характер, необходима широкая полоса про-
пускаемых частот.
Недостатки, свойственные клистрону, в значительной степени устраняются
в лампе бегущей волны (ЛБВ). Усиление и кпд в ЛБВ могут быть получены
значительно выше, чем в клистроне. Это объясняется тем, что электронный
поток в ЛБВ взаимодействует с переменным электрическим полем на боль-
шом участке своего пути и отдает значительную часть своей энергии на соз-
дание усиленных колебаний. В ЛБВ полоса пропускаемых частот может быть
очень большой, так как в ЛБВ нет никаких колебательных систем. Ширина
полосы частот ограничивается не самой лампой, а различными дополнитель-
ными устройствами, служащими для связи лампы с внешними цепями и для
согласования отдельных элементов между собой. Лампы бегущей волны,
предназначенные для частот порядка тысяч мегагерц, имеют полосу пропус-
каемых частот порядка сотен мегагерц, что достаточно для радиолокации и
всех видов современной радиосвязи.
Устройство лампы бегущей волны показано схематически на рис. 5.70.
В одном конце удлиненного баллона помещается электронный прожектор,
имеющий подогревный катод К с фокусирующим электродом ФЭ и анод А, а
иногда еще я другие электроды. Электронный луч, созданный прожектором,
проходит далее внутри проволочной спирали, выполняющей роль внутрен-
него провода коаксиальной линии. Спираль укреплена на специальных изо-
ляторах. Наружным проводом этой линии нвляетсн металлическая трубка Т.
262
Фокусирующая катушка ФК, питаемая постоянным током, служит для сжатия
эпектронного луча по всей его длине, чтобы он не увеличил свои поперечные
п’азмеры нз-за взаимного отталкивания электронов. Вместо катушки для фоку-
сировки могут быть применены также постоянные магниты. Так как магнит-
ные фокусирующие системы очень громоздки, то в последнее время проводятся
успешные эксперименты по фокусировке электронного луча в ЛБВ с помощью
электрического поля.
Усиливаемые электромагнитные колебания подводятся к ЛБВ с помощью
входного волновода В|, в котором помешается приемный штырек Шъ являю-
щийся началом спирали На конце спирали имеется штырек Ш2, возбуждаю-
щий колебания в выходном волноводе В2. Плунжеры П\ и П2 служат для со-
гласования волноводов со спиралью. Это необходимо для того, чтобы вдоль
спирали распространялась бегущая волна. Электронный луч, пройдя спираль.
Рис. 5.70. Принцип устройства лампы бегущей волны
попадает на коллектор К'- Спираль электрически соединена с коллектором.
В ЛБВ на частоты до 4000 Мгц связь спирали со внешними цепями осуществ-
ляют с помощью, коаксиальных линий, так как волноводы для этих частот
слишком громоздки.
Электромагнитная волна распространяется вдоль провода спирали, т. е.
по винтовой линии, со скоростью, близкой к скорости света с=300 000 км/сек.
А скорость распространения волны вдоль оси спирали v во столько раз мень-
ше скорости с, во сколько окружность витка спирали больше ее шага. Спи-
раль конструируется обычно так, что г>«0,1с=30 000 км/сек. Поскольку
вдоль спирали волна распространяется с уменьшенной скоростью, то спираль
является замедляющей системой. Практически спираль имеет десятки или
даже сотни витков. Для сантиметровых волн длина спирали может быть по-
рядка 10—30 см, а ее диаметр составляет несколько миллиметров.
На рис. 5.71 даиа картина электрического поля на некотором участке внут-
ри спирали для случая, когда одна длина волны располагается на протяже-
нии шести витков. Сама спираль изображена в разрезе. Знаками плюс и минус
показано распределение потенциалов на проводе спирали, причем большие
плюсы и минусы соответствуют более высокому потенцизлу. Изображенная
картина поля соответствует какому-то моменту времени. Так как волна бежит
по спирали, то поле, показанное на рис. 5.71, вращается вокруг оси спирали
и перемещается вдоль этой оси со скоростью о. Участок спирали на протяже-
нии одной полуволны (АБ) имеет тормозящее поле для электронов, а в дру-
гой полуволне — ускоряющее поле (ЕВ). Вдоль спирали чередуются участки
ускоряющего и тормозящего полей. Существует, конечно, еще электрическое
поле между спиралью и внешней металлической трубкой, но оно не взаимо-
действует с электронным лучом, Вокруг витков спирали есть также перемен-
263
ное магнитное поле, но электроны не имеют энергетического взаимодействия
с ним.
Скорость электронного луча, попадающего в спираль, должна быть не-
много больше V, т. е. она тоже порядка 0,1с. Это достигаегся тем, что на-
пряжение на аноде устанавливается несколько больше 2500 в. В результате
взаимодействия электронного луча с переменным электрическим полем бегу-
щей волны получается модуляция электронов по скорости и группировка их в
сгустки.
Если в начале спирали в данный момент оказывается участок тормозящего
поля, то электроны на нем тормозятся и далее продолжают двигаться в пре-
делах этого же участка к концу спирали, группируясь в более плотный сгу-
сток. Постепенно уменьшая скорость, они все время отдают энергию полю,
усиливая бегущую волну.
Направление движения волны и электронов
Рис. 5.71. Электрическое поле бегущей волны внутри
спирали
Если же электроны в начале спирали влетают в участок ускоряющего поля,
то они увеличивают свою скорость и, обгоняя поле, постепенно переходят в
следующий участок, где поле тормозящее. Поэтому, хотя сначала они отнимут
от бегущей волны энергию, но далее возвращают ее волне.
Таким образом, на участках тормозящего поля образуются электронные
сгустки, отдающие все время энергию волне, а на участках ускоряющего поля
возникает уменьшение плотности электронного луча. Вследствие этого элек-
троны луча отдают бегущей волне значительную энергию на протяжении всей
спирали. Амплитуды тока и напряжения бегущей волны по мере ее перемеще-
ния к концу спирали увеличиваются. При этом становятся сильнее ускоряю-
щее и тормозящее поля волны, а значит, усиливается и эффект группирования
электронов в сгустки. Но тогда увеличивается и отдача энергии электронами
волне. В результате такого постепенно усиливающегося процесса на выходе
получаются значительно усиленные колебания.
При большом усилении н плохом согласовании спирали с волноводами по-
является волна, отраженная от выходного конца спирали. Дойдя до входного
конца, такая волна снова отражается, усиливается, затем опять отражается от
выходного конца и т. д. В результате возникает самовозбуждение, т. е. ЛБВ
начинает генерировать собственные колебания, что недопустимо при усилении.
Для устранения этого нежелательного явления небольшую часть спирали в
начале или середине ее делают из провода высокого сопротивления, чтобы
поглотить энергию отраженной волны. Часто в качестве поглотителя приме-
няют слой графита на поверхности баллона или на изоляторах, поддержи-
вающих спираль.
В ЛБВ для более коротких сантиметровых н миллиметровых волн спираль
заменяют замедляющими системами других типов, так как трудно 'изготовить
спираль очень малых размеров. Эти замедляющие системы представляют со-
бой волноводы сложной зигзагообразной конструкции или имеющие стенки в
виде гребенок. Вдоль таких волноводов электронный луч пропускается по пря-
мой линии, а электромагнитная волна распространяется с пониженной ско-
ростью. Подобные замедляющие системы применяются также в мощных ЛБВ,
так как спираль не может выдержать рассеяния в ней большой мощности.
264
в настоящее время разработано много различных типов ЛБВ. Маломощ-
ные ЛБВ с выходной мощностью до десятков милливатт, обладающие малы-
ми собственными шумами, имеются для частот от 1000 до 50 000 Мгц. Они
дают усиление мощности до сотен тысяч. Мощные ЛБВ на частоты до
10 000 Мгц имеют выходную мощность десятки и сотни ватт, а кпд у них
может доходить до 30—40%. Усиление мощности в этих ЛБВ получается до
тысяч. При работе в импульсном режиме они могут дать мощность импульсов
до 10 Мет и более. Кроме того, ЛБВ применяются в качестве преобразовате-
лей и умножителей частоты, генераторов и в ряде других случаев.
Принципы работы ЛБВ послужили основой для создания лампы обратной
волны (ЛОВ), которую иногда также называют карцинотроном. Эта лампа в
отличие от ЛБВ является генератором сантиметровых и миллиметровых волн.
В ЛОВ применяются также волноводные замедляющие системы, как и в ЛБВ,
но волна и электронный луч движутся навстречу друг другу. Первоначальные
слабые колебания в ЛОВ получаются за счет флуктуаций электронного пото-
ка, затем они усиливаются и возникает генерация. Путем изменения постоян-
ного напряжения, создающего электронный луч, можно в очень широком
диапазоне частот осуществлять электронную настройку ЛОВ. Созданы мало-
мощные ЛОВ на частоты до 200000 Мгц, имеющие полезную мощность гене-
рируемых колебаний до десятых долей ватта при кпд порядка единиц про-
центов. Для частот до 10 000 Мгц разработаны ЛОВ с полезной мощностью в
десятки киловатт при непрерывном режиме работы и в сотни киловатт при им-
пульсном режиме.
Генераторные ЛОВ малой и средней мощности с прямолинейным элек-
тронным лучом называют карцинотронами типа О. Для больших мощностей
применяют ЛОВ, называемые карцинотронами типа М, в которых электрон-
ный луч под действием магнитного поля движется по окружности. Замедля-
ющая система в этих лампах также располагается по окружности, а попе-
речное магнитное поле создается постоянным магнитом так же, как и в магне-
троне.
§ 5.40. ВОПРОСЫ И ЗАДАЧИ
1. Чем объясняется односторонняя проводимость диода?
2. Объясните, что произойдёт с электроном, вылетевшим из накаленного
катода, если на аноде отрицательный потенциал относительно катода.
3. Батарея накала имеет напряжение 3 в. Для накала лампы необходимо
напряжение 2 в при токе 80 ма. Определите величину сопротивления, которое
необходимо включить последовательно с нитью во избежание перекала.
4. Каковы преимущества и недостатки активированных катодов?
5. Как объяснить существование небольшого анодного тока при Ua=0?
6. Некоторые лампы могут после выключения накала работать еще не-
сколько секунд. Какие это лампы?
7. Почему нельзя допускать у многих ламп, чтобы при нормальном анод-
ном напряжении анодный ток был равён току насыщения?
8. Как изменяется электронное облачко у катода при изменении накала?
9. Крутизна триода S=2,5 ма)в. На сколько миллиампер изменится
анодный ток, если изменить напряжение с —2 в до+3 в?
10. При изменении напряжения управляющей сетки от —10 в до +12 в
анодный ток изменяется от 0 до тока насыщения 55 ма. Можно ли по этим
данным определить крутизну характеристики?
11. Внутреннее сопротивление лампы Rt =8 kojh. Насколько изменится
анодный ток, если анодное напряжение изменить со 120 в до 100 в?
12. Как изменяется внутреннее сопротивление лампы постоянному току при
изменении напряжения сегки?
13. Какую роль играет анодное сопротивление Ra в ступени усиления?
14. Коэффициент усиления ступени к=25. Переменное напряжение управ-
ляющей сетки Umc =0,1 в. Анодное нагрузочное сопротивление Ra =20 ком.
Найдите переменное анодное напряжение и переменный анодный ток.
26в
15. Если сетка лампы ни с чем не соединена, то она при работе лампы за-
ряжается до некоторого отрицательного потенциала. Как это объяснить?
16. Лампа имеет коэффициент усиления р=40. Изменение напряжения
на управляющей сетке на 2 в при постоянном анодном напряжении изменяет
анодный ток на 6 ма. Насколько надо изменить анодное напряжение при по-
стоянном напряжении на сетке, чтобы анодный ток изменился на 12 ма?
17. Характеристика триода при нормальном анодном напряжении располо-
жена в области отрицательных напряжений на управляющей сетке («левая
характеристика»). Какую сетку — густую или редкую—имеет этот триод?
Какова у него величина g — большая или малая?
18. Емкость анод — сетка триода С ас — Ю пф. Найдите сопротивление этой
емкости для токов с частотой fi=4 Мгц и /г=40 гц.
19. Почему в тетродах напряжение на экранирующей сетке должно быть
меньше, чем на аноде?
20. Анодный источник дает напряжение 240 в. Определите величину напря-
жения на экранирующей сетке, если оно подается через поглощающее сопро-
тивление в 50 ком, а ток экранирующей септи /с2 =3 ма.
21. Нить лампы проводит ток. Можно ли считать лампу исправной?
22. Почему прн испытании ламп на наличие эмиссии, когда анод замы-
кается со всеми сетками, анодное напряжение берется ниже нормального?
23. За счет чего уничтожается вторичная эмиссия в лучевых тетродах?
24. Начертите две сеточные характеристики для различных анодных напря-
жений и объясните, как по ним определить параметры ц, /?;, S.
25. Если управляющая сетка задерживает 98% силовых линий электриче-
ского поля анода, то чему равен коэффициент усиления лампы?
26. Что такое динамический режим работы лампы и чем он отличается от
статического режима?
27. Определите коэффициент усиления ступени, если при подведении к
управляющей сетке переменного напряжения 150 мв на анодном сопротивле-
нии получается переменное напряжение 3 в.
28. Почему в схеме для снятия характеристики лампы для регулировки
анодного напряжения применяют потенциометр, а не реостат?
29. Нить лампы при нормальном напряжении накала 2 в потребляет 80 ма.
Найдите сопротивление нити и объясните, почему при измерении этого сопро-
тивления омметром получился результат 5 ом?
30. Чему равно напряжение управляющей сетки, если ее соединить провод-
ником с минусом нити?
31. Начертите схему включения пентода в ступень усиления высокой часто-
ты с подачей напряжения на экранирующую сетку через делитель,
32. В ступени усиления прн изменении напряжения управляющей сетки
анодное напряжение также изменяется. Как изменится анодное напряжение,
если на управляющую сетку дать положительный потенциал и если дать на
нее отрицательный потенциал?
33. Лампа имеет Ri =20 ком я ц=30. Анодное сопротивление Ra =
=40 ком. Найдите переменное напряжение на Ra и коэффициент усиленна
ступени, если переменное напряжение управляющей сетки равно 1,2 в.
34. Изменение анодного тока на 2 ма получается в лампе либо изменением
анодного напряжения на 50 в, либо изменением напряжения управляющей
сетки на 1,25 в. Найдите параметры лампы: ц, Ri и S.
35. Какое энергетическое взаимодействие существует между электрическим
полем и движущимся в нем электроном?
36. С какой скоростью ударяет в анод диода электрон, если анодное на-
пряжение 25 в?
37. Из анода тетрода вылетает вторичный электрон с начальной скоростью
10 в. Попадает ли он на экранирующую сетку с напряжением 150 в, если на
аноде напряжение 200 в?
38. Какое действие оказывает магнитное поле иа движущиеся электроны?
39. Почему принято говорить, что электронные приборы представляют со-
бой нелинейные сопротивления?
266
40. Как математически определяются внутренние сопротивления диода и
триода для переменного и постоянного тока?
41. Что такое обратное напряжение в диоде и почему нельзя допускать
чрезмерно большое значение этого напряжения?
42. Как работает ламповый генератор с самовозбуждением и что в нем
называют обратной связью?
43. За счет какой энергии происходит усиление электрических колебании
в усилительной ступени?
44. Почему в современных лампах ие наблюдается резко выраженное яв-
ление насыщения?
45. В чем разница между крутизной диода и крутизной триода?
46. Перечертите на клетчатую нли миллиметровую бумагу характеристики
по рис. 5.26 и постройте на этом графике динамическую характеристику (ли-
нию нагрузки) для случая, когда Напряжение анодного источника Еа =300 в
и сопротивление нагрузки Ra =60 ком. Найдите для этого случая анодный ток
н анодное напряжение при напряжении сетки — 2 в.
47. Какими способами достигается увеличение крутизны усилительных
ламп?
48. В чем заключается вредное влияние сходной и выходной емкостей уси-
лительной ламны?
49' . Почему тетроды и пентоды имеют более высокий коэффициент усиле-
ния, чем триоды?
50. Почему в пентоде прн изменении анодного напряжения в больших пре-
делах (начиная от некоторого значения) анодный ток изменяется очень мало?
51. Каковы причины собственных шумов электронных ламп?
52. Как работает лампа с вторичной эмиссией?
53. В чем заключаются достоинства и недостатки ламп с катодной сеткой?
54. Как осуществляется регулировка яркости изображения в электронно-
лучевой трубке?
55. Покажите на схеме рис. 5.50 а цепь тока электронного луча.
56. Как надо изменить напряжение первого анода электроино-лучевой
трубки, чтобы усилить фокусировку электронного луча?
57. Почему люмннесцнрующий экран электронно-лучевой трубки должен
обладать вторичной электронной эмиссией?
58. В чем состоят явления ионизации и рекомбинации при электрическом
разряде в газе?
59. Почему при электрическом разряде в газе наблюдается свечение газа?
60. В чем сходство и различие между тлеющим и дуговым разрядами?
61. Рассчитайте ограничительное сопротивление к стабилитрону СГ4С, ес-
ли напряжение источника изменяется от 180 до 220 в и ток нагрузки 7,5 ма.
62. Как можно объяснить, что напряжевне на стабилитроне остается поч-
ти постоянным при значительном изменении тока в нем?
63. В каких случаях катод газотрона может разрушаться ионной бомбар-
дировкой?
64. Почему ионные приборы с дуговым разрядом имеют очень малое вну-
треннее сопротивление?
65. Почему после зажигания тиратрона его сетка теряет свое управляю-
щее действие?
66. Как работает тиратрон тлеющего разряда?
67. В чем заключается вредное влияние инерции электронов при работе
электронных ламп на свч?
68. Почему обычные лампы плохо работают на свч?
69. Как работает пролетный двухрезонаторный клистрон? За счет какой
энергии в нем происходит усиление колебаний?
70, Что такое электронная настройка отражательного клистрона?
71. Как устроен и работает многорезонатормын магнетрон?
267
ГЛАВА 6.
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ
§ 6.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРАХ
Техника полупроводниковых приборов стала самостоятельной
большой областью электроники. Замена электронных ламп по-
лупроводниковыми диодами и триодами успешно осуществлена
во многих радиотехнических устройствах.
На всем протяжении развития радиотехники широко приме-
нялись кристаллические детекторы, представляющие собой полу-
проводниковые выпрямители, называемые теперь полупроводни-
ковыми (или кристаллическими) диодами. Много лет для вы-
прямления переменного тока электрической сети используются
полупроводниковые выпрямители — купроксные и селеновые.
Однако последние непригодны для высоких частот, а кристалли-
ческие детекторы старых конструкций не обладают устойчи-
востью в работе. Принцип действия полупроводниковых выпря-
мителей и кристаллических детекторов долгое время не был
ясен.
Еще в 1922 г. сотрудник Нижегородской радиолаборатории
О. В. Лосев обнаружил генерирование электрических колебаний
с помощью кристаллического детектора и сконструировал при-
емник кристадин, в котором за счет генерации собственных ко-
лебаний получалось усиление принимаемых радиосигналов. Он
имел значительно большую чувствительность, нежели обычные
приемники с кристаллическим детектором. Открытие Лосева,
к сожалению, не получило должного развития в последующие
годы.
Полупроводниковые (или кристаллические) триоды, получив-
шие название транзисторов, предложили в 1948 г. американские
ученые Бардин,'Браттейн и Шокли. После этого полупроводни-
ковые радиотехнические приборы стали развиваться особенно
быстро, и в настоящее время промышленность выпускает боль-
шое количество полупроводниковых диодов и транзисторов раз-
личных типов.
По сравнению с электронными лампами у полупроводниковых
диодов и транзисторов имеются следующие достоинства:
1) малый вес и малые размеры;
263
2) отсутствие затраты энергии на накал катода;
3) большой срок службы (до десятков тысяч часов);
4) большая механическая прочность (стойкость к тряске,
ударам и другим видам механических перегрузок);
5) различные устройства (выпрямители, усилители, генера-
торы) с полупроводниковыми приборами имеют высокий кпд, так
как потери энергии в них незначительны;
6) маломощные устройства с транзисторами могут работать
при очень низких питающих напряжениях.
Вместе с тем полупроводниковые приборы в настоящее вре-
мя обладают и следующими недостатками:
1) параметры и характеристики отдельных экземпляров при-
боров данного типа отличаются друг от друга;
2) свойства приборов сильно зависят от температуры;
3) наблюдается значительное изменение свойств приборов с
течением времени (старение);
4) собственные шумы гораздо больше, нежели у электронных
приборов;
5) большинство транзисторов непригодно для работы на час-
тотах свыше нескольких десятков мегагерц;
6) входное сопротивление транзисторов значительно меньше,
чем у вакуумных триодов;
7) транзисторы пока еще не изготовляются для больших
мощностей;
8) работа полупроводниковых приборов резко ухудшается
нод действием радиоактивного излучения.
В последнее время широким фронтом ведутся исследования
по улучшению полупроводниковых приборов и по применению
для них новых, материалов. Созданы полупроводниковые выпря-
мители на токи в тысячи ампер. Применение кремния вместо
германия позволяет эксплуатировать приборы при температурах
до 250°С. Опытные транзисторы работают на частотах до
1000 Мгц и выше. Расширение рабочего диапазона частот дают
также полупроводниковые тетроды и некоторые новые типы по-
лупроводниковых приборов. Можно не сомневаться в том, что
недостатки полупроводниковых приборов будут постепенно
устранены.
Транзисторы могут работать почти во всех устройствах, в ко-
торых применяются вакуумные лампы, за исключением аппара-
туры для сверхвысоких частот. В настоящее время транзисторы
успешно применяются в усилителях, приемниках, передатчиках,
генераторах, телевизорах, измерительных приборах, импульсных
схемах, электронных счетных машинах и во многих других
устройствах.
Использование полупроводниковых приборов дает огромную
экономию в расходовании электрической энергии источников пи-
тания и позволяет во много раз уменьшить размеры аппаратуры.
269
Минимальная мощность для питания электронной лампы состав-
ляет 0,1 вт и более, а для транзистора она может быть 1 мквт.
т. е. в 100000 раз меньше.
На транзисторах работают миниатюрные радиоприемники и
передатчики. Для их питания достаточно батарейки от карман-
ного фонаря или даже одного элемента. Специально для аппа-
ратуры с полупроводниковыми приборами сконструированы ма-
логабаритные радиодетали, благодаря которым удалось по-
строить аппаратуру весьма малых размеров. Например, имеются
приемно-передающие радиостанции, смонтированные в микроте-
лефонной трубке, причем для их питания используется энергия
звуков голоса человека, говорящего в микрофон. Сверхминиатюр-
ный радиопередатчик на транзисторе, находящийся вместе со
специальными приборами в капсуле, заглатываемой больным,
передает сигналы о состоянии желудочно-кишечного-тракта, по
которому движется капсула.
Успешное развитие полупроводниковых приборов, конечно, не
может привести к полному вытеснению электровакуумных при-
боров, в совершенствовании которых достигнуты также большие
результаты. В одних случаях целесообразнее использовать по-
лупроводниковые приборы, в других — лучше работают элек-
тронные лампы.
§ 6.2. ЭЛЕКТРОННАЯ И ДЫРОЧНАЯ ПРОВОДИМОСТИ
ПОЛУПРОВОДНИКОВ
Полупроводники представляют собой группу веществ, кото-
рые по своей проводимости занимают среднее место между про-
водниками и диэлектриками. Для полупроводников характерен
отрицательный температурный коэффициент электрического со-
противления в широкой области температур. При возрастании
температуры сопротивление полупроводников уменьшается, а не
увеличивается, как у большинства твердых проводников. Как
правило, полупроводники имеют кристаллическое строение.
Принципы работы полупроводниковых диодов и транзисторов
связаны с электрической проводимостью полупроводников. Ис-
следования советских и иностранных ученых показали, что су-
ществуют полупроводники двух основных типов. Одни полупро-
водники, например окислы алюминия, цинка, титана и др., обла-
дают подобно металлам электронной проводимостью и
называются полупроводниками типа п (от слова negative — от-
рицательный), так как в них ток представляет собой перемеще-
ние электронов, т. е. отрицательно заряженных частиц. В этих
полупроводниках имеется большое количество полусвободных
электронов, которые очень слабо связаны с ядрами атомов и
совершают беспорядочное тепловое движение между атомами
кристаллической решетки. Под действием разности потенциалов
270
полусвободные электроны получают дополнительное движение
в определенном направлении, которое и является электрическим
Напрадление лоля и перемещения дырок
(®)НеиатомШи, ^Ль'1жа •Электрон
Рис. 6.1. Принцип дырочной проводи-
мости
током.
Полупроводники второго типа, к которым относятся закись
меди, селен и другие вещества, обладают так называемой ды-
рочной проводимостью и называются полупроводниками типа р
(от слова positive — положительный). Электрический ток в них
следует рассматривать как пе-
ремещение положительных
зарядов. В полупроводниках
типа р полусвободных элект-
ронов нет. Поэтому в них
электроны не могут двигаться
так, как в полупроводниках
типа п. Атом полупроводника
типа р под влиянием тепловых
или других воздействий может
потерять один из более уда-
ленных от ядра электронов.
Тогда атом будет иметь поло-
жительный заряд, численно
равный заряду электрона. По-
добный атом не следует назы-
вать ионом. В проводниках с
ионной проводимостью, напри-
мер в электролитах, ток пред-
ставляет собой движение ио-
нов (слово «ион» означает
путешественник), а в полу-
проводниках типа р механизм
перемещения зарядов иной. В этих полупроводниках кристал-
лическая решетка достаточно прочна. Ее атомы, лишенные элек-
тронов, не передвигаются, а остаются на своих местах.
Отсутствие электрона в атоме полупроводника, т. е. наличие
в атоме положительного заряда, называют дыркой. Это название
подчеркивает, что в атоме не хватает одного электрона, г. е.
образовалось свободное место. Дырки ведут себя, как элемен-
тарные положительные заряды. Дырочная проводимость состоит
в том, что под влиянием разности потенциалов перемещаются
дырки, а это эквивалентно перемещению положительных за-
рядов.
Рассмотрим рис. 6.1, на котором изображено для различных
моментов времени несколько атомов, расположенных вдоль по-
лупроводника. Пусть в начальный момент времени в крайнем
атоме слева появилась дырка вследствие того, что из атома
ушел электрон (рис. 6.1с). Атом с дыркой имеет положитель-
ный заряд и может притянуть к себе электрон из соседнего ато-
271
ма. Если в полупроводнике действует электрическое поле (раз-
ность потенциалов), то это поле стремится двигать электроны
в направлении от отрицательного потенциала к положительному.
Поэтому в следующий момент из атома, расположенного пра-
вее (в сторону более отрицательного потенциала), один электрон
перейдет в первый атом и заполнит дырку, а новая дырка об-
разуется во втором атоме (рис. 6.16). Далее, один электрон
из атома 3 перейдет в атом 2 и заполнит в нем дырку. Тогда
дырка возникнет в атоме 3 (рис. 6.1е).
Такой процесс будет продолжаться и дырка перейдет из край-
него левого атома в крайний правый. Иначе говоря, первона-
чально возникший в атоме 1 по-
Тип п
Тип р
© © - Дгпомы кристалла-
ческой решётки, за-
_ ряженные полажитель-
’ на или отрицательно
Рис. 6.2. Прохождение тока через
полупроводники с электронной (а)
и дырочной (б) проводимостями
ложительный заряд перейдет в
атом 6 (рис. 6.1е).
При дырочной проводимости
в действительности перемещают-
ся электроны, но более ограни-
ченно, чем при электронной про-
водимости. Электроны переходят
из данных атомов только в со-
седние. Результатом этого яв-
ляется перемещение положитель-
ных зарядов — дырок — в на-
правлении, противоположном
движению электронов.
Можно привести следующую
аналогию дырочной проводимо-
сти. Представим себе зал с ряда-
ми кресел, заполненных зрителя-
ми. Пусть один зритель из перво-
го ряда встал и ушел, а на осво-
бодившееся кресло пересел зри-
тель из второго ряда. В свою
очередь, на кресло второго ряда, ставшее' свободным, пересел
зритель из третьего ряда и т. д. Когда освободилось место в
предпоследнем ряду, на него перешел зритель из последнего
ряда. Свободное место, аналогичное дырке, перешло из первого
ряда в последний, хотя все кресла оставались на своих местах.
Пересаживались лишь зрители (аналогичные электронам) двух
соседних рядов, и произошло это потому, что ушел зритель из
первого ряда, а каждый следующий зритель стремился занять
место ближе к сцене. Аналогично электронную проводимость
следует представить в виде перехода зрителя из последнего ря-
да через весь зал в первый ряд.
Прохождение тока через полупроводники показано на рис. 6.2.
Дырки изображены в виде кружочков, а электроны — в виде
точек. В полупроводнике типа п (рис. 6.2 а) под действием эдс
272
источника в проводах, соединяющих полупроводник с источни-
ком, и самом полупроводнике движутся полусвободные элек-
троны. При дырочной проводимости (рис. 6.2 6) в соединитель-
ных проводах по-прежнему движутся электроны, а в полупро-
воднике ток следует рассматривать как перемещение дырок.
Электроны с отрицательного полюса А поступают в полупровод-
ник и заполняют пришедшие к этому полюсу дырки. Такое
объединение электронов с дырками называют рекомбинацией.
К положительному полюсу Б приходят электроны из соседних ча-
стей полупроводника, и в этих частях образуются дырки, кото-
рые перемещаются от правого края к левому.
В данном полупроводнике электронная, или дырочная, прово-
димость получается путем добавления различных примесей. На-
пример, германий, используемый в современных полупроводни-
ковых приборах, обладает проводимостью типа п, если к нему
добавить сурьму или мышьяк. Их атомы, взаимодействуя с ато-
мами германия, легко теряют по одному электрону. В резуль-
тате получается большое количество полусвободных электронов
Примеси, у которых атомы отдают свои электроны, называют
донорами или донаторами. Если же германий содержит примеси
индия или алюминия, то их атомы, наоборот, отнимают электро-
ны от атомов германия, и тогда образуются дырки. Вещества-
примеси, создающие дырочную проводимость, принято называть
акцепторами («захватчиками»).
Практически не существует полупроводников с чисто элект-
ронной или чисто дырочной проводимостью. Всякий полупровод-
ник имеет ту и другую проводимость, но одна из них преобла-
дает. Например, у полупроводника типа р главную роль играет
дырочная проводимость, но вместе с тем есть и электронная
проводимость.
Химически чистые полупроводники обладают собственной
проводимостью, которую в отличие от проводимости, обусловлен-
ной наличием примесей, обозначают буквой I. Эта проводимость
наполовину электронная и наполовину дырочная. При весьма
низкой температуре полупроводник практически является ди-
электриком. Но при повышении температуры проводимость его
возрастает, так как все большее количество электронов, бывших
ранее связанными, переходит в полусвободное состояние и вместе
с тем возникает такое же количество дырок.
В 1 см3 германия содержится около 1022 атомов и при тем-
пературе 20°С возникает 1013 полусвободных электронов и столь-
ко же дырок. Для кремния этого число равно 1011. Следователь-
но, в чистом полупроводнике число носителей зарядов, способ-
ных своим перемещением образовать ток, составляет миллионные
и миллиардные доли процента общего числа атомов.
В металлических проводниках все электроны внешних обо-
лочек атомов являются полусвободными и могут перемещаться
18—2607 273
вдоль проводника. Таким образом, в металлах число полусво-
бодных электронов равно числу атомов или больше его. Поэтому
проводимость металлов в миллионы и миллиарды раз больше,
чем у полупроводников.
Полупроводник без примесей обладает только собственной
проводимостью. При наличии примесей существует как собствен-
ная проводимость i, так и примесная типа р или п в зависи-
мости от рода примеси. Чтобы примесная проводимость преоб-
ладала, в каждом кубическом сантиметре полупроводника чис-
ло атомов примеси должно быть больше числа собственных но-
сителей заряда.
Например, для германия при комнатной температуре число
атомов примеси должно быть больше 1013 на 1 см3, в котором
содержится 1022 атомов германия.
Как видно, ничтожное количество примеси (для германия —
более одного атома примеси на миллиард атомов самого герма-
ния или миллионные доли процента примеси) существенно из-
меняет характер и величину проводимости полупроводника. По-
лучение полупроводников с таким малым и вполне определенным
содержанием примеси является сложным процессом. Особенно
трудно получить относительно чистый полупроводник, так как
допускается не более одного атома примеси на 10 млрд, атомов
для чистого германия и не более одного атома на 100 млрд, ато-
мов для чистого кремния.
§ 6.3. ВЫПРЯМЛЕНИЕ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
В ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНОМ ПЕРЕХОДЕ
Область по обе стороны от границы двух полупроводников
с различными типами проводимостей называется электронно-ды-
рочным или р-п-переходом. Толщина этой области достаточно
мала (порядка 10“5 см).
Электронно-дырочный переход обладает свойством несимме-
тричной проводимости, т. е. является нелинейным сопротивлени-
ем, и поэтому используется для выпрямления переменного тока.
На рис. 6.3 показано прохождение тока через контакт двух по-
лупроводников с разными проводимостями, например германия р
и германия п.
Будем пока считать, что левый полупроводник обладает чисто
дырочной проводимостью, а правый — чисто электронной. Пусть
внешнее напряжение таково, что полупроводник р находится под
положительным потенциалом, а полупроводник п — под отри-
цательным (рис. 6.3 а). Под действием такого напряжения
называемого прямым, электроны в полупроводнике п движутся
к границе АБ и далее проникают в область р, а навстречу им
в полупроводнике р перемещаются дырки, которые проникают
в область п. Встречаясь, электроны и дырки рекомбинируют.
Во внешних проводах движутся только электроны. Они пере-
274
мешаются в направлении от минуса источника к полупроводни-
ку п и компенсируют убыль электронов, рекомбинирующих
с дырками. А из полупроводника р электроны уходят в направ-
лении к плюсу, и в этом полупроводнике образуются новые
дырки. Этот процесс происходит непрерывно и, следовательно,
непрерывно проходит ток. Его называют прямым током. Сопро-
тивление р-п-перехода для прямого тока невелико. Иначе гово-
ря, значительный прямой ток получается при сравнительно не-
большом прямом напряжении.
При напряжении обратной полярности (рис. 6.36) электроны
в полупроводнике п движутся по направлению к положитель-
ному полюсу источника, т. е. удаляются от р-п-перехода. А в по-
лупроводнике р движутся,
У левого электрода они
рекомбинируют с элект-
ронами, прибывающими
из провода, соединяюще-
го этот электрод с отри-
цательным полюсом ис-
точника.
Поскольку из полу-
проводника п уходят в
каком-то количестве элек-
троны, он заряжается по-
ложительно, так как в
нем остаются положи-
удаляясь от р-п-переходы, дырки.
Рис. 6.3. Прохождение тока через элек-
тронно-дырочный переход
тельно заряженные ато-
мы. Это те самые атомы
примеси, которые, отда-
вая свои электроны, создавали электронную проводимость. По-
добно этому полупроводник р заряжается отрицательно, так как
из него «уходят» дырки (строго говоря, в него приходят элект-
роны, заполняющие дырки).
Движение электронов и дырок в противоположные стороны,
в результате которого они удаляются друг от друга, продол-
жается лишь малый промежуток времени. Такой кратковремен-
ный ток имеет сходство с зарядным током конденсатора. По обе
стороны от р-п-перехода возникают два разноименных объемных
заряда. Как только разность потенциалов между ними станет
равна эдс источника, дальнейшее движение зарядов прекра-
тится. Вся система будет подобна заряженному конденсатору.
Сопротивление р-п-перехода в этом случае бесконечно велико.
Принято говорить, что на границе двух различных полупровод-
ников образуется запирающий (или запорный) слой.
Практически при обратном напряжении некоторый обратный
ток все же есть. Он возникает вследствие того, что в каждом по-
лупроводнике за счет тепловых процессов возникают в сравни-
18* , 275
тельно небольшом количестве полусвободные электроны и дыр-
ки. Но обратный ток 10бр во много раз меньше прямого тока I пр
и обратное сопротивление Ro5p не бесконечно велико, но во много
раз больше сопротивления в прямом направлении Rnp. Уже при
сравнительно небольшом напряжении обратный ток достигает
примерно постоянной величины, которую можно назвать током
насыщения. Это объясняется тем, что количество носителей, об-
разующих своим движением обратный ток (электронов в р-об-
ластн и дырок в n-области), ограничено. С повышением темпе-
ратуры количество таких неосновных носителей возрастает и
обратный ток увеличивается, а обратное сопротивление умень-
шается.
Реальный р-п-переход при обратном напряжении напоминает
конденсатор с плохим диэлектриком, в котором имеется ток
утечки. При заряде такого конденсатора в течение короткого
промежутка времени проходит ток значительной величины, а за-
тем будет существовать лишь небольшой ток утечки. Но ток
утечки конденсатора пропорционален приложенному напряже-
нию, а обратный ток р-п-перехода не так сильно зависит от
напряжения.
При прямом напряжении р-п-переход также обладает неко-
торой емкостью, но она шунтируется малым сопротивлением пе-
рехода.
По современным воззрениям в р-п-переходе запирающей слой образуется
даже при отсутствии внешнего напряжения. Если имеется контакт р- и п-гер-
мания (рис. 6.4 а), то вследствие беспорядочного теплового движения носи-
телей происходит их диффузия (проникновение) из одного полупроводника в
другой. Из германия п в германий р диффундируют электроны, в обратном
направлении диффундируют дырки. По обе стороны границы раздела созда-
ются объемные разноименные заряды: положительный в германии п и отрица-
тельный в германии р. Распределение плотности этих зарядов р показано на
графике рис. 6.4 6. Между зарядами возникает так называемая контактная
разность потенциалов н действует электрическое поле, препятствующее даль-
нейшей диффузии носителей.
Графики рис. 6.4 в н г изображают распределение потенциала <р и напря-
женности поля Е по обе стороны р-п-перехода, причем потенциал полупровод-
ника типа р принят за нулевой. Как видно, в р-п-переходе возникает потен-
циальный барьер, который большинство носителей не может преодолеть. Но
все же переход через границу в небольшом количестве электронов н дырок в
противоположных направлениях наблюдается и в установившемся состоянии,
так как при беспорядочном тепловом движении носителей среди них всегда
найдутся имеющие энергию, достаточную для преодоления контактной разно-
сти потенциалов. Таким образом на рис. 6.4 показан переход в динамическом
равновесии.
Пограничные слои АБ и БВ у р-п-перехода имеют уменьшенное количест-
во основных носителей, и нх сопротивление выше, чем у остальной части по-
лупроводника. Совокупность этих слоев, т. е. вся область АВ, и является за-
пирающим слоем.
:“Если приложить к р-п-переходу внешнее напряжение обратной полярности
Уобр (рнс. 6.5а), то поле, создаваемое этим напряжением, сложится с внут-
ренним полем контактной разности потенциалов. Результирующее поле усилит-
ся, и потенциальный барьер станет выше (рис. 6.56). Кроме того, основные но-
276
Рис. 6.4. Образование за-
пирающего слоя (ЛВ) в
электронно-дырочном пере-
ходе (а); распределение в
ием плотности объемного
заряда (б), потенциала (в)
и напряженности поля (г)
Uobp
Рис. 6.6. Уменьшение толщины
запирающего слоя и пониже-
ние потенциального барьера в
нем под действием прямого
напряжения
Рис. 6.5. Расширение запираю-
щего слоя и повышение потен-
циального барьера в нем под
действием обратного напряже-
ния
277
снтели в обоих полупроводниках будут удаляться от границы. Следовательно,
запирающий слой станет толще и его сопротивление возрастет.
Если же приложить к р-и-переходу внешнее напряжение в прямом напра-
влении (рис. 6.6 а), то создаваемое Им поле будет направлено навстречу внут-
реннему полю. Результирующее поле станет слабее, и потенциальный барьер
понизится (рис. 6.66). Основным носителям теперь легче переходить через
границу, и они, заполняя запирающий слой, уменьшают его толщину. Сопро-
тивление запирающего слоя уменьшается, и при некотором напряжении он
вообще исчезает.
§ 6.4. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
Нелинейные свойства полупроводникового диода видны при
рассмотрении его вольтамперной характеристики, пример кото-
рой для диода небольшой мощности дан на рис. 6.7. Она пока-
зывает, что прямой ток в десятки миллиампер получается при
прямом напряжении порядка десятых долей вольта. Поэтому
прямое сопротивление имеет величину не выше десятков ом. Для
более мощных вентилей
Lnp
‘otp
Рис. 6.7. Вольтамперная
прямой ток составляет сот-
ни миллиампер и больше
при таком же малом напря-
жении, a Rnp соответствен-
но снижается до единиц ом
и меньше.
__________ Участок характеристики
0.2 Ofi Unp /в) для обратного тока, малого
то
20
10
/jua)
30
по сравнению с прямым то-
ком, обычно показывают в
другом масштабе, что и
сделано на рис. 6.7. Обрат-
ный ток при обратном Ha-
характеристика пряжении в десятки вольт
полупроводникового диода составляет лишь доли мил-
200
(нкп)
лиампера. Это соответст-
вует обратному сопротивлению в десятки килоом. У различных
полупроводниковых диодов Rggp может быть до сотен килоом и
больше. Если обратное напряжение превысит максимально до-
пустимую для данного прибора величину, то запирающий слой
пробьется. При этом его сопротивление резко уменьшается и
обратный ток сильно возрастает. На рис. 6.7 штрихом показан
ход характеристики в случае пробоя.
Полупроводниковые диоды иногда характеризуют величиной
коэффициента выпрямления ке, под которым понимают отно-
шение прямого тока к обратному или обратного сопротивления
к прямому при одинаковых значениях прямого и обратного на-
пряжений:
к = ^пр = ^о6р
1дбр &яр
278
Вследствие нелинейности вольтамперной характеристики ве-
личина кв весьма непостоянна. Поэтому коэффициентом вы-
прямления обычно не пользуются, а указывают 1пр н 1обр для
определенных значений прямого и обратного напряжений или
приводят характеристику диода, которая дает наиболее полное
представление о его свойствах.
Характеристики полупроводниковых диодов сильно зависят
от температуры. С повышением температуры возрастают прямой
и обратный токи, особенно последний. Например, при нагрева-
нии германиевого диода до 70°С обратный ток увеличивается в
3 раза. Это приводит к
ухудшению выпрямления.
При понижении температу-
ры оба тока снижаются, но
обратный ток в меньшей
степени, за счет чего вып-
«)
Рис. 6.8. Полупроводниковые вентили:
а) устройство купроксного вентиля
(1 — медь, 2 — запирающий слой, 3 —
закись меди, 4 — верхний электрод);
б) устройство селенового вентиля (/ —
катодный сплав, 2 — запирающий слой,
3 — селен, 4 — алюминий или сталь —
анод)
рямляющие свойства также
ухудшаются.
Применяемые в выпря-
мителях для питания радио-
аппаратуры купроксные и
селеновые вентили работа-
ют также на принципе обра-
зования запирающего слоя
в р-п-переходе. У купрокс-
ных вентилей закись меди
на медном электроде имеет
дырочную проводимость.
В процессе изготовления
вентиля между закисью ме-
ди и медью образуется слой с электронной проводимостью. Вы-
прямление получается на границе этого слоя и закиси меди
(рис. 6.8а).
Выпуск купроксных вентилей в настоящее время прекращен,
так как лучшими качествами обладают селеновые выпрямители.
В них селен, расположенный на алюминиевом или стальном
основании, имеет дырочную проводимость. Легкоплавкий ме-
талл, нанесенный на селен, содержит кадмий. Последний, соеди-
няясь с селеном, образует слой с электронной проводимостью.
Граница этого слоя с селеном является р-л-переходом (рис.
6.8 6).
Селеновые выпрямители, выпускаемые у нас, применяются
на частотах до 850 гц. Они собираются из отдельных элементов
(вентилей) в виде шайб или таблет. Для малых выпрямленных
токов до 6 ма применяются круглые таблеты диаметром 5 и
7,2 мм. Столбики для выпрямления высоких напряжений, со-
ставленные из таких таблет, заключаются в пластмассовые фуг-
279
ляры с выводами. Выпрямители на большие токи собираются
из квадратных шайб размерами 15X15 мм2 и более и скрепля-
ются шпильками. Ранее применялись шайбы круглой формы.
Для выпрямительных схем селеновые столбики собираются по
различным схемам, причем выводы размечены цветами: крас-
ным и синим — плюс и минус выпрямленного напряжения, жел-
тым — переменное напряжение.
В настоящее время выпускаются вентили на обратное напря-
жение до 18 и 26 в. Они могут работать при температурах от
—60° до +60°С и имеют срок службы не менее 10 000 часов.
В обозначении селеновых выпрямителей на первом месте стоят
буквы АВС, что означает «алюминиевый выпрямитель селено-
вый» (ранее выпускались вентили на стальном основании, имев-
шие в обозначении буквы ВС). Далее указываются сторона
квадратной шайбы или диаметр круглой шайбы в миллиметрах,
а затем — номер, присвоенный данному выпрямителю, например
АВС-15-60. Для маломощных выпрямителей из таблет приме-
няется обозначение, в котором после букв АВС ставятся сред-
няя величина выпрямленного тока в миллиамперах, затем под-
водимое переменное напряжение в вольтах и буква «м» (мало-
габаритный), например АВС-6-270м.
Выпускаются также пакетные селеновые выпрямители прямо-
угольной формы АВС-80-260 и АВС-120-270, собранные по мосто-
вой схеме. Они рассчитаны соответственно на выпрямленный ток
80 и 120 ма и подводимое переменное напряжение 260 и 270 в.
Пределы их рабочей температуры от —40° до +40°С и срок
службы не менее 2000 часов.
Большое применение в современной радиоэлектронике полу-
чили германиевые и кремниевые диоды. Они делятся на плоскост-
ные и точечные. Плоскостные диоды, иногда называемые сило-
выми, применяются в выпрямительных устройствах. В этих дио-
дах р-п-переход имеет относительно большую площадь, что
позволяет выпрямлять токи значительной мощности. Однако
плоскостные диоды обладают довольно большой собственной
емкостью (десятки пикофарад и более), и поэтому работают на
частотах не выше 50 кгц.
Основными параметрами выпрямительных полупроводнико-
вых диодов являются следующие величины:
1) максимально допустимый выпрямленный ток /_лате‘, он
представляет собой среднее значение или постоянную составляю-
щую пульсирующего тока;
2) напряжение Unp на диоде при токе / = макс »
3) максимально допустимое обратное напряжение иОбР.макс,
4) максимальный обратный ток 1О5Р.макс при напряжении
обр.жакс"
Эти и другие параметры обычно указываются для работы
диодов при температуре 15°—25°С.
280
На рис. 6.9 а и б показаны устройство и внешний вид широко
распространенных у нас плоскостных германиевых диодов типа
ДГ-Ц. В металлическом корпусе находится пластинка (кри-
сталл) германия с электронной проводимостью. Она припаяна
к металлическому основанию, имеющему контакт с корпусом.
С другой стороны в германий вплавляется индий, создающий
область с дырочной проводимостью. К индию припаивается вы-
вод, проходящий через стеклянный изолятор, впаянный в корпус.
Наружные выводы сделаны в виде ленточек.
Подобные диоды выпускались семи типов от ДГ-Ц21 до
ДГ-Ц27. Они имеют 1=макс от 100 до 300 ма; Unp от 0,3 до 0,5 в
и 1 Обр.«акс = 0,34-0,5 ма, а и05Р.ма^ у них соответственно 50, 100,
150, 200, 300, 350 и 400 в. Обратное пробивное напряжение у всех
диодов не менее 1,5 Uo6P.MaKC. В течение короткого промежутка
времени (0,1 сек) диоды допускают
импульс тока до 25 а. Все эти дио-
ды могут применяться при темпера-
турах окружающего воздуха от
—60° до +70°С. Однако отклоне-
ние температуры в обе стороны от
+ 20°С приводит к ухудшению вы-
прямляющих свойств. При темпера-
турах выше 20°С во избежание пе-
регрузки диода следует уменьшать
выпрямляемое переменное напря-
жение или выпрямленный ток. Ра-
бота при температурах выше 70°С
может привести к порче диода.
В дальнейшем были выпущены
г,ГгТГ~т.
плоскостные германиевые диоды се-
ми новых типов, имеющие наимено-
вания от Д7А до Д7Ж- По своим па-
раметрам они аналогичны соответ-
ственно диодам ДГ-Ц21—ДГ-Ц27,
но заключены в металлический кор-
Рис. 6.9. Плоскостные диоды:
а) устройство диода типа
ДГ-Ц (/ — выводы. 2 — стек-
ло, 3 — корпус, 4 — токосни-
матель, 5 — индий, 6 — герма-
ний, 7 — кристаллодержа-
тель); б) и в) внешний вид
диодов ДГ-Ц и Д7
пус уменьшенных размеров
(рис. 6.9в).
В настоящее время наша про-
мышленность выпускает ряд новых
диодов. Их обозначения состоят из
двух или трех элементов. Первый
элемент — буква Д. Второй эле-
мент — номер, присвоенный данно-
му типу прибора. Плоскостные кремниевые диоды для работы
при повышенной температуре имеют номера 201—300, а плос-
костные германиевые диоды для работы при обычных темпера-
турах — номера 301—400. Третий элемент — буква, указывающая
281
разновидность типа прибора (если разновидностей нет, то бук-
ва не ставится).
Четыре новых типа кремниевых диодов Д202—Д205 пред-
назначены для выпрямления переменного тока с частотой до
50 кгц и могут работать при температурах от —60° до + 125°С.
Они оформлены в металлическом герметическом корпусе с вин-
том для крепления на теплоотведящем шасси (рис. 6.10а). При
окружающей температуре 125°С и наличии шасси 1=макс со*
ставляет 400 ма, без шасси — 200 ма. Величины ^/обр.лате для
этих диодов соответственно 100, 200, 300 и 400 в при 1вбр макс =
=0,5 ма. Напряжение Uпр при выпрямленном токе 400 ма не
Рис. 6.10. Кремниевые диоды Д202—Д205 (а) и германие-
вые диоды Д302—Д305 (6)
более 1,5 в. Кремниевые диоды Д206—Д211 оформлены, как
показано на рис. 6.9 в и могут работать при температурах до
125°С. Они дают выпрямленный ток до 100 ма при Uo5p мак<; от
100 в для Д206 до 600 в для Д211.
Новые германиевые диоды Д302—Д305 по внешнему оформ-
лению сходны с диодами Д202—Д205, но несколько больше по
размерам (рис. 6.10 6). Рабочая температура для них от —60°
до +70°С. Параметры этих диодов таковы: 1=макс соответст-
венно 1, 3, 5 и 10 a; Uo5p какс составляет 200, 150, 100 и 50 в;
^оЗр.макс от 1 до 3 ма, a Unp при номинальном токе не превы-
шает 0,3 в.
Выпускаются также германиевые выпрямительные столбы
Д1001, Д1001А, Д1002, Д1002А и Д1003А для частот до 200 кгц,
оформленные в металлическом прямоугольном корпусе, залитом
эпоксидной смолой. Наибольшая допустимая температура кор-,
пуса +80°С. Величина Unp у этих столбов равна соответствен-
282
но 6,5; 3,5; 7,5; 4 и 2 в. Столбы с буквой А в обозначении имеют
две самостоятельные ветви. Ток 1~макс для каждой ветви со-
ставляет 100 ма у Д1001 и Д1001А и 300 ма у остальных. На-
пряжение Уобр Л1акс равно 2 кв для ДЮ01 и Д1002, 1 кв для
ДЮ01А и Д1002А, 0,5 кв для Д1003А. Обратный ток не превы-
шает 150 мка для первых двух типов и 300 мка для последних
трех.
К плоскостным диодам относятся кремниевые стабилитроны
или опорные диоды (Д808, Д809, Д810, Д811 и Д813). Нормаль-
но они работают при обратном напряжении. Примерная их
вольтамперная характеристика приведена на рис. 6.11. В до-
вольно широких пределах изменений обратного тока обратное
напряжение остается почти постоянным.
Такой режим предшествует явлению не-
обратимого теплового пробоя и представ-
ляет собой обратимый электрический
пробой, при котором наблюдается лави-
нообразное увеличение числа неосновных
носителей, создающих обратный ток.
Схемы включения кремниевых стабили-
тронов аналогичны схемам использова-
ния ионных стабилитронов. Кремниевые
стабилитроны могут быть изготовлены на
напряжения и токи в широком диапазоне
(примерно 54-1000 в и 1 -мкч-! а).
Наши кремниевые стабилитроны
оформлены в металлическом герметиче-
Рис. 6.11. Вольтампер-
ная характеристика од-
ском корпусе, как и германиевые диоды ноте из кремниевых ста-
(рис. 6.9 а, в), но меньших размеров, и билитронов
работают при температурах от —60° до
+ 125°С. При температуре 20°±5°С параметры этих стаби-
литронов соответственно таковы: напряжение стабилизации в
пределах 7-4-8,5; 8-:-9,5; 9-4-10,5; 10-4-12 и 11,5ч-14 в; рабочий
ток 5 ма; наибольший ток от 33 ма для Д808 до 20 ма для Д813;
допустимая мощность потерь 280 мет. С повышением температу-
ры напряжение стабилизации несколько повышается, и должна
быть понижена допустимая мощность потерь. При прямом
токе 50 ма падение напряжения составляет 1 в.
Полупроводниковые точечные диоды менее мощные, чем пло-
скостные, но зато имеют малую емкость (не более 1 пф) и по-
этому применяются на высоких частотах. Принцип устройства
точечного германиевого диода показан на рис. 6.12. С пластинкой
германия имеет контакт вольфрамовая проволочка. Германий
применяется с электронной проводимостью, но около контакта с
проволочкой образуется небольшая область с дырочной прово-
димостью. Таким образом, и здесь выпрямление происходит на
283
границе полупроводников р и п, т. е. принципиальной разницы
между плоскостными и точечными диодами нет. Вследствие того,
что в точечных диодах площадь р-п-перехода очень мала, они
пригодны для малых токов, но зато обладают и меньшей емко-
стью по сравнению с плоскостными диодами.
На рис. 6.12 6 изображены устройство и внешний вид точеч-
ных германиевых диодов типа ДГ-Ц. Кристалл германия имеет
поверхность площадью около 1 лип2. Вольфрамовая проволочка
диаметром 0,1 мм отточенным концом упирается в германий.
Площадь соприкосновения составляет несколько квадратных
микрон. Диод заключен в керамический патрон с металлически-
ми фланцами. Выводы сделаны из проволоки. Точечные диоды
характеризуются такими же параметрами, как и плоскостные,
прямой ток 1пр при напря-
Для них еще обычно указывают
жении 1 в.
Рис. 6.12. Точечные диоды:
о) принцип устройства дио-
да; б) устройство и внеш-
ний вид точечных диодов
ДГ-Ц (1 — керамический
патрон, 2 и 3 — металличе-
ские фланцы, 4 — контакт-
ная пружинка, 5 — кристал-
лодержатель, б — германий,
7 — выводы)
Широкое применение имели германиевые точечные диоды от
ДГ-Ц1 до ДГ-Ц27 (некоторые промежуточные не выпускались)
на ток Д° 27 ма- Величины иобр макс и 1^^ у раз-
ных диодов имеют значения 30—200 в и 0,06—1 ма. Нормальная
температура для диодов 15°—25°С, но они могут работать в пре-
делах от —50° до +70°С. Эти диоды применяются для выпрям-
ления переменного тока, в измерительной аппаратуре, в качестве
детекторов и ограничителей и во многих других случаях.
Обозначения точечных диодов по новой системе имеют после
буквы Д номера 1—100 для германиевых диодов, работающих
в нормальных температурных условиях, и номера 101—200 у
кремниевых диодов для повышенной температуры. Если данный
диод имеет различные подтипы, то в конце обозначения ставится
еще буква.
В настоящее время выпущены новые точечные диоды. Герма-
ниевые диоды Д2А—Д2Ж в металло-стеклянных корпусах
(рис. 6.13 а) заменили диоды типа ДГ-Ц. В миниатюрных стек-
лянных корпусах (рис- 6.13 6) оформлены германиевые
284
диоды Д1А—Д1Ж И Д9А—Д9Ж. Все они применяются в детек-
торных ступенях, ограничителях, цепях автоматических регули-
ровок, счетных устройствах, преобразователях частоты, мало-
мощных выпрямителях и других схемах. Рабочая частота для
Д1 и Д2 — до 150 Мгц, для Д9 — до 40 Мгц. Диапазон рабочих
температур от —60° до +70°С.
Рис. 6.13. Внешний вид точечных
германиевых диодов Д2 (а), Д!
и Д9 (б) и кремниевых диодов
Д104—Д106 (в)
Для тех же схем могут применяться германиевые точечные
диоды ДЮ, Д10А, Д10Б, Д11, Д12, Д12А, Д13, Д14, Д14А. Они
оформлены в металло-стеклянных корпусах по рис. 6.13 а и пред-
назначены для частот до 100—150 Мгц.
Такое же оформление имеют кремниевые
точечные диоды Д101, Д101А, Д102,
Д102А, ДЮЗ, ДЮЗА для частот до
600 Мгц и температур окружающей сре-
ды до +150°С. Эти же диоды в миниа-
тюрном металло-стеклянном корпусе
(рис. 6.13 в) имеют наименования ДЮ4,
ДЮ4А, ДЮ5, ДЮ5А, ДЮ6, ДЮ6А.
Большое число различных точечных
германиевых и кремниевых диодов вы-
пускается для приемников и измеритель-
ных приборов, работающих в диапазонах
свч. К ним относятся смесительные гер-
Рис. 6.14. Внешний вид
точечных диодов для
сверхвысоких частот
маниевые диоды ДГ-С1 —ДГ-С4 для преобразования частоты в
сантиметровом диапазоне волн. Эти диодьГоформлены в кера-
мическом патроне с короткими металлическими электродами
(рис. 6.14 а). В настоящее время промышленность выпускает
большое число новых типов германиевых смесительных диодов,
а также диодов для модуляции в генераторах свч и аппаратуры
радиорелейных линий связи и для других целей. Кремние-
вые смесительные диоды для сантиметровых волн ДК-С1 —
ДК-С4 оформлены в керамическом патроне по рис. 6.14 6, а диод
ДК-С7 имеет устройство по рис. 6.14 а. Для детектирования в
приемниках прямого усиления диапазона свч предназначены
285
кремниевые диоды дк-Ы>, ДК-В6, ДК-В7, оформленные по
рис. 6.14 б, а также ДК-В1 — ДК-В4, ДЗА и ДЗБ, имеющие
конструкцию по рис. 6.14 а.
Специально для измерительной аппаратуры выпускались
кремниевые диоды ДК-И1 и ДК-И2.
§ 6.5. ТРАНЗИСТОРЫ (ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ТРИОДЫ)
Транзисторы, т. е. полупроводниковые или кристаллические
триоды, применяющиеся в усилителях, приемниках, генераторах
и других устройствах, также разделяются на плоскостные и то-
чечные. Рассмотрим принцип их работы на примере плоскостного
Рис. 6.15. Принцип устройств
плоскостного транзистора (а)
и изображения транзисторов
на схемах (б и в)
р-п-ь п-р-п
6)
транзистора. Схематически его устройство показано на
рис. 6.15 а. Он представляет собой пластинку германия или дру-
гого полупроводника, в которой созданы три области различных
проводимостей. Для примера взят транзистор п-р-п, имеющий
среднюю область с дырочной проводимостью, а крайние обла-
сти— с электронной проводимостью. Применяются также тран-
зисторы р-п-р, в которых дырочной проводимостью обладают
крайние области.
Средняя область транзистора называется базой или основа-
нием (иногда управляющим, электродом). Одна крайняя область
называется эмиттером, другая — коллектором. Как видно, в
транзисторе имеются два р-м-перехода: эмиттерный и коллектор-
ный. Расстояние между ними очень мало, порядка 10—20 мк и
286
менее, т. е. область базы представляет собой очень тонкий слой.
Это является важнейшим условием для работы транзистора.
С помощью металлических электродов от базы, эмиттера и кол-
лектора сделаны выводы.
Для величин, относящихся к базе, эмиттеру и коллектору,
применяют индексы б, э, к. Токи в проводах базы, эмиттера и
коллектора обозначают соответственно /^, /$, /к. Напряжения
между электродами следует обозначать двойными индексами,
например, напряжения между базой и эмиттером и между кол-
лектором'и базой соответственно обозначаются Uба и U кб. Схе-
матические изображения транзисторов р-п-р и п-р-п показаны
на рис. 6.15 6. В литературе встречаются изображения транзи-
сторов, подобные рис. 6.15 6, но без окружностей. Иногда спе-
циально для плоскостных транзисторов применяют схематиче-
ское изображение рис. 6-15 в.
В схему транзистор включается так, что образуются две цепи.
Входная, или управляющая, цепь аналогична сеточной цепи ва-
куумного триода. Выходная, или управляемая, цепь подобна
анодной цепи лампы. Источник усиливаемых колебаний вклю-
чается во входную цепь, а в выходную цепь включено нагрузоч-
ное сопротивление, на котором получается усиленное напряже-
ние. Для входной и выходной цепей применяют соответственно
индексы 1 и 2. Поэтому токи и напряжения в этих цепях обо-
значают /ц Ui, /2, t/2.
И вакуумный триод и транзистор служат для усиления элек-
трических колебаний, но физические процессы в них различны.
Можно говорить об аналогии между ними, но не о их эквива-
лентности. Как станет ясно далее, эмиттер аналогичен катоду
электронной лампы, коллектор — аноду, а база аналогична
сетке.
Ступени с электронными лампами бывают трех видов. Наи-
более распространена ступень с общим (или заземленным) като-
дом, в которой катод является точкой соединения сеточной и
анодной цепей и, как правило, заземляется. На ультракоротких
волнах применяется предложенная М. А. Бонч-Бруевичем сту-
пень с общей (или заземленной) сеткой. В ней точкой соединения
анодной и сеточной цепей служит сетка. Значительное распро-
странение также получил катодный повторитель, в котором со-
противление нагрузки включено в провод катода, а анод зазем-
лен по переменному напряжению. Катодный повторитель пред-
ставляет собой ступень с общим (или заземленным) анодом.
Ступени с транзисторами также могут быть с общим эмитте-
ром, общим коллектором и общей базой. Вместо слов «с общим»
иначе говорят «с заземленным». Все они и аналогичные им схе-
мы с лампами приведены для сопоставления на рис. 6.16.
Различные типы ступеней имеют разные свойства, но принцип
усиления колебаний в них, конечно, одинаков. Рассмотрим рабо-
287
ту транзистора в схеме с общим эмиттером. Этот усилитель
имеет наибольшее применение, как и аналогичная ему ламповая
ступень с заземленным катодом. Для усилителя с общим эмитте-
ром входная цепь является цепью базы, а выходная цепь —
коллекторной цепью. Поэтому для такой схемы:
/х = /в; ^ = иба, ia = iK\ и2 = ика
Рис. 6.16. Усилительные ступени с транзи-
сторами и электронными лампами:
а) с общим эмиттером и общим катодом;
б) с общим коллектором (эмиттерный пов-
торитель) и общим анодом (катодный пов-
торитель); в) с общей базой и общей
сеткой
Прежде всего выясним, как работает транзистор (для при-
мера типа п-р-п) в статическом режиме, когда включены только
источники постоянных питающих напряжений Ei и Е2
(рис. 6.17а). Полярность питающих напряжений такова, что
эмиттерный переход работает в прямом направлении, а коллек-
торный— в обратном. Сопротивление эмиттерного перехода ма-
ло, и поэтому для получения нормального тока через этот пере-
ход достаточно иметь у источника Ei напряжение порядка деся-
тых долей вольта. Зато сопротивление коллекторного перехода
весьма велико, и напряжение Е2 для получения необходимых
токов /« обычно составляет единицы или десятки вольт.
Поскольку эмиттерный переход работает в прямом направ-
лении, то его вольтамперная характеристика представляет собой
правую часть характеристики диода (рис. 6.7). А у коллектор-
ного перехода, работающего в обратном направлении, вольт-
амперная характеристика подобна левой части той же характе-
ристики.
Принцип работы транзистора заключается в том, что напря-
жение участка база — эмиттер существенно влияет на ток кол-
288
лектора: чем больше это напряжение, тем больше токи эмиттера
и коллектора. При этом изменения тока коллектора лишь незна-
чительно меньше изменений тока эмиттера. Таким образом, на-
пряжение U6a, т. е. входное напряжение, управляет током кол-
лектора. Усиление электрических колебаний с помощью транзи-
стора основано именно на этом явлении.
При увеличении входного напряжения U63, приложенного к
эмиттерному переходу в прямом направлении, возрастает ток
через этот переход, т. е. ток эмиттера 1а. Электроны эмиттер-
ного тока, пройдя через эмиттерный переход, движутся сквозь
<У
Рис. 6.17. Движение электронов и дырок в транзисторе
п-р-п, включенном по схеме с общим эмиттером (а); ана-
логичные токи в схеме с общим катодом электронной лам-
пы (б) и движение электронов и дырок в транзисторе
р-п-р (в)
базу главным образом благодаря диффузии и проникают в кол-
лекторный переход, увеличивая ток коллектора. Коллекторный
переход работает при обратном напряжении. В области этого
перехода получаются объемные заряды, показанные на
рис. 6.17 а знаками + и —. Между ними возникает электриче-
ское поле. Оно способствует продвижению через коллекторный
переход электронов, пришедших сюда от эмиттера, т. е. втяги-
вает электроны в область.коллекторного перехода.
Если толщина базы достаточна мала, то большинство элек-
тронов, пройдя через базу, достигает коллекторного перехода.
Лишь небольшая часть электронов рекомбинирует в базе с дыр-
ками и образует ток 1б, протекающий в проводе базы. Но если
база имеет значительную толщину, то большая часть электронов
эмиттерного тока, диффундируя через базу, рекомбинирует с
дырками и не доходит до коллекторного перехода. Тогда ток кол-
лектора почти не увеличивается за счет электронов эмиттера,
а наблюдается лишь увеличение тока базы.
19—2607 289
Возрастание тока коллектора за счет тока эмиттера можно
объяснить тем, что сопротивление коллекторного перехода зави-
сит от тока эмиттера. Действительно, пусть в эмиттерном пере-
ходе нет значительного тока. Тогда область коллекторного пере-
хода имеет большое сопротивление, так как основные носители
зарядов удаляются от этого перехода и по обе стороны от него
создаются области, лишенные основных носителей. Через кол-
лекторный переход протекает лишь небольшой обратный ток, об-
разованный перемещением навстречу друг другу неосновных но-
сителей, т. е. электронов из p-области и дырок из п-области.
- Но если действием входного напряжения создан значитель-
ный ток эмиттера, то в p-область со стороны эмиттера попадут
электроны, которые для данной области являются дополнитель-
ными неосновными носителями. Не успевая рекомбинировать
с дырками при диффузии через базу, они доходят до коллектор-
ного перехода. Чем больше ток эмиттера, тем больше электро-
нов приходит к коллекторному переходу и тем меньше становит-
ся его сопротивление. Соответственно увеличивается ток кол-
лектора.
Название «эмиттер» подчеркивает, что электроны как бы эми-
тируются из этого электрода в базу. Такое явление часто назы-
вают терминами инъекция, инжекция или впрыскивание. Приме-
нение одного из них желательно для того, чтобы отличить дан-
ное явление от электронной эмиссии, в результате которой
получаются свободные электроны в вакууме или разреженном
газе.
Есть значительное сходство в работе транзистора и вакуум-
ного триода. На рис. 6.17 б показана схема для вакуумного три-
ода, аналогичная рассмотренной схеме включения транзистора.
Пусть триод имеет густую сетку. Тогда при напряжении сетки,
равном нулю, анодный ток сравнительно мал, так как лишь не-
большое количество электронов, эмитированных катодом, проле-
тит сквозь сетку. Сопротивление лампы между анодом и като-
дом будет велико потому, что в промежутке сетка — анод мало
электронов. Но если на сетку подать положительное напряже-
ние, то в промежуток сетка — анод попадет значительно боль-
шее количество электронов из объемного заряда, окружающего
катод. Сопротивление между анодом и катодом уменьшится, и
анодный ток возрастет.
Однако между вакуумным триодом и транзистором имеются
большие различия. В транзисторах нет электронной эмиссии и
движения свободных электронов в вакууме..А в вакуумных три-
одах нет дырочной проводимости и явления диффузии электро-
нов и дырок. Транзисторы не могут работать в режиме, анало-
гичном работе вакуумного триода без сеточного тока. Действи-
тельно, в вакуумном триоде ток анода изменяется в зависимости
от сеточного напряжения, причем сеточный ток может отсутство-
290
вать В большинстве случаев он бесполезен и даже вреден.
Обычно усилительные лампы работают без сеточных токов, что
достигается подачей на сетку отрицательного смещения. В тран-
зисторах при изменении входного напряжения изменяется эмит-
терный ток. Вследствие этого изменяется количество электронов,
проникающих от эмиттера к коллекторному переходу, и соответ-
ственно меняется ток коллектора. Но часть тока эмиттера всегда
ответвляется в базу. Работа без тока базы невозможна. Поэто-
му транзистор по своим свойствам близок к вауумному триоду,
работающему с положительным напряжением на сетке.
Для транзистора всегда существуют следующие соотношения
между токами:
/э = 1К + 1б и соответственно Д/э = Д/« + Д/б.
Оно аналогично соотношению для токов вакуумного триода
при положительном напряжении на сетке:
/« = 4+/Л
Однако в вакуумном триоде при отрицательном сеточном на-
пряжении / е=0 и 1к = 1а> а в транзисторе всегда /б> 0, хотя
этот ток во много раз меньше тока коллектора. Следовательно,
для транзистора справедливо только приближенное равенство
Мы рассмотрели транзистор типа п-р-п. Подобные же про-
цессы происходят и в транзисторах р-п-р, но в них меняются
ролями электроны и дырки, а также изменяются на обратные
полярности напряжений и направления токов (рис. 6.17в).
В транзисторах р-п-р от эмиттера через базу к коллекторному
переходу проникают не электроны, как в транзисторе п-р-п,
а дырки. Они являются для базы неосновными носителями и
уменьшают сопротивление коллекторного перехода. С увеличе-
нием тока эмиттера больше дырок проникает к коллекторному
переходу. Это вызывает уменьшение его сопротивления и воз-
растание тока коллектора.
Работа усилительной ступени с транзистором аналогична уси-
лению колебаний с помощью лампы. В усилительной ступени с
вакуумным триодом напряжение анодного источника делится
между внутренним сопротивлением лампы для постоянного тока
ао и сопротивлением нагрузки Ra. Эквивалентная схема анодной
цепи такой ступени для постоянного тока показана на рис. 6.18 а.
Если на сетку лампы подано переменное напряжение, то сопро-
тивление /?0 станет изменяться. Чем больше отрицательное на-
пряжение сетки, тем больше /?0- При запирании лампы 7?0 ста-
новится бесконечно большим. Наоборот, при изменении сеточного
напряжения в положительную сторону сопротивление Ro умень-
1 Здесь 1К —ток катода (для транзистора 1К—ток коллектора).
19’
291
шается. Так как при изменении /?0 нагрузочное сопротивление
остается постоянным, то напряжение источника Еа все время
перераспределяется между А*о и Ra.'Колебания напряжения на
Ra получаются значительными (если Ra взято достаточно боль-
шой величины), хотя изменения Ro вызваны сравнительно не-
большими изменениями напряжения на сетке.
Таким образом, получается усиление переменного напряже-
ния. Кроме того, ламповая усилительная ступень дает усиление
тока и мощности. Даже в случае, если бы переменное напряже-
ние на Ra было равно переменному напряжению сетки, за счет
того, что переменный ток в анодной цепи гораздо больше, чем
в сеточной, получалось бы усиление мощности. Практически ток
Рис. 6.18. Эквивалентные схемы усилитель-
ных ступеней с электронной лампой (а) и
транзистором (б)
сетки в большинстве случаев настолько мал, что его можно счи-
тать равным нулю. Следовательно, мощность в цепи сетки во
много раз меньше, чем в анодной цепи, т. е. налицо огромное
усиление по мощности. Усиленная мощность получается за счет
энергии постоянного тока анодного источника.
В усилительной ступени с транзистором напряжение коллек-
торного источника Е2 (рис. 6.186) делится между сопротивле-
нием нагрузки RH и внутренним сопротивлением транзистора,
которое он оказывает постоянному току коллектора. Это сопро-
тивление приближенно равно сопротивлению коллекторного
перехода RK для постоянного тока. В действительности к нему
еще добавляются небольшие сопротивления тонкого слоя базы
и эмиттерного перехода, которые можно не принимать во вни-
мание.
Если во входную цепь включается источник колебаний, то
при изменении его напряжения изменяется ток эмиттера. Это
вызывает изменение сопротивления коллекторного перехода RK.
Тогда напряжение источника Е2 будет перераспределяться меж-
ду Rк и RH. Переменное напряжение на сопротивлении нагруз-
ки получается в десятки раз большим, чем входное переменное
напряжение транзистора. Изменения тока коллектора у плоско-
стного триода почти равны изменениям тока эмиттера и во много
раз больше изменений тока базы. Поэтому в схеме с общим
292
эмиттером получается значительное усиление тока и очень боль-
шое усиление мощности. Усиленная мощность является Частью
мощности, затрачиваемой источником £2-
Для большей наглядности рассмотрим работу усилительной
ступени с транзистором на числовом примере. Пусть питающие
напряжения равны £i=0,2 в и E2=10 в, сопротивление нагруз-
ки =4 ком и сопротивление коллекторного перехода при
отсутствии колебаний на входе также равно 4 ком, т. е. полное
сопротивление коллекторной цепи — 8 ком. Тогда ток коллекто-
ра, который можно считать равным току эмиттера, составляет
/к = 12: 8= 1,5 ма. Напряжение Е2 разделится пополам и на-
пряжения на RH и на сопротивлении коллекторного перехода
будут по 6 в (на эмиттерном переходе, имеющем малое сопро-
тивление, напряжение настолько невелико, что его можно не
принимать во внимание).
Если от источника колебаний на вход поступает положитель-
ное напряжение 0,1 в, то общее напряжение на участке база —
эмиттер становится равным 0,3 в. Предположим, что под влия-
нием этого напряжения ток эмиттера возрастет до 2 ма. Таким
же практически станет и ток коллектора. Он создаст на сопро-
тивлении нагрузки падение напряжения 2-4 = 8 в, а падение
напряжения на сопротивлении коллекторного перехода умень-
шится до 12—8=4 в. Следовательно, это сопротивление умень-
шится до 4:2=2 ком. Через полпериода, когда источник коле-
баний даст напряжение — 0,1 в, произойдет обратное явление.
Токи эмиттера и коллектора уменьшатся до 1 ма. На сопротив-
лении нагрузки падение напряжения уменьшится до 1-4=4 в,
а на сопротивлении коллекторного перехода оно возрастет до
8 в; следовательно, это сопротивление увеличилось до 8:1 =
=8 ком. Таким образом, подача на вход транзистора перемен-
ного напряжения 0,1 в вызывает изменение сопротивления кол-
лекторного перехода от 2 до 8 ком и при этом напряжение на
нагрузочном сопротивлении, т. е. выходное напряжение, изме-
няется на 2 в в ту и другую сторону (от 8 до 4 в). Можно ска-
зать, что ступень дает усиление напряжения в 20 раз, так как
изменение на 2 в в 20 раз больше, чем изменение на 0,1 в.
Важнейшим параметром транзисторов является статиче-
ский коэффициент усиления по току а для схемы с общей базой.
Он представляет собой отношение изменения тока коллекто-
ра Д/к к вызвавшему его изменению тока эмиттера Д/э при по-
стоянном напряжении коллектор — база Uк5:
а = —к при UK6 = const.
Д/э
Для плоскостных транзисторов а меньше 1 и при низких ча-
стотах имеет значения порядка 0,8—0,97 и выше. С повышением
частоты а уменьшается. Это объясняется инерционностью носи-
293
телей при их движении сквозь базу, а также шунтирующим влия-
нием собственной емкости коллекторного перехода Ск. У пло-
скостных транзисторов она бывает от единиц до десятков пико-
фарад и более. Она возрастает с увеличением площади перехода
и, следовательно, имеет большее значение у более мощных тран-
зисторов. Первые плоскостные транзисторы были предназначены
для частот не выше нескольких мегагерц. Однако в настоящее
время промышленность выпускает много новых типов плоскост-
ных транзисторов, работающих на частотах до десятков мега-
герц и выше.
Пользуются также статическим коэффициентом усиления по
току р для схемы с общим эмиттером, который показывает, во
сколько раз изменение тока коллектора больше изменения тока
базы при постоянном напряжении коллектор — эмиттер:
₽ = при UK3 = const.
ДЛ>
Величина р бывает порядка десятков.
Нетрудно получить простые формулы, связывающие друг с
другом коэффициенты аир. Разделим обе части равенства
Д/э = Д/Л + Д/б на Д/к . Тогда оно напишется так: = 1 +
1 I , 1
или — = I + —. Решая это уравнение относительно а
ык
или р, получим следующие формулы:
Р Q а
а = —с— и В =------.
1+3 г 1—я
Устройство точечных транзисторов схематически показано на
рис. 6.19 а. Пластинка германия, имеющего обычно электронную
проводимость, укреплена на металлическом основании. Вывод от
него является выводом базы. С пластинкой имеют контакт две
заостренные проволочки из вольфрама, являющиеся выводами
эмиттера и коллектора. Контакты проволочек с германием нахо-
дятся друг от друга на расстоянии не более нескольких десят-
ков микрон. Внутри германия около контактов с проволочками
образуются области с проводимостями различного рода. Таким
образом, в точечном транзисторе, как и в плоскостном, имеются
р-п-переходы. Благодаря малой собственной емкости точечные
транзисторы работают на частотах до десятков мегагерц, но
лишь при малых мощностях.
Точечные транзисторы по сравнению с плоскостными имеют
статический коэффициент усиления по току а больше 1, но мень-
шее усиление по мощности и дают большие собственные шумы.
Они обладают меньшей механической прочностью. Усилительные
ступени с точечными транзисторами работают устойчиво только
по схеме с общей базой. В других схемах возможна паразитная
294
генерация с которой приходится вести борьбу. Поэтому в на-
стоящее время разрабатываются и производятся только пло-
скостные транзисторы.
В течение ряда лет было неясно, почему величина а в точеч-
ных транзисторах больше 1. Однако в дальнейшем такой коэф-
фициент усиления по току удалось получить и у плоскостных
транзисторов, имеющих два средних слоя с разными проводимо-
стями (рис. 6.19 6). Подобные транзисторы типа р-п-р-п с тремя
р-п-переходами пока созданы лишь в виде опытных образцов-
Рис. 6.19. Принцип устройства
точечного транзистора (о) и
аналогичного ему плоскостно-
го транзистора р-п-р-п (б)
Рис. 6.20. Замена транзи-
стора р-п-р-п эквивалент-
ным каскадным включени-
ем двух транзисторов
p n^pi и пя-рг-п
В них дырки, пришедшие от эмиттера через базу и коллекторный
переход 2 в слой с проводимостью р, накапливаются в нем, об-
разуя слева от перехода 3 положительный объемный заряд. Он
действует на электроны, имеющиеся в избытке в «-области спра-
ва от перехода 3, и способствует их продвижению через слой р
между переходами 3 и 2. А далее электроны легко попадают в
базу, так как в переходе 2 на них действует сильное ускоряющее
поле. Таким образом, при сравнительно небольшом увеличении
тока эмиттера получается значительное увеличение тока коллек-
тора, обусловленное потоком электронов через переход 3, и а
оказывается больше 1. Высокое значение а у точечных транзи-
сторов объясняется наличием третьего перехода около коллек-
тора (рис. 6.19 а).
Несколько иначе это объясняется тем, что точечные транзи-
сторы и соответствующие-им плоскостные транзисторы с тремя
p-n-переходами можно рассматривать как каскадное соединение
295
двух обычных транзисторов. На рис. 6.20 изображен переход от
транзистора р-п-р-п к двум транзисторам p-nrpi и п2-р2-п, у ко-
торых области «I и п2, а также р\ и рг соответственно соединены,
т. е. эквивалентны единым средним областям пир транзистора
р-п-р-п. Каждый из транзисторов p-nrpi и п2-р2-п имеет а<1.
Первый из них включен по схеме с общей базой. Для такой схе-
мы коэффициент усиления тока меньше 1. Но второй транзистор
включен по схеме с общим эмиттером, для которой коэффициент
усиления тока больше 1. Это следует из того, что входным током
для данной схемы является ток базы, а он гораздо меньше тока
коллектора. Поэтому для схемы по рис. 6.20, которая экви-
валентна точечному транзистору или транзистору, имеющему
структуру р-п-р-п, коэффициент усиления тока получается боль-
ше 1.
§ 6.6. СТАТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТРАНЗИСТОРОВ
Зависимости между токами и напряжениями в транзисторах
отображают их статические характеристики. Для вакуумных
триодов при отсутствии сеточного тока достаточно иметь одно
семейство сеточных или анодных характеристик. Каждое из них
показывает взаимную зависимость трех величин: анодного тока,
сеточного напряжения и анодного напряжения. В транзисторах
взаимно связаны всегда четыре величины: входные и выходные
токи и напряжения (Д, Uit I2, U2). Одним семейством характе-
ристик эту зависимость показать нельзя. Необходимо пользо-
ваться двумя семействами характеристик. Например, можно рас-
сматривать семейство входных характеристик I\=f (£Д) вместе
с семейством выходных характеристик I2=f (U2) *. Для схемы
с заземленной базой эти характеристики могут быть названы
соответственно эмиттерными и коллекторными.
Следует отметить, что для каждой из трех схем включения
транзистора существуют свои семейства характеристик. Поль-
зуясь теми или иными характеристиками, надо обращать вни-
мание на то, к какой схеме они относятся. Мы рассмотрим основ-
ные характеристики для наиболее распространенных схем с об-
щей базой и с общим эмиттером и только для плоскостных
транзисторов, так как точечные транзисторы сейчас уже не вы-
пускаются.
Поскольку рабочие напряжения и токи во входной и выход-
ной цепях транзисторов п-р-п и р-п-р имеют разные знаки, то
в литературе иногда характеристики показывают с учетом этого,
т. е. отрицательные напряжения и токи откладывают на осях
1 Символ f в равенстве l=f(U) означает, что ток I является функцией
напряжения U, т. е, что ток изменяется в зависимости от изменения напря-
жения.
296
влево и вниз. Однако удобнее их откладывать вправо и вверх
в любом случае. Именно так показаны приводимые далее харак-
теристики. А правильные полярность напряжений на транзисторе
и направление токов в его цепях всегда устанавливаются соот-
ветственно типу транзистора (п-р-п или р-п-р) независимо от
того, как изображены его характеристики.
Входные характеристики 13=f(UeS) для схемы с общей
базой показаны на рис. 6.21 а. В большинстве случаев они дают-
ся для постоянных значений напряжения С/К<у. Как видно, вход-
ные характеристики аналогичны вольтамперной характеристике
диода для прямого тока, причем изменение напряжения UK6
Рис. 6.21. Входные (а) и выходные (б) характеристики плоскостного тран-
зистора, включенного по схеме с общей базой
мало влияет на ток эмиттера. Это объясняется тем, что поле,
создаваемое напряжением Uкб в схеме с общей базой, практи-
чески все сосредоточено в коллекторном переходе и почти не
проникает в область эмиттерного перехода. Но все же с увели-
чением наблюдается небольшое возрастание тока Iэ . На-
пряжение Ugg обычно составляет десятые доли вольта.
На рис. 6.216 изображены выходные характеристики 1К =
—f (Uy) для постоянных значений тока /а. При нормальной
рабочей полярности напряжения когда коллекторный пе-
реход работает в обратном направлении, выходные характери-
стики представляют собой почти прямые линии, идущие с очень
небольшим наклоном. Поскольку уже при UK6 — 0 ток 1К по-
стигает почти максимального значения и при дальнейшем уве-
личении Uкд почти не возрастает, это означает, что он создан
главным образом за счет диффузии носителей, проникающих от
эмиттера через базу к коллектору. Поле, создаваемое в коллек-
торном переходе напряжением U кд , очень мало влияет на ток /ж
Получается своеобразное насыщение. Оно объясняется тем, что
297
ток I к как обратный ток создается неосновными носителями.
Но собственных неосновных носителей в полупроводнике мало,
и уже при сравнительно невысоких значениях все они ис-
пользуются. Для увеличения тока коллектора нужно увеличить
ток эмиттера. Тогда в базу от эмиттерного перехода придут
дополнительные неосновные носители (например, электроны,
в случае транзистора п-р-п). Характеристики наглядно показы-
вают, что с увеличением /э растет соответственно и ток коллек-
тора. Для больших значений / э кривые идут выше. Токи I к и
19 почти равны (/ к незначительно меньше /э). Напряжение
Uкв для выходных характеристик при нормальных значениях /к
обычно составляет единицы или десятки вольт.
Для случая /s =0 характеристика выходит из начала коор-
динат, а затем идет на небольшой высоте почти параллельно оси
абсцисс. Она соответствует обычной характеристике обратного
тока диода (см. рис. 6.7). Ток , определяемый такой харак-
теристикой, называют начальным или нулевым током коллекто-
ра. Этот ток является неуправляемым и представляет собой один
из параметров транзистора.
Из рис. 6.21 б видно, что при перемене полярности Uk6 ток
коллектора резко уменьшается, достигает нуля при напряжениях
порядка долей вольта, а затем меняет свое направление и резко
возрастает. В данном случае коллекторный переход работает
в прямом направлении и достаточно приложить к нему очень
небольшое напряжение Uk6, противодействующее диффузион-
ному току, чтобы прекратить этот ток, а затем создать значи-
тельный ток в обратном направлении. Участки характеристик,
показанные штриховыми линиями, не являются рабочими.
Статические характеристики транзистора при включении его
по схеме с общим эмиттером даны на рис. 6.22. Выходные ха-
рактеристики IK=f (UKa) при различных постоянных значениях
тока базы 1б (рис. 6.22 а) имеют начальный участок, идущий
круто, а затем переходят в пологие прямые. Эти характеристи-
ки напоминают анодные характеристики пентода. Однако у пос-
леднего они идут более расходящимся пучком и расстояние
между ними при изменении напряжения управляющей сетки на
одну и ту же величину меняется. Чем больше отрицательное
напряжение сетки, тем ближе друг к другу расположены харак-
теристики пентода. Вследствие этого пентоды при усилении бо-
лее мощных колебаний создают заметные искажения. У плос-
костного транзистора характеристики лучше, чем у пентода. Они
идут почти параллельно и на одинаковом расстоянии друг от
друга. Поэтому транзисторы могут дать усиление мощных коле-
баний с меньшими искажениями и более высоким кпд, чем
пентоды.
Входные характеристики lo—ffUca) при различных посто-
янных напряжениях С/кэ показаны на рис. 6.226. При UK3 =
298
==0 эта характеристика подобна обычной вольтамперной ха-
рактеристике прямого тока эмиттерного перехода, а при уве-
личении U кривая сдвигается вправо, что соответствует
уменьшению тока базы. Кроме того, при С7Кэ>0 и малых Uбэ
ток 1б меняет свой знак. Особенности характеристик транзи-
стора для схемы с общим эмиттером объясняются главным об-
разом тем, что часть напряжения UK3 приложена к участку
Рис. 6.22. Вы-
ходные (а) и
входные (б)
характеристи-
ки плоскостно-
го транзистора,
включенного
по схеме с об-
щим эмиттером
5)
база эмиттер (через сопротивления коллектора, коллекторного
перехода и базы). Эта часть напряжения Uка является напря-
жением обратной связи. На эмиттерном переходе оно действует
согласованно с напряжением 1!бэ, приложенным от источника
входной цепи Е\, и способствует увеличению тока эмиттера и
соответственно тока коллектора. А во внешней части входной
цепи напряжение обратной связи действует навстречу эдс источ-
ника Ei, что приводит к уменьшению тока базы и изменению
его направления при малых значениях Uба.
299
Рис. 6.23. Переходная
характеристика транзи-
стора для включения по
схеме с общим эмитте-
ром
Хотя для расчетов схем с транзисторами достаточно иметь
входные и выходные характеристики, иногда пользуются еще
характеристиками передачи по току или переходными характе-
ристиками при Uk6= const в случае схемы с общей
базой или IK=f (/б) ПРИ Uкэ= const в случае схемы с общим
эмиттером. Эти характеристики показывают, что с увеличением
тока эмиттера или тока базы растет и ток
коллектора. Пример такой характеристи-
ки дан на рис. 6.23. У некоторых транзи-
сторов она является почти прямолиней-
ной.
Пользуются также характеристиками
обратной связи Ua6 —f (Uk6) при /э =
= const для схемы с общей базой или
U бз —f (Мкэ) при Iб = const для схемы с
общим эмиттером.
Следует отметить, что в транзисторах
всегда существует довольно сильная
внутренняя обратная связь. Это объясня-
ется тем, что выходная и входная цепи
имеют непосредственное электрическое
соединение. Поэтому часть выходного
напряжения бывает приложена к входу
транзистора, а выходной ток (ток коллектора) частично прохо-
дит через входную цепь. Изменение этого тока вызывает измене-
ние входного напряжения.
В последнее время в справочниках часто приводятся для
транзисторов все четыре типа характеристик, расположенные в
четырех квадрантах. Это дает большую экономию места и удоб-
но, так как на осях координат откладываются в разные стороны
от 0 разные величины и каждая ось используется для четырех
графиков. На рис. 6.24 показаны в качестве примера такие ха-
рактеристики для включения транзистора по схеме с общим
эмиттером. Справа вверху даны выходные характеристики 1К =
—f (^э) ПРИ ^б — const; слева вверху показана переходная
характеристика /к =f (7б) при UK3 — const, причем ток 1б
пришлось отложить влево от начала координат. Слева внизу по-
казана входная характеристика /б=/((7бэ) при UK3 = const.
Для нее пришлось отложить ток 1б влево, а напряжение Uбз
вниз. Иногда здесь же дается характеристика для UK3 =0.
Справа внизу располагается семейство характеристик обратной
связи U6s =f (UK3) при 1б =const, для которых напряжение
U6a оказывается отложенным вниз. Подобные же характери-
стики приводятся и для случая включения транзистора по схеме
с общей базой.
Так как на вход транзистора для усиления подается пере-
менное напряжение, то иногда более удобно пользоваться харак-
300
теристиками, аналогичными ламповым анодным и сеточным ха-
рактеристикам. Выходные характеристики дают зависимость
1к = f (U^) при постоянных значениях напряжения Uбэ
(рис. 6.25 а) и похожи на анодные характеристики пентода.
В частности, они расположены не на одинаковых расстояниях
друг от друга, а при уменьшении напряжения (]бэ сближаются,
Рис. 6.24. Расположение на одном графике четырех типов
характеристик транзистора для схемы включения с общим
эмиттером
что является следствием нелинейной зависимости между напря-
жением и током базы (см. рис. 6.22 6). На этих характеристиках
показано, что при значительном увеличении UKa ток 1К начина-
ет возрастать быстрее. Подобное явление наблюдается при уве-
личении напряжения коллектора и на других выходных харак-
теристиках. Такой режим является опасным, так как он пред-
шествует пробою. Величина напряжения, пробивающего
коллекторный переход, обычно получается порядка 20—30 в для
маломощных и 50—100 в для более мощных транзисторов.
На рис. 6.25 а даны также характеристики /б=/(1/Лв) для
двух значений U63. Они напоминают анодные характеристики
301
тока управляющей или экранирующей сетки электронной лампы
и показывают, что для малого значения U б9 при повышении на-
пряжения UK3 изменяется направление тока Iб- Причина этого
явления была рассмотрена выше.
Переходные характеристики IK —f (U6t ) при UKa =const,
аналогичные сеточным характеристикам электронной лампы, изо-
бражены на рис. 6.25 б. Как видно из них, ток коллектора растет
Рис. 6.25. Выходные (с) и переходные (б), характеристики
плоскостного транзистора для включения во схеме с общим
эмиттером
при увеличении напряжений U6a и UK9. Но в электронной лам-
пе анодный ток существует не только при положительном, но и
при отрицательном напряжении сетки, а в транзисторе ток кол-
лектора может быть только при напряжении иб9 одного знака.
Рис. 6.26. Схема для снятия статических характери-
стик транзистора
Для снятия храктеристик транзистора применяются такие
же схемы, как и для снятия характеристик электронных ламп.
Одна из возможных схем показана на рис. 6.26. В ней напря-
жение (/«э регулируется с помощью двух потенциометров Rs
и /?з, включенных каскадно. При таком включении напряжение,
снимаемое с потенциометра Ra, подается на потенциометр Rs,
а с последнего напряжение снимается на транзистор. Это позво-
£02
ляет получать весьма малое напряжение и более плавно изме-
нять напряжение Uкз. В этом случае нулевое напряжение надо
устанавливать потенциометром Rs- Источником £2 может быть
батарея на 20—30 в или выпрямитель.
Ток базы 1б измеряется микроамперметром, а для измере-
ния напряжения U бз применяется милливольтметр. В данной
схеме для определения истинного значения Uбз надо из пока-
зания милливольтметра вычесть падение напряжения на микро-
амперметре, которое легко найти умножением тока 1б на сопро-
тивление микроамперметра. Потенциометр /?1 берется с неболь-
шим сопротивлением (десятки ом). В качестве источника
сдобно взять один сухой элемент. Сопротивление R служит для
того, чтобы напряжение
на Ri составляло лишь
несколько десятых долей
вольта.
Большим недостатком
транзисторов является
сильное влияние темпера-
туры на их характеристи-
ки. При повышении тем-
пературы токи в цепях
транзистора возрастают.
В частности, ток /ед при-
стик транзистора при повышении темпера-
мерно удваивается при
увеличении температуры туры
на каждые 10°С. На рис.
Ь.27 показаны семейства выходных характеристик при двух раз-
ных температурах. Такое резкое изменение характеристик про-
исходит, с одной стороны, от изменения температуры окружаю-
щей среды, а с другой стороны, от нагрева самого транзистора
проходящими через него токами. Температурная нестабильность
транзисторов во многих случаях нарушает нормальную работу,
и поэтому приходится применять особые методы температурной
стабилизации (или компенсации).
§ 6.7. СТАТИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ И ЭКВИВАЛЕНТНЫЕ
СХЕМЫ ТРАНЗИСТОРОВ
Для транзисторов предложено несколько различных систем статических
параметров и эквивалентных схем. Первичные параметры характеризуют элек-
трические свойства самого транзистора независимо от схемы его включения, а
вторичные параметры для разных схем включения имеют различные значения.
В качестве первичных параметров, помимо знакомого иам уже статическо-
го коэффициента усиления по току а, принимают некоторые сопротивления,
соответствующие эквивалентной схеме транзистора для переменного тока. Эта
схема, называемая Т-образной, показана для случая включения транзистора с
общей базой на рис. 6.28. Она отображает электрическую схему транзистора
и учитывает его усилительные свойства. Из нее вытекает, что основными пер-
303
Рис. 6.28. Эквивалентная
Т-образная схема тран-
зистора для включения
по схеме с общей базой
вичными параметрами являются сопротивления га, гк и rg, т. е. сопротивления
эмиттерного перехода, коллекторного перехода и базы для переменного тока.
В схеме иа рис. 6.28 усиленное переменное напряжение на выходе получа-
ется от некоторого эквивалентного генератора, включенного в цепь коллекто-
ра. Эдс этого генератора пропорциональна переменному току эмиттера ia. Ко-
эффициент пропорциональности между этими величинами имеет размерность
сопротивления и обозначен через г„. Его можно назвать переходным сопро-
тивлением (разные авторы называют это сопротивление различно и обознача-
ют его г m,rг и т. д.). Не следует считать г „ внутренним сопротивлением эк-
вивалентного генератора.
Полезно вспомнить, что электронная лампа для переменного анодного тока
является генератором, эдс которого получается
умножением переменного сеточного напряже-
ния иа коэффициент усиления лампы р.. Так
как переменная эдс в анодной цепи пропор-
циональна напряжению на сетке, то коэффи-
циент пропорциональности ц является безраз-
мерной величиной.
Если определять переменный анодный ток
через переменное напряжение на сетке, то ко-
эффициентом пропорциональности служит кру-
тизна лампы S, которая имеет размерность
проводимости, ио не является проводимостью
какого-то участка цепи. Для транзистора по-
добную роль выполняет переходное сопротив-
ление г„. При этом в схеме иа рис. 6.28 у эк-
вивалентного генератора, имеющего эдс rn h
внутреннее сопротивление равно нулю.
Порядок величин первичных параметров для плоскостных транзисторов
следующий. Сопротивление ra составляет десятки ом, сопротивление rg —
сотни ом. А сопротивления гк и гп составляют сотни килоом и даже единицы
мегом. Рассмотренная эквивалентная схема транзистора пригодна только для
низких частот. На высоких частотах необходимо учитывать еще емкости эмит-
териогр и коллекторного переходов, что приводит к усложнению эквивалент-
ной схемы.
Все системы вторичных параметров основаны на том, что транзистор рас-
сматривается как' четырехполюсник, т. е. прибор, имеющий два входных и два
выходных зажима. Вторичные параметры связывают входные и выходные то-
ки и напряжения.
В начале создания теории работы транзисторов были предложены вторич-
ные параметры в виде четырех сопротивлений — так называемые z-парамет-
ры. На низких частотах их считают чисто активными и обозначают буквами г
с индексами 1 и 2 для входной и выходной цепей.
Входное сопротивление при холостом ходе на выходе Гц представляет со-
бой отношение изменения входного напряжения AtA к вызванному им измене-
нию входного тока АЛ при постоянном выходном токе:
Иначе можно сказать, что гп является входным сопротивлением для пере-
менной составляющей входного тока при отсутствии изменений выходного то-
ка. Если переменные составляющие обозначить строчными буквами, то можно
написать
“г
ги = —— при гг = 0.
li
В названии сопротивления Гц слова «холостого хода» указывают, что вы-
ходная цепь как бы разомкнута для переменного тока.
304
Сопротивление гп имеет величину ие более нескольких сотен ом *. Вследст-
вие велииейных свойств транзистора для различных режимов Гц ие остается
постоянным. То же относится и ко всем другим параметрам.
Выходное сопротивление при холостом ходе на входе
MJ2 и2
г22 = — при fl — const или г22 = -----' при i. = 0.
Д 4 «2
Оно имеет смысл выходного сопротивления для переменной составляющей
выходного тока при отсутствии изменений входного тока.
Выходное сопротивление у плоскостных транзисторов имеет величину до
сотен килоом и даже нескольких мегом. Величина г22 зависит от наклона вы-
ходных характеристик. Чем более полого они идут, тем больше г22.
Прямое переходное сопротивление при холостом ходе на выходе г21 опре-
деляется по формуле
Д1/2 и2
г21 = ——• при /2 = const или г21 = -— при 12 = 0.
Д Л *1
Оно такого же порядка, как г22, и характеризует получение усиленного пе-
ременного напряжения в выходной цепи при изменении входного тока.
Обратное переходное сопротивление при холостом ходе на входе г12 нахо-
дится по формуле
Д Ux
Г]2 = • прн lx == const или г12 = ~— при 11 — 0.
Д /г ^2
Уже отмечалось, что в транзисторе существует внутренняя обратная связь,
так как переменная составляющая выходного тока, проходя через элементы
входной цепи, создает в последней некоторое переменное напряжение. Сопро-
тивление гх2 характеризует эту обратную связь и имеет величину одного по-
рядка с Гц.
К этим четырем параметрам обычно добавляют коэффициент усиления по
току а, о котором говорилось ранее. Все параметры можно определить из со-
ответствующих характеристик. Например, сопротивление г22 для случая вклю-
чения транзистора по схеме с общим эмиттером находят из выходных харак-
теристик (рис. 6.22). Для определения г22 в точке Т следует взять отношение
приращений =Д172 и Д/к =Д/2 между точками В к Г, что соответствует
условию /е =/]—const. Величину а нетрудно иайти также из выходных ха-
рактеристик для схемы включения с общей базой (рис. 6.21). Для точки Т надо
определять а как отношение приращений Д/к=Д/2 и Д/э =ДЛ между точка-
ми А и Б, соответствующими одному и тому же значению Uxg = П2;
С помощью z-параметров зависимости между переменными составляющими
токов и напряжений в цепях транзистора выражаются следующими уравне-
ниями:
41 — Ч Гц + <2 г12> U2 — 1’1 г21 »2 Г22-
Первое уравнение показывает, что переменное напряжение во входной це-
пи складывается из падения напряжения, создаваемого током А на входном
сопротивлении Гц, и напряжения обратной связи, равного произведению i2 на
Г12. Согласно второму уравнению выходное переменное напряжение состоит из
падения напряжения* от тока i2 на выходном сопротивлении г22 и усиленного
напряжения, равного произведению ix на ri2.
В соответствии с этим можно транзистор заменить для переменных сос-
тавляющих токов эквивалентной схемой, состоящей из двух отдельных цепей,
как показано на рис. 6.29, К левым входным зажимам должен подключаться
источник усиливаемых колебаний, к правым выходным зажимам присоединя-
1 Здесь и далее порядок величин z-параметров приводится для схемы с
общей базой.
20-2607 305
пример, умножив ток «2 иа
Рис. 6.29. Эквивалент-
ная схема транзистора
для z-параметров
ется нагрузочное сопротивление. Так как эта схема составлена для перемен-
ного тока, то источники питания из нее исключены (их сопротивление пере-
менному току можно считать достаточно малым).
Входная цепь содержит эквивалентный генератор с напряжением Vis. Он
заменяет собой действие внутренней обратной связи. В выходной цепи имеется
эквивалентный генератор с напряжением Vsi, который учитывает появление
усиленного напряжения. Не следует считать Иг и г21 внутренними сопротив-
лениями генераторов. Эти параметры просто выполняют роль коэффициентов
пропорциональности между соответствующими токами и напряжениями. На-
Г|2, получаем напряжение обратной связи, пропор-
циональное току i2. Ясно, что коэффициент про-
порциональности между напряжением и током
должен иметь размерность сопротивления. А
внутренние сопротивления эквивалентных генера-
торов в рассматриваемой схеме равны нулю. Ина-
че говоря, напряжения генераторов равны их
эдс. На схеме рис. 6.29 входная и выходная це-
пи показаны не связанными друг с другом, но
эквивалентные генераторы учитывают взаимо-
связь этих цепей.
Нетрудно установить зависимости между «-па-
раметрами и первичными параметрами транзи-
стора. Эти зависимости получаются различными
для разных схем включения. Найдем их в виде
примера Для схемы с общей базой. В этом случае одному и тому же тран-
зистору должны соответствовать и давать одинаковые результаты обе экви-
валентные схемы рис. 6.28 и 6.29. Сопоставляя их и учитывая определение
z-параметров, можно написать следующие равенства.
Входное сопротивление г„ определяется при i2=0, т. е. при разомкнутой
для переменного тока выходной цепи. Следовательно, из схемы на рис. 6.28
получаем: Гц=Гэ+Гб- Выходное сопротивление ги аналогично определяется
при «1>=0, г. е. при разомкнутой для переменного тока входной цепи. Поэтому
Г22=гж+гб Прямое переходное сопротивление г21 определяется при т2=0. Из
Т-образной схемы по рис. 6.28 для этого случая:
и2= *1 Ли + h гб<
так как при i2=0 нет падения напряжения на гк, а весь ток G проходит через
'б- Отсюда следует, что и2=й(гл+Лд ) или, принимая во внимание, что
. —ги, найдем: г2|=гл +гб- Подобно этому найдем, что обратное переход-
*1
ное сопротивление г12, определяемое при «1=0, т. е. при разомкнутой входной
цепи, равно Гц=Гб • Из найденных выражений легко получить формулы для
определения первичных параметров через «-параметры:
гэг=сги —rHi гк = г22 — Л12! Г6=Г121 гп — Г21—г12-
Заметим, что поскольку для плоскостных транзисторов гк и г„ много боль-
ше, чем гэ, и TQ, то приближенно: г22~ гя и г21 я г„.
Таким же путем, сопоставляя эквивалентную схему для z-параметров с
Т-образной эквивалентной схемой для любого другого способа включения
транзистора, можно получить аналогичные соотношения между параметрами
для каждой схемы включения. При этом следует помнить, что для каждой
схемы z-параметры имеют свои значения.
Система z-параметров применительно к плоскостным транзисторам имеет
недостатки. В частности, вследствие того, что выходное сопротивление г22
очень велико, практически трудно осуществить на выходе режим холостого
хода для переменного тока («2=0), необходимый для измерения Ли и г21. По-
этому для плоскостных транзисторов была предложена система параметров
306
в виде проводимостей («/-параметры). Для низких частот они являются чисто
активными и обозначаются буквами g с соответствующими индексами.
Эти параметры определяются следующим образом.
Входная проводимость при коротком замыкании на выходе («2=0)
«п =--------
«1
Выходная проводимость при коротком замыкании на входе («1=0)
«2
«22 —
«2
Прямая переходная проводимость при коротком замыкании на выходе
(«2=0)
f2
«1 '
Обратная переходная проводимость при коротком, замыкании на входе
(«1=0)
«21 —
«12 — ,
«2
Нетрудно установить аналогию между //-параметрами и параметрами
вакуумного триода. Действительно, если рассматривать .//-параметры для вклю-
чения транзистора по схеме с общим эмиттером, то /1=/б» 1)\=1)бэг Iz=Ik<
1)2=1)к, и эти величины будут соответствовать величинам/с, Uc, 1а, 1)а для
вакуумного триода. Следовательно, ii, «ь 12, «2 соответствуют приращениям
Д/с, Д1/с, Д/д, MJa, и тогда параметры «п, «22, «21 аналогичны соответст-
венно:
внутренней проводимости участка сетка — катод лампы
1 Мс .
-----—-------- при Ua - const (т. е. при Ы)а = 0);
Rc М)с
внутренней проводимости участка аиод — катод
при Uc - - const (т. е. при Д1/с = 0)
и крутизне
д/«
S = - • - при Ua — const (т. е. при Д 1)а = 0).
Д Uc
В систему //-параметров часто добавляют еще статический коэффициент
усиления по напряжению
при 1-2 = 0,
Р
И
«2
«1
аналогичный коэффициенту усиления лампы
Д1/„
при la— const (т. е. при Д/я = 0)1.
д ис
Прн использовании //-параметров также можег быть составлена соответ-
ствующая эквивалентная схема. Достоинством //-параметров следует считать
их сходство с параметрами электронных ламп. Недостаток их заключается в
1 Знак минус в формулах для р. стоит потому, что постоянство тока мо-
жет быть достигнуто лишь в случае, если изменения напряжений противопо-
ложны по знаку. А сам ц всегда положителен.
20* 307
том, что практически трудно обеспечить для измерения g22 и gn режим ко-
роткого замыкания для переменного тока на входе, гак как входное сопро-
тивление самого транзистора мало.
В последние годы для плоскостных транзисторов применяют смешанные
(или гибридные) параметры, обозначаемые буквой Л. Название «смешанные;»
дано, потому, что среди них имеются две безразмерные величины, одно сопро-
тивление и одна проводимость. Два параметра определяются при коротком
замыкании для переменного тока на выходе, а остальные — при холостом
ходе на входе, т. е. при разомкнутой для переменного тока входной цепи. Эти
условия нетрудно осуществить при измерении параметров.
В систему Л-параметров входят следующие величины:
входное сопротивление при коротком замыкании на выходе («2=0)
коэффициент усиления по току при коротком замыкании на выходе («2=0)
й________________________________*1.
«21 — . •
коэффициент обратной связи при холостом ходе на входе (ii=0)
. _±1_
«12 = ,
«2
выходная проводимость при холостом ходе на входе (h=0)
, *2
— •
1^2
Параметры Ли, Л2|, Л22 не нуждаются в пояснениях, А параметр ht2 показы-
вает, какая доля выходного напряжения «2 попадает иа вход транзистора
вследствие наличия внутренней обратной связи.
Для любой схемы включения Л-параметры связаны с первичными парамет-
рами транзистора. Например, для схемы с общей базой получается:
Гд 1
Лц = гэ; = а; п12 к ; Л22 » .
гк Гк
Исходя из этих соотношений, можно выяснить порядок величин Л-пара-
метров.
Нахождение Л-параметров из характеристик для той или иной схемы вклю-
чения производится в соответствии с их определениями по формулам. Следует
помнить, что строчные буквы в этих формулах обозначают приращения соот-
ветствующих токов и напряжений, а условия «2=0 и (|=0 надо понимать
как l/2=const и /|=const.
Для примера найдем из характеристик на рис. 6.22 Л-параметры при вклю
чении транзистора по схеме с общим эмиттером. В данном случае /1=/^:
= ^2=^я! ^'2—^кв- ~-----—
Из выходных характеристик на рис. 6.22 а можно найти для заданной точ-
ки Т параметры h2I и /:22. Взяв приращения Д/« н Д/е между точками А и В
при постоянном напряжении найдем:
Д !к 1 ма
Д If, 40 мка
= 25.
,-з
Отношение приращений Д/к и AUK3 между точками В и Г при постоян-
ном токе 1в дает возможность определить
Д/ж 0,4 ма 0,4-10— За
=-----— « —---------=-----:----------= 28,6-10~6 мо.
** &UK3 14 в 14 в
303
что соответствует выходному сопротивлению
——Г——л ~ 36 200 ом.
28,6-10 6
г22 = ,
Л 22
находятся из входных
характеристик иа
что и на выходных
точками А и В при
Остальные два параметра
рис. 6.22 6. Здесь указана точка Т для того же режима,
характеристиках. По приращениям А/б и MJ вэ между
постоянном напряжении U кэ находим:
50 мв
~--------— = 2500 ом.
А 1б 20 мка
Параметр hl2 определяем с помощью приращений Ai/бэ и AUкз между
течками В и Г при постоянном токе базы:
ДПбэ Ю мв ______________о
Л,2 =----~~ ------= 0,77-10 3 .
12 ДПКЭ 13 в
Это означает, что за счет внутренней обратной связи на участке база —
эмиттер получается переменное напряжение, составляющее 0,00077 перемен-
ного напряжения участка коллектор — эмиттер.
§ 6.8. ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ТРАНЗИСТОРОВ
Обозначения транзисторов имеют три элемента. Первый эле-
мент— буква С — для точечных транзисторов и П — для плос-
костных. Затем ставится номер в соответствии со следующей
классификацией. Маломощные германиевые транзисторы имеют
номера 1—100, такие же кремниевые— 101—200. Более мощным
выходным приборам присвоены номера 201—300 для германие-
вых транзисторов и 301—400 для кремниевых. Специальные вы-
сокочастотные транзисторы имеют номера 401—500—германие-
вые и 501—600—кремниевые. Все германиевые транзисторы
предназначены для работы при обычных температурах, а крем-
ниевые — при повышенных температурах. Третьим элементом
обозначения является буква, указывающая разновидность при-
бора. При отсутствии разновидностей буква не ставится.
На рис. 6.30 а показаны точечные транзисторы более старого
типа (от С1А до С1Е и от С2А до С2Г). У них металлический
корпус является выводом базы. От эмиттера и коллектора вы-
воды сделаны в виде штырьков. Позднее были выпущены новые,
более совершенные точечные транзисторы в металлических гер-
метичных корпусах с гибкими выводами (рис. 6.306) СЗА—СЗЕ
и С4А—С4Г. Все точечные транзисторы имеют предельную мощ-
ность, рассеиваемую на приборе, 50—100 мет1 и могут рабо-
тать при температурах от —50° до +50°С. Однако точечные
транзисторы неперспективны и выпуск их производством пре-
кращен.
1 Здесь и далее параметры указаны для нормальной комнатной темпе-
ратуры.
309
К плоскостным транзисторам типа р-п-р для усиления и ге-
нерирования колебаний малой мощности высокой и низкой ча-
стоты относятся следующие приборы.
Транзисторы старого типа П1А—П1Д служат для усиления
на частотах до 100 кгц, П1Е — до 465 кгц, П1Ж — до 1 Мгц и
ШИ — до 1,6 Мгц. Они оформлены в металлическом патроне со
стеклянными изоляторами (рис. 6.31 а). Корпус является вы-
водом базы. Выводы эмиттера и коллектора проходят через стек-
лянные изоляторы. В схеме с общим эмиттером при частоте 1 кгц
3 6 К
Рис. 6.30. Точечные и плоскостные транзисторы:
я) устройство и внешний вид транзисторов С1 и С2
[/ — кожух, 2 — корпус (база), 3 — кристаллодержа-
тель, 4 — германий, 5 — эмиттер, 6 — коллектор, 7 —
изолирующая втулка, 8 — выводы]; б) внешний вид
точечных транзисторов СЗ, С4 и плоскостных П6, П8-*-
ПП. П13—ГП5, П101— П106
и сопротивлении нагрузки 30 ком с этими транзисторами усиле-
ние по мощности получается в 1000—5000 раз. Предельная мощ-
ность, рассеиваемая прибором, у них 50 мет.
Выпущенные позднее транзисторы П5А—П5Д оформлены в
стеклянном миниатюрном баллоне, покрытом светонепроницае-
мой краской (рис. 6.31 б). Предельная частота усиления у этих
транзисторов 100—500 кгц. На приборе допускается рассеивание
мощности до 25 мет.
Снятые с производства транзисторы П6А—П6Д, оформление
которых показано на рис. 6.30 б, предназначены для усиления
колебаний с наибольшей частотой до 0,5—2,5 Мгц. Предельная
мощность, рассеиваемая прибором, составляет у них 150 мет.
Транзисторы П13, П13А, П13Б, П14, П15, П16, П16А и П16Б
для усиления высокой частоты оформлены также по рис. 6.306.
310
Они допускают рассеивание мощности на приборе до 150 мет.
Величина а у них 0,92—0,97 при предельной частоте 465 кгц
для П13, 1000 кгц для П14 и П16, 1600 кгц для П15.
Для усиления колебаний повышенной частоты выпущены
транзисторы П12, П406 и П407, а также миниатюрные транзи-
сторы П19, П408 и П409, имеющие допустимые значения напря-
жения коллектора и мощности, рассеиваемой прибором, соответ-
ственно 6 в и 30 мет. У них а не менее 0,95 на частотах до
5 Мгц для П12 и П19, до 10 Мгц для П406 и П408, до 20 Мгц
для П407 и П409.
Большинство транзисторов делается из германия. Исключе-
ние составляют кремниевые транзисторы типа п-р-п П101,П101А,
П102 и П103 (рис. 6.30 б). Их особенность состоит в том, что
Рис. 6.31. Плоскостные транзисторы:
с), устройство и внешний вид транзисторов П1 и П2 [/ — корпус, 2 — стекло,
о — эмиттер (индий), 4— кристаллодержатель, 5 — коллектор (индий), 6 —
вывод эмиттера, 7 — вывод коллектора, 8—германий, 9 — наружные выводы
эмиттера и коллектора, 10 — вывод базы]; б) внешний вид транзисторов
П5 и П7
они могут работать при температурах до 120°С. Они имеют а
от 0,9 до 0,93 при частоте усиления до 200 кгц для П101, 465 кгц
для П102 и 1000 кгц для П103. Напряжение коллектора допус-
кается до 20 в для И101 и до 10 в для ГН02 и ГН 03. Предель-
ная мощность, рассеиваемая прибором, составляет 150 мет.
К типу п-р-п относятся также германиевые транзисторы П8,
П9, П9А, П10 и П11 (рис. 6.306), которые могут работать при
температурах коллекторного перехода до 100°С. Их основные
данные: наибольшее напряжение коллектора 20 в, наибольшая
мощность, рассеиваемая прибором, 150 мет, величина а до
0,9 0,95 при предельной частоте усиления 100 кгц для П8,
465 кгц для П9, 1000 кгц для П10 и 1600 кгц для ПИ.
В последнее время выпущены также кремниевые транзисторы
типа р-п-р П104, П105 и П106 для работы при температурах до
120°С, оформленные по рис. 6.30 6. Они имеют предельную ча-
стоту усиления 100 кгц для П104 и П105 и более высокую —
465 кгц для П106, а допустимая мощность,, рассеиваемая прибо-
ром, составляет 150 мет.
311
Для мощных усилителей низкой частоты предназначены тран-
зисторы П2, ПЗ, П4, П7, П25, П26, а также П201—П203. Более
старые из них П2А и П2Б оформлены по рис. 6.31 а. В схеме
с общей базой они могут дать полезную мощность 100 мет.
К устаревшим относятся также транзистор П7 (рис. 6.31 б) и
транзисторы ПЗА, ПЗБ и ПЗВ (рис. 6.32 а). Транзисторы ПЗ
дают в схеме с общим эмиттером полезную мощность до 1 вт.
Новыми приборами, заменяющими П2А и П2Б, являются
транзисторы П25, П25А, П25Б, П26, П26А и П26Б, оформленные
по рис. 6.30 б. Все они рассчитаны на максимальную допустимую
мощность, рассеиваемую прибором, 200 мет. Наибольшее на-
пряжение коллектора у первых трех приборов 60 в, у осталь-
ных—100 в. Предельная частота усиления по току у приборов
П25Б и П26Б составляет 465 кгц, у остальных — 200 кгц.
Рис. 6.32. Внешний вид транзисторов ПЗ (а) и
ПА (б)
Мощные транзисторы П4А—П4Д в схеме с общим эмиттером
могут отдавать полезную мощность до 12 вт. Допустимая мощ-
ность, рассеиваемая прибором с дополнительным радиатором,—
30 вт, без радиатора — 2 вт, а напряжение коллектора 35—60 в.
Они оформлены в металлическом герметичном баллоне со стек-
лянными изоляторами и гибкими выводами (рис. 6.326). Тран-
зисторы П201, П201А, П202 и П203 предназначены для усили-
телей низкой частоты, преобразователей напряжения в питающих
устройствах радиоэлектронной аппаратуры и переключающих
схем. Эти транзисторы оформлены в металлическом герметичном
корпусе, с которым электрически соединен коллектор. Они вы-
держивают наибольшую температуру коллекторного перехода
100°С и допускают рассеивание мощности прибором с дополни-
тельным радиатором 10 вт, а без него — 1 вт. В схеме с общей
базой наибольшее допустимое напряжение коллектора составля-
ет 30 в для П201 и П201А, 45 в для П202 и 60 в для П203.
Новыми мощными транзисторами являются П207, П207А,
П208 и П208А, а также П209, П209А, П210 и П210А. Первые
имеют наибольшую мощность, рассеиваемую прибором, с допол-
нительным радиатором 100 вт и без него — 4 вт. У второй группы
эти мощности соответственно равны 60 и 1,5 вт. При работе при-
312
боров первой группы в предельном режиме рекомендуется водя-
ное охлаждение.
Следует отметить, что все мощные транзисторы — германие-
вые типа р-п-р.
Достигнуты значительные успехи в создании транзисторов
для более высоких частот. Применению плоскостных транзисто-
ров на повышенных частотах препятствуют инерционность диф-
фузионного процесса перемещения но-
сителей через базу и влияние емкости
коллекторного перехода. Поэтому для
повышения предельной рабочей часто-
ты необходимо уменьшать толщину
базы, ее сопротивление и площадь кол-
лекторного перехода. Однако в этом
встречаются большие трудности и про-
тиворечия. Например, уменьшение
толщины базы и площади коллектор-
ного перехода приводит к увеличению
сопротивления базы и снижению до-
пустимой нагрузки транзистора по то-
ку и мощности. В обычных плоскост-
Рис. 6.33. Принцип устрой-
ства диффузионного тран-
зистора
(например, индий), не
ных транзисторах, которые относятся
к сплавному типу, поскольку в них для
создания р-и-переходов в пластинку
данного полупроводника (например
германия) вплавлены другие вещества
удается значительно повысить предельную частоту.
Существенное увеличение предельной частоты получено в
диффузионных транзисторах П401—П403. Принцип их устрой-
ства показан на рис. 6.33. В кристалле р-германия сделано не-
большое углубление с тонким слоем n-германия, на который кла-
дут две капли различных сплавов, содержащих донаторные и
акцепторные примеси. Затем при высокой температуре происхо-
дит сплавление этих капель с германием и диффузионное про-
никновение примесей из жидкого сплава в твердый германий.
После затвердевания одна капля образует эмиттерную р-область.
Под ней получается базовая «-область толщиной в несколько
микрон. Выводом от нее служит другая капля. Пластинка гер-
мания припаивается к кристаллодержателю и помещается в кор-
пус, который оказывается соединенным с коллектором. Транзи-
сторы такого типа названы диффузионными потому, что очень
тонкая область базы создана благодаря диффузии примесей.
Вследствие того что в базе примеси распределяются неравно-
мерно, в ней действует электрическое поле, ускоряющее движе-
ние носителей от эмиттера к коллектору (дрейф носителей).
Поэтому такие транзисторы иногда называют дрейфовыми, хотя
это название применяют и к некоторым другим типам.
313
Предельные частоты генерирования составляют: 30 Мгц у
П401, 60 Мгц у П402, 120 Мгц у П403 и П403А. Все эти тран-
зисторы работают при напряжении коллектора до 10 в и допу-
скают мощность рассеивания в приборе 100 мет. Величина а у
них 0,96.
Новым типом являются диффузионные германиевые транзи-
сторы типа р-п-р— П410, П410А, П411 и П411А. Они имеют ме-
таллический герметичный корпус со стеклянными изоляторами
и коаксиальными выводами (рис. 6.34). Корпус у них соединен
с базой. Максимальная частота генерирования 200 Мгц у П410
и П410А, 400 Мгц у П411 и П411А. Наибольшее напряжение
коллектора — до 8 в и допустимая
мощность, рассеиваемая прибором,
Рис. 6.34. Внешний вид
транзисторов П410— П411
Рис. 6.35. Принцип
устройства поверхно-
стно-барьерного тран-
зистора
Высокочастотными являются поверхностно-барьерные тран-
зисторы П404, П4О4А, П405 и П405А типа р-п-р. Принцип их
устройства показан схематически на рис. 6.35. В тонкой пластин-
ке «-германия, от которой делается вывод базы, путем электро-
химического травления делают углубления. Толщина базы в этом
месте доводится до единиц микрон, и с обеих сторон наносятся
слои акцепторного металла (например, индия). Предполагают,
что на поверхности германия создаются очень тонкие слои с соб-
ственной проводимостью i, т. е. что структура транзистора по-
лучается p-1-n-i-p. Поверхностно-барьерные транзисторы имеют
малые емкости переходов, небольшую допустимую мощность,
рассеиваемую на приборе, и низкий уровень шумов. Для тран-
зисторов П404 предельная частота генерирования равна 20 Мгц,
а для П405 — 30 Мгц. Величина а у П404 не менее 0,93, а у
П4О5 не менее 0,95. Наибольшее напряжение коллектора состав-
ляет 4,5 в, а допустимая мощность, рассеиваемая прибором,
равна 10 мет. Транзисторы П404 и П405 оформлены в металло-
стеклянном герметичном корпусе с гибкими выводами.
314
Разработаны также и некоторые другие новые типы транзи-
сторов, но они пока еще не находятся в массовом производстве.
При использовании транзисторов (и полупроводниковых дио-
дов) в радиоэлектронной аппаратуре необходимо соблюдать сле-
дующие правила.
Полупроводниковые приборы можно включать в схему при
помощи пайки, а также панелей или зажимов. Пайка допускает-
ся не ближе 10 мм от корпуса прибора в течение 2—3 сек паяль-
ником мощностью 50—60 вт. Температура пайки не должна быть
выше 150°С. Между корпусом прибора и местом пайки желате-
лен теплоотвод с помощью куска металла. Не рекомендуется
крепить приборы на выводах. Не следует располагать приборы
вблизи нагревающихся деталей. Желательно обеспечить хороший
теплоотвод от корпуса прибора. Нельзя допускать перегрузки по
току, напряжению и мощности. Следует остерегаться включения
на транзисторы питающих напряжений с неправильной поляр-
ностью. При включении транзисторов всех типов вывод базы
должен присоединяться первым к источникам питания.
§ 6.9. ВОПРОСЫ И ЗАДАЧИ
1, Каковы достоинства и недостатки полупроводниковых приборов по
сравнению с электронными лампами?
2. В чем заключается электронная проводимость полупроводников?
3. Что такое дырки и чем они отличаются от положительных ионов?
4. Какие частицы перемещаются при прохождении тока в полупроводнике
с дырочной проводимостью?
5. Как происходит выпрямление тока на границе двух полупроводников
с различной проводимостью?
6. Почему получается обратный ток в полупроводниковом диоде?
7. В чем разница в свойствах точечных и плоскостных диодов?
8. Полупроводниковый диод имеет Rnp=t>0 ом, R06i =100 ком и емкость
С=40 пф. На каких частотах его выпрямляющее действие будет заметно
ухудшаться вследствие шунтирующего влияния собственной емкости?
9. Почему неудобно вольтамперную характеристику полупроводникового
диода показывать в одном масштабе для прямого и обратного тока?
10. Как образуется запирающий слой- в электронно-дырочном переходе и
как он изменяется, если приложить к переходу прямое или обратное напря-
жение?
11. Как устроен селеновый вентиль и где в нем образуется электронно-ды-
рочный переход?
12. Перечислите и поясните основные параметры полупроводниковых
диодов.
13. В каком режиме работают кремниевые стабилитроны?
14. Почему транзистор не будет работать при большом расстоянии между
эмиттерным и коллекторным переходами?
15. В чем разница и сходство в работе вакуумного триода и транзистора?
16. Может ли транзистор работать при отсутствии тока базы?
17. Начертите схемы усилительных ступеней с общей базой, общим эмит-
тером и общим коллектором, если в них применен транзистор типа р-п-р. По-
кажите на этих схемах, как проходят все токи.
18. В усилительной ступени по схеме с общим эмиттером источник питания
коллекторной цепи имеет напряжение Е2=40 в. Сопротивления коллекторного
315
перехода и нагрузочное равны каждое 10 ком. При увеличении напряжения
эмиттер — база на 0,2 в сопротивление RK уменьшилось на 4 ком. Определите
коэффициент усиления ступени по напряжению.
19. В транзисторе при изменении тока эмиттера на 2 ма ток коллектора
изменился на 1,9 ма. Чему равны коэффициенты усиления по току а и ₽?
20, В чем заключается вредное влияние емкости коллекторного перехода?
21. В чем заключается влияние температуры на свойства полупроводнико-
вых диодов и транзисторов?
22. Как изменится коэффициент р при увеличении коэффициента а?
23. Начертите и поясните входные и выходные характеристики транзистора
при включении его по схеме с общим эмиттером.
24. Начертите и поясните схему для снятия характеристик транзистора для
двух случаев его включения: с общим эмиттером и с общей базой.
25. Какие параметры транзистора называют первичными? Каков порядок
их величины?
26. Что такое z-параметры транзистора? Каков порядок их величины для
включения транзистора по схеме с общей базой?
27. Начертите и поясните эквивалентную Т-образиую схему транзистора.
28. Какая эквивалентная схема транзистора применяется при использова-
нии г-параметров?
29. Как определить параметры гн и г22 из характеристик транзистора?
30. Что такое </-параметры?
31. Какие параметры транзистора аналогичны параметрам S и ц элек-
тронной лампы?
32. Перечислите и поясните Л-параметры транзистора.
33. Как определить параметры Лп, Л22 и Л21 из характеристик транзистора?
34. Какие транзисторы называются диффузионными или дрейфовыми?
35. Какие правила надо соблюдать при пайке выводов полупроводниковых
диодов и транзисторов?
ГЛАВА 7
ВЫПРЯМИТЕЛИ
§7.1. ОСНОВНЫЕ СХЕМЫ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ
Выпрямители применяются главным образом для питания
анодных цепей радиоаппаратуры, т. е. заменяют анодную бата-
рею. В качестве вентилей в них используются кенотроны или
полупроводниковые диоды, а иногда и ионные приборы.
Простейшая схема кенотронного выпрямителя приведена на
рис. 7.1 а. Силовой трансформатор Т включен в сеть через вы-
ключатель В и предохрани-
тель 77. Обмотка II является
понижающей и служит для
накала катода, обмотка
III — повышающая ’. В на-
грузочном сопротивлении 7?
протекает пульсирующий
ток. Плюс выпрямленного
напряжения получается со
Рнс. 7.1. Схема однополупериодного
выпрямителя
стороны катода кенотрона.
Процесс выпрямления был
уже рассмотрен в гл. 5 (рис.
5.7). В этом случае исполь-
зуются полуволны перемен-
ного тока одного направле-
ния, и поэтому выпрямитель
называется однополупериод-
ным. Максимальное обратное напряжение на вентиле в такой
схеме равно амплитудному значению напряжения трансформато-
ра. Цепь накала является вспомогательной, и ее иногда не пока-
зывают. Часто изображают принципиальные схемы выпрямите-
лей с помощью условного обозначения вентиля (рис. 7.1 б). Тре-
1 Если величина сетевого напряжения достаточна, то повышение его
трансформатором становится ненужным, но для накала катода все же остает-
ся понижающий трансформатор.
317
угольник играет роль стрелки, показывающей направление тока
(условное); электроны идут в обратном направлении.
В двухполупериодных схемах выпрямителей используются обе
полуволны, образующие после вы-
прямления пульсирующий ток
(рис. 7.2).
В схеме рис. 7.2 а используют-
ся два кенотрона, а в схеме рис.
7.2 6 применен двуханодный кено-
трон. Повышающая обмотка
трансформатора имеет вывод от
средней (нулевой) точки и долж-
ю
Рис. 7.2. Схемы двухполупериод-
ных выпрямителей и графики про-
цесса выпрямления в них
на давать напряжение вдвое
большее, чем при однополупери-
одном выпрямлении. Оба кено-
трона или обе половины двух-
анодного кенотрона работают по-
очередно. В первую половину пе-
риода работает один анод, потен-
циал которого положителен, и од-
на половина повышающей обмот-
ки. Ток проходит по стрелке 1.
Во вторую половину периода по-
ложительный потенциал получа-
ется на другом аноде, и ток про-
ходит от второй половины повы-
шающей обмотки по стрелке 2. В
нагрузочном сопротивленииRоба
тока проходят в одном направле-
нии и создают суммарный ток
(рис. 7.2 е). Кривая г изображает
напряжение вторичной обмотки
трансформатора, кривые д — вы-
прямленные токи для каждого
вентиля. Схемы рис. 7.2 было бы
правильнее называть двухфазны-
ми, так как повышающая обмот-
ка трансформатора является ис-
точником двухфазной эдс, т. е.
дает две эдс, равные по величине,
но противоположные по фазе (со
сдвигом фаз 180°).Максимальное
обратное напряжение на каждом
вентиле в таких схемах может до-
ходить до амплитудного значения напряжения всей повышающей
обмотки. Это является недостатком данных схем и препятствует
их использованию при высоких напряжениях.
318
На рис. 7.3 показана мостовая схема, дающая двухполупе-
риодное выпрямление, хотя повышающая обмотка рассчитана на
одинарное напряжение и не имеет средней точки. Недостаток
схемы — необходимость применения четырех кенотронов, из ко-
торых только два могут иметь общую обмотку накала катодов,
а остальные должны иметь отдельные обмотки накала, изоли-
рованные друг от друга. Поэтому мостовая схема используется
преимущественно с полупроводниковыми диодами. Прохождение
тока в первый полупериод показывают стрелки 1, во второй по-
лупериод— стрелки 2. Ток проходит последовательно через два
вентиля, и поэтому потеря напряжения на их внутреннем сопро-
тивлении— удвоенная по сравнению с выпрямителем по схеме
Рис. 7.3. Мостовая схема выпрямителя
рис. 7.2. Обратное максимальное напряжение на каждом вен-
тиле мостовой схемы равно амплитудному напряжению транс-
форматора, т. е. вдвое меньше, чем в схемах рис. 7.2.
В схеме рис. 7.4 а трансформатор не имеет повышающей об-
мотки на двойное напряжение со средней точкой, но одновре-
менно с двухполупериодным выпрямлением выпрямитель дает
удвоение напряжения. Кенотроны в этой схеме должны иметь
отдельные, изолированные друг от друга обмотки накала катода.
В первый полупериод через кенотрон Ki, анод которого имеет
положительный потенциал, заряжается конденсатор С| пример-
но до амплитудного напряжения второй обмотки. Во второй
полупериод положительный потенциал будет на аноде кенотро-
на К2, и через него точно так же заряжается конденсатор С3.
Конденсаторы С| и С2 соединены последовательно, и суммарное
напряжение на них примерно равно двойному амплитудному на-
пряжению трансформатора. Такова же величина максимального
обратного напряжения на каждом вентиле. Одновременно с за-
рядом конденсаторов С| и С2 происходит их разряд через сопро-
тивление нагрузки R, вследствие чего напряжение на них пони-
' 319
жается. Чем меньше нагрузочное сопротивление R, т. е. чем
больше ток нагрузки, и чем меньше емкость конденсаторов Ci и
С2, тем быстрее они разряжаются и тем ниже напряжение на
них. Поэтому практически удвоенное напряжение получить нель-
зя. При емкости конденсаторов не менее 10 мкф и токе нагрузки
не более 100 ма можно получить напряжение больше даваемого
трансформатором в 1,7 или даже 1,9 раза.
Рис. 7.4. Схемы выпрямителей с удвоением напряжения
Достоинством схемы является то, что конденсаторы несколь-
ко сглаживают пульсации выпрямленного тока (подробнее об
этом сказано в следующем параграфе). При наличии специаль-
ного двуханодного кенотрона с двумя подогревными катодами
можно осуществить схему, показанную на рис..7.4 б. Такой ке-
нотрон нуждается только в одной обмотке накала. Однако подоб-
ную схему нельзя применять для получения выпрямленного на-
пряжения свыше 200—300 в, так как возможен пробой изоляции
в кенотроне между катодами и нитью накала.
Можно осуществить выпрямительные схемы с умножением
напряжения в любое число раз. На рис. 7.5 показана схема,
дающая учетверение напряжения и имеющая четыре вентиля я
320
четыре конденсатора. В нечетные полупериоды, для которых по-
казана полярность напряжения на трансформаторе, конденсатор
Ci заряжается через вентиль 1 почти до амплитудного значения
напряжения трансформатора Ет . Заряженный конденсатор G
сам является источником. Поэтому в четные полупериоды, для
которых полярность напряжения трансформатора будет обрат-
ной, конденсатор С2 заряжается через вентиль 2 примерно до
удвоенного напряжения 2Ет . Это напряжение является макси-
мальным значением суммарного напряжения последовательно
соединенных трансформатора и конденсатора Сь Аналогично
этому конденсатор Сз заряжается в нечетные полупериоды через
Рис. 7.5. Схема выпрямителя с учетверением
напряжения
вентиль 3 также до напряжения 2Ет, которое является суммар-
ным напряжением последовательно соединенных трансфор-
матора и С2 (при этом надо учесть, что напряжения на Ci и С2
действуют навстречу друг другу).
Рассуждая подобным образом далее, найдем, что конденса-
тор С4 будет заряжаться в четные полупериоды через вентиль 4
опять до напряжения 2Ет, которое является суммой напряжений
па Ci, С3, трансформаторе и С2. Конечно, заряд конденсаторов
до указанных напряжений происходит постепенно в течение не-
скольких полупериодов после включения схемы. В результате с
конденсаторов С2 и С4 можно получить учетверенное напряже-
ние 4Ет. Одновременно с конденсаторов Ci и С3 можно получить
утроенное напряжение ЗЕт. Если прибавить к схеме еще кон-
денсаторы и вентили, включенные по тому же принципу, то от
ряда конденсаторов С3, С5 и т. д- будут получаться напря-
жения, увеличенные в нечетное число раз (3, 5, 7 и т. д.), а от
ряда конденсаторов С2, С4, С6 и т. д. можно будет получать на-
пряжения, увеличенные в четное число раз (2, 4, 6 и т. д.).
При включении нагрузочного сопротивления конденсаторы бу-
дут разряжаться и напряжение на них понизится. Чем меньше
сопротивление нагрузки, тем быстрее разряжаются конденсаторы
и тем ниже становится напряжение на них. Поэтому при недо-
21-2607 321
п
0-
Рис. 7.6. Принцип устройства
выпрямителя без трансформа-
тора
статочно больших сопротивлениях нагрузки использование по-
добных схем становится нерациональным. Практически такие
схемы дают эффективное умножение напряжения только при на-
грузочных токах не более 10-=-20 ма. Конечно, можно получить
и большие токи, если увеличить емкость конденсаторов, но чрез-
мерное ее увеличение невыгодно.
Достоинством приведенной схемы
является возможность получения
высоких напряжений без высоко-
вольтного трансформатора. Кроме
того, конденсаторы должны иметь
рабочее напряжение лишь 2Е т не-
зависимо от того, в какое число раз
умножается напряжение, и каждый
вентиль работает при максималь-
ном обратном напряжении, равном
только 2Ет. Если вентйли имеют
катод, требующий накала (напри-
мер, кенотроны), то для каждого из
них нужна отдельная обмотка накала. Удобнее применять в по-
добных схемах полупроводниковые вентили.
Для питания приемников иногда применяется простейший вы-
прямитель без трансформатора с непосредственным питанием от
сети (рис. 7.6). Накал кенотрона питается через сопротивление
RH. Выпрямленное напряжение получается на нагрузочном со-
противлении R. Путь выпрямленного тока показан стрелкой.
§ 7.2. СГЛАЖИВАЮЩИЕ ФИЛЬТРЫ
Выпрямленное пульсирующее напряжение содержит постоян-
нуюи переменную составляющие. Но выпрямитель должен пи-
тать ту или иную нагрузку, например анодные цепи приемника
постоянным напряжением. Поэтому переменная составляющая
является вредной. Ее не следует допускать в нагрузочное сопро-
тивление. Постоянная составляющая, наоборот, является по-
лезной.
Пульсации выпрямленного напряжения несинусоидальны, и,
следовательно, переменная составляющая содержит ряд гармо-
ник. Наибольшую величину имеет первая гармоника, амплитуду
которой обозначим U т1. У однополупериодного выпрямителя
постоянная составляющая напряжения U = составляет толь-
ко 0,32, т. е. примерно 7з максимального значения (рис. 7.7),
а амплитуда первой гармоники переменной составляющей Umi=
=0,5 U махс . Частота переменной составляющей равна частоте
переменного тока сети, т. е. 50 гц. Таким образом, переменная
составляющая больше постоянной составляющей. В двухполу-
322
периодном выпрямителе по любой схеме, за исключением схемы
с удвоением напряжения, (7=~ 0,64(7^^ и (/,„1 ~ .
Как видим, постоянная составляющая больше переменной. Час*
Рис. 7.7. Составляющие выпрямленного напря-
жения при однополупериодном выпрямлении
тота пульсаций — удвоенная, т. е. 100 гц ’). В этом преимущество
двухполупериодного выпрямления перед однополупериодным.
Чтобы ток и напряжение в нагрузочном сопротивлении R
были постоянными, необходимо сгла-
дить пульсации при помощи фильтра.
Задачей фильтра является пропуска-
ние постоянной составляющей в на-
грузочное сопротивление и устранение
переменной составляющей. Наиболее
распространенный индуктивно-емкост-
ный сглаживающий фильтр показан
на рис. 7.8 а. Конденсаторы фильтра
(обычно электролитические) имеют
емкость порядка единиц или десятков
микрофарад. Дроссель делается со
стальным сердечником; обмотка его
состоит из нескольких тысяч витков
для получения индуктивности в не-
сколько единиц или десятков генри.
Переменные составляющие вы-
прямленного тока, имеющие частоты
50, 100 гц и более высокие, проходят
через конденсатор Ci, обладающий
небольшим сопротивлением для этих
частот, и возвращаются в выпрями-
тель. Зато дроссель представляет
большое индуктивное сопротивление и
Рис. 7.8. Различные схемы
сглаживающих фильтров
j почти не пропускает эти
токи. Для постоянной же составляющей медный провод дроссе-
') Все приведенные соотношения справедливы и для тока.
21*
323
ля имеет небольшое сопротивление. Поэтому потеря постоянной
составляющей напряжения на дросселе незначительна. Так как
часть переменной составляющей тока все же проходит через
дроссель, то параллельно сопротивлению R включен конденса-
тор Съ сопротивление которого мало по сравнению с R. Тогда
большая часть переменного тока, прошедшего дроссель, замы-
кается через С2 и в сопротивление R не попадает. Чем больше
индуктивное сопротивление дросселя и чем меньше емкостное
сопротивление конденсаторов, тем лучше сглаживаются пуль-
сации.
Рис. 7.9. Сглаживание пульсаций конденсатором
Первый конденсатор фильтра Ci не только сглаживает пуль-
сации, но и значительно повышает постоянную составляющую
выпрямленного напряжения. Это объясняется тем, что он быстро
заряжается от выпрямителя при нарастании напряжения, а за-
тем медленно разряжается через дроссель на сопротивление R.
Через вентиль он разряжаться не может^так как электроны не
проходят от анода к катоду.
Благодаря этому напряжение падает не так быстро, как при
отсутствии Ci, а затем снова повторяется заряд конденсатора
от следующего импульса тока, проходящего через вентиль, и на-
пряжение на Ci опять поднимается. На рис. 7.9 сплошной линией
показано изменение напряжения на конденсаторе Cj при одно-
полупериодном выпрямлении, а штрихом дан для сравнения
график выпрямленного напряжения при отсутствии фильтра.
Видно, что пульсации сглажены и постоянная составляющая
значительно повысилась. Она может составлять 0,8ч-0,9 макси-
мального напряжения Смакс.
Чем больше сопротивление R, тем меньше ток разряда кон-
денсатора Ci и тем медленнее спадает на нем напряжение, т. е.
постоянная составляющая выше и пульсации сглажены лучше.
Если цепь сопротивления R вообще разомкнуть, то конденса-
тор Ci, зарядивщись до максимального напряжения U макс, рав-
ного амплитуде эдс трансформатора Ет совершенно не будет
разряжаться и напряжение на нем будет строго постоянным,
равным UMaKC.
324
Таким образом, при наличии фильтра постоянное напряжение
выпрямителя может быть выше действующего напряжения по-
вышающей обмотки трансформатора и приближается к ампли-
тудному значению этого напряжения. Например, если действую-
щее напряжение трансформатора 300 в, то его амплитудное зна-
чение равно 1,4-300=420 в. Если постоянная составляющая
напряжения на конденсаторе Ci составляет 0,8 U макс , то она
равна {/==0,8-420=336 в, т. е. больше 300 в. Практически
постоянное напряжение на нагрузочном сопротивлении 7? будет
меньше вследствие потери части напряжения на внутреннем со-
противлении вентиля и сопротивлении провода дросселя.
По своему сглаживающему действию конденсатор Ct подобен
большому резервуару, в который газ (или жидкость) накачи-
вается насосом весыЛа неравномерно (толчками), а уходит к по-
требителю почти равномерным потоком. Это объясняется тем,
что в резервуаре создан запас газа с почти постоянным давле-
нием. Уход газа вызывает незначительное понижение давления,
тем меньшее, чем слабее поток уходящего газа, но периодическое
добавление в резервуар газа насосом восстанавливает все время
прежнее давление. Таким образом, давление газа и поток его,
уходящий к потребителю, лишь незначительно пульсируют.
Переменное напряжение пульсаций, которое имеется на кон-
денсаторе Ci, подается на дроссель и конденсатор С2, играющие
роль делителя напряжения (рис. 7.8 а). Индуктивное сопротив-
ление дросселя во много раз больше, чем емкостное сопротив-
ление конденсатора С2. Поэтому большая часть переменного на-
пряжения падает на L и лишь малая его часть придется на С2
и на нагрузочное сопротивление R, присоединенное параллель-
но С2. Сглаживающий фильтр действует тем лучше, чем выше
частота пульсаций, так как тогда возрастает индуктивное со-
противление дросселя и уменьшается емкостное сопротивление
конденсаторов. Лучше сглаживаются пульсации при двухполу-
периодном выпрямлении, когда частота их равна 100 гц.
Мы рассмотрели действие одного звена (одной ячейки) филь-
тра. Для лучшего сглаживания иногда применяют фильтры из
двух-трех ячеек. Пример двухзвенного фильтра показан на
рис. 7.8 б. Конденсатор Ci, дроссель L\ и конденсатор С2 со-
ставляют одно звено. Одновременно конденсатор С2 играет роль
входного или первого конденсатора для второго звена фильтра,
в которое входят дроссель L2 и конденсатор С3.
Когда необходимый выпрямленный ток мал и допустима не-
которая потеря постоянного напряжения, вместо дросселя для
удешевления и упрощения фильтра включают сопротивление R $
(рис. 7.8 в) порядка тысяч или десятков тысяч ом.
Полная схема наиболее распространенного двухполупериод-
ного выпрямителя с фильтром показана на рис. 7.10.
Для определения напряжения {/ = , даваемого выпрямителем
825
при том или ином токе нагрузки I _, служит внешняя характе-
ристика выпрямителя. На рис. 7.11 даны такие характеристики
для однополупериодного выпрямителя при работе его без филь-
тра (кривая /) и с фильтром, имеющим на входе конденсатор С,
(кривая 2). Характеристики показывают, что в режиме холосто-
го хода (/_ =0) при отсутствии конденсатора U- =0,32 Ет, а
при наличии конденсатора (7= =Ет, где Ет — амплитудное зна-
чение эдс трансформатора. Понижение напряжения при увели-
чении тока объясняется возрастанием потери напряжения на
внутреннем сопротивлении выпрямителя, которое складывается
из внутреннего сопротивления вентиля и сопротивлений обмоток
трансформатора и дросселя. При наличии конденсатора Ct ска-
зывается и более быстрый разряд конденсатора, если уменьшено
сопротивление нагрузки. Для больших токов конденсатор уже не
повышает напряжения, так как он очень быстро разряжается
(кривая 2 сливается с кривой /). Обе кривые приходят в точку
короткого замыкания, для которой ток обозначен 1К3. Работа
выпрямителя при очень больших токах недопустима и невыгодна,
поскольку напряжение полу-
чается низким. В справочни-
ках приводятся внешние ха-
рактеристики выпрямителей с
теми или иными кенотронами
при различных значениях ем-
Рнс. 7.11. Внешние характеристики
однополупериодного выпрямителя
при работе без фильтра (7) и с
фильтром, имеющим на входе кон-
денсатор (2)
Рис. 7.10. Схема кенотронного выпря-
мителя с фильтром
кости С] для токов, не превышающих максимально допустимый
1макс. Чем меньше емкость, тем круче идет кривая.
Первый конденсатор фильтра С\, повышая выпрямленное на-
пряжение, вместе с тем увеличивает обратное напряжение на
вентиле. Во всех выпрямителях максимальное обратное напря-
ние иобр-макс получается при отрицательной амплитуде напря-
жения на аноде, когда ток через вентиль не проходит. В одно-
полупериодной схеме это напряжение равно сумме амплитудного
напряжения трансформатора Ет и напряжения на конденсато-
ре Ci. Последнее при работе выпрямителя вхолостую равно Ет,
а в режиме нагрузки оно немного меньше. Поэтому в данной
схеме U Обр-мкс • Такие же максимальные обратные на-
328
пряжения, равные 2 Ет, получаются на каждом вентиле и в дру-
гих схемах, причем в двухполупериодном выпрямителе (рис. 7.2)
есть напряжение одной половины обмотки трансформатора.
Только в мостовой схеме (рис. 7.3) максимальное обратное на-
пряжение вдвое меньше, чем в остальных схемах, т. е.
I что является достоинством данной схемы.
Если пульсация, т. е. изменение напряжения на первом конденсаторе
фильтра Avi ве превышает 10—20% постоянного напряжения U=, то ее
можно приближенно рассчитать на основании следующих соображений. Когда
конденсатор разряжается и напряжение на нем понижается на величину Д1Л,
то он отдает количество электричества ?=С1Д1Л. При малых пульсациях
можно приближенно считать, что разряд конденсатора длится в течение всего
периода пульсаций Тп (в действительности время разряда несколько мень-
ше). Отдаваемое количество электричества создает пульсирующий ток, у ко-
торого постоянная составляющая равна 1 _ . Поэтому иначе можно это коли-
чество электричества выразить как q=l =Тп . Следовательно, С1Д1/1=7_7Л
ПТп
или Д17] = ——— .
1
Заменяя 7 л через —,
tn
где fn—частота пульсаций, получим
Д1/, =
о , U-
Заменим /= через——-,
К
где R— сопротивление нагрузки,
1/_
дс,1=
Из формулы видно, что чем больше сопротивление нагрузки R, частота
пульсаций f п и емкость С,, тем меньше величина пульсаций Д17[. Следует
помнить, что формулу можно применять для расчетов с удовлетворительной
точностью только прн малых пульсациях. Практически п,ри - помощи этой
формулы обычно находят емкость Сц обеспечивающую заданную величину
пульсаций Д171 при известных величинах U * , R и fn-
Дальнейшее сглаживание пульсации дает Г-образиый фильтр, состоящий
из дросселя L (или активного сопротивления Rqi) и второго конденсатора С2.
Величина, показывающая, во сколько раз фильтр уменьшает пульсации, на-
зывается коэффициентом фильтрации или коэффициентом еглаживания Кф.
Обычно Кф определяется для первой гармоники пульсаций, ио с некоторым
приближением им можно пользоваться и для расчета величины пульсаций
Д1/2 на выходе фильтра. Очевидно, что Д1/2 равно:
и ^*2—
Для индуктивно-емкостного (дроссельного) фильтра LCa величина Кф вы-
числяется по формуле
<1)2 £С2 = 4к® /2 £Са 40/2 LCii
а для реостатно-емкостного фильтра R,f,C2 формула расчета имеет вид
Кф » <о„ R^fa = 2п fnR&C2 6 ,%5[г^фС2'
327
Обе формулы справедливы для случаев, когда кф значительно больше 1.
Именно эти случаи представляют интерес, так как фильтр, у которого Кф не-
многим больше 1, является плохим и применяться не должен.
Пример 1. Найти величину пульсации напряжения на выходе фильтра,
имеющего С1 = С2=20 мкф и £=40 гн, если выпрямитель дает I) = =250 в
и питает нагрузочное сопротивление /?=5 кож; fn =400 гц.
250
Решение. Д1Л« к —25 в, т. е. величина пульсации состав-
5-10s-А)-10 -100
ляет 10% н, следовательно, расчет имеет достаточную точность.
Коэффициент фильтрации Г-образной части фильтра равен Кф —
«4. 1002 • 40 20.10— =320. Следовательно, пульсации на выходе фильтра
25
Д£'2= — —0,08 в.
oZv
Пример 2. Найти для предыдущего примера Д6/2, если дроссель заменен
сопротивлением /?л=2 ком.
Решение. кф «6,25. 100 • 2.103.20. 10-6 «25 и ДГ/2=25 : 25= 1 в. Как
видно, реостатно-емкостный фильтр сглаживает пульсации значительно хуже,
чем индуктивно-емкостный.
§ 7.3. ДЕТАЛИ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ
В гл. 5 были рассмотрены типы и конструкции кенотронов,
относящихся к приемно-усилительным лампам. Выбор кенотрона
делается по его основным параметрам: максимальному выпрям-
ленному току./ ~мам и максимальному допустимому.обратному
напряжению иобр.макс • При наличии конденсатора на входе
фильтра действующее значение напряжения вторичной обмотки
трансформатора Uz во всех схемах выпрямителей, за исключе-
нием мостовой, не должно превышать 35% величины U обр.маКс.
Для двухполупериодной схемы с нулевой точкой напряжение Uz
относится к одной половине обмотки. В мостовой схеме Uz не
должно превышать 70% величины U ОбО.макс.
Широко применяются кенотроны 5ЦЗС, 5Ц4С, 5Ц8С, 5Ц9С,
6Ц4П, 6Ц5С, 6Ц13П, 6Щ5С, а также специальные высоковольт-
ные кенотроны на напряжение в несколько киловольт 1Ц1С, 1Ц7С
1Ц11П, 2Ц2С, ЗЦ16С, 5Ц12С, 6Ц10П, 6Ц17С. Для маломощных
выпрямителей иногда применяют двойные детекторные диоды
6Х6С, 6Х2П и 6Х7Б. Они могут давать выпрямленный ток не
свыше 16 ма и напряжение до 200 в. Эти диоды имеют два
отдельных подогревных катода и поэтому пригодны для схемы с
удвоением напряжения. В маломощном выпрямителе можно при-
менить триод, замкнув у него анод с сеткой, т. е. превратив его
в диод. Иногда при этом в цепь сетки включают сопротивление,
чтобы ограничить мощность, рассеивающуюся на сетке.
Вместо кенотронов используются полупроводниковые диоды
(вентили): селеновые, германиевые и кремниевые. Их устройство
было рассмотрено в гл. 6. Полупроводниковые вентили применя-
ются в любых выпрямительных схемах. Выбор их делается по
величинам максимального допустимого обратного напряжения
328
и максимального выпрямленного тока. Для выпрямления более
высоких напряжений соединяют последовательно соответствую-
щее количество вентилей. Селеновые вентили для этой цели бы-
вают собраны в столбик, стянутый болтом, причем для лучшего
Рис. 7.12. Селеновые столбики для различных схем выпрямления
Рис. 7,13. Шунтирование последо-
вательно соединенных диодов со-
противлениями
охлаждения иногда между отдельными вентилями прокладывают
радиаторные пластины большего размера (рис. 7.12о). В со-
бранном столбике обычно уже сделано соединение для той или
иной схемы выпрямления. На
рис. 7.12 показаны столбики для
двухполупериодной схемы с ну-
левой точкой (б) и схемы с уд-
воением напряжения (в). Для
мостовой схемы применяют два
столбика (рис. 7.12 в) или стол-
бик рис. 7.12 г.
При последовательном соединении германиевых и кремниевых
диодов их обязательно шунтируют одинаковыми сопротивления-
ми порядка десятков или сотен килоом (рис. 7.13). Если этого
не сделать, то вследствие значительного разброса величины об-
ратного сопротивления диодов обратное напряжение распреде-
ляется между ними неравномерно и возможен пробой диодов,
обладающих большим обратным сопротивлением. А при наличии
шунтирующих одинаковых сопротивлений, величина которых
329
должна быть во много раз меньше обратного сопротивления дио- 1
дов, обратное напряжение практически делится между диодами i
поровну.
Следует отметить, что селеновые выпрямители ухудшают свои '
параметры от нагрева и подвержены «старению», т. е. с течением |
времени постепенно увеличивают свое сопротивление, вследст- ’I
вие чего увеличивается потеря напряжения на них и уменьшает-: Я
ся выпрямленное напряжение.
Выпрямители с газотронами или тиратронами могут быть со-
браны по любым схемам. Они должны иметь выключатель высо- i
кого напряжения, и сглаживающий фильтр у них не должен на-
чинаться с конденсатора, так как вследствие малого внутреннего 3
сопротивления ионных приборов импульсы анодного тока, заря- 1
жающие этот конденсатор, будут чрезмерно велики, что приведет .
к порче газотрона или тиратрона. Как и любые другие вентили, 9
ионные приборы должны быть выбраны так, чтобы выпрямлен- I
ный ток и обратное напряжение не превышали максимально '
допустимых величин.
У силовых трансформаторов выпрямителей первичная обмот-
ка имеет несколько секций, переключаемых на сетевое напряже- '
ние ПО, 127 и 220 в. Повышающая обмотка рассчитывается на
250—500 в и больше в зависимости от нужного напряжения. Для
двухполупериодной схемы она имеет вывод средней точки. По- 9
нижающих обмоток в трансформаторе не менее двух: одна для
накала кенотрона, другая для накала ламп приемника, усилите- '
ля или передатчика. В более мощных выпрямителях для накала
кенотрона и ламп применяют отдельные трансформаторы. Для j
уменьшения помех от сети в трансформаторах выпрямителей, пи- '
тающих приемники, между первичной и вторичными обмотками 1
помещают экранирующую обмотку, один конец которой присо- “1
единяется к общему минусу.
Дроссели фильтра, как правило, имеют в сердечнике диамаг- 9
нитный зазор для устранения магнитного насыщения, вызываю-
щего уменьшение индуктивности. Сопротивление обмотки дрос-
селя постоянному току равно десяткам или сотням ом. На нем и
в повышающей обмотке трансформатора падает часть выпрям-
ленного напряжения.
В цепи сетевой обмотки устанавливают выключатель и предо- ]
хранитель для автоматического выключения выпрямителя при
аварии. Если, например, пробит конденсатор фильтра, то прои-
зойдет короткое замыкание цепи выпрямленного тока. Ток в пер-
вичной обмотке станет значительно больше нормального, и пре-
дохранитель расплавится. Без него трансформатор может его- J
реть.
Иногда первичную обмотку трансформатора делают с выво- '
дами на разные напряжения, например 90, 100, 110, 120 и 127 в,
чтобы при помощи переключателя можно было при колебаниях
330
сетевого напряжения поддерживать примерно постоянным на-
пряжение выпрямителя (рис. 7.14 а). Другой способ такой ре-
гулировки — включение регулировочного автотрансформатора,
имеющего выводы на разные напряжения и переключатель. Он
позволяет при понижении сетевого напряжения подводить к пер-
вичной обмотке силового трансформатора нормальное напряже-
ние (рис. 7.14 6). Выпускаются также специальные регулировоч-
ние автотрансформаторы для сетевого напряжения 127 и 220 в,
позволяющие плавно регулировать напряжение от 0 до 250 в
(рис. 7.14в). В них ползунок перемещается непосредственно по
виткам обмотйи.
Рис. 7,14. Способы регулировки напряжения, подводимого к выпрямителю
220В
Ползунок
0-250В
Во многих случаях напряжение выпрямителя необходимо ре-
гулировать в широких пределах, например от нуля до макси-
мального значения. Для этой цели можно применить реостат или
потенциометр (плавный делитель напряжения), включенный со
стороны переменного тока, т. е. между сетью переменного тока и
выпрямителем, или со стороны постоянного тока. Если вентили
выпрямителя имеют накаливаемые катоды, а регулирование на-
пряжения должно производиться со стороны переменного тока,
то для питания накала должен применяться отдельный транс-
форматор. Следует иметь в виду, что реостат в отличие от потен-
циометра дает понижение напряжения не до нуля, а лишь до
некоторого минимального значения.
Применение реостата или потенциометра сопровождается
большими потерями энергии в них и сильно понижает кпд вы-
прямителя. Этот недостаток устраняется при использовании ре-
гулировочного автотрансформатора. Заслуживает внимания схе-
ма выпрямителя с регулируемым напряжением, показанная на
рис. 7.15. В ней в качестве вентилей применены триоды доста-
точной мощности. Могут быть использованы и лучевые тетроды,
включенные триодами. На сетки этих ламп от вспомогательного
маломощного выпрямителя с полупроводниковым диодом по-
дается отрицательное напряжение, которое можно регулировать
потенциометром R. Увеличение этого напряжения уменьшает ток
и напряжение, даваемые главным выпрямителем. Если пол-
331
носгью запереть триоды, то выпрямленное напряжение станет
равно нулю' Поскольку вспомогательный выпрямитель нагружен
только малым током потенциометра R, для сглаживания пульса-
ций в нем достаточен один конденсатор. В качестве потенцио-
метра R используется непроволочное переменное сопротивление
в несколько десятков килоом.
При конструировании выпрямителя и при пользовании им
должны соблюдаться меры предосторожности, так как пораже-
ние человека напряжением в несколько сот вольт опасно для
Рис. 7.15. Выпрямитель на триодах с регули-
ровкой напряжения
жизни. Все части схемы, находящиеся под высоким напряже-
нием, должны быть защищены от случайных прикосновений к
ним. Никогда не следует касаться частей работающего выпря-
мителя. Все эксперименты производят при выключенном выпря-
мителе и разряженных конденсаторах фильтра. Полезно в ка-
честве индикатора (указателя) высокого напряжения включить
на выпрямленное напряжение неоновую лампу. Ее свечение сиг-
нализирует о наличии высокого напряжения. Неоновая лампа
включается через ограничительное сопротивление в несколько
десятков тысяч ом. Наличие постоянной нагрузки в виде лампы
предохраняет конденсаторы фильтра от пробоя при перенапря-
жении. Последнее может получиться, если выпрямитель работает
вхолостую. При отсутствии нагрузки нет падения напряжения
внутри выпрямителя (на внутреннем сопротивлении кенотрона,
повышающей обмотке и дросселе), и поэтому напряжение на
конденсаторах фильтра будет максимальным.
Если требуется получить от выпрямителя несколько различ-
ных напряжений, то прибегают к делителю напряжения. На
рис. 7.16 показано включение делителя на три различных напря-
332
жения. Так как при более низких напряжениях иногда желатель-
но иметь лучшее сглаживание пульсаций, то делитель может
играть роль добавочных ячеек фильтра, если включены допол-
нительные конденсаторы С3 и С4.
Рис. 7.16. Получение от выпрямителя
нескольких различных напряжений
§ 7.4. ПРОСТЕЙШИЙ РАСЧЕТ СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ
Иногда приходится самостоятельно изготавливать или переделывать сило-
вой трансформатор для выпрямителя. Простейший расчет силовых трансфор-
маторов мощностью до 100—200 вт проводится следующим образом.
Зиая напряжение и наибольший ток, который должна давать вторичная
обмотка (U2 и /2), находим мощность вторичной цепи
Р2 = 14/2.
При наличии нескольких вторичных обмоток мощность Р2 равна сумме
мощностей отдельных обмоток.
Принимая кпд трансформатора небольшой мощности порядка 80%, опре-
деляем первичную мощность
Мощность передается из первичной обмотки во вторичную через магнит-
ный поток. Поэтому от нее зависит площадь поперечного сечения сердечни-
ка S, которая возрастает при увеличении мощности. Для сердечника из нор-
мальной трансформаторной стали можно рассчитать S по формуле
s = VpT.
где S — в квадратных сантиметрах, a Pi — в ваттах.
По величине S определяется число витков на один вольт напряжения w'.
При использовании трансформаторной стали оно равно
, 50
W ~ S '
Если приходится делать сердечник из стали худшего качества, например
нз жеста, кровельной стали, стальной проволоки (их надо предварительно от-
жечь, чтобы они стали мягкими), то следует увеличить S и w' на 20—30%.
Теперь можно рассчитать число витков всех обмоток:
®i = w'Ui, w2 = w’U2, w3 = w'U3 и т. д.
В режиме нагрузки может быть заметная потеря части напряжения на со-
противлении вторичных обмоток. Поэтому для них рекомендуется число вит-
ков брать на 5—10% больше рассчитанного.
333
Ток первичной обмотки равен
u' i
Диаметры проводов обмогок определяются по токам, исходя из допусти- 9
мой плотности тока, которая для трансформаторов принимается в среднем ;
порядка 2 а)мм2, При такой плотности диаметр провода (по меди) любой 9
обмотки d в миллиметрах вычисляется по формуле
d=0,8 VT.
Когда нет провода нужного диаметра, то можно взять несколько соединен-
ных параллельно более тонких проводов. Их суммарная площадь сечения дол-
жна быть не менее той, которая соответствует рассчитанному проводу. Пло- \
щадь поперечного сечения провода
g = 0,8da.
Для обмоток накала ламп, имеющих небольшое число витков толстого про-
вода и расположенных поверх всех других обмоток, плотность тока можно I
увеличить до 2,5 и даже 3 а/мм2, так как эти обмотки имеют лучшее охлаж- 1
дение, Тогда в формуле для определения диаметра провода постоянный коэф-
фициент вместо 0,8 должен быть соответственно 0,7 или 0,65.
В заключение следует проверить размещение обмоток в окне сердечника. 4
Общая площадь сечения витков каждой обмотки находится умножением чис-
ла витков на площадь сечения провода, равную 0,8 d „s , где dU3 — диаметр
провода в изоляции. Площади сечения всех обмоток складываются. Затем най-
денная площадь увеличивается в 2—3 раза для того, чтобы учесть хотя бы
ориентировочно неплотность намотки, наличие каркаса, изоляционных прокла- Я
док между обмотками и слоями отдельных обмоток. Площадь окна сердечника
ие должна быть меньше полученной из расчета величины.
В качестве примера рассчитаем силовой трансформатор.для выпрямителя, ' ‘
питающего приемник. Пусть трансформатор должен иметь обмотку высокого I
напряжения, состоящую яз двух секций на 300 в и 50 ма каждая, а также J
обмотки накала кенотрона и накала ламп приемника соответственно на 5 в, I
2 а и 6,3 в, 1,35 а. Сетевое напряжение 220 в.
Определяем общую мощность вторичных обмоток:
Р2 = 2-300-0,05 4-5-2 4-6,3-1,35 =
= 304- 104-8,5 = 48,5 вт.
Мощность первичной’ цепи
Р2= 1,25-48,5 = 60 вт.
Я
Находим площадь сечения сердечника из трансформаторной стали
S = /60 и 7,7 см2.
Число витков на одни вольт равно
, 50 л к
№ = — =6,5.
Ток первичной обмотки
Число витков и диаметры проводов обмоток будут:__
для первичной обмотки =6,5 • 220=1430; d,=0,81^0,27 =0,41 лои;.
для повышающей обмотки w2= 6,5.2.300=3900 (возьмем 4000); ds*il
=0,8 jZ0.05~0.18 мм;
334
для обмотки накала кенотрона to3=6,5.5=32,5 (возьмем 35); d3 =
=0,65 У2 =0,93 мм;
для обмотки накала ламп приемника «>4=6,5.6,3.6,3=41 (возьмем 45);
J,=0,65 /1,35 =0,74 мм.
Предположим, что окно сердечника имеет площадь сечения 6X3=18 см2
или 1800 мм2, а у вобранных проводов диаметры с изоляцией следующие:
di из = 0М мм, ^21/з==0,2 мм, <<зИз = 0,98 мм, <!4цз=0.8 ммл
Проверим размещение обмоток в окне сердечника. Находим площади сече-
ния обмоток:
для первичной обмотки 0,8.0,442. 1430= 250 мм2;
для повышающей обмотки 0,8.0,22.4000=128 лои2;
для обмотки накала кенотрона 0,3«0,982«35=27 мм2;
для обмотки накала ламп 0,8 •О.в2- 45=23 леи2.
Общая площадь сечения обмоток составляет примерно 428 ми?.
Как видно, она в четыре с лишним раза меньше площади окна н, следо-
вательно, обмотки разместятся.
§ 7.5. ВИБРОПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
В некоторых случаях питание радиоаппаратуры осуществ-
ляется от аккумуляторов или других источников низкого напря-
жения. Накал ламп питается непосредственно от аккумулятора,
а высокое напряжение может быть получено при помощи вибро-
преобразователя. Такие устройства применяются в автомобиль-
ных приемниках, передвижных радиостанциях, сельских радио-
установках, питающихся от ветродвигателя, и т. д.
Рис. 7.17. Схемы вибропреобразователей
Вибропреобразователь служит для преобразования низкого
постоянного напряжения в высокое. Главной его частью являет-
ся вибратор или прерыватель. Кроме того, имеются повышаю-
щий трансформатор, устройство для выпрямления и сглаживания
тока и фильтры для уменьшения помех от искрения в вибраторе.
На рис. 7.17 показаны для примера две схемы вибропреобра-
зователей. Цепь низкого напряжения (первичная цепь) в этих
схемах одинакова. Когда выключатель В выключен, якорь Я.
укрепленный на пружине, занимает среднее положение. При
включении аккумулятора через одну половину первичной обмот-
ки трансформатора и электромагнит ЭМ пойдет сравнительно
слабый ток, так как ЭМ имеет значительное сопротив-
ление. Электромагнит притянет якорь, который замкнется с кон-
335
тактом Ki. Обмотка электромагнита замкнется накоротко, и ток
в обмотке трансформатора резко возрастет. При этом электро-
магнит размагнитится, отпустит якорь, который по инерции
отойдет до контакта Кг и, замкнувшись с ним, создаст цепь про-
хождения тока через вторую половину первичной обмотки транс-
форматора. Но теперь через обмотку ЭМ опять течет ток, и элек-
тромагнит снова притягивает якорь. Контакт Кг размыкается,
а контакт Ki замыкается и т. д. Якорь совершает колебания
с частотой 60—200 гц, и через половинки первичной обмотки
трансформатора попеременно в различных направлениях про-
ходят импульсы тока, которые индуктируют во вторичной повы-
шающей обмотке переменное напряжение ’.
Для выпрямления этого напряжения в схеме рис. 7.17 а при-
меняются полупроводниковые диоды. На схеме рис. 7.176 вы-
прямление осуществляется при помощи контактов Кз и Къ со-
единенных с концами вторичной обмотки и играющих роли ано-
дов диодов. Средняя точка вторичной обмотки дает плюс выпрям-
ленного напряжения, а минус получается от соответствующего
конца вторичной обмотки, подключенного в данный момент через
один из контактов Кз и Кц. Цепь RC служит для уменьшения
перенапряжений и искрения в контактах. С этой же целью вклю-
чают конденсаторы к каждой половине первичной и вторичной
обмоток.
Все же искрение в контактах создает помехи радиоприемни-
ку. Для борьбы с ними в провода выпрямленного напряжения
и провода, идущие к аккумулятору, включают фильтры, состоя-
щие из высокочастотных дросселей и конденсаторов (они не по-
казаны на рис. 7.17). Данные их приведены в гл. 11 в разделе
о борьбе с помехами. Сам вибратор помещается в экранирующий
футляр, и вся схема вибропреобразователя экранируется.
Недостатком вибропреобразователей является ограниченный
срок службы (порядка 1000 часов), по истечении которого кон-
такты приходят в негодность, и вибратор приходится заменять.
§ 7.6. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ НАПРЯЖЕНИЯ НА ТРАНЗИСТОРАХ
По сравнению с вибропреобразователями преобразователи
напряжения на транзисторах имеют ряд преимуществ: более вы-
сокий кпд (до 70—90%), больший срок службы, возможность
преобразования значительных мощностей (до сотен ватт). Прин-
цип устройства таких преобразователей показан на простейшей
схеме рис. 7.18. Транзистор вместе с обмотками трансформатора
LK и L6 образует генератор с самовозбуждением, частота ко-
торого обычно бывает порядка нескольких килогерц. Такой ге-
1 Мы рассмотрели работу вибратора весьма упрощенно. В действительно-
сти в нем происходят более сложные процессы.
336
напряжение, получающееся на
Рис. 7.18. Схема простейшего преобра-
зователя напряжения с транзистором
нератор подобен ламповому генератору, схема которого была
приведена на рис. 5.22. Обмотка LK в цепи коллектора вместе
с собственной емкостью С образует колебательный контур, а об-
мотка L б в цепи базы является катушкой обратной связи.
Генератор питается от источника низкого напряжения Uн и пре-
образует его в переменное
мотке LK . Это напряжение
трансформируется, и на по-
вышающей обмотке Л2 воз-
никает необходимое высокое
напряжение, которое вы-
прямляется диодом. Сгла-
живание пульсаций выпрям-
ленного напряжения доста-
точно хорошо осуще-
ствляется одним конденса-
тором Сф, так как частота
сравнительно высока.
Для лучшей работы преобразователя генератор на транзис-
торе обычно работает в импульсном режиме, при котором соз-
даются колебания резко несинусоидальной формы. Уменьшение
потерь в трансформаторе достигается применением в нем сер-
дечника из феррита. Рассмотренная схема может применяться
только при малых мощностях (1—2 ет). Для больших мощно-
стей используются более сложные схемы с несколькими транзис-
торами и дополнительными деталями, нужными для установле-
ния наивыгоднейшего режима работы транзисторов. Кроме того,
включаются фильтры, уменьшающие помехи от преобразовате-
ля радиоприемникам.
де стабилизатора
Шцх
его входе —-----
"вх
§ 7.7. СТАБИЛИЗАТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ
Для надежной и устойчивой работы радиоэлектронной аппаратуры к пита-
ющим ее выпрямителям часто добавляют стабилизаторы напряжения различ-
ных типов. Переменное напряжение, подводимое к выпрямителю от сети,
можно стабилизировать электромагнитными или феррорезонаисными стаби-
лизаторами. Для постоянного напряжения, получаемого от выпрямителя, при-
меняются стабилитроны (ионные или полупроводниковые), а также электрон-
ные стабилизаторы. Все эти стабилизаторы практически безынерционны. Встре-
чаются также стабилизаторы с термосопротивлениями (термисторами), кото-
рые уменьшают свое сопротивление при увеличении тока, но они обладают
значительной инерционностью и применяются гораздо реже.
Стабилизирующее действие оценивается коэффициентом стабилизации кСП1,
показывающим, во сколько раз относительное изменение напряжения на выхо-
АУвых
—-------------------- меньше относительного изменения напряжения на
"вых
. Таким образом,
__ А Цех . А Удых
Kcm и ‘и '
иех ивых
22—2607
337
Если изменение напряжения выражать в процентах, то
ьивх%
Кст ^ивых%'
&Uex
Определение кст в виде отношения ----- было бы неправильно, так как
Д^вых
тогда обычные делители напряжения и понижающие трансформаторы имели
бы к ст >1> хотя иа самом деле они никакой стабилизации не Дают,
Электромагнитные стабилизаторы основаны иа использовании явления
магнитного насыщения. На рис. 7.19 а показан такой стабилизатор в виде
трансформатора, у которого первичная обмотка находится на среднем ши-
роком стержне сердечника. Вторичная основная обмотка w2 намотана на тон-
ком стержне, который работает в режиме магнитного насыщения. Дополни-
тельная обмотка wK, называемая компенсационной, имеет сердечник с воз-
душным зазором и поэтому в нем насыщение не достигается. Обмотка wK
имеет сравнительно немного витков и включена навстречу обмотке ш2. По-
этому выходное напряжение U вых равно разности напряжений U2 и I)к. Гра-
фики на рис. 7.19 6, дающие зависимость напряжений от тока It в первичной
обмотке, поясняют работу стабилизатора.
Рис. 7.19. Электромагнитный стабилизатор (а), графики, пояс-
няющие его работу (6), и схема простейшего феррорезонаисио-
го стабилизатора (в)
При увеличении напряжения сети соответственно растет ток в первичной
обмотке. Кривая U2 показывает, что вследствие насыщения сердечника это на-
пряжение, начиная с некоторого значения, растет сравнительно медленно. За-
то напряжение U к растет пропорционально току, так как для этого напряже-
ния насыщение отсутствует. Кривая получена путем вычитания UK из U2.
Если число витков Wn подобрано правильно, то напряжение Uвых в извест-
ных пределах остается почти постоянным.
Схема феррорезонансного стабилизатора с использованием резонанса на-
пряжений показана на рис. 7.19 в. В этом стабилизаторе применяется транс-
форматор с уменьшенным сечением сердечника, который вследствие этого ра-
ботает в режиме магнитного насыщения. В таком режиме индуктивность пер-
вичной обмотки Ls резко уменьшается при увеличении тока. Последовательно
с первичной обмоткой включен конденсатор такой емкости, что цепь CL( при
наибольшем напряжении сети настроена на частоту несколько выше 50 гц.
Если напряжение сети уменьшается, то должен уменьшится ток, но тогда
увеличится индуктивность, а частота контура CLt понизится и приблизится к
50 гц. От приближения к резонансу ток в цепи должен увеличиться. Таким
образом, налицо два взаимно противоположных изменения тока, которые в
какой-то степени компенсируют друг друга. В результате ток 7] изменяется
мало, а следовательно, будет стабилизировано и напряжение вторичной об-
мотки.
338
Рассмотренные простейшие стабилизаторы применяются при сравнительно
малых мощностях (не более десятков ватт). Для больших мощностей необхо-
димы более сложные стабилизаторы, в которых обычно используется резонанс
токов. У электромагнитных н феррорезоиаисных стабилизаторов коэффициент
стабилизации обычно бывает порядка 10—20. Недостатками этих стабилиза-
торов являются: понижение кпд и коэффициента мощности («косинуса фн»),
большое магнитное поле рассеяния, искажение формы напряжения, большие
вес и размеры при значительных мощностях, а следовательно, и относительно
высокая стоимость. Кроме того, качество стабилизации изменяется, если на-
грузочное сопротивление имеет реактивные составляющие. Все эти недостатки
надо учитывать при решении вопроса о применении таких стабилизаторов.
В частности, вследствие искажения формы напряжения происходит изменение
величины постоянного напряжения выпрямителя, питаемого через электро-
магнитный или феррорезонансный стабилизатор.
Рис. 7.20. Каскадное включение стабилитронов (а) и включение
добавочного сопротивления для понижения стабильного напря-
жения (б)
Широко применяются для стабилизации постоянных напряжений стабили-
троны (ионные и полупроводниковые), рассмотренные в гл. 5 и 6. Ионные
стабилитроны дают кст до 10—20. Для повышения коэффициента стабилиза-
ции осуществляют каскадное включение стабилитронов (рис. 7.20 а). В этом
случае общий коэффициент стабилизации кст равен произведению коэффи-
циентов стабилизации отдельных звеньев к ст = кст1кст2 и для двух
звеньев может достигать 100—400. Стабилитрон Су, должен быть рассчитан
на более высокое напряжение, чем стабилитрон Су, , гак как на ограничитель-
ном сопротивлении Иогрг теряется часть напряжения, получаемого от стаби-
литрона Crt. В качестве С у, можно включить два стабилитрона последова-
тельно. Более двух звеньев каскадно обычно не включают, гак как в этой
схеме очень велики потери мощности и напряжения.
Если необходимо получить более низкое стабильное напряжение, чем да-
ваемое стабилитроном, то последовательно с нагрузочным сопротивлением
включают добавочное сопротивление (рис. 7.20 б), на котором должен падать
излишек напряжения. Такой метод применим только в случае, когда нагру-
зочное сопротивление постоянно, так как при его изменении стабилизация
нарушится.
Для кремниевых стабилитронов (опорных диодов), рассчитанных на срав-
нительно низкие напряжения (8—13в), применяются такие же схемы, как и
для ионных стабилитронов. Коэффициент стабилизации у кремнйевЫх стабили-
тронов при постоянной температуре достигает нескольких десятков в при кас-
кадном их включении может быть равен тысячам. Однако изменение темпера-
туры окружающей среды сильно влияет на параметры кремниевых стабили-
тронов.
Наиболее высокий коэффициент стабилизации характерен для электронных
стабилизаторов напряжения, которые могут быть построены на электронных
лампах или полупроводниковых приборах. Простейшая схема электронного
22* 339
стабилизатора на триодах приведена на рис. 7.21. Принцип его работы за-
ключается в том, что- нестабильное напряжение от выпрямителя подается на
потребитель (нагрузочное сопротивление RH) через регулирующую лампу РЛ,
у которой внутреннее сопротивление постоянному току Ro регулируется с по-
мощью дополнительной управляющей лампы УЛ таким образом, чтобы
получался эффект стабилизации. Например, если Uex возрастает на величину
Д1/, то Ro также возрастает и на нем падает почти все &U так, что U выл
остается почти постоянным. А при уменьшении Uex происходит аналогичный
процесс, но в обратную сторону.
В качестве РЛ применяется мощный триод с большим анодным током и
малым внутренним сопротивлением. Второй триод УЛ является маломощным
Рис. 7.21. Схема электронного стаби-
лизатора
и должен иметь возможно боль-
ший коэффициент усиления ц.
Эта лампа входит в состав уси-
лительной ступени, в которой
усиленное напряжение с нагру-
зочного сопротивления Ra пода-
ется минусом на сетку РЛ. Се-
точное напряжение УЛ является
разностью так называемого опор-
ного напряжения Uon , получае-
мого от стабилитрона Ст, и на-
пряжения U\. Последнее снимает-
ся с делителя RiR? и является
частью выходного напряжения
V вых Так как Ui подбирается
немного меньше Von , то на сет-
ке УЛ оказывается некоторое
отрицательное напряжение. Со-
противление R включено для то-
го, чтобы стабилитрон работал с
ток УЛ обычно очень мал.
нормальным током, поскольку анодный
Пусть напряжение на входе стабилизатора Uex увеличилось. Тогда долж-
ны увеличиться ток нагрузки I», протекающий через РЛ, и выходное напряже-
ние Uвых- Но увеличение Ueux вызовет пропорциональное возрастание напря-
жения Ut. Поскольку Uс, остается практически постоянным, то разность
Uc„—Vi уменьшится, т. е. уменьшится отрицательное напряжение на сетке
УЛ. Вследствие этого увеличится анодный ток этой лампы и возрастет паде-
ние напряжения на Ra, что, в свою очередь, вызовет уменьшение тока /н
РЛ, а следовательно, и напряжения ивых . Иначе говоря, увеличение отрица-
тельного напряжения на сетке РЛ увеличивает ее внутреннее сопротивление
постоянному току и падение напряжения на этой лампе возрастет. Таким
образом, выходное напряжение получает одновременно два противоположных
изменения, которые в значительной степени компенсируют друг друга, и в ре-
зультате U выХ остается почти неизменным.
Благодаря тому, что в электронном стабилизаторе используется усиление
напряжения, стабилизатор оказывается весьма чувствительным к изменениям
входного напряжения и может дать кст до сотен. Если РЛ должна пропу-
скать большой ток нагрузки, то соединяют параллельно несколько ламп. В ка-
честве УЛ с успехом используют пентоды.
Для специальных целей УЛ заменяют усилителем с несколькими лампами,
и тогда Кст возрастает до десятков тысяч. Вместо ионного стабилитрона мож-
но применять кремниевый стабилитрон. Триоды также могут быть заменены
транзисторами, но тогда стабилизатор будет работать только при сравнитель-
но низких напряжениях. Следует иметь н виду, что электронный стабилизатор
не только стабилизирует напряжение выпрямителя, но и сглаживает его пуль-
сации.
340
§ 7.8. СТАБИЛИЗАТОРЫ ТОКА (БАРРЕТЕРЫ)
Для стабилизации тока применяются барретеры, представля-
ющие собой стальную проволочку в баллоне с водородом. При
повышении в известных пределах напряжения сопротивление
барретера возрастает так, что ток
остается почти постоянным.
Практически изменение напря-
жения примерно в 2 раза дает
изменение тока не более чем на
5%. На рис. 7.22 показано ус-
ловное изображение барретера и
его характеристика.
В обозначениях барретеров О
сначала ставится величина тока.
в амперах, затем буква Б И на- рис 7.22. Характеристика оарре-
пряжения на его зажимах UMUH тера и его схематическое изобра-
и макс > в пределах которых по- жение
лучается стабилизация тока. Вы-
пускаются барретеры 1Б5-9; 1Б10-17; 0,ЗБ17-35; 0.3Б65-135;
0,425Б5,5-12; 0,85Б5,5-12 и 0.24Б12-18.
Надо отметить, что барретеры обладают значительной тепло-
вой инерцией и поэтому не дают стабилизации при быстрых из-
менениях напряжения.
§ 7.9. ВОПРОСЫ И ЗАДАЧИ
1. Какие преимущества и недостатки имеет схема обычного двухполу-
периодного выпрямителя по сравнению с однополупериодной схемой?
2. Начертите схему двухполупериодного выпрямителя, имеющего двух-
анодный кенотрон с подогревным катодом н фильтр из двух звеньев.
3. Начертите мостовую схему выпрямителя с двумя двуханодными кено-
тронами, имеющими каждый по два отдельных подогревных катода.
4. В двухполупериодном выпрямителе фильтр имеет конденсатор емко-
стью 8 мкф и дроссель индуктивностью 40 гн. Найдите сопротивление конден-
сатора и дросселя для переменной составляющей выпрямленного тока.
5. Вторичная повышающая обмотка трансформатора однополупериодно-
го выпрямителя дает напряжение 360 в. Какое напряжение будет на конден-
саторах фильтра, если цепь нагрузки выпрямителя разомкнута?
6. Почему при уменьшении нагрузочного сопротивления, на которое рабо-
тает выпрямитель, т. е. при увеличении выпрямленного тока, напряжение,
даваемое выпрямителем, уменьшается?
7. Когда в фильтрах выпрямителей можно вместо дросселя включать
сопротивление?
8. В однололупериодном выпрямителе с фильтром, работающим вхоло-
стую, вторичная повышающая обмотка дает напряжение 280 в. Определите
величину обратного напряжения.
9, Какая деталь выпрямителя может выйти из строя в случае пробоя
первого (входного) конденсатора фильтра?
10. В каких случаях приемники питают от вибропреобразователя?
11. Дает ли схема с удвоением напряжения выпрямленный ток , соот-
ветствующий графику рис. 7.2 е?
341
12. В однополупериодном выпрямителе без фильтра максимальное зна-
чение выпрямленного тока составляет 20 ма. Найдите величину постоянной
составляющей и амплитуду переменной составляющей.
13. Можно ли электромагнитным вольтметром измерить постоянную со-
ставляющую напряжения иа первом конденсаторе фильтра?
14. Нужно построить выпрямитель на 1000 в и ток 2 ма. Какую схему
следует выбрать: однополупериодную или двухполупериодную?
15. В кенотронном или газогрониом выпрямителе опаснее последствия
короткого замыкания в цепи выпрямленного тока?
16. Повышающая обмотка трансформатора выпрямителя дает 300 в.
Величина выпрямленного тока 50 ма. Можно ли вычислить мощность, рас-
сеиваемую на аноде кенотрона, как произведение 300 в на 0,05 а?
17. Начертите внешние характеристики двухполупериодного выпрямителя
при работе его без фильтра и с фильтром в виде конденсатора.
18. Сделайте примерный расчет понижающего трансформатора, для
накала ламп усилителя, если первичное напряжение составляет 220 в, а на-
пряжение и ток вторичной цепи равны соответственно 6,3 в и 4 а.
19. Какой емкости должен быть конденсатор, шунтирующий нагрузочное
сопротивление 20 ком однополупериодного выпрямителя, чтобы прн выпрям-
ленном напряжении 500 в напряжение пульсаций не превышало 25 в при ча-
стоте тока сети 50 гц?
20. Двухполупериодный выпрямитель работает со сглаживающим фильт-
ром. по схеме рис. 7.8 а, имеющим емкости по 10 мкф н индуктивность 50 гн.
Выпрямитель дает 300 в прн токе 60 ма. Частота тока сети 50 гц. Найдите
величину напряжения пульсаций на выходе выпрямителя.
21. Начертите схему выпрямителя с умножением напряжения в 5 раз и
с дополнительным фильтром для сглаживания пульсаций.
22. Почему обратное напряжение иа кенотроне возрастает почти вдвое,
если сглаживающий фильтр начинается с конденсатора? В какой схеме вы-
прямителя такое увеличение обратного напряжения не происходит?
23. Почему при последовательном соединении полупроводниковых дио-
дов их надо шунтировать сопротивлениями?
24. Почему сглаживающий фильтр газогронного или тиратроиного вы-
прямителя должен начинаться с дросселя, а не с конденсатора?
25. Какими способами можно регулировать напряжение, даваемое вы-
прямителем?
26. Как работают преобразователи напряжения на транзисторах?
27. Что такое коэффициент стабилизации?
28. С какой целью в электромагнитных и феррорезонансных стабилиза-
торах используется явление магнитного насыщения?
29. Начертить схему включения ионных стабилитронов для получения
стабильного напряжения 120 в, если у этого напряжения допускается изме-
нение не более чем на 0,1% при изменении входного напряжения на 20%.
30. Почему электронный стабилизатор может иметь очень высокий коэф-
фициент стабилизации?
31. Начертить схему электронного стабилизатора, в котором роль РЛ
выполняют два параллельно соединенных лучевых тетрода, включенных трио-
дами, в качестве УЛ используется пентод,, а опорное напряжение получается
от кремниевого стабилитрона.
ГЛАВА 8
ЭЛЕКТРОАКУСТИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ
§ 8.1. СВОЙСТВА ЗВУКА. ЧЕЛОВЕЧЕСКИЙ СЛУХ
Электроакустика — это область техники, занимающаяся пре-
образованием звуковых колебаний в электрические и обратно, а .
также записью и воспроизведением звуков при помощи электри-
ческих приборов. В радиотехнике важную роль играют многие
электроакустические приборы: телефоны, громкоговорители,
микрофоны, звукосниматели для воспроизведения граммофон-
ной записи и др. Чтобы изучить их устройство и работу, необ-
ходимо познакомиться со свойствами звука и особенностями
человеческого слуха.
Источником звука является колеблющееся тело, например
струна музыкального инструмента. Звуковая волна есть колеба-
ние частиц той упругой среды, в которой распространяется звук,
например воздуха. Колебание в упругой среде передается от
одних частиц ее к другим и распространяется во все стороны от
источника звука. В воздухе скорость звуковых волн составляет
340 м/сек. В жидкостях она больше, а в твердых телах еще
больше.
Важными величинами, характеризующими звук, являются
частота и амплитуда колебаний. Звуки различают по высоте тона
и громкости. Примерами звуков высокого тона служат свист,
писк, женский голос (сопрано), а звуков низкого тона—мужской
голос (бас), звук барабана и т. д. Чем больше частота, тем вы-
ше звук. Чем больше амплитуда, тем сильнее, громче звук. Сле- >
дует также различать простые и сложные звуки. Простой звук
характеризуется синусоидальной формой колебаний. Звуки с
формой колебания, отличной от синусоиды, называются слож-
ными.
Всякое сложное колебание представляет собой сумму несколь-
ких простых колебаний с разными амплитудами и разными ча-
стотами, называемых гармониками *. Частоты гармоник в целое
число раз больше частоты сложного колебания, т. е. кратны этой
частоте. Например, если сложное колебание имеет частоту 200 гц,
1 Гармоники звуковых колебаний иногда называют обертонами.
343
то его первая гармоника или основное колебание имеет частоту
200 гц, вторая гармоника — вдвое большую — 400 гц, третья гар-
моника— втрое большую — 600 гц и т. д. Амплитуды гармоник
различны и не подчиняются такому строгому закону. Более вы-
сокие гармоники имеют меньшие амплитуды, но иногда могут
быть исключения. Некоторые гармоники часто совсем отсутству-
ют, т. е. их амплитуды равны нулю.
Звуки голоса и музыкальных инструментов, шумы, шорохи и
т. д. представляют собой сложные звуки. Их гармоники прида-
ют звуку окраску или тембр. При одной и той же силе и высоте
мы различаем звуки от разных источников, например от скрипки
и от рояля, так как они содержат неодинаковые гармоники и по-
этому различаются по тембру.
Диапазон частот звуков, воспринимаемых ухом, составляет
примерно 20-Т-20000 гц. Имеются также нижний и верхний пре-
делы громкости звука. Слишком слабый звук не обнаруживается
ухом, а слишком сильный — дает ощущение боли. Человек раз-
личает звуки по частоте и по громкости. Однако ощущение изме-
нения громкости звука непропорционально изменению силы зву-
ка. При значительных изменениях силы звука человеку кажется,
что звук изменился очень немного. Небольшие изменения интен-
сивности (силы) звука (менее чем на 25%) ухо совсем не ощу-
щает.
Для человеческой речи частоты основных колебаний состав-
ляют 804-1200 гц, а частоты гармоник доходят до 8000 гц. Зву-
ки музыкальных инструментов имеют диапазон основных частот
304-5000 гц, а с гармониками — до 15000 гц.
Передача звуков в диапазоне частот 304-15000 гц обеспечи-
вает весьма естественное воспроизведение речи и музыки. Такая
передача соответствует высшему классу качества вещания. Од-
нако часто приходится ограничиваться воспроизведением звуков
в более узком диапазоне частот. В соответствии с этим различа-
ют еще три класса качества вещания: I класс — при передаче
звуков в диапазоне частот 504-10 000 гц, II класс — при полосе
частот 1004-6000 гц и III класс — при еще более узкой полосе
2004-4000 гц. Следует иметь в виду, что качество воспроизведе-
ния звуков определяется не только диапазоном частот, но зави-
сит также и от того, насколько велики искажения звука, воз-
никающие, в частности, во всех электроакустических приборах.
О различных видах искажений более подробно рассказано в
следующей главе.
§ 8.2. МИКРОФОНЫ И ТЕЛЕФОНЫ
Микрофон и телефон являются основными приборами в про-
водной телефонной связи и в радиотехнике. Простейший уголь-
ный микрофон имеет (рис. 8.1 а) металлический корпус К. с тон-
кой угольной мембраной УМ. Внутри расположена угольная ко-
344
t
t
Рис, 8.1. Устройство и работа угольного микро-
фона и электромагнитного телефона
345
лодка УК с канавками. Между колодкой и мембраной находится Я
угольный порошок УП. Его удерживает кольцо из войлока ВК. И
От колодки выходит контактный винт КВ, причем он и колодка Я
изолированы от корпуса. Ток от микрофонной батареи БМ Я
(рис. 8.1 б) проходит через угольный порошок, имеющий сопро- . И
тивление в десятки или сотни ом, и первичную обмотку повыша- , Я
ющего микрофонного трансформатора МТ. Вторичная обмотка
трансформатора присоединена к линии, в конце которой вклю- Я
чен телефон.
У электромагнитного телефона в корпусе К из металла или , Я
пластмассы (рис. 8.1 в) находится постоянный, магнит М с по- Я
^•люсными наконечниками из мягкой стали, на которые насажены
электромагнитные катушки ЭК с большим числом витков тонко- Я
го провода. Сопротивление их бывает до нескольких тысяч ом. Я
На корпусе К лежит тонкая жестяная мембрана ЖМ. Между
мембраной и полюсными наконечниками имеется небольшой воз- „Я
душный зазор. Мембрана прижимается по краям крышкой А, Ц
имеющей в центре отверстие.
Электрические процессы в микрофоне и телефоне иллюстри- 1
руют рис. 8.1 гид. Когда в микрофон звуки не попадают, .то
сопротивление порошка в нем и ток постоянны (участок АБ кри- Я
вой 2 на рис. 8.1г). Во вторичной обмотке микрофонного тран- Я
сформатора индуктированного напряжения нет. Звук, поступив- Я
ший в микрофон, приводит в колебание его мембрану, которая ‘Я
повторяет звуковое колебание (кривая 1 на рис. 8.1г). Мембра- Я
на, колеблясь, создает переменное давление на порошок. Она то
нажимает на него, то отходит. Сопротивление порошка изменяет- Я
ся, и ток в микрофонной цепи будет меняться в соответствии с I
колебаниями мембраны, т. е. станет пульсирующим (участок БВ Ц
кривой 2 на рис. 8.1г). Он имеет постоянную и переменную со- -
ставляющие. Последняя, проходя через первичную обмотку мик-‘ Я
рофонного трансформатора, индуктирует во вторичной обмотке -
более высокое переменное напряжение, соответствующее коле- Я
баниям мембраны микрофона. Это напряжение создает в линии
переменный ток, который проходит в телефон и воспроизводит I
в нем звук.
Микрофон преобразует звуковые колебания в колебания Я
электрического тока. Телефон осуществляет обратное преобразо- Я
вание. Если в катушках телефона тока нет, то под влиянием по- Я
стоянного магнита мембрана притягивается к полюсам и несколь- Я
ко прогибается (рис. 8.1 д). Когда в катушках проходит перемен- Я
ный ток, то сила постоянного магнита меняется. Положительная Я
полуволна тока усиливает магнит, так как создает магнитное по- Я
ле, складывающееся с полем магнита, и мембрана прогибается ’ я -
сильнее. Отрицательная полуволна тока создает магнитное поле, Я
противоположное по направлению полю магнита; это ослабляет Я
магнит, и мембрана отходит. В результате мембрана колеблется Л
346
в обе стороны от первоначального положения с частотой пере-
менного тока и повторяет колебания микрофонной мембраны.
Возникает звуковая волна, и ухо, к которому приложен телефон,
услышит звук. При отсутствии в телефоне постоянного магнита
колебания мембраны были бы слабее и каждая полуволна пере-
менного тока давала бы притяжение мембраны к магниту. Она
отклонялась бы от положения равновесия только в одну сторону,
и частота звука стала бы удвоенной.
Для радиоаппаратуры чаще всего используются высокоомные
электромагнитные телефоны, у которых катушки намотаны про-
водом диаметром 0,05 мм. У таких телефонов сопротивление по-
стоянному току обычно равно 4000 ом, а сопротивление перемен-
ному току при средней звуковой частоте 1000 гц имеет индуктив-
ный характер и составляет около 20 000 ом. Применяются также'
низкоомные телефоны, имеющие при той же частоте 1000 гц соп-
ротивление порядка 600 ом.
Электромагнитный телефон и угольный микрофон создают
значительные искажения, так как они не передают многие выс-
шие гармоники сложных звуков и вносят лишние колебания.
Угольный микрофон сопровождает передачу шорохом и шипень-
ем. Его недостатком является также склонность к «спеканию»,
состоящему в том, что при большом токе крупинки угольного по-
рошка прилипают друг к другу и сопротивление микрофона пере-
стает изменяться под действием звуковых волн. Устранить «спе-
кание» можно встряхиванием микрофона. Угольный микрофон
боится сырости. Достоинством угольного микрофона является
значительная переменная эдс, развиваемая им (десятые доли
вольта). Эти микрофоны применяются только для передачи речи
(не в радиовещании).
Широко распространены электродинамические, конденсатор-
ные и пьезоэлектрические микрофоны, дающие незначительные
искажения.
Электродинамический микрофон с подвижной катушкой по-
казан схематически на рис. 8.2 а. Он имеет тонкую мембрану, на
которой укреплена легкая катушечка, находящаяся в воздушном
зазоре между полюсами сильного постоянного магнита. При воз-
действии звуковых волн на мембрану катушка колеблется и пе-
ресекает магнитные силовые линии. В ней индуктируется пере-
менное напряжение, которое подается на усилитель.
В ленточном электродинамическом микрофоне ленточка в ви-
де гармоники из тонкой алюминиевой фольги натянута в зазоре
между полюсами сильного магнита. Звуковые волны приводят
ленточку в колебание, и в ней вследствие пересечения магнитных
силовых линий возникает переменная эдс. Электродинамические
микрофоны развивают очень малую эдс, и для них применяют
большое усиление. Обычно в одном корпусе с микрофоном мон-
тируется повышающий трансформатор. Эти микрофоны не соз-
347
дают собственных шумов. Внешний вид электродинамического
микрофона МД-38 изображен на рис. 8.2 б.
Конденсаторный микрофон представляет собой воздушный
конденсатор, у которого одна обкладка — мембрана — из тонкого
листового металла расположена на малом расстоянии от второй
Постоянный магнит
Рис. 8,2. Принцип устройства электродинамического микрофона (а) и
внешний вид микрофонов МД-38 (б)
Рис. 8.3. Включе-
ние конденсатор-
ного микрофона
1
массивной обкладки и может совершать колебания под дейст-
вием звуковых волн. При этом изменяется толщина диэлектри-
ка — слоя воздуха, а следовательно, и емкость. Микрофон после-
довательно с большим сопротивлением R и источником Е вклю-
чается в цепь сетки усилителя (рис. 8.3). ,
Изменение емкости микрофона вызывает I
появление зарядных и разрядных токов, '
которые на сопротивлении 7? создают пере- 1
менное напряжение. Действительно, уве- '
личение емкости влечет дополнительный
заряд микрофона и от батареи идет неко- •
торый зарядный ток, а уменьшение емко-
сти дает обратный эффект: конденсатор
частично разрядится, т. е. ток пойдет от
него в источник. Переменное напряжение,
получаемое на сопротивлении R, очень ма-
ло и поэтому необходимо применять боль-
шое усиление. Чтобы различные помехи не создали на входе
усилителя напряжение такого же порядка, что и от микрофона, 1
обычно в экранирующий корпус вместе с микрофоном помеща-
ют одну или две ступени усиления.
Пьезоэлектрические микрофоны основаны на использовании
пьезоэлектрического эффекта. Слово «пьезоэлектричество» озна*
348
чает: «электричество от давления». Пьезоэлектрический эффект
заключается в том, что на противоположных гранях некоторых
кристаллов при давлении на них возникают равные, но разные
по знаку электрические заряды. Величина их пропорциональна
давлению, а внаки зависят от направления силы давления.
Для электроакустических приборов применяют искусствен-
ные кристаллы сегнетовой соли или фосфата аммония, а также
керамический титанат бария. Из них делают пластинки прямо-
угольной формы. Противоположные грани их покрывают тонким
слоем металла. Такой кристалл с обкладками называют пьезо-
элементом. Если пьезоэле-
мент сжимается, то на од-
ной обкладке появляется
положительный заряд, а на
другой — отрицательный
(рис. 8.4 а). Если же харак-
тер деформации изменить
(рис. 8.4 6), то знаки заря-
дов изменятся на обратные.
Это явление называют пря-
мым пьезоэлектрическим эф-
фектом. Когда пьезоэлемент
подвергается действию зву-
ковых волн, то он попере-
менно сжимается и расши-
ряется и на его обкладках
возникает переменная эдс.
На этом и основан принцип
работы пьезомикрофона.
В практических конструкциях пьезоэлемент закрепляется на
двух концах или одним концом и под действием звука изгибает-
ся, как показано на рис. 8.4 в. Но тогда одна его половина (ниж-
няя на рис. 8.4 в) сжимается, а другая — растягивается, и на его
обкладках появляются заряды одинаковых знаков. Чтобы полу-
чить заряды разных знаков, применяют биморфные пьезоэлемен-
ты из двух пьезоэлементов, склеенных друг с другом (рис. 8.4 г).
У них на внешних обкладках, соединенных параллельно, полу-
чается заряд одного знака, а на внутренней обкладке — заряд
противоположного знака.
Если при склеивании поменять местами грани у одного пьезо-
элемента, то получится биморфный пьезоэлемент с последова-
тельным соединением (рис. 8.4 д), дающий удвоенную эдс. В пье-
зомикрофонах обычно применяется несколько биморфных эле-
ментов, на которые воздействуют звуковые волны. В микрофонах
другого типа звук приводит в колебание мембрану, которая пере-
дает эти колебания пьезоэлементу. Пьезомикрофоны обладают
значительной емкостью (порядка сотен пикофарад). Следует
349
Рис. 8.4. Принцип устройства и работы
пьезоэлементов и включение пьезомик-
рофона
иметь в виду, что применяемая в пьезомикрофонах сегнетова "1
соль механически очень непрочна, может работать при темпера- i
турах не выше 22° и должна быть защищена от влаги.
Пьезомикрофоны развивают значительную эдс и их можно j
непосредственно присоединять к сетке усилительной лампы (без J
' повышающего трансформатора). При этом вследствие того, что л
пьезоэлемент не проводит постоянного тока, между сеткой и ка- -1
тодом включают сопротивление утечки 7? (рис. 8.4 е). Без такого 1
сопротивления на сетке произойдет накопление электронов, т. е. Я
возрастание отрицательного заряда, который запрет лампу. По- Я
скольку пьезомикрофоны могут быть сделаны очень малого раз- я
Ряс. 8.5. Устройство пьезотеле-
фона
образование электрической
мера и малого веса, их применяют в качестве переносных микро-
фонов, прикрепляемых для усиления речи к одежде оратора в J
случае, если оратор должен перемещаться.
Действие пьезоэлектрических телефонов основано на приме- 1
нении обратного пьезоэлектрического эффекта. Если к обклад- I
кам пьезоэлемента подвести эдс от внешнего источника, то в за- 1
висимости от ее знака пьезоэле- Л
мент расширяется или сжимает- ч
ся, а биморфный пьезоэлемент 1
изгибается. Чем больше разность I
потенциалов, тем сильнее дефор- i
мация кристалла. Если к пьезо-1
элементу приложить переменную Л
эдс, то он будет совершать коле- 1
бания. В прямом пьезоэффекте d
происходит превращение механи-
ческой энергии в электрическую, J
в обратном пьезоэффекте — пре- j
гергии в механическую. Поэтому,!]
пьезоэлектрические приборы называют электромеханическими л
преобразователями.
В пьезотелефоне имеется биморфный пьезоэлемент, к которо- 1
му подводится переменное напряжение звуковой частоты. Коле- 1
бания пьезоэлемента передаются мембране, зажатой между кор- I
пусом и крышкой телефона (рис. 8.5). По сравнению с электро- .]
магнитным телефоном пьезоэлектрический телефон дает меньшие J
искажения. Недостатком старых типов пьезотелефонов является
нестойкость сегнетовой соли. Новые типы пьезотелефонов I
с биморфным пьезоэлементом из керамического титаната бария J
лишены недостатков, характерных для приборов с сегнетовой I
солью. Их сопротивление переменному току имеет емкостный 4
характер и на частоте 1000 гц составляет 10 000—20000 ом. Так j
как пьезотелефон не проводит постоянного тока, то в тех слу- я
чаях, когда он включается в цепь с постоянной составляющей I
тока, его -шунтируют сопротивлением в несколько десятков
килоом.
350
§ 8.3. ГРОМКОГОВОРИТЕЛИ
Громкоговоритель, как и телефон, служит для преобразования
энергии переменного’ тока в энергию звуковых волн. Телефон
дает звук малой мощности, так как его мембрана совершает ко-
лебания с небольшой амплитудой и имеет малые размеры. Если
подвести к телефону значительное напряжение, то он будет силь-
но искажать звук. Для получения мощных звуковых колебаний
конструкция громкоговорителей значительно отличается от кон-
струкции телефона. Хороший громкоговоритель должен равно-
мерно воспроизводить звуки различной частоты. Это качество в
громкоговорителях получить трудно. Все они воспроизводят зву-
ки одних частот лучше, других — хуже, а некоторые звуки совсем
не воспроизводят — срезают. Громкоговорители разделяются на
диффузорные, называемые иначе громкоговорителями прямого
излучения, и рупорные. В диффузорных громкоговорителях звук
передается в воздух диффузором, представляющим собой боль-
шую мембрану (диафрагму) конической формы из бумаги. Ме-
ханизм громкоговорителя соединен с диффузором и приводит
последний в колебание. В рупорных громкоговорителях звук пе-
редается от механизма с помощью рупора. Рупорные громкого-
ворители обладают направленным действием; их используют при
радиофикации улиц, площадей, стадионов и в звуковом кино.
Для радиоприемников применяются диффузорные громкогово-
рители.
По способу преобразования электрической энергии в энергию
звука громкоговорители разделяются на электромагнитные,
электродинамические и пьезоэлектрические. Электромагнитные
громкоговорители, напоминающие по принципу своего устройст-
ва электромагнитный телефон, не обладают достаточно высокими
качествами и являются устаревшими. Наиболее распространен-
ным из них был громкоговоритель типа «Рекорд», отличавшийся
большой чувствительностью. Пьезоэлектрические громкоговори-
тели аналогичны по устройству пьезотелефонам. В настоящее
время оба эти типа громкоговорителей уже не выпускаются.
Электродинамические громкоговорители («динамики») явля-
ются основными типами современных громкоговорителей. На
рис. 8.6 показано схематически устройство диффузорного элект-
родинамического громкоговорителя. Его магнитная система име-
ет сильный постоянный магнит в виде кольца 1, центральный
стержень или керн 2 и фланцы 3. Магнит изготовляется из спе-
циальных магнитных сплавов, содержащих алюминий, железо,
никель, иногда .кобальт (АЛИИ, АНМ, АНКО-4 и др.). Приме-
няются также магниты из магнитокерамических материалов
типа ферритов (ферроксдуров). Фланцы и керн делаются из мяг-
кой стали. Для скрепления фланцев с магнитом в последнее вре-
мя успешно используется клей БФ-2. Керн либо впрессовывается
351
во фланец, либо также склеивается с ним. В некоторых кон-
струкциях магнитом является керн. Раньше, когда не существо-
вало сильных постоянных магнитов, применялись электродина-
мические громкоговорители с электромагнитами (с подмагничи-
ванием). У них на керне находилась обмотка возбуждения,
через которую пропускался постоянный ток. Теперь такие гром-
коговорители не выпускаются.
Рис. 8.6. Устройство диффузорного электро-
динамического громкоговорителя
Около одного конца керна имеется воздушный зазор, в кото-
ром помещена легкая звуковая катушка 6, прикрепленная к ко-
нусному диффузору 5. Ток звуковой частоты, протекающий в зву-
ковой катушке, создает переменное магнитное поле. Благодаря
взаимодействию этого поля с полем постоянного магнита, возни-
кает колебание катушкн вдоль оси воздушного зазора, переда-
ваемое диффузору, который излучает в окружающее пространст-
во звуковые волны. Чем сильнее постоянное и переменное поля,
тем сильнее колебание подвижной системы громкоговорителя.
Края диффузора имеют гибкое крепление с помощью гофри-1
рованного воротника 8 к диффузородержателю 4. Чтобы звуко-1
вая катушка могла совершать колебания в воздушном зазоре; не |
касаясь его стенок, она также укреплена на гофрированной цент-
рирующей шайбе 7, изготовленной из гибкого материала (ткань,
пропитанная лаком, или литая бумажная масса). Звуковая ка-
тушка намотана тонким проводом с эмалевой изоляцией и имеет
обычно сопротивление порядка единиц ом. Таким образом, элект-
352
родина мический громкоговоритель является низкоомным. Поэто-
му его присоединяют к приемнику, усилителю или трансляцион-
ной сети через понижающий трансформатор, имеющий большое
число витков первичной обмотки. Тогда для токов звуковой ча-
стоты сопротивление первичной обмотки будет порядка тысяч ом.
На рис. 8.6 показан такой трансформатор Тр, установленный на
корпусе громкоговорителя. К нему подключены выводы звуковой
катушки 9. В последнее время разработаны новые более высоко-
омные громкоговорители, имеющие сопротивление звуковой ка-
тушки до сотен ом. Они могут быть включены без трансформато-
ра в усилитель, работающий на транзисторах или на специаль-
ных лампах с малым внутренним сопротивлением.
Рис. 8.7. Различные типы диффузоров
Качество звучания громкоговорителя в большой степени зави-
сит от его диффузора. Для воспроизведения колебаний высоких
звуковых частот он должен иметь небольшую массу. А для ниж-
них частот, наоборот, необходим диффузор со значительной по-
верхностью из достаточно жесткого материала, чтобы он работал
как поршень и не деформировался при сильных звуках. Эти про-
тиворечивые требования трудно выполнить. На рис. 8.7 показаны
некоторые типы диффузоров. Улучшенными качествами облада-
ют диффузор с кольцевой гофрировкой (рис. 8.7 а) и диффузор
с криволинейной образующей (рис. 8.7 б). Для улучшения вос-
произведения колебаний высших звуковых частот часть диффу-
зора около звуковой катушки пропитывают лаком, чтобы сделать
ее более жесткой. Комбинированный диффузор (рис. 8.7 в) с до-
полнительным небольшим жестким диффузором также дает луч-
шее звучание на верхних частотах. В настоящее время диффузо-
ры изготовляются исключительно бесшовные, литые из бумажной
массы. Диффузоры, склеенные из бумаги, теперь, как правило,
не применяются. В приемниках и телевизорах с целью более ком-
23—2607 353
пактного размещения деталей в последнее время применяются
громкоговорители с диффузорами эллиптического сечения.
Диффузорный громкоговоритель без дополнительных акусти-
ческих устройств дает слабое звучание на нижних частотах. Это
объясняется следующим явлением. Звуки, соответствующие ниж-
ним частотам, имеют наибольшую длину волны и поэтому обла-
дают более резко выраженным свойством дифракции, т. е. оги-
бания препятствий. От разных сторон диффузора излучаются
волны с противоположными фазами (в данный момент с одной
стороны диффузора получается сгущение воздуха, с другой сто-
роны — разрежение и наоборот). Огибая края диффузора, эти
Рис. 8.8. Акустические экраны в виде доски (а) и
ящика (б) и принцип устройства фазоинвертора (в)
волны складываются и результирующая волна получается ослаб-
ленной. Такое явление называют «акустическим коротким замы-
канием». Для его устранения и улучшения воспроизведения низ-
ких звуков (басов) громкоговоритель устанавливают в акусти-
ческом экране, который представляет собой доску или ящик с
отверстием для громкоговорителя (рис. 8.8 а и б). Роль акусти-
ческого экрана выполняет также всегда ящик приемника или те-
левизора.
В этом случае звуковые волны огибают акустический экран по
более длинному пути и «акустическое короткое замыкание» уст-
раняется для всех звуков, для которых расстояние d не меньше
половины длины волны. Улучшение воспроизведения низких зву-
ков достигается также установкой громкоговорителя в фазоин-
верторе, т. е. закрытом ящике, имеющем дополнительное отвер-
стие (рис. 8.8 е). Фазоинвертор рассчитывается так, чтобы звуки
нижних частот, излучаемые непосредственно от диффузора и вы-
ходящие через дополнительное отверстие, совпадали по фазе.
354
Для включения в сеть проволочного вещания применяются
абонентские громкоговорители различных типов. Как правило,
они помещаются в небольшой пластмассовой корпус (ящик)
вместе с плавным или ступенчатым регулятором громкости и по-
нижающим трансформатором. Выпускается также много различ-
ных типов диффузорных громкоговорителей на мощность от 0,25
до 10 ва для приемников, радиол, телевизоров и другой аппара-
туры. На открытых пространствах и в больших помещениях ис-
пользуются рупорные громкоговорители и специальные акусти-
ческие системы.
Рис. 8.9,
пориого
10ГРД-5 , ,
устройства его рупора (б)
Внешний вид ру-
громкоговорителя
(а) и принцип
Рупорные громкоговорители изготовляются на мощности до
100 ва. В них вместо диффузора применяется легкая мембрана
специальной формы сравнительно небольших размеров. С целью
уменьшения габаритов громкоговорителя часто делается так на-
зываемый свернутый рупор, имеющий три секции, как. например,
в широко распространенном громкоговорителе 10ГРД-5
(рис. 8.9). Из рисунка видно, что в таком рупоре звук дважды
изменяет на 180° направление распространения. Если нежела-
тельна слишком острая направленность рупорного громкоговори-
теля, то делается многоячеечный рупор, состоящий из нескольких
рупоров, приложенных стенками друг к другу.
Особым типом является громкоговоритель с направляющим
рупором, представляющий собой обычный мощный диффузорный
громкоговоритель с коротким широким рупором круглого или
прямоугольного сечения. Все более широкое распространение по-
лучают также радиальные громкоговорители, в которых осуще-
ствляется круговое рассеяние звука. На рис. 8.10 показан для
примера такой громкоговоритель типа ДГР-25, состоящий из че-
,23* 355
тырех диффузорных громкоговорителей. Наверху у него распо-
ложён горизонтально низкочастотный громкоговоритель, излуче-
ние которого с помощью радиального рупора рассеивается во все
стороны по радиусам. Ниже этого рупора под углом 120° друг к
другу размещены три высокочастотных громкоговорителя.
' Большие звуковые мощности могут быть получены с помощью
звуковых колонок, в которых несколько диффузорных громкого-
ворителей расположено вертикально обычно в два или три ряда.
В таких колонках громкоговорители должны работать синфазно,
т. е. давать звуковые волны с одинаковыми фазами. Хорошее
воспроизведение звуков в широком диапазоне звуковых частот
дают двухполосные громкоговорители или громкоговорящие аг-
регаты, в которых осуществляется раздельное воспроизведение
Рис. 8.10. Радиальный громко-
говоритель ДГР-25
Рис. 8.11. Разделительный
фильтр для двухполосиого аг-
регата громкоговорителей
звуков нижних и верхних частот. Громкоговоритель с диффузо-
ром или рупором небольшого размера воспроизводит звуки верх-
них частот, например от 1000 гц и выше, а громкоговоритель с
большим рупором или диффузором хорошо передает звуки ниж-
них частот, например от 40 до 1000 гц. При включении двухпо-
лосных громкоговорителей применяются разделительные фильт-
ры по различным схемам. Одна из них показана на рис. 8.11.
В ней фильтр LiCi задерживает колебания верхних звуковых
частот и пропускает в низкочастотный громкоговоритель только
колебания с частотой ниже 1000 гц. А фильтр L2C2, наоборот,
задерживает колебания нижних частот и пропускает в высоко-
частотный громкоговоритель колебания с частотами выше
1000 гц. Простейшим разделительным фильтром может являться
конденсатор, включенный последовательно с высокочастотным
громкоговорителем.
Двухполосные системы представляют собой либо два отдель-
ных, разнесенных друг от друга, громкоговорителя, либо одну
коаксиальную конструкцию, в которой малый высокочастотный
громкоговоритель расположен в середине диффузора *низкоча-
356
стотного громкоговорителя. Ведутся разработки трехполосных
систем, в которых раздельно воспроизводятся звуки нижних,
средних и верхних частот.
Во многих современных приемниках, радиолах и телевизорах
акустическая система состоит обычно из нескольких громкогово-
рителей, создающих некоторое приближение к объемному
звучанию, когда звуки не кажутся исходя-
щими из одного источника. Одна из прос-
тейших таких систем, показанная на
рис. 8.12, имеет широкополосный громкого-
воритель на передней стороне ящика и два
высокочастотных громкоговорителя на бо-
ковых стенках. Иногда даже применяются
дополнительные выносные громкоговорите-
ли, устанавливаемые на некотором расстоя-
нии от приемника. Однако наивысшее каче-
ство воспроизведения достигается лишь в
специальных сложных стереофонических
Рис. 8.12. Простей-
шая акустическая си-
стема приемника для
получения эффекта
объемного звучания
системах, в которых звуки от источников, находящихся в разных
местах, передаются по отдельным каналам к громкоговорите-
лям, расположение которых повторяет расположение источни-
ков звука. Подобная система осуществлена в стереофонических
радиограммофонах для проигрывания стереофонических грам-
пластинок и в экспериментальных киноустановках. Проводятся
также опыты стереофонических передач через два вещательных
канала.
§ 8.4. ЗВУКОСНИМАТЕЛИ
Звукосниматель (адаптер) служит для воспроизведения
электрическим способом звука, записанного на граммофонных
пластинках. При вращении граммофонной пластинки игла зву-
коснимателя движется по звуковой канавке и, следуя по ее изви-
линам, совершает колебания, соответствующие записанному зву-
ку. Механические колебания иглы преобразуются звукоснимате-
лем в электрические колебания, поступающие на усилитель.
Электромагнитные звукосниматели являются устаревшими,
но все же иногда еще применяются. Их устройство в одном из
вариантов показано на рис. 8.13 а. Постоянный магнит М имеет
П-образные надставки Н из стали. В воздушном зазоре между
ними может совершать колебания стальной якорек Я с иглодер-
жателем ИД и зажимным винтом ЗВ. В него вставляется
иголка И. Якорь с надетой на него резиновой трубкой РТ встав-
лен в катушку К с большим числом витков.
Если игла идет по ровной канавке, то якорь находится в сред-
нем положении и магнитный поток вдоль якоря, т. е. внутри
катушки, отсутствует (рис. 8.13 6). При попадании иглы в изви-
лины звуковой канавки якорь отклоняется от среднего полодие-
357
ния (рис. 8.13 виг). Воздушные зазоры между якорем и по-
люсными наконечниками изменяются: одни увеличиваются,
другие уменьшаются. Вследствие этого часть магнитного потока
проходит вдоль якоря то в одном, то в другом направлениях.
Переменный магнитный поток индуктирует в катушке перемен-
ную эдс. ’ -• -з
Наиболее распространены пьезоэлектрические звукоснимате-
ли, которые по сравнению с электромагнитными развивают
большую эдс, с меньшими искажениями воспроизводят колеба-
ния в более широком диапазоне частот, проще по конструкции
и дешевле. Старые пьезоэлектрические звукосниматели имели
Рис. 8.13. Устройство и работа электромагнит-
ного звукоснимателя
пьезоэлемент из сегнетовой соли. В дальнейшем ее стали заме-
нять фосфатом аммония, который обладает большей стойкостью
и прочностью, чем сегнетова соль. Однако наиболее совершен-
ным материалом для пьезоэлектрических звукоснимателей
является керамический титанат бария. Он имеет большую ме-
ханическую прочность, может работать в широком интервале
температур и при любой влажности.
Существует несколько различных конструкций звукоснима-
телей. В некоторых из них применяются сменные иглы: корундо-
вые для долгоиграющих пластинок и стальные (тихого тона)
для обычных. В других, более удобных конструкциях с помощью
поворотного устройства можно устанавливать на пластинку
одну из двух постоянных корундовых игл.
Принцип устройства одного из широко применяющихся
пьезоэлектрических звукоснимателей типа ЗПК-56, имеющего
рабочий диапазон частот от 30 до 12000 гц, показан упрощенно
на рис. 8.14 а. Пьезокерамический элемент небольших разме-
ров ПЭ одним концом закреплен в резиновом кармаие РК. Ог
пьезоэлемента сделаны выводы, не показанные на рисунке. Сво-
бодный конец пьезоэлемента скреплен с пластмассовым повод-
ком П. В вилке этого поводка находится пластмассовый
иглодержатель ИД, на конце которого укреплены две корундо-
вые иглы. Иглодержатель через резиновую муфту РМ соединен
353
с рычажком переключения игл РП. Поворачивая ручку этого
рычажка на небольшой угол, можно устанавливать ту или дру-
гую иглу. Такая конструкция обладает хорошими акустическими
параметрами и удобна тем, что в ней легко сменять иглодержа-
тель. Это необходимо делать, так как нормальный срок службы
корундовых игл составляет несколько десятков часов.
Рис. 8.14. Принцип устройства пьезоэлектрическо-
го звукоснимателя и его включение
Пьезоэлектрический звукосниматель присоединяется обычно
через регулятор громкости на вход усилителя (рис. 8.14 6). Сле-
дует помнить, что пьезоэлемент не имеет проводимости для по-
стоянного тока. Поэтому при включении его в цепь сетки без
регулятора громкости обязательно нужно включать между сет-
кой и катодом сопротивление в несколько сот килоом
(рис. 8.14в). Для уменьшения «шипения» граммофонной пла-
стинки иногда звукосниматель включают через фильтр, снижаю-
щий усиление на верхних звуковых частотах (рис. 8.14 г). При
наличии регулятора тембра такой фильтр, конечно, не нужен.
§ 8.5. ПОНЯТИЕ О ДЕЦИБЕЛАХ
Интенсивность (сила) звука / представляет собой энергию, переноси-
мую звуковой волной в 1 сек через площадку в 1 м2, перпендикулярную к на-
правлению распространении волны. Иначе говоря, это мощность звуковой
волны, приходящаяся на 1 м2 поперечного сечения волны. Единицей силы
звука является ватт иа квадратный метр (вт/м2). Звук характеризует также
звуковое давление р, т. е. то дополнительное давление (сверх атмосферного),
которое создается звуковой волной в данном месте. Оно является переменной
величиной, и поэтому пользуются его амплитудным значением рт или дейст-
вующим значением р. Звуковое давление измеряется в дииах на 1 см2.
1 дин/см2 приблизительно равна давлению силы в 0,001 Г на 1 см2. Сила звука
и звуковое давление связаны между собой квадратичной зависимостью. Прн
увеличении звукового давления в 2, 3, 4... раза сила звука возрастет в 4, 9,
16... раз.
Громкость звука характеризует восприятие звука человеком. Для срав-
нения силы звуков, дающих различную громкость, введены логарифмические
389
единицы, отражающие особенности человеческого слуха. В радиотехнике
пользуются такой единицей, носящей название децибел (дб). Слух человека
имеет наивысшую чувствительность к звукам средней частоты. Эта частота
принята равной 1000 гц. Наиболее слабый звук, который может услышать
человек на этой частоте, имеет силу /о=10“12 вт1м* или звуковое давление
Ро=0,0002 дин[смг. Эти величины приняты за условный нулевой уровень силы
звука любой частоты, т. е. нуль децибел (0 дб).
Если сила звука изменяется в 10, 100, 1000 и так далее раз, то это соот-
ветствует изменению силы звука иа 10, 20, 30 дб. Изменение на 1 дб соот-
ветствует изменению силы звука примерно в 1,25 раза, т. е. на 25%. Это
наименьшее заметное для человека изменение громкости. При частоте 1000 гц
нулевой уровень силы звука совпадает с нулевым уровнем громкости, на-
зываемым иначе порогом слышимости. Нулевые уровни громкости для зву-
ков иной частоты получаются другие, так как слух человека к этим звукам
имеет иную чувствительность. Например, для звука с частотой 40 гц нуле-
вой уровень силы звука имеет такое же значение, как и для 1000 гц, а
нулевой уровень громкости соответствует силе звука 10“6 вт/л»2, т. е.
соответствует в миллион раз более сильному звуку, имеющему уровень
в логарифмических единицах 60 дб. Это значительно осложняет все расчеты
и измерения, связанные со звуками различной частоты. Поэтому условились
за уровень громкости данного звука любой частоты считать уровень силы
звука с частотой 1000 гц, имеющего одинаковую громкость с данным звуком.
Из табл. 8.1 видно, что весь диапазон громкостей занимает 130 дб. Так как
человек замечает разницу в силе звука, не меньшую чем иа 1 дб, то во всем
этом диапазоне имеется только 130 различных по громкости звуков. Практи-
чески редко приходится иметь дело со слабыми звуками, близкими к порогу
слышимости, или громкими звуками, близкими к верхнему болевому порогу.
Таблица 8.1
Уровень громкости, дб Звуковое давление дин/см.' Интенсив- ность звука ет/*1 Отношение звуковых давлений (или На- пряжений) Отношение снл звука (или мощно- стей) Краткая характеристика звука
0 0,0002 10“12 1 ’ 1 Порог слышимости
10 0,00065 10“” 3,16 10
20 0,002 10“10 10 10* Шепот на расстоянии 1 м
30 0,0055 10“9 31,6 10»
40 0,02 10“8 100 104 Самая тихая музыка
50 0,065 10“7 315 10s Тихая музыка
60 0,2 10“6 10» 106 Разговор на расстоянии 1 м
70 0,65 Ю“5 3.16-103 ю7 Музыка средней громкости
80 2 10“4 104 108 Шумная улица
90 6,5 10“3 3,16-104 ю9 Полное звучание оркестра
100 20 Ю"2 10 s 1010 Автосирена
НО 65 10“1 3,16-Ю5 10» Пневматический молот
120 200 1 106 10‘» Авиамотор на расстоянии 5 м
130 650 10 3,16-10» ю13 Болевой предел
360
Шепот соответствует громкости в 20 дб, а полное звучание оркестра имеет
громкость 90 дб. Следовательно, диапазон громкостей звуков обычно состав-
ляет 70 дб. Диапазон громкостей звуков или разность уровней самого гром-
кого и самого слабого звуков называют динамическим диапазоном.
Таблице 8.1 дает возможность сравнивать звуки различной громкости и
переводить звуковое давление или силу звука в децибелы и наоборот. Гра-
фы децибел и отношения звуковых давлений или силы звука пригодны для
сравнения уровней любых звуков (ие обязательно относительно нулевого
уровня). Например, разговор иа расстоянии одного метра создает звуковое
давление в 0,2 дин/см2 и имеет громкость 60 дб относительно нулевого уровня.
Но относительно слабого звука (шепота), имеющего громкость 20 дб, уро-
вень разговора получается равным 40 дб, так как 60—20=40. Из таблицы
видно, что 40 дб соответствует отношению звуковых давлений, равному 100,
Рис. 8.15. Различные способы изображения
частотной характеристики микрофона
или отношению сил звуков, равному 10000. Поэтому звук разговора пре-
вышает шепот в 100 раз по звуковому давлению и в 10 000 раз по силе зву-
ка. В радиотехнике часто выражают в децибелах усиление или ослабление
переменных напряжений и мощностей переменного тока. Для таких расчетов
может быть использована табл. 8.1: графа отношения звуковых давлений —
для отношения напряжений, а графа отношения сил звука — для отношения
мощностей.
Чувствительность микрофонов выражают величиной эдс, которую раз-
вивает микрофон при звуковом давлении в 1 дин/сл2. Единицей чувствительно-
сти является один милливольт на 1 дин/см2. Например, электродинами-
ческие микрофоны имеют чувствительность порядка 0,1—0,25 мв на 1 дин/см2,
а у конденсаторных и пьезоэлектрических микрофонов она лежит в пределах
от 0,5 до 5 мв на 1 дин1см2. Иногда чувствительность микрофона выражают
в децибелах относительно чувствительности, принятой за нулевой уровень.
Зависимость чувствительности микрофона от частоты называют частотной
харакеристикой микрофона (рис. 8.15 а). Неравномерность работы микро-
фона на различных частотах, т. е. неравномерность частотной характеристи-
ки, свидетельствует о том, что он создает частотные искажения. Их выража-
ют в децибелах. Например, если для некоторого микрофона неравномерность
частотной характеристики составляет 10 дб, то по табл. 8.1 легко установить,
что напряжение, развиваемое микрофоном при одном и том же. звуковом дав-
лении, для различных частот изменяется в 3,16 раз. Нередко изображают
361
частотную характеристику микрофона в виде кривой, показывающей откло-
нение чувствительности в децибелах от средней чувствительности или от чув-
ствительности иа частоте 1000 гц. Если чувствительность выше средней, то от-
клонение считают положительным, а при уменьшении чувствительности по
сравнению со средней отклонение считают отрицательным (рис, 8.15 б).
Чувствительность громкоговорителей выражают величиной звукового
давления в барах, создаваемого на определенном расстоянии от громкогово-
рителя, при подведении к нему переменного напряжения 1 в, т. е. в дин/сл? на
вольт. Иногда чувствительность относят к подводимой к громкоговорителю
мощности 1 ва. Зависимость чувствительности громкоговорителя от частоты
является его частотной характеристикой. Неравномерность частотной харак-
теристики, т. е. неодинаковость чувствительности на различных частотах, вы-
ражается в децибелах и характеризует частотные искажения, создаваемые
громкоговорителем. Например, комнатные громкоговорители для трансляци-
онной сети в полосе частот от 150 до 6000 гц создают частотные искажения
не более 20 дб. Это значит, что звуковое давление в этом диапазоне при
одном и том же напряжении на зажимах громкоговорителя изменяется для
различных частот не более чем в 10 раз.
§ 8.6. ВОПРОСЫ И ЗАДАЧИ
1. Каковы частоты 5 и 7-й гармоник сложного звука, если его основная
частоте 250 гц?
2. Если амплитуда звука увеличилась в 2 раза, будет ли он казаться
человеку вдвое громче?
3. Восьмая гармоника сложного звука имеет частоту 3000 гц. Чему рав-
на основная частота?
4. Правильно ли говорить, что угольный микрофон превращает звуковые
колебания в переменный ток звуковой частоты?
5. Какова роль микрофонного трансформатора?
6. Телефон может работать как микрофон. Объясните это,
7. Будут ли работать телефон и звукосниматель, если магниты у вих раз-
магнитились?
8. Какова роль постоянного магнита в телефоне?
9. В чем заключаются преимущества и недостатки угольного микрофона
по сравнению с другими типами микрофонов?
16, Какие типы микрофонов не требуют питания постоянным током?
11. Какой ток проходит в цепи конденсаторного микрофона: переменный
или пульсирующий?
12. Что такое пьезоэлектрический эффект?
13. Как можно устроить регулнтор громкости к громкоговорителю?
14. Что такое динамический диапазон?
15. В чем заключаются частотные искажения в микрофоне и громкогово-
рителе?
16. Что такое частотная характеристика громкоговорителя?
17. Прн одном и том же звуковом давлении микрофон на различных ча-
стотах развивает напряжение в пределах от 0,05 до 0,5 мв. Выразить час-
тотные искажения в децибелах.
18. На сколько децибел уменьшится громкость звука, если напряжение,
подводимое к громкоговорителю, изменится с 30 до 3 в?
19. Почему звуковая катушка электродинамического громкоговорителя
должна иметь небольшую массу?
20. Почему большой диффузор плохо воспроизводит звуки верхних частот?
21, Попробуйте начертить схемы разделительных фильтров для двухполос-
ных еиетем громкоговорителей, отличающиеся от изображенной иа рис. 8.11.
22. Почему диффузорный громкоговоритель без акустического экрана
плохо- воспроизводит звуки иижних частот?
ГЛАВА 9
УСИЛИТЕЛИ НИЗКОЙ ЧАСТОТЫ
§ 9.1. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ УСИЛИТЕЛЕЙ
Каждый усилитель имеет вход, к которому подводится уси-
ливаемое напряжение, и выход, с которого снимается усиленное
напряжение. Ко входу усилителя присоединен источник того на-
пряжения низкой частоты, которое требуется усилить. Им может
являться микрофон, звукосниматель, радиоприемник, фотоэле-
мент и т. д. К выходу усилителя присоединяется громкоговори-
тель или линия, нагруженная на громкоговорители и телефоны,
или прибор, в котором используются усиленные электрические
колебания.
Рассмотрим величины, характеризующие усилитель.
Коэффициент усиления усилителя есть отношение выходного
напряжения U вых к напряжению, поданному на вход усилителя,
Он зависит от коэффициентов усиления отдельных ступеней.
Если обозначить их kt, k2, k3 и т. д., то можно написать
А —— ^2 ^3*
Например, если усилитель имеет три ступени с коэффициен-
тами усиления: A?i=20, &2=20 и &3=5, то общий коэффициент
усиления всего усилителя будет ^=20-20-5=2000. Это значит,
что при подаче на вход напряжения Uex =10 мв = 0,01 в на
выходе получится усиленное напряжение 1/выл.=2000-0,01 =
= 20 в.
Выходная мощность Рвых есть мощность тока низкой часто-
ты в выходном нагрузочном сопротивлении усилителя. В мало-
мощных усилителях Рвых составляет доли ватта, в усилителях
средней мощности — единицы или десятки ватт, а усилители
большой мощности имеют выходную мощность порядка сотен
ватт и более. Она всегда указывается для нормальной работы
усилителя, т. е. когда на вход подается нормальное напряжение.
Усилитель может давать мощность больше нормальной, т. е.
работать с перегрузкой. При этом увеличиваются искажения и,
353
кроме того, повышенные переменные напряжения в последней
ступени могут вызвать аварии (пробивание конденсаторов или
изоляции в трансформаторах, выход из строя ламп или транзи-
сторов и т. д.).
Входное и выходное сопротивления. Важным параметром
усилителя является его входное сопротивление (сопротивление
между входными зажимами), которое играет роль нагрузочного
.сопротивления для источника усиливаемого напряжения. А для
нагрузочного сопротивления, включенного на выход, усилитель
является генератором и поэтому имеет между выходными зажи-
мами некоторое внутреннее сопротивление, называемое выход-
ным.
Диапазон частот в зависимости от назначения усилителя мо-
жет быть широким или узким. При усилении колебаний разго-
ворной речи достаточен диапазон частот примерно 200—2000 гц,
а для художественных передач он должен быть 50ч-10000 гц.
Искажения в усилителях возникают различных видов.
1. Частотные искажения. Чем шире диапазон частот колеба-
ний, которые нормально усиливаются усилителем, тем меньше
искажения. Идеальный усилитель должен в пределах того диа-
пазона частот, на который он рассчитан, усиливать одинаково.
Практически каждый усилитель усиливает различные по частоте
колебания неодинаково, вследст-
вие чего нарушается правильное
соотношение между звуками раз-
личных частот. Неодинаковое вос-
произведение колебаний различ-
ной частоты называется частот-
ными (или линейными) искаже-
ниями.
Показателем частотных иска-
жений служат амплитудно-частот-
ная или, короче, частотная харак-
теристика, изображающая зави-
симость коэффициента усиления k
усилителя от частоты усиливае-
мых колебаний /. Для таких, ха-
рактеристик (рис. 9.1) принято
откладывать частоту в логариф-
мическом масштабе, в котором с
увеличением частоты деления ста-
га so 100 'оно iem f(w)
Рис. 9,1. Различные формы частот-
ных характеристик
новятся меньше. В обычном линейном масштабе, когда деления
одинаковы, трудно уложить весь диапазон звуковых частот. По
вертикальной оси иногда откладывают не коэффициент усиле-
ния. k, а его отношение к коэффициенту усиления при средней
частоте, в качестве которой берут частоту /=400 гц (иногда
1000 гц).
364
На рис. 9.1 а показана частотная характеристика идеально*
го усилителя на диапазон частот 5004-10000 гц. Она показы-
вает, что для этих частот коэффициент усиления один и тот же,
т. е. частотных искажений нет. Однако построить подобный уси-
литель трудно. В этом и нет необходимости, так как небольшие
изменения силы звука (менее 25%) человек не замечает. По-
этому небольшое отклонение коэффициента усиления от сред-
ней величины вполне допустимо.
На рис. 9.16 дан пример частотной характеристики усили-
теля, который на частоте 50 гц дает усиление на 20% меньше,
чем на средних частотах. Рисунок 9.1 в дает частотную характе-
ристику с подъемом усиления на нижних частотах: коэффициент
усиления на частоте 50 гц на 40% выше, чем на средней частоте.
Снижение или подъем усиления могут быть и на верхних часто-
тах. Если частотные искажения превысят 20—30%, то в воспро-
изведении чувствуется недостаточная громкость некоторых
звуков, или, наоборот, они слышны ненормально громко по
сравнению со звуками средней частоты.
Причиной частотных искажений является наличие в усилите-
лях емкостей и индуктивностей, сопротивление которых зависит
от частоты. Вследствие этого усилитель на разных частотах ра-
ботает различно.
Частотные искажения создаются также в громкоговорителе,
телефоне, микрофоне, звукоснимателе, причем в них эти искаже-
ния бывают значительно больше, чем в усилителе. Поэтому
иногда в усилителе полезны такие частотные искажения, кото-
рые могут скорректировать частотные искажения, например, в
громкоговорителе. Если последний хуже работает на верх-
них частотах, то желательно в усилителе иметь частотную
характеристику с подъемом на этих частотах. Тогда общая ча-
стотная характеристика всего устройства станет лучше и вос-
произведение звука будет происходить с меньшими искажения-
ми. В некоторых усилителях применяют тонкорректоры и
регуляторы тона, позволяющие изменять частотную характери-
стику так, чтобы компенсировать частотные искажения отдель-
ных частей усилительного устройства.
2. Нелинейные искажения. Если на вход усилителя подано
синусоидальное напряжение, то усиленное напряжение на выхо-
де будет не синусоидальным, а более сложным. Оно состоит из
ряда простых синусоидальных колебаний — основного и высших
гармоник. Таким образом, усилитель добавляет лишние гармо-
ники, которых не было на входе усилителя.
На рис. 9.2 показано синусоидальное напряжение на входе
усилителя Uex и искаженное несинусоидальное напряжение на
выходе Ueux . В данном случае усилитель вносит вторую гармо-
нику. На графике напряжения £/выг штрихом показаны полез-
ная первая гармоника (основное колебание), имеющая одина>
365
новую частоту со входным напряжением, и вредная вторая
гармоника с удвоенной частотой. Выходное напряжение являет-
ся суммой этих двух гармоник.
Искажения формы усиливаемых колебаний, т. е. добавление
лишних гармоник к основному колебанию, называют нелинейны-
ми искажениями. Они проявляют себя в том, что звук становится
хриплым, дребезжащим. Для оценки нелинейных искажений
служит коэффициент нелинейных искажений kH, который пока-
зывает, какой процент
составляют все лишние
гармоники, созданные са-
мим усилителем, по отно-
шению к основному коле-
банию *.
Если kH меньше 5%.
т. е. если добавленные
усилителем гармоники в
сумме составляют не бо-
лее 5% первой гармони-
ки, то ухо не замечает
искажения. При коэффи-
циенте нелинейных иска-
жений больше 10% хрип-
лость звука и дребезжа-
ние уже портят впечат-
ление от художествен-
ных передач. При kH бо-
лее 20% искажения недо-
пустимы и даже речь ста-
новится неразборчивой.
Нелинейные искаже-
ния возникают и при уси-
лении колебаний сложной
формы при передаче речи и музыки. В этом случае также иска-
жается форма усиливаемых колебаний и добавляются лишние
гармоники. Сложные колебания сами состоят из гармоник, кото-
рые должны быть правильно воспроизведены усилителем. Их не
следует путать с добавочными гармониками, которые создает сам
усилитель. Гармоники входного напряжения являются полезны-
ми, так как они определяют тембр звука, а гармоники, внесен-
ные усилителем, — вредны. Они создают нелинейные искажения.
Причинами нелинейных искажений в усилителях являются:
пепрямолинейность характеристик ламп и транзисторов, нали-
чие тока управляющей сетки в лампах и магнитное насыщение
сердечников трансформаторов или дросселей низкой частоты.
1 Иногда Лч называют коэффициентом гармоник или клирфактором.
366
Значительные нелинейные искажения создаются также в гром-
коговорителях, телефонах, микрофонах, звукоснимателях.
3. Другие виды искажений. Наличие в усилительном устрой-
стве реактивных сопротивлений приводит к появлению фазовых
искажений. Фазовые сдвиги между различными колебаниями на
выходе усилителя получаются не такими, как на входе. При
воспроизведении звуков эти искажения не играют роли, так как
органы слуха человека не ощущают их, но в ряде случаев, на-
пример в телевидении, они оказывают вредное влияние.
Каждый усилитель создает искажения динамического диапа-
зона. Происходит его сжатие, т. е. отношение самого сильного
колебания к самому слабому на выходе усилителя получается
меньше, чем на входе. Это нарушает естественность звучания.
С целью уменьшения таких искажений иногда вводят специаль-
ное устройство для расширения динамического диапазона,
называемое расширителем (экспандером). Сжатие динамическо-
го диапазона происходит также и в электроакустических при-
борах.
§ 9.2. УСИЛИТЕЛИ НАПРЯЖЕНИЯ И УСИЛИТЕЛИ МОЩНОСТИ
В многоступенном усилителе несколько ступеней, начиная от
входа, составляют усилитель напряжения или предварительный
усилитель. В нем применяются маломощные лампы или транзи-
сторы. Его задача — усилить без искажений переменное напря-
жение, подведенное к входу, чтобы усиленным напряжением
«раскачать» последнюю ступень усилителя, называемую усили-
телем мощности или оконечным усилителем. Последний должен
усилить с минимальными искажениями мощность колебаний и
отдать ее громкоговорителям.
Усилитель напряжения, как и всякий усилитель, увеличивает
мощность колебаний, но режим его работы устанавливается так,
чтобы было наибольшее усиление напряжения. При этом всегда
усиливается и переменный ток, а следовательно, возрастает и
мощность колебаний. Зато усилитель мощности нередко не уси-
ливает напряжение, а только увеличивает мощность колебаний.
Ступень, служащая для «раскачки» оконечной ступени, назы-
вается предоконечной.
Наибольшие искажения, особенно нелинейные, вносит усили-
тель мощности. Конструктивно предварительный и оконечный
усилители могут быть смонтированы вместе или отдельно. Пи-
тающее устройство (выпрямитель) также монтируется вместе
с усилителем или отдельно от него.
§ 9.3. УСИЛИТЕЛЬНАЯ СТУПЕНЬ С ТРИОДОМ
Схема усилительной ступени с триодом изображена на
рис. 9.3 а. На сетку лампы подается переменное напряжение
367
с амплитудой Umc от генератора Г. В анодную цепь включено
нагрузочное сопротивление Ra, на котором переменная состав-
ляющая анодного тока с амплитудой Iта создает усиленное
переменное напряжение с амплитудой UmR. Анодный источник
зашунтирован конденсатором С большой емкости (несколько
микрофарад) *. Для переменной составляющей анодного тока он
представляет малое сопротивление и устраняет потерю перемен-
Рис. 9.3. Усилительная ступень и ее эквива-
лентная схема
ного напряжения на внутреннем сопротивлении анодного источ-
ника. Можно считать, что для переменной составляющей анод-
ного тока конденсатор С замыкает накоротко нижний
конец Ra с катодом лампы. Следовательно, усиленное напряже-
ние есть вместе с тем переменное напряжение на лам-
пе ^та (между ее анодом и катодом). Цепь накала на схеме
рис. 9.3 для упрощения не показана.
Усилитель с активным нагрузочным сопротивлением назы-
вается усилителем на сопротивлениях, или реостатным усили-
телем. Применяются также трансформаторный и дроссельный
усилители, у которых в качестве нагрузочного сопротивления в
анодную цепь включены соответственно трансформатор или
дроссель низкой частоты.
На схеме рис. 9.3 показано непосредственое подключение
генератора усиливаемого напряжения Г к сетке лампы. Если
этот генератор создает слишком малое напряжение, то его вклю-
чают через входной повышающий трансформатор (см.
рис. 5.21 6). Иногда генератор Г создает, помимо переменного
напряжения, еще и постоянное, которое не должно подаваться
на сетку. В этом случае также применяют входной трансформа-
тор или схему по рис. 9.4 (реостатно-емкостный вход). В ней
переменное напряжение поступает на сетку через разделитель-
ный сеточный конденсатор Сс , а постоянное напряжение через
’ Если анодным источником является выпрямитель, то роль конденсатора
С выполняет конденсатор сглаживающего фильтра,
368
Рис. 9.4. Схема рео-
статно - емкостного
входа в усилителе
него не передается. Чтобы потеря переменного напряжения. на
конденсаторе была незначительна, его емкость берется во много
раз больше входной емкости лампы и, кроме того, его сопротив-
ление хс для самой низшей частоты должно
быть во много раз меньше сопротивления
Rc . Сеточное сопротивление Rc, называемое
иначе сопротивлением утечки, включается
для стекания с сетки отрицательного заря-
да, который образуется попадающими с ка-
тода на сетку электронами. При отсутствии
Rc этот заряд может возрасти настолько,
что лампа запрется. Величина Rc обычно
составляет сотни килоом и более.
В § 5.13 было установлено, что лампа в
усилительной ступени работает как генера-
тор с переменной эдс Ema—iiUmc и внутрен-
ним сопротивлением Rt. Это можно доказать следующим обра-
зом. Если на сетку подано переменное напряжение, то &1а=1 та
HkUc=Umc. Следовательно, S = и Ima=SUmc. Заменив
Umc
крутизну по формуле S = —, получим
/ —= и тс
та Rt ’
Рассматривая эту формулу как закон Ома, заключаем, что
величина \\.Umc играет роль эдс генератора замкнутого на соб-
ственное внутреннее сопротивление Rr Эта формула справедли-
ва для статического режима, когда нет нагрузочного сопротив-
ления Ra. К для усилительной ступени, в которой лампа рабо-
тает в динамическом режиме, надо к /?, добавить Ra, так как
эти сопротивления соединены последовательно:
i _ Iх Uтс
та Ri + Ra '
Полученная формула играет важную роль в теории схем
с электронными лампами н может быть названа законом Ома
для переменной составляющей анодного тока. Следует иметь в
виду, что она дает малую погрешность только при работе лампы
на прямолинейном участке характеристики.
На основании выведенной формулы можно составить эквива-
лентную схему усилительной ступени для переменного анодного
тока (рис. 9.36), в которой лампа изображается в виде генера-
тора переменной эдс, нагруженного на внешнее сопротивление
Ra. Эта схема наглядно показывает, что нет разницы между по-
нятиями переменного напряжения на сопротивлении Ra и на са-
мой лампе, так как это сопротивление присоединено к зажимам
генератора, т. е. к аноду и катоду лампы.
24—2607 369
Коэффициент усиления ступени k равен
k
“mR
Umc
Применяя закон Ома для участка цепи, можно написать
^mR 1 ma Ra-
В этой формуле заменим /та его выражением по закону Ома
г/ Р^тс
тН Ъ + Ra
Ra-
Подставим это выражение в формулу коэффициента усиле-
ния ступени
k = I* Uтс
(Rf}-Ra) Uтс
Сократив на Umc числитель и знаменатель, получим
k = - .
Ri + Ra
Эта формула является основной для изучения различных
усилительных ступеней. Из нее видно, что чем больше р и Ra,
тем больше k. Величина Ra в числителе является множителем,
а в знаменателе слагаемым. Поэтому при возрастании Ra числи-
тель увеличивается в большей степени. Двойная зависимость
от Ra объясняется просто. С одной стороны, чем больше Ra, тем
больше полезное падение напряжения на нем от переменного
анодного тока (Ra в числителе). Но, с другой стороны, с увели-
чением Ra увеличивается общее сопротивление анодной цепи и
переменный анодный ток уменьшается, а значит, уменьшается и
падение напряжения на Ra (Ra в знаменателе). Что же касает-
ся Rt , то с его увеличением k уменьшается, так как возрастает
потеря напряжения внутри лампы.
Пример. Пусть имеется усилительная ступень, в которой работает лампа
с параметрами ц=20 и Ri —10 ком. Определим величину k при разных зна-
чениях Ra: 0; 0,5; 2,5; 10; 30 и 90 ком.
Если Ra =0, то ясно, что и /г=0.
При Ra =0,5 ком, получаем
20-0,5 10 „
k=----------=-------= 0,95.
10 + 0,5 10,5
т. е. усиления еще нет, так как Ra слишком мало.
При Ra =2,5 ком
к 20-2,5 50 4
“ 10+2,5 “12,5“ '
Усиление есть, но оно мало по сравнению с коэффициентом усиления са-
мой лампы ц,=2О.
370
Для Ra 10 ком имеем
20-10 200
k =----------= — =10
10 + 10 20
Как видно, в случае, когда Ra — Ri, усиление ступени равно половине р..
Далее, прн Ra =30 кол
20-30 600
я =----------= — = 15.
10 + 30 40
Таким образом, если Ra —3Ri, то k составляет уже 3/4 или 75% от р.
И, наконец, при Ra =90 кол=9/?» имеем
20-90 1800
k =----------=------= 18.
10 + 90 100
В этом случае k=0,9 р.
При увеличении Ra усиление растет сначала быстро, а затем
все медленнее. Нет смысла брать Ra больше, чем 4R,t. Дальней-
шее увеличение Ra не приведет к значительному увеличению
усиления ступени, оно все равно будет меньше, чем коэффициент
усиления лампы. Практически в усилителях на триодах берут Ra
от 3 R( до 4 Rt и тогда k составляет от 75 до 80% величины р.
Рис. 9.5 Принцип усиления колебаний с помощью триода
Каждая ступень усиления должна вносить как можно мень-
ше искажений. Для выяснения характера искажений рассмот-
рим графическое изображение усилительного процесса в лампе
при помощи ее динамической характеристики (рис. 9.5о).
Переменное напряжение сетки с амплитудой Umc =2 в изо-
бражено под характеристикой. Так как напряжение сетки
откладывается по горизонтальной оси, то ось времени пришлось
начертить вниз. Кривая напряжения сетки расположена необыч-
но для. глаза — сверху вниз, а не слева направо. Напряжение
сетки меняется от —2 до +2 в, что соответствует прямолинейно-
24* 371
му участку характеристики. Колебания анодного тока полу-
чаются синусоидальными с амплитудой Iта =3 ма. Кривая
пульсирующего анодного тока построена вправо от характе-
ристики.
При отсутствии колебаний, когда напряжение сетки равно
нулю, анодный ток равен 5 ма. Величину анодного тока при от-
сутствии переменного напряжения на сетке называют током
покоя (или начальным анодным током) и обозначают 1а0. При
усилении на прямолинейном участке характеристики ток по-
коя 1а0 равен постоянной составляющей пульсирующего тока,
получающегося при усилении: /в0 = /а_=5 ма.
Точка характеристики, соответствующая току покоя или,
иначе говоря, напряжению на сетке при отсутствии колебаний,
называется рабочей точкой.
Положение рабочей точки и амплитуда переменного напря-
жения сетки определяют качество усиления. Если рабочая точка
находится на середине прямолинейного участка характеристики
и амплитуды сеточного напряжения не выходят за пределы этого
участка, то усиление происходит без искажений. Форма колеба-
ний анодного тока соответствует форме колебаний напряжения
на сетке.
В случае, показанном на рис. 9.56, рабочая точка также на-
ходится на прямолинейном участке, но ближе к нижнему изгибу
характеристики. Отрицательные полуволны усиливаемого напря-
жения попадают на нижний изгиб и искажаются. Амплитуда
отрицательных полуволн анодного тока меньше, чем амплитуда
положительных полуволн, попадающих на прямолинейный уча-
сток характеристики. Таким образом, при работе на криволиней-
ной части характеристики возникают нелинейные искажения.
Участок характеристики, в пределах которого изменяются се-
точное напряжение и анодный ток, т. е. на котором происходит
работа, называется рабочим участком. Неискаженное усиление
можно получить, если рабочий участок прямолинеен. Таким
является участок от нижнего изгиба до точки, соответствующей
нулевому напряжению сетки. Он лежит в области отрицательных
напряжений сетки. Часть характеристики в области положи-
тельных напряжений на сетке, хотя и имеет прямолинейный
участок, но нежелательна для усиления, так как при положи-
тельном напряжении сетки возникает сеточный ток, который
также является причиной нелинейных искажений.
Вредное влияние сеточного тока легко выяснить при помощи
схемы рис. 9.3. При отрицательной полуволне сеточного напря-
жения тока сетки нет, генератор Г работает вхолостую и напря-
жение сетки равно эдс генератора. При положительной полувол-
не возникает сеточный ток, который создает на внутреннем
сопротивлении генератора Г падение напряжения. В этом случае
генератор Г работает с нагрузкой, и напряжение на его зажи-
372
мах, т. е. на сетке, меньше эдс на величину напряжения, поте-
рянного внутри генератора. Внутреннее сопротивление генера-
тора Г часто имеет значительную величину. Например, это
может быть сопротивление вторичной обмотки микрофонного
трансформатора, у которой число витков и индуктивность ве-
лики. Поэтому весьма заметным получается и падение напряже-
ния внутри генератора Г. В результате переменное напряжение
сетки станет несинусоидальным, т. е. искаженным. У него ампли-
туда положительной полуволны меньше, чем отрицательной.
Чем больше амплитуда переменного сеточного напряжения, тем
больше ток сетки и тем значительнее нелинейные искажения.
Рис. 9.6. Усиление колебаний при наличии отрицательного напряжения
смещения
Для усиления без искажений, создающихся сеточным током,
необходим рабочий участок характеристики в области отрица-
тельных напряжений на сетке. С этой целью в усилителях на
сетку подают постоянное отрицательное напряжение Есм, кото-
рое смещает рабочую точку влево и называется напряжением
смещения или просто смещением. Усиление при наличии отри-
цательного напряжения смещения показано на рис. 9.6 а.
Амплитуда переменного напряжения сетки не должна быть
слишком велика, чтобы колебания не заходили на нижний изгиб
характеристики и в область положительных напряжений сетки,
при которых возникает сеточный ток. Практически для опреде-
ления напряжения смещения Е и максимальной допустимой
амплитуды напряжения сетки UmcMaKC к характеристике при-
кладывают линейку и определяют прямолинейный участок (ВС,
рис. 9.6 а). Незначительные отклонения от прямой линии допу-
скаются. Середина этого участка определяет положение рабочей
точки А и напряжение Есм, равное Стсмакс.
Если увеличить анодное напряжение, то характеристика
сдвинется влево, рабочий участок увеличится и можно без
искажений усиливать колебания с большими амплитудами. При
этом надо увеличить напряжение смещения, так как рабочая
точка должна быть сдвинута влево. Для усиления без искаже-
373
ний желательны лампы с «левыми» характеристиками. У них
характеристика расположена в области отрицательных напря-
жений сетки, имеет больший рабочий участок, чем у правых
ламп, и позволяет усиливать без искажений колебания с боль-
шими амплитудами.
Положение рабочей точки зависит от анодного напряжения и
напряжения смещения. Они определяют режим работы лампы.
Для графического изображения и расчета усиления часто
пользуются анодными характеристиками. Это показано на
рис. 9.66 для того же случая, что и на рис. 9.6 а. Построение
анодной динамической характеристики было рассмотрено в
§ 5.14. Выбранная рабочая точка А определяет сеточное смеще-
ние (—2 в), а амплитуда усиливаемого напряжения Ume
определяет рабочий участок ВС. Последний позволяет построить
графики изменений анодного тока и анодного напряжения.
Кривая анодного напряжения, вместе с тем, показывает измене-
ние напряжения на нагрузочном сопротивлении. Чтобы не было
нелинейных искажений, при выборе рабочей точки и нагрузочно-
го сопротивления Ra, от которого зависит наклон динамической
характеристики, стремятся .получить отрезки ВА и АС одинако-
выми.
Рассмотрим мощности в усилительной ступени. Если колеба-
ний нет, то в анодной цепи проходит постоянный ток; мощность
его частично тратится в сопротивлении Ra, а другая часть рас-
сеивается на аиоде лампы. Когда на сетке имеется переменное
напряжение, анодный ток становится .пульсирующим и его пере-
менная составляющая развивает в сопротивлении Ro полезную
мощность Р~, которую можно вычислить по одной из следую-
щих формул:
Р= — 72Р=—/ U = —
2 тгш а 2 та 2 R *
Коэффициент 1/2 поставлен потому, что берутся амплитуд-
ные значения тока и напряжения. Мощность постоянного анод-
ного тока, питающего усилитель, ,т. е. подводимая мощность,
вычисляется как произведение постоянной составляющей анод-
ного тока /а_ на напряжение анодного источника: P—Ja_ Еа.
Отношение полезной мощности к подводимой есть коэффи-
циент полезного действия (кпд) ступени гр
Р
В усилителях напряжения высокий кпд не требуется, так
как мощности очень малы. Обычно кпд этих усилителей бывает
не больше нескольких -процентов. Кпд мощных оконечных усили-
телей имеет величину порядка десятков процентот.
3?4
Для экономии энергии питания желателен режим работы
пампы с наименьшей подводимой мощностью. Это достигается
уменьшением 1а_ путем смещения рабочей точки насколько воз-
можно влево. Таким образом, напряжение смещения служит не
только для уменьшения искажений, но и для более экономичного
режима питания усилителя, т. е. для повышения кпд. Нельзя,
конечно, чрезмерно увеличивать напряжения смещения, так как
тогда рабочий участок попадет на нижний изгиб, полезная
переменная составляющая анодного тока уменьшится, т. е. уси-
ление станет меньше, и возникнут нелинейные искажения.
Не следует смешивать коэффициент полезного действия ступени с коэффи-
циентом усиления ступени по мощности kp, который равен отношению полез-
ной мощности Р~ к мощности' Р с. расходуемой генератором Г в цепи сетки,
Для усилителей низкой частоты он не является такой важной величиной,
как коэффициент усиления по напряжению k.
Если ступень работает без сеточных токов, то мощность Рс ничтожно
мала. Она определяется лишь током, утечки из-за несовершенной изоляции
цепи сетки, а также емкостным током, текущим через входную емкость лампы
и создающим некоторую потерю мощности нв внутреннем сопротивлении ге-
нератора Г. Однако при нормальной изоляции токи утечки весьма малы, а
емкостный ток на низких частотах твкже ничтожен, так как входнан емкость
незначительна (порядка десятков пикофарад) и ее сопротивление очень ве-
лико.
Благодаря очень малой мощности Рс величина kp в усилителях низкой
частоты, работающих без сеточных токов, очень велика. Но при работе уси-
лителя с сеточными токами kp резко уменьшается. Уменьшение kp происходит
и прн повышении частоты, так как на более высоких частотах потерн энергии
в цепи сетки возрастают. На сверхвысоких частотах kp может снизиться до 1,
и тогда применение усилительной ступени становится бесполезным.
§ 9.4. НАПРЯЖЕНИЕ СМЕЩЕНИЯ В УСИЛИТЕЛЯХ
Назначение отрицательного напряжения смещения в усили-
телях заключается в том, чтобы сдвинуть рабочую точку на ха-
рактеристике влево для работы без сеточного тока, вносящего
нелинейные искажения, й уменьшить постоянную составляющую
анодного тока. Последнее необходимо для экономии энергии
анодного источника, уменьшения разогрева анода, уменьшения
потери напряжения анодного источника на сопротивлении Ra-
Необходимое напряжение смещения определяется положением
рабочей точки. Если найти на характеристике место для рабо-
чей точки, то станут известны напряжение смещения Есм и
анодный ток покоя 1а0 (см. § 9.3).
Напряжение смещения от отдельного источника. Источником
напряжения смещения может служить сухая или аккумулятор-
ная батарея либо маломощный выпрямитель. На рис. 9.7 пока-
зано включение отдельного источника в случаях, когда напряже-
375
ние смещения подается на сетку через вторичную обмотку
входного трансформатора или через сеточное сопротивление Rc.
Источник напряжения
тока в цепи сетки он
смещения работает вхолостую, так как
создает. Поэтому сухая батарейка может
работать весьма долго.
Чтобы внутреннее сопро-
тивление такой батареи
не влияло на работу схе-
мы, ее шунтируют конден-
сатором достаточно боль-
шой емкости. Достоинст-
во данного
стоянство
смещения
ное смещение) и его не-
зависимость от режима
Рис. 9.7. Напряжение смещения от отдели- лампы. Недостаток — не-
ного источника обходимость иметь от-
дельный источник.
Автоматическое напряжение смещения. В современных уси-
лителях и приемниках широко распространено автоматическое
напряжение смещения, в качестве которого используется неболь-
шая часть напряжения анодного источника. Получение автома-
тического напряжения смещения для ламп с катодом прямого
накала и с подогревным катодом
не
метода — по-
напряжения
(фиксирован-
Рис. 9.8. Автоматическое напряжение смещения для ламп с като-
дом прямого и косвенного иакала
показано на рис. 9.8.
<9
В анодную цепь между катодом (минусом батареи накала
для ламп прямого накала) и минусом анодного источника вклю-
чается сопротивление RK, называемое сопротивлением смеще-
ния или катодным сопротивлением. Цепь сетки, т. е. провод от
источника колебаний или от вторичной обмотки междулампово-
го трансформатора или сеточного сопротивления Rc, присоеди-
376
няется к минусу Еа. Корпус усилителя или приемника в такой
схеме обычно присоединяется к — Еа в случае подогревных
катодов, и к —Бн в случае катодов прямого накала. Таким
образом, сопротивление смещения RK включено одновременно
и в сеточную и в анодную цепи. Постоянная составляющая
анодного тока /о_ создает на сопротивлении RK падение на-
пряжения *. Конец RK, соединенный с —Ео, имеет отрицатель-
ный потенциал относительно конца RK, соединенного с катодом.
Сетка также имеет отрицательное напряжение смещения, т. е.
отрицательный потенциал относительно катода, равный падению
напряжения на RK. Напряжение смещения определяется по за-
кону Ома:
^СМ = А»= ^к-
Например, если RK =500 ом и 1а =4 ма — 0,004 а, то напря-
жение смещения равно Есм =0,004 • 500=2 в.
Величина RK обычно бывает порядка сотен или тысяч ом.
Часто приходится определять величину RK для получения необ-
ходимого напряжения смещения Есм при известной постоянной
составляющей анодного тока /о=. Например, если рабочая точ-
ка на характеристике определяет величины Есм =6 в и 1а_ =
= 2 ма, то
F 6
'о- Z
Автоматическое напряжение смещения есть часть напряже-
ния анодного источника, расходуемая на сопротивлении RK.
В усилителе с фиксированным смещением напряжение на аноде
лампы равно
f/o = fe-4_^e.
А при наличии автоматического напряжения смещения
Ua = Ea-l^Ra-las,RK.
Например, если Еа =160 в, Ra =40 ком, RK =5 ком и I —
= 2 ма, то анодное напряжение равно Ua =160—2-40—2-5=
= 160—80—10=70 в.
Обычно Есм во много раз меньше Ua, и поэтому незначи-
тельное уменьшение Ua за счет использования части Ео для
напряжения смещения не играет роли.
Рассмотрим распределение потенциалов в различных точках
схемы автоматического смещения. Пусть RK =400 ом, а 1а =
= 5 лш=0,005 а. Падение напряжения на RK равно 0,005-400=
= 2 в. В схеме по рис. 9.8 а шасси, катод и соединенный с ними
конец RK (верхний на схеме) имеют нулевой потенциал. Дру-
*• В случае тетродов, пентодов или более сложных ламп через RK прохо-
дит не анодный, а катодный ток Ik-
377
гой конец RK, соединенный с —Еа, имеет потенциал —2 в, так
как падение напряжения на RK составляет 2 в. Этот потен-
циал, —2 в, подается на сетку через сопротивление Rc, и, значит,
сетка имеет потенциал —2 в относительно катода.
На рис. 9.8 6 показано включение шасси на —Еа. В этом
случае нижний конец RK будет точкой нулевого потенциала, а
другой конец, соединенный с катодом, имеет потенциал +2 в.
Сетка, соединенная через Rc с точкой нулевого потенциала,
имеет потенциал, равный нулю. Для работы лампы важен по-
тенциал сетки относительно катода. Ведь напряжение смещения
есть разность потенциалов между сеткой и катодом. Это напря-
жение смещения равно Есм =0—( + 2 в) = —2 в. Таким обра-
зом, независимо от места присоединения шасси, т. е. независимо
от того, какая точка принята за точку нулевого потенциала,
схема обеспечивает отрицательное напряжение на сетке.
Преимущество автоматического напряжения смещения — от-
сутствие отдельного источника. Недостатком является непо-
стоянство напряжения смещения, так как падение напряжения
на RK зависит от постоянной составляющей анодного тока,
которая меняется при изменении режима лампы, т. е. при изме-
нении напряжений накала, анода и экранирующей сетки. Однако
иногда такое изменение напряжения смещения полезно. Напри-
мер, если анодное напряжение почему-либо уменьшится, то ха-
рактеристика лампы сдвинется вправо, уменьшатся размеры
рабочего участка и напряжение смещения должно быть соответ-
ственно уменьшено. При применении автоматического напряже-
ния смещения это и произойдет. Анодный ток при уменьшении
анодного напряжения уменьшится, а значит, уменьшится и па-
дение напряжения на RK.
Так как в анодной цепи проходит и переменный ток, то со-
противление смещения RK шунтируют конденсатором Сх
(рис. 9.8 6), который должен иметь сопротивление в несколько
раз меньше, чем RK. Для этого применяются низковольтные
электролитические конденсаторы емкостью в несколько десятков
или сотен микрофарад. Назначение такого конденсатора состоит
в том, чтобы уменьшить потерю переменного напряжения на
сопротивлении RK. Ведь полезным является только переменное
напряжение на Ra. Кроме того, переменное напряжение от RK
поступает на сетку данной лампы с противоположной фазой
относительно усиливаемого напряжения.
Действительно, пусть в схеме рис. 9.8 6 конденсатора Ск нет
и на сетку поступила положительная полуволна переменного
напряжения. Под ее влиянием анодный ток возрастает, увели-
чивается падение напряжения на RK и, следовательно, с нижнего
конца RK на сетку попадает отрицательная полуволна перемен-
ного напряжения, которая частично скомпенсирует положитель-
ную полуволну сеточного напряжения. Переменное напряжение
S78
Рис. 9.9. На-
пряжение сме-
щения от цепи
накала
к минусу ка-
на сетке уменьшается и соответственно понижается коэффи-
циент усиления ступени. Это явление называется отрицательной
обратной связью- Конденсатор, шунтирующий R^ уменьшая та-
кую отрицательную обратную связь, способствует увеличению
усиления. i
Напряжение смещения от цепи накала. Когда батарея нака-
ла имеет напряжение больше, чем требуется для
накала ламп, то излишек напряжения может
быть использован для напряжения смещения,
если поглотительное сопротивление R включить в
минусовый провод накала (рис. 9.9). Цепь сетки
в этом случае присоединяется к —Бн. Например,
если напряжение накала Uн =4 в, а батарея
накала имеет напряжение 5,2 в, то на сопротив-
лении R падает 1,2 в и минус этого напряжения
через сопротивление Rc подается на сетку. Этот
способ аналогичен автоматическому смещению,
но в нем используется для смещения часть напря-
жения батареи накала, а не анодной батареи.
Однако он непригоден в тех случаях, когда изли-
шек напряжения батареи накала недостаточен
для напряжения смещения. Увеличивать же на-
пряжение батареи накала, конечно, нерацио-
нально.
Интересно, что когда цепь сетки присоединена
тода прямого накала, на сетке получается некоторое отрица-
тельное напряжение смещения. Рассмотрим для примера потен-
циалы для случая, когда UH —2 в и минус катода соединен с
шасси, т. е. является точкой нулевого потенциала. Плюсовой
конец катода имеет потенциал +2 в, средняя точка его +1 в.
Сетка соединена с общим минусом и имеет потенциал, равный
нулю, но по отношению к различным точкам катода ее потен-
циал отрицателен. Относительно плюсового конца катода сетка
имеет потенциал —2 в, так как 0—(+2) =—2, относительно
середины катода потенциал сетки —1 в и только относительно
минусового конца катода сетка имеет нулевой потенциал.
В среднем потенциал сетки относительно катода будет —1 в.
Значит, соединение цепи сетки с минусом катода дает отрица-
тельное напряжение смещения, равное в среднем половине на-
пряжения накала.
В последнее время стали иногда применять смещение за
счет сеточного тока. С этой целью используется падение напря-
жения, создаваемое на большом сопротивлении Rc весьма малым
сеточным током, существующим в лампе при отрицательном
напряжении на сетке. Поскольку этот ток составляет обычно
доли микроампера, сопротивление Ra должно иметь несколько
десятков мегом.
379
§ 9.5. УСИЛИТЕЛЬНАЯ СТУПЕНЬ НА ТРАНЗИСТОРЕ
В усилительных ступенях транзисторы работают в динами-
ческом режиме с нагрузочным сопротивлением 7?н в выходной
цепи. Обычно сопротивление нагрузки оказывается значительно
меньше сопротивления самого транзистора, и тогда режим его
работы близок к статическому.
Основными параметрами усилительных ступеней на транзис-
торах являются коэффициенты усиления по току (&J, напряже-
нию (ku) и мощности (kp ), а также входное и выходное сопро-
тивления (RBX и /?вых). Все они имеют разные значения для
различных схем включения. В соответствии с тем, что было
изложено в гл. 6, будем обозначать переменные токи и напря-
жения в цепях транзистора строчными буквами (i, и) с индекса-
ми 1 и 2 для входа и выхода.
Коэффициент усиления по току
Если RH геых *, то kt~a для схемы с общей базой и kt
для схемы с общим эмиттером и с общим коллектором.
Коэффициент усиления по напряжению
f, и2 J2 Rh (2 Rh l Rh
Ku — — — ---— К j .
ui ui 'i Rex Rex
Так как отношение — аналогично крутизне лампы S, то фор-
мула для ku аналогична приближенной формуле для коэффи-
циента усиления ступени на пентоде k~SRa, справедливой
при условии Ra С Rt, что обычно всегда выполняется для-
пептодов.
Коэффициент усиления по мощности равен произведению kt
на ku:
ь - _ ’'2"г _ ь ь
кг>~ в ~ ~ К1 ки-
11и1
Иногда коэффициентом усиления по напряжению считают от-
ношение и2 к эдс е источника усиливаемых колебаний, что
имеет известный смысл, так как из-за малого входного сопро-
тивления транзистора щ может быть значительно меньше е.
Соответственно этому изменяется и определение коэффициента
усиления по мощности. Величины ku и kp, определенные таким
образом, будут зависеть от соотношения между сопротивлением
RBX и сопротивлением источника усиливаемых колебаний Rr.
Рассмотрим важнейшие свойства основных схем усилитель-
ных ступеней с плоскостными транзисторами.
1 Величина г вых есть выходное сопротивление самого транзистора.
380
Усилитель с общей базой (рис. 9, 10 а) обладает очень малым
входным сопротивлением и очень большим выходным. Величи-
на Rex получается порядка десятков ом, a Reux составляет
сотни килоом. Низкое входное сопротивление ступени с общей
базой является существенным её недостатком.
Коэффициент усиления по току kt в данной схеме всегда
несколько меньше 1, а коэффициенты усиления по напряжению
и мощности могут достигать нескольких сотен. На схеме рис. 9.10 а
показана полярность положительной полуволны напряжения
щ, при которой возрастают точки ia и iK и получается положи-
тельная полуволна напряжения иг. Следовательно, при уси-
лении в такой ступени фаза колебаний не переворачивается.
Рис. 9.10. Схемы усилителей на транзисторах:
а) с общей базой, б) с общим эмиттером, в) с общим
коллектором
Усилитель с общей базой наиболее устойчив в работе, мало
изменяет свой режим при изменении температуры или смене
транзистора, создаёт весьма небольшие нелинейные искажения
и применяется, в частности, в качестве мощной оконечной
ступени.
Усилитель с общим эмиттером (рис. 9.10 6) аналогичен лам-
повой ступени с заземленным катодом. Он имеет значительно
большее входное сопротивление, чем ступень с общей базой.
Порядок Rex у схемы с общим эмиттером составляет от сотен
ом до единиц килоом. Выходное сопротивление бывает от десят-
ков до сотен килоом. Коэффициент усиления по току kt может
доходить до десятков.
Схема с общим эмиттером имеет коэффициент усиления по
напряжению порядка сотен, а коэффициент усиления по мощно-
сти доходит до тысяч. Большое усиление является основным
преимуществом данной схемы.
На рис. 9.106 показана полярность отрицательной полувол-
ны напряжения источника колебаний, при которой происходит
увеличение токов ia и i6. При этом возрастает ток iK, и тогда
на RH получается положительная полуволна переменного на-
пряжения. Таким образом, фаза переменного напряжения в сту-
пени с общим эмиттером переворачивается.
381
Ценным свойством данной ступени следует также считать
удобство питания ее от одного источника, поскольку на базу
и коллектор подаются питающие напряжения одного знака.
Благодаря своим достоинствам усилительные ступени с об-
щим эмиттером получили широкое распространение. Однако их
недостатком являются худшие частотные свойства по сравнению
с предыдущей схемой. С повышением частоты усиление снижает-
ся быстрее, чем у ступени с общей базой. Кроме того, нелиней-
ные искажения в схеме с общим эмиттером получаются наиболь-
шими по сравнению с другими схемами и режим работы сильно
зависит от температуры.
Усилитель с общим коллектором (рис. 9.10 в) аналогичен
ламповой ступени с заземленным анодом, называемой катодным
повторителем. Поэтому его часто называют эмиттерным повто-
рителем. Подобную ступень удобно питать от одного источника,
так как знаки питающих напряжений базы и коллектора одина-
ковы. Основным преимуществом усилителя с общим коллекто-
ром является очень высокое входное сопротивление (до сотен
килоом). Выходное сопротивление, наоборот, мало, от десятков
до тысяч ом. Фаза напряжения при усилении остаётся без изме-
нений, и коэффициент усиления по напряжению незначительно
меньше 1. Коэффициенты усиления по току и по мощности по-
лучаются порядка десятков. Действительно,
k, = #- = -Л±к. = + 1 ~р +
*б
Нелинейные искажения в ступени с общим коллектором —
наименьшие по сравнению с другими схемами, а частотные
свойства такие же, как в схеме с общим эмиттером. Ступень с
общим коллектором применяется значительно реже, чем пре-
дыдущие схемы.
Следует отметить, что схемы входа, показанные на рис. 9.5,
применяются и для транзисторных усилителей.
Для усилительных ступеней с транзисторами пользуются, как и для лам-
повых ступеней, динамическими характеристиками. Поскольку транзистор ра-
ботает всегда с входным током, необходимо пользоваться двумя динамиче-
скими характеристиками: выходной н входной. Рассмотрим в качестве при-
мера эти характеристики дли ступени с общим эмиттером, имеющей нагру-
зочное сопротивление одной и той же величины для постоянного и
переменного токов.
В семействе выходных характеристик, показанных на рис. 9.11а, построе-
ние динамической характеристики производится по заданным величинам
напряжения источника коллекторной цепи Е2 и сопротивления нагрузки
подобно тому, как это делается для электронной лампы. По оси напряжения
откладываем Е2 (точка М), а по оси тока — величину ~ (точка Л/). Соеди-
нии эти точки прямой линией, получаем динамическую характеристику. Затем
иа ней выбирается рабочий участок. Например, для получении наибольшего
382
ги„₽нного напряжения служит рабочий участок АБ. Проекции рабочего
Пястка на оси координат определяют двойные величины амплитуд переменных
гтавляющих выходного тока и выходного напряжения (2*гпк И iU ткв/-
После этого можно найти выходную мощность:
О _L ill _ ^пи^ткэ
"вых = = 2 ‘тк иткз — g
В большинстве случаев сопротивление источника усиливаемых колебаний
Rr во много раз больше входного сопротивления гех транзистора, так как
последнее мало. Поэтому нелинейность сопротивления гвх практически можно
не учитывать и свойства входной цепи определяются сопротивлением Rr . Если
оно является линейным, то при синусоидальной эдс источника колебаний ток
It также будет синусоидальным. Тогда рабочая точка Т соответствует току
Рис. 9.11. Расчет режима работы ступени на транзисторе по его характе-
ристикам
имеющему среднее значение по отношению к токам базы в точках А
и Б. Рабочая точка Т определяет значения тока /к_ и напряжения в
режиме покоя. По этим величинам можно найти мощность Р. рассеивающуюся
в транзисторе, которая не должна превышать максимально допустимую ве-
личину РмаКс, являющуюся одним из параметров транзистора,
Р = < Рмака-
Если имеется семейство входных статических характеристик транзисто-
ра I б ‘“KU бз), то можно построить входную динамическую характеристику
путем перенесения по точкам в это семейство выходной динамической харак-
теристики. Одиако в справочниках обычно не приводится семейство входных
характеристик, а даются лишь характеристики для UK3 =0 и для некоторого
"к3 > 0 или даже только одна последняя кривая (см. рис. 6.24). Поскольку
входные характеристики для различных UK3l превышающих 0,5-=-1 в, распо-
ложены очень близко друг к другу, то и динамическая характеристика мало
отличается от статических характеристик. Поэтому расчет входных токов и
напряжений можно приближенно делагь по статической входной характери-
стике для UK3 >0. На эту кривую переносятся точки А, Т и Б выходной
динамической характеристики и получаются соответственно точки <4,, Т, и Б,
381
(рис. 9.116). Проекция рабочего участка на ось напряжения выражает'
двойную амплитуду входного напряжения 2Umga. Зная величины 1тс и Um6t
можно рассчитать входное сопротивление Rex и входную мощность ступени*’
Pi по формулам:
£ ___ Um6>__ 2Umg3
вХ~ 1тб ~ 21 тб
it
1
р _р_________ 2Umf,s21m6
Т) — Тех — g '-'тбэ,тб — g •
Рабочая точка Т\ определяет примерную величину постоянного смещения
на базе </бэ_.
Теперь можно найти также коэффициенты усиления ступени по току, на-
пряжению и мощности:
. 21 ,пк _____ 211ткэ _______ _ Р2
l~21m6’ и~ 2Umg3 р~ 1и Р>
Пример. Найдем основные величины, характеризующие работу ступени
с транзистором, по числовым значениям, приведенным на рис. 9.11. Выходная
динамическая характеристика построена
Е2
=2 ком. При этих данных получается — =
соответствует значениям 21тк-
_р 21mh2UmK3 _ 4,5-9
2 8 8
/и. =40 мка; / =2,5 ма
зисторе, равна: Р=/ к_
ной характеристики находим
Теперь можно рассчитать входную мощность:
D „ 21тб2Утбз 80-150-10'
8
в
но величинам £2=10 в и Rh — I
10 I
— = 5 ма. Рабочий участок АН 2
2
—4,5 ма и UmK3 = 9 в. Отсюда находим Рвых — i
~5 мет. Рабочая точка Т определяет величины J
и UK3 ~ 5 в. Мощность, рассеивающаяся в тран- 1
=2,5.5=12,5 мет. По точкам Ль 7\ и Ht вход- ,
21 mg =80 мка; 2(1 тбз = 225 мв; (J63=225 мв. 1
= 1,5-10 3 мет.
8
>i входное сопротивление
ReX~ Кт6
2Um03 150-103
80
~ 1870 ом.
'Я
Коэффициенты усиления равны:
21тк 4,5-103 ~ткз .
----------------- 56; к., =------=-------= 60;
80 “ 2Um63 150
кр = к,ки = 56-60 = 3360.
к> 21тб
2(1щК9 О' 108
Или, иначе,
кр~
Рвых 5-1О3
« 3330.
Рвх 1,5
Расмотренные построения
помощью могут быть сделаны
инн и в других системах координат. . t 1
При всех расчетах динамического режима транзисторов следует помнить; ’
что получение большой выходной мощности ограничивается рядом факторов
384
с их
динамических характеристики и расчеты
аналогично также и для других схем включе-
t
Нельзя превышать максимально допустимые значения тока коллектора, напря-
жении на нем и мощности, рассеиваемой в транзисторе. На рис. 9.12 показана
допустимая для работы область семейства выходных характеристик транзисто-
ра. Снизу эта область ограничена величиной нулевого коллекторного тока 1к
Рис. 9.12. Ограничение на выходных характери-
стиках транзистора области допустимых режимов
его работы
который, как мы знаем, является неуправляемым. Если усиление должно про-
исходить с малыми искажениями, то рабочую область следует ограничить так-
же и слева (см. штриховую линию на рис. 9.12), чтобы исключить нелинейные
участки характеристик.
§ 9.6. СХЕМЫ ПИТАНИЯ И СТАБИЛИЗАЦИИ РЕЖИМА
ТРАНЗИСТОРОВ
В усилительных ступенях с транзисторами применяют обыч-
но питание входной и выходной цепей от одного источника. Для
нормального режима работы транзистора необходимо, чтобы
между эмиттером и базой было постоянное напряжение поряд-
ка десятых долей вольта (напряжение смещения базы).
Следует отметить, что ток эмиттера, проходя через участок
эмиттер — база, создает на нем некоторое напряжение, но оно
обычно совершенно недостаточно и режим работы транзистора
оказывается ненормальным (токи получаются слишком малы-
ми). Необходимо подать дополнительное напряжение смещения
от источника питания коллекторной цепи. Это делают с помощью
понижающего сопротивления или делителя. На рис. 9.13 пока-
зано несколько схем подачи напряжения смещения на базу.
В схеме ступени с общим эмиттером (рис. 9.13 а) постоян-
ный ток базы /6„ проходит через понижающее сопротивление R,
на котором гасится почти все напряжение Е. Небольшая часть
напряжения падает на участке база — эмиттер и является сме-
25—2607 385
щением базы С/бэ_. Оно равно: С/бэ_ =Е—/6_ R. Из этого
выражения легко определяется сопротивление R:
А так как обычно Е. го R—
Рис. 9.13. Схемы подачи напряжения смещения
на базу транзистора
Подобная же схема для ступени с общей базой дана на рис.
9.13 6. Здесь напряжение источника Е равно:
где Rr — сопротивление постоянному току источника колеба-
ний Г. Решив это уравнение относительно R, получим
R_ R, _ E-l Rr
>6- 'о-
На рис. 9.13 в показана подача напряжения смещения с по-
мощью делителя RiR% в ступени с общим эмиттером. Здесь
большая часть напряжения Е поглощается в сопротивлении R\,
а небольшая часть, являющаяся напряжением смещения
падает на сопротивлении /?2. к которому параллельно подключе-
386
но входное сопротивление транзистора постоянному тэку. Сопро-
тивления 7?i и R2 можно легко определить по формулам:
R . E~U^ Е • R _
1 /<?4-/б= h) + '6= ’ 2 la ’
Здесь 1д — ток самого делителя.
Способ подачи смещения с помощью делителя применяется
довольно часто, но он менее экономичен, так как источник Е
должен создавать дополнительный ток 1д, бесполезно нагреваю-
щий сопротивления Ri и /?2- Кроме того, в рассматриваемой схе-
ме сопротивление R2, будучи подключено параллельно входному
сопротивлению транзистора гех, весьма заметно уменьшает
входное сопротивление ступени Rex.
Схема с делителем для ступени с общей базой дана на рис.
9.13 г. В отличие от предыдущей схемы, в которой падение на-
пряжения на /?2 являлось напряжением смещения, в данной
схеме Uэ6~ меньше, чем напряжение, получающееся на Rz, так
как имеется падение напряжения от тока 1 а= на сопротивлении
источника колебаний Rr. Поэтому б/эб= = ^^2 —
и сопротивления делителя можно рассчитать по формулам:
иэб= + 1э= Rr . р _ E-ldR2
R2 — - • Al — —— “ .
Id 'a + 'e=
В схеме по рис. 9.13 г применение делителя не понижает
входного сопротивления ступени.
Для получения более стабильного напряжения смещения же-
лательно, чтобы ток делителя 1а (в любой схеме) был возможно
больше. Однако из соображений экономии расхода энергии
источника Е обычно /алишь в 2—3 раза больше, чем Zg= . Кон-
денсатор С, показанный на всех схемах рис. 9.13, служит для
передачи на вход транзистора усиливаемого переменного на-
пряжения Чтобы потеря этого напряжения на конденсаторе
была незначительна, его емкостное сопротивление для самой
низшей частоты должно быть во много раз меньше входного
сопротивления транзистора гех. Так как гвх имеет сравнитель-
но небольшую величину, то емкость во многих случаях должна
быть значительной, порядка единиц и даже десятков микрофа-
рад. Поэтому в качестве конденсатора С обычно применяют
малогабаритные электролитические конденсаторы.
Выше указывалось, что существенным недостатком транзи-
сторов является значительное изменение их параметров и харак-
теристик при изменении температуры. Повышение температуры
вызывает, в частности, увеличение токов, в особенности нулевого
тока коллектора 1К0. Правильный режим работы транзистора
нарушается. Для борьбы с этим неприятным явлением служат
различные методы температурной стабилизации или компенса-
25* 387
ции. В схему вводят стабилизирующие детали, которые обеспе-
чивают относительное постоянство режима при изменении тем-
пературы или смене транзистора. Однако надо иметь в виду,
что схемы стабилизации стабилизируют лишь положение рабо-
чей точки, но не устраняют влияния температуры на свойства
транзистора и происходящие в нем процессы. Поэтому даже
при постоянстве рабочей точки все же изменение температуры
вызывает изменение параметров транзистора. Таким образом,
стабилизация режима лишь частично устраняет вредное влияние
температуры.
Рис. 9.14. Схемы стабилизации режима усилительной
ступени с транзистором
На рис. 9.14 показаны наиболее распространенные схемы
стабилизации режима усилительной ступени с общим эмиттером,
которая .по сравнению с другими способами включения наиболее
подвержена влиянию температуры. Схема по рис. 9.14 а назы-
вается коллекторной стабилизацией. В ней сопротивление R,
служащее для установления необходимого смещения на базе,
подключено не к источнику Е, как в схеме рис. 9.13 а, а к кол-
лектору. Если от нагрева или смены транзистора ток 1К воз-
растет, то увеличится падение напряжения на RH, а напряжение
UK3 соответственно уменьшится. Но тогда уменьшатся ток
базы и напряжение UЗб, что приведет к уменьшению тока /к.
Таким образом происходят изменения этого тока одновременно
в разные стороны, и в результате он остается почти постоянным.
Рассмотренная схема является наиболее простой и экономичной,
ко дает хорошую стабилизацию лишь в случае, если на сопро-
тивлении нагрузки падает не менее половины напряжения источ-
ника Е. Кроме того, в данной схеме происходит некоторое
снижение усиления, так как часть усиленного напряжения пере-
даётся через сопротивление R обратно на вход транзистора с
фазой, противоположной фазе усиливаемого напряжения, т. е.
получается отрицательная обратная связь.
Более сложна и менее экономична схема эмиттерной стаби-
лизаций по рис. 9.14 6. Она требует источника Е с несколько
333
более высоким напряжением, но по своим стабилизирующим
свойствам значительно превосходит предыдущую схему и поэто-
му является основной. Здесь сопротивления R1R2 образуют
делитель напряжения для получения смещения на базе, а сопро-
тивление Ra в проводе эмиттера является стабилизирующим.
Падение напряжения на этом сопротивлении от тока эмиттера
(J3= I^Rs действует навстречу напряжению U2=Ig R2. По-
этому напряжение смещения базы равно U6a = Uz — Ua. Мож-
но сказать, что сопротивление Ra создает отрицательную
обратную связь по постоянному току. Действительно, если под
влиянием температуры токи в транзисторе начнут возрастать,
то от повышения тока I, увеличится напряжение Ua и соответ-
ственно уменьшится смещение базы t/gJ.. а это вызовет умень-
шеиие токов. В результате такого изменения токов одновременно
в противоположные стороны токи изменяются очень мало и ре-
жим получается весьма стабильным.
Для того чтобы сопротивление Ra не создавало отрицатель-
ной обратной связи по переменному току, оно зашунтировано
конденсатором Са достаточно большой емкости. Его сопротив-
ление для самой низшей частоты должно быть во много раз
меньше Ra. Обычно конденсатор Са бывает электролитичес-
кий, емкостью в десятки микрофарад. Эмиттерная стабилиза-
ция работает хорошо независимо от величины сопротивления
нагрузки RH, а также тем лучше, чем больше ток делителя 1д
и сопротивление Ra. Но так как напряжение Ua является
частью Е, то чрезмерное увеличение Ra приводит к необходи-
мости значительного повышения Е, что невыгодно. Пренебрегая
величиной 1/бэ== по сравнению с другими напряжениями, расчет
сопротивлений для схемы эмиттерной
следующим приближенным формулам:
р —У» р —
16^+1д ’ /?2~ 1д
При этом величина Ua выбирается
вышения Е, а ток делителя 1д обычно берут порядка (2-т-5) /б=.
Во многих случаях применение температурной стабилизации
не является обязательным, так как не требуется высокая ста-
бильность усиления. Например, в усилителях для воспроизведе-
ния звука обычно имеется запас усиления и можно пользовать-
ся ручным регулятором громкости.
§ 9.7. УСИЛИТЕЛЬ НА СОПРОТИВЛЕНИЯХ
На рис. 9.15 показана схема двух ступеней усилителя на
сопротивлениях с триодами. Обе ступени питаются от одного
источника Еа. Рассмотрим более подробно, работу первой сту-
пени.
стабилизации делают по
и»
'э=
с учетом возможности по-
зда
'От генератора Г переменное напряжение Umcl подается для
усиления на сетку первой лампы. Анодный ток этой лампы ста-
новится пульсирующим, его постоянная составляющая проходит
через нагрузочное сопротивление Ra, источник анодного пита-
ния и сопротивление автоматического смещения /?к1, а перемен-
ная составляющая — через нагрузочное сопротивление R„,
конденсатор С и конденсатор Сч. На нагрузочном сопротивле-
нии Ra переменная составляющая аночного тока создаёт
усиленное переменное напряжение.
Усилительная ступень ча сопротивлениях в большинстве
случаев является предварительным усилителем. Усиленное пере-
менное напряжение подается с сопротивления Ra на следую-
щую ступень через переходный конденсатор Сс (его называют
Рис. 9.15. Усилитель на сопротивлениях
также сеточным или разделительным), который изолирует сетку
лампы 2 от высокого постоянного напряжения анодного питания.
Таким образом, анодный (верхней на рисунке) конец сопро-
тивления Ra соединен с сеткой лампы 2 через Сс, а другой
(нижний) конец Ra — с катодом лампы 2 через конденсатор С.
цепь «общего минуса» (корпус) и конденсатор С^. Напряже-
ние, переданное на сетку лампы 2, обозначим ит&. Коэффици-
ент усиления ступени k равен:
k __ Umcz
Umcl
Сопротивление Rc является сопротивлением утечки (его так-
же называют сеточным сопротивлением). Его назначение было
выяснено в § 9.3.
Детали Rc и Сс следует считать входящими в состав анодно-
го нагрузочного сопротивления (дополнительно к Ra). Поэтому
ступень усиления считается от сетки лампы 1 до сетки лампы 2.
Вместе с тем детали Сс и Rc включены в сеточную цепь лам-
пы 2. Детали эти связывают первую ступень со второй.
У лампы, работающей в динамическом режиме, напряжение
390
на аноде изменяется в противофазе по отношению к изменению
напряжения на сетке (см. рис. 9.6 6). Следовательно, усиленное
переменное напряжение противоположно по фазе переменному
напряжению на сетке. Принято говорить, что одна ступень уси-
ления на сопротивлениях «переворачивает» фазу напряжения.
При этом, конечно, напряжение отсчитывается относительно
катода (общего минуса, земли).
В усилителе на сопротивлениях с триодом Ra берется обыч-
но от ЗЯ, до 4R[ и составляет десятки или сотни килоом. Кон-
денсатор Сс имеет емкость порядка 5000—100000 пф. Тогда он
не представляет большого сопротивления на низкой частоте.
Вообще желательно, чтобы емкостное сопротивление конденса-
тора Сс на самой низшей частоте было в несколько раз меньше
Rc. Сопротивление Rc обычно в несколько раз больше, чем Ra,
т. е. составляет сотни тысяч ом (от 0,1.до 1 Мои). Брать его
небольшим невыгодно, так как оно через конденсаторы Сс и С
присоединено параллельно Ra и уменьшает нагрузочное сопро-
тивление для лампы 1, что приводит к уменьшению коэффициен-
та усиления ступени. Чрезмерно большим Rc также нельзя брать,
так как тогда электроны не успевают стекать с сетки и лампа 2
будет запираться, особенно при попадании на её сетку сильных
колебаний.
Если в усилителе на сопротивлениях режим лампы выбран
правильно, рабочая точка находится на прямолинейном участке
характеристики, то нелинейные искажения незначительны. Такой
усилитель, как усилитель напряжения, работает обычно при не-
больших переменных напряжениях на сетке и поэтому нелиней-
ные искажения в нём весьма малы. Чтобы не возникал сеточный
ток, создающий искажения, и для экономии анодного тока, на
сетку подается отрицательное напряжение смещения. О деталях
Rx и Ск было сказано в § 9.4.
Для диапазона средних частот можно пренебрегать влияния-
ми емкостей и считать, что нагрузочное сопротивление является
активным, состоящим из Ra и Яс, соединенных параллельно.
Эквивалентная схема для средних частот показана на рис. 9.16а.
Частотная характеристика для этих частот получается идеаль-
ная, частотных искажений нет.
На нижних и верхних частотах звукового диапазона наблю-
дается уменьшение усиления. Поэтому частотная характеристи-
ка имеет вид, показанный на рис. 9.1 а или 6. Уменьшение уси-
ления на нижних частотах объясняется влиянием переходного
конденсатора Сс. С понижением частоты его емкостное сопро-
тивление увеличивается, падение напряжения на нем возрастает,
а напряжение на сетке лампы 2 уменьшается. Эквивалентная
схема для нижних частот представлена на рис. 9.16 6. Конденса-
торы С и Ск в ней не показаны потому, что их сопротивление
для токов низкой частоты ничтожно (например, при питании от
391
выпрямителя конденсатор С сглаживающего фильтра имеет ем-
кость в десятки микрофарад).
На верхних звуковых частотах сопротивление конденсато-
ра С с становится весьма малым и им можно пренебречь. Зато
начинает влиять входная емкость Свх лампы 2, т. е. емкость
между сеткой и катодом этой лампы. К ней еще добавляется
выходная емкость, т. е. емкость анод — катод лампы 1 и емкость
монтажа. Однако эти емкости обычно значительно меньше,
чем С вх.
Рис. 9.16. Эквивалент-
ные схемы усилителя
на сопротивлениях:
а) для средних, б)
для нижних и в)
для верхних частот
на рис.
пикофа-
так как
Эквивалентная схема для данного случая показана
9,16 в. Емкость Свх сравнительно невелика (десятки
рад). На нижних и средних частотах она не влияет,
сопротивление ее очень велико. Но на верхних звуковых часто-
тах это сопротивление уменьшается, и общее сопротивление
параллельно включенных Ra, Rc и Свх также уменьшается.
Усиление ступени падает.
Западание усиления на крайних частотах звукового диапазо-
на получается сравнительно небольшим. Поэтому главное до-
стоинство усилителя на сопротивлениях — незначительные ча-
стотные искажения. Вторым преимуществом является простота
схемы.
В усилителе на сопротивлениях с успехом применяются мало-
мощные триоды и пентоды. Для пентодов берут Ra = (0,054-
4-0,2) Ri, т. е. в среднем Ra~®, 1 Rt. Коэффициент усиления
ступени k при этом получается значительно меньше р, но так
как р у пентодов очень велик, то все же усиление будет больше,
чем с триодом.
Пример. Ступень усиления имеет лампу 6Г7 (триодную часть ее), с па-
раметрами: р=70, Ri =60 ком, a Ra — 4Ri =4 • 60=240 ком. Тогда
70-240
к = —----------------------------« 56.
604-240
392
В эту же ступень вместо 6Г7 включен пентод 6Ж7 с параметрами: р=
= 1400, Ri =1200 ком. Величина Ra прежняя, т. е. Ra =0,2 Ri. Усиление
ступени
, 1400-240000
k =-------------------« 230.
1 200 000 + 240 000
Таким образом, усиление увеличилось в 4 раза вследствие высокого зна-
чения коэффициента усиления пентода.
Покажем необходимость применения для пентодов опреде-
ленного сопротивления нагрузки, значительно меньшего, чем Rt.
На рис. 9.17 для пентода, работающего в усилителе на сопро-
тивлениях, показаны анодные ди-
намические характеристики для
трех различных сопротивлений
нагрузки. Сеточное смещение и
амплитуда переменного напряже-
ния сетки во всех случаях одина-
ковы и равны 4 в.
Сопротивление R о1 слишком
мало. Динамическая характери-
стика для него идет слишком кру-
то и усиленное напряжение полу-
чается малым. Кроме того, отрез-
ки и Л1В( рабочего участка,
соответствующие положительной
и отрицательной полуволнам уси-
ливаемого напряжения, неодина-
ковы; следовательно, получаются
нелинейные искажения.
Рис. 9.17. Выбор по характеристи-
кам наивыгоднейшего режима
для пентода
Ещё хуже случай слишком большого сопротивления нагруз-
ки R д2 , для которого динамическая характеристика идет очень
полого. Рабочий участок у нее имеет малые размеры. Усиление
напряжения получается малым, а нелинейные искажения значи-
тельны, так как отрезок рабочего участка Л2В2 больше, чем
отрезок Л2В2. Для некоторого значения сопротивления нагруз-
ки R а опт, которое можно назвать оптимальным, т. е. наивыгод-
нейшим, динамическая характеристика проходит так, что отрез-
ки АБ и АВ равны друг другу и нелинейные искажения малы.
При этом усиленное напряжение получается значительным.
Такой режим нетрудно подобрать при помощи линейки. Проведя
динамическую характеристику для этого режима, определяют
Ra опт делением Еа на ток, соответствующий точке пересечения
динамической характеристики с вертикальной осью. Поскольку
наклон наивыгоднейшей динамической характеристики для
Ra опт значительно меньше, чем у статических характеристик
пентода, то величина Ra опт оказывается в несколько раз мень-
ше, чем Rt.
393
Так как в усилительной ступени с пентодом Ra во много раз
меньше Rt, то в основной формуле для коэффициента усиления
ступени можно пренебречь в знаменателе величиной Ra по
сравнению с Rt:
__ И- Rg Р Rg
Ri + Ra Ri
Но =S, и, следовательно, для приближенного расчета
Ri
коэффициента усиления ступени с пентодом можно применять
упрощенную формулу:
k^SRa.
Остановимся еще кратко на некоторых особенностях деталей
усилителя. Сопротивление Ra должно быть рассчитано на ту
мощность, которая будет в нем выделяться. Например, если
постоянная составляющая анодного тока 1а =5 ма, a Ra =
= 20000 ом, то мощность равна P=Ia-Ra =0,0052 > 20000=
= 0,5 вт. Сеточное сопротивление Rc может быть рассчитано на
самую малую мощность, так как ток сетки имеет ничтожную
величину. Конденсатор С с должен иметь хорошую изоляцию.
Если в нем есть утечка, то он будет пропускать на сетку следую-
щей лампы высокое положительное напряжение из анодной
цепи предыдущей лампы. Нежелательно применять в качестве
Сс бумажные конденсаторы большой емкости, так как они обыч-
но имеют недостаточную изоляцию, хотя для уменьшения запа-
дания усиления на нижних частотах было бы полезно увеличи-
вать емкость Сс. Кроме того, конденсатор Сс должен выдержи-
вать высокое анодное напряжение.
Схемы усилителей на сопротивлениях с транзисторами пока-
заны на рис. 9.18. Более простая схема без температурной
стабилизации дана на рис. 9.18 а. Обе ступени питаются от
общего источника Е. В цепи коллекторов транзисторов включе-
ны нагрузочные сопротивления RH1 и Rh2 . Сопротивления Ri и
/?2 служат для подачи напряжения смещения на базы и обычно
имеют величину порядка десятков или сотен килоом. Переменное
напряжение ut = uex от источника усиливаемых колебаний (ге-
нератора) Г подается через разделительный конденсатор на
вход, т. е. на участок база — эмиттер транзистора 1\. Усиленное
напряжение и2 получается между коллектором и эмиттером.
Иначе говоря, оно получается на нагрузочном сопротивлении
RH1, которое соединено одним концом с коллектором, а другим—
с эмиттером через источник Е, имеющий обычно малое сопро-
тивление (часто он бывает еще шунтирован конденсатором
большой емкости). Это напряжение передается через раздели-
тельный конденсатор С2 на вход транзистора Т2. Коэффициент
394
усиления по напряжению первой ступени равен:
Величина ku получается порядка десятков. Такого же поряд-
ка получается и коэффициент усиления по току.
На средних и тем более на верхних звуковых частотах можно
считать конденсатор С2 коротким замыканием и тогда парал-
лельно RK1 оказываются присоединенными сопротивление /?2 и
входное сопротивление гех2 транзистора Т2. Таким образом, фак-
тическим нагрузочным сопротивлением для транзистора Tt явля-
ются все эти три сопротивления, соединенные параллельно. Из
Рис. 9.18. Схемы усилителей на сопротивле-
ниях с транзисторами
них наименьшим является гвх2 , а общее эквивалентное сопро-
тивление будет еще меньше. Поскольку г ех2 невелико, то сопро-
тивление нагрузки RH1 не имеет смысла брать более нескольких
килоом. Тогда теряющаяся на нем часть питающего напряжения
Е не будет слишком велика.
При сравнительно малой величине гех2 собственные емкости
транзисторов, имеющие также небольшую величину, не могут
оказать на верхних звуковых частотах заметного шунтирующего
действия. Поэтому в отличие от лампового усилителя, в тран-
395
зисторном усилителе на сопротивлениях не наблюдается сни-
жения усиления на верхних звуковых частотах.
На нижних звуковых частотах усиление уменьшается за счет
того, что возрастает сопротивление конденсатора С2. Чтобы это
сопротивление было достаточно малым, во многих случаях в ка-
честве С2 берут малогабаритный электролитический конденсатор
емкостью в несколько микрофарад. Полярность его должна соот-
ветствовать полярности источника питания.
Схема усилителя по рис. 9.18 6 сложнее, но более совершенна.
В ней для температурной стабилизации включены сопротивления
и /?э2, шунтированные конденсаторами С л и С,2 , а для
создания смещения на базах служат делители RiR2 и Я3Я4. Рас-
чет этих элементов схемы был рассмотрен в § 9.5. Обычно сопро-
тивления Re в проводе эмиттера имеют величину порядка сотен
ом и шунтируются электролитическими конденсаторами ем-
костью в десятки микрофарад. А сопротивления делителей RiR2
и R3R4 бывают в среднем порядка десятков килоом и более.
Остальные детали такие же, как и в предыдущей схеме.
§ 9.8. ДРОССЕЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ
На рис. 9.19 показана схема дроссельного усилителя с трио-
дом (для упрощения вторая ступень изображена не полностью).
Вместо активного сопротивления Ra включен дроссель низкой
частоты Д с ферромагнитным сердечником, имеющий несколько
тысяч витков для получе-
ния индуктивности в де-
сятки генри. Большая ин-
дуктивность, а следова-
тельно, и больше индук-
тивное сопротивление не-
обходимы для получения
достаточного усиления.
Сопротивление обмот-
ки дросселя для постоян-
ного тока сравнительно
невелико (не больше со-
тен ом). Поэтому потеря
питающего напряжения
на дросселе небольшая. Можно считать, что анодное напряжение
лампы равно напряжению анодного источника. Коэффициент
усиления дроссельной ступени всегда меньше р, как и в усили-
теле иа сопротивлениях.
Недостатком дроссельного усилителя является большая ве-
личина частотных искажений, чем в усилителе на сопротивле-
ниях. Частотная характеристика показывает большее ослабление
усиления на нижних tf на верхних частотах. На нижних часто-
396
тах усиление падает не только из-за переходного конденсатора
Сс , но и потому, что индуктивное сопротивление дросселя для
малых частот уменьшается.
На верхних звуковых частотах сопротивление Xl дросселя
шунтируется не только входной емкостью следующей лампы Свх,
но и собственной емкостью обмотки дросселя Сд, которая может
доходить до 100—200 пф. Например, если в ступени работает
лампа с параметрами р=100 и Rt =60000 ом, а индуктивность
дросселя 40 гн, то для средней частоты 400 гц индуктивное со-
противление xl =6,28 [£=6,28-400-40 «100 000 ом, т. е. Xl
больше R i и усиление ступени будет достаточным. А при часто-
те 100 гц сопротивление Хь составит только 25 000 ом. В этом
случае оно меньше Rt, и усиление значительно снизится.
Пусть дроссель имеет Сд =200 пф, а входная емкость сле-
дующей лампы Свх =150 пф. Индуктивное сопротивление дрос-
селя на верхней звуковой частоте, например 8000 гц, будет в
20 раз больше, чем на частоте 400 гц, т. е. Xl =20*100 000=
= 2 000 000 ом. Однако оно уже не играет роли, так как шунти-
рующая емкость С=СвЛ.+ Сд имеет сопротивление
1
6,28fC
1012
6,28-8000-350
^56 000 ом,
которое меньше, чем было xl на средней частоте 400 гц. Значит,
усиление снизится.
С целью уменьшения частотных искажений применяют дрос-
сель специальной конструкции. Чтобы он не уменьшал индук-
тивность из-за магнитного насыщения сердечника, вызываемого
постоянной составляющей анодного тока, в сердечнике делают
воздушный зазор. Для уменьшения собственной емкости дросселя
обмотку его делают секционированной. Дроссельный усилитель
применяется сравнительно редко. В транзисторных усилителях
применение дросселя нецелесообразно, так как он будет зашун-
тирован сравнительно малым входным сопротивлением следую-
щей ступени.
§ 9.9. ТРАНСФОРМАТОРНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ
В трансформаторном усилителе с триодом (рис. 9.20) первич-
ная обмотка междулампового трансформатора Т включена в
анодную цепь лампы 1 в качестве нагрузочного сопротивления,
а со вторичной обмотки напряжение подается на сетку следую-
щей лампы. Коэффициент трансформации, т. е. отношение числа
витков первичной обмотки иц к числу витков вторичной обмот-
ки а>2, обозначается п= и имеет величину от 1:1 до 1:4.
ш2
Число витков первичной обмотки равно нескольким тысячам.
Провод для обмоток применяется обычно эмалированный диа-
397
метром 0,08—0,12 мм. Площадь сечения сердечника от 1 до 3 см"1
(иногда больше). Первичная обмотка имеет малое сопротивле-
ние для постоянного тока, и можно считать, что Ua^Eo.
Достоинством транеформаторного_усилителя. является высо-
кий коэффициент усиления ступени, который при повышающем
трансформаторе может быть больше, чем р лампы. Другим пре-'
имуществом надо считать хо-
Рис. 9.20, Трансформаторный усили-
тель
рошую изоляцию цепи сетки
последующей лампы от анод-
ной цепи предыдущей лампы,
так как обмотки трансформа-
тора изолированы друг от дру-
га и нет переходного конденса-
тора, в котором может быть
утечка. Трансформатор с коэф-
фициентом трансформации 1 : 1
применяется иногда именно
для того, чтобы передать пере-
менное напряжение на сетку
следующей лампы, не допуская
туда постоянное напряжение.
Важным свойством трансформатора является его способность
преобразовывать величину нагрузочного сопротивления.
Рассмотрим это на примере понижающего трансформатора.
Возьмем п=4:1, нагрузочное сопротивление Рг=20 ом, напря-
жение на первичной обмотке Ui = 160 в (рис. 9.21 а). Тогда
Рис. 9.21. Включение нагрузочного сопротивления через трансфор-
матор и эквивалентная схема
напряжение вторичной обмотки равно U2= Ui : п= 160 : 4=
=40 в, а ток вторичной цепи I2=U2: Р2=40:20=2 а. Мощ-
ность вторичной цепи P2—U2I2—4G • 2 = 80 вт. Так как потери
в трансформаторе небольшие, можно считать, что мощность
первичной цепи также равна Pi = 80 вт. Отсюда h = Pi : Ut =
=80:160=0,5 а. Можно теперь подсчитать, какое сопротивле-*
ние Pi представляет первичная обмотка для генератора: =
= Ui: /1 = 160 : 0,5=320 ом. Как видно, Pi получилось в 16 раз
398
больше, чем R2. Но 16 есть 42, т. е. квадрат п. Следовательно,
Трансформатор, нагруженный на сопротивление R2, представ-
ляет для генератора сопротивление Rt, которое в п2 раз больше,
чем R2. Иначе говоря, трансформатор преобразует величину со-
противления в п2 раз. Если бы генератор был присоединен к R2,
то он работал бы на нагрузочное сопротивление 20 ом. Вслед-
ствие же того, что R2 включено через трансформатор с п=4,
генератор работает на нагрузочное сопротивление /?1 = 20-42=
= 320 ом.
Понижающий трансформатор увеличивает нагрузочное сопро-
тивление для генератора. Если R2 увеличить, то возрастет и Rt.
При уменьшении R2 уменьшается и Rt. Когда /?2=0 (короткое
замыкание вторичной цепи), Rt также равно 0, т. е. получается
короткое замыкание генератора — трансформатор забирает очень
большой ток от генератора. В действительности, во вторичной
цепи остается сопротивление вторичной обмотки, а в первичной
цепи — сопротивление первичной обмотки. Они* ограничивают
возрастание тока при коротком замыкании трансформатора.
Когда вторичная обмотка разомкнута (холостой ход трансфор-
матора), то Ri очень велико и трансформатор забирает от ге-
нератора очень слабый ток (ток холостого хода), т. е. первичную
цепь можно тоже, грубо говоря, считать разомкнутой. В этом
случае трансформатор является дросселем с большим индуктив-
ным сопротивлением, так как вторичная обмотка не работает.
Повышающий трансформатор также преобразует сопротивле-
ние. Но при этом получается уменьшение нагрузочного сопро-
тивления в п2 раз.
Рассмотрим для примера повышающий трансформатор, имею-
щий п—1 :3, 171=90 в, /?2=2700 ом. На основании этих дан-
ных 172=90-3=270 в; /2=270 : 2700=0,1 а; Р2=270-0,1 =
= 27 вт.
Считая Рг — Р2=27 вт, имеем /1 = 27:90=0,3 a, Ri =
=90: 0,3=300 ом, т. е. Rt в 9 раз меньше, чем R2. Но п=1/3, и
поэтому
/?! = 2700 (—V = 2700— = = 300 ом.
1 \ 3 ) 9 9
Значит, и для повышающего трансформатора имеет место
тот же закон преобразования сопротивлений Rt=R2ti2.
Так как Rt зависит от R2, то говорят, что Rt есть сопротивле-
ние нагрузки, приведенное к первичной обмотке или пересчитан-
ное в первичную цепь. Можно эквивалентную схему первичной
цепи трансформатора представить такой, как на рис. 9.21 б, т. е.
считать, что генератор работает на сопротивление Rt, заменяю-
399
щее трансформатор, вторичная обмотка которого нагружена на
сопротивление /?2-
Таким образом, с помощью трансформатора можно создать
нужное нагрузочное сопротивление для генератора. Принято го-
ворить, что трансформатор может служить для согласования на-
грузки с генератором.
В каждом трансформаторе имеется магнитное рассеяние. Не
Рис. 9.22. Магнитное рассеяние в трансфор-
маторе
весь магнитный поток
первичной обмотки пере-
секает витки вторичной
обмотки. Часть магнитно-
го потока не участвует в
образовании эдс вторич-
ной обмотки (рис. 9.22).
Можно считать, что часть
витков первичной обмот-
ки не участвует в транс-
формировании напряже-
ния и тока и представляет
собой индуктивность рас-
сеяния Lpl , включенную
последовательно с рабо-
чими витками.
На рис. 9.23 а представлена упрощенная эквивалентная схема
трансформаторной ступени, на которой показаны лампа в виде
генератора, индуктивность Lpl, индуктивность рабочих витков
Рис. 9.23. Эквивалентные схемы
трансформаторного усилителя
первичной обмотки и емкость вторичной цепи С, складываю-
щаяся из емкости вторичной обмотки С2 и входной емкости сле-
дующей лампы Свх. Емкость первичной обмотки не показана,
так как она мала. Таким образом, трансформатор нагружен на
сопротивление хс параллельно включенных емкостей С2 и С,#
Это сопротивление можно привести к первичной обмотке, т. е.
считать включенным в первичную цепь, если умножить его
на Пг,
всп2 =---------п\
с 6,28 i С
400
Последнее выражение можно представить так:
xrn2 —-------------------------!----.
с С
6,281 —
п®
Мы видим, что нагрузка вторичной обмотки на емкость С эк-
С ~
вивалентна включению в первичную цепь емкости — . Соответ-
п®
ственно этому на рис. 9.23 б дана эквивалентная схема транс-
форматорной ступени, в которой емкость С пересчитана в пер-
вичную цепь. По этой схеме можно исследовать поведение
трансформаторного усилителя на различных частотах и выяснить
характер получающихся при этом частотных искажений.
Рис. 9.24. Эквивалентные схемы
трансформаторного усилителя:
с) для ннжннх, 6) для средних и
в) для верхних частот
Для токов нижних звуковых частот сопротивление индуктив-
ности L Р1 мало, и его можно не учитывать. Можно отбросить
С
н емкостное сопротивление шунтирующей емкости — , так как
оно во много раз больше индуктивного сопротивления рабочих
витков £ь Таким образом, для нижних частот играет роль толь-
ко индуктивность Li и эквивалентная схема приобретает вид по
рис. 9.24 а. Но на нижних частотах сопротивление xl =6,28 f£i
мало, и коэффициент усиления ступени будет низким.
Для иллюстрации рассмотрим числовой пример.
Пусть £1=40 гн; L п обычно бывает около 1%’ от £i, т. е.
Lpl =0,4 гн; С2=200 пф и СвЛ=50 пф, а и=1 :2. Емкость
вторичной цепи С=250 пф, приведенная к первичной обмотке,
равна
— = —^-=250-4 = 1000 пф.
\ 2 /
2’3—2607
401
На нижней звуковой частоте 50 гц индуктивное сопротивление
рабочих витков Xl =6,28 • 50 • 40= 12 500 ом, индуктивное со-
противление витков рассеяния составит 1 % от этой величины,
т. е. 125 ом, емкостное сопротивление, шунтирующее Llt равно:
1012
6,28-50-1000
^3 200000 ом.
Ясно, что влиянием сопротивлений индуктивности Lpl и шун-
тирующей емкости можно пренебречь.
Для средних звуковых частот Lpl по-прежнему можно не
учитывать, так как ее сопротивление составляет 1 % сопротив-
ления индуктивности L\. Сопротивление xL =6,28 fLi возрастет,
а значит, возрастет и коэффициент усиления ступени. На веко-
С
торой частоте сопротивления индуктивности Li и емкости —-
п2
могут стать одинаковыми и возникнет резонанс токов. При ре-
зонансе токов сопротивление максимально, и это способствует
увеличению коэффициента усиления ступени на средних частотах.
Эквивалентная схема для средних частот показана на рис. 9.24 б.
На верхних частотах сопротивление индуктивности L\ во много
, с т
раз больше, чем сопротивление емкости — , и поэтому Li можно
не учитывать. Эквивалентная схема приобретает вид показанной
С
на рис. 9.24 в. Сопротивления Lpl и — на некоторой частоте
могут быть одинаковыми, и тогда будет резонанс напряжений.
Q
На емкости -—> а следовательно, и на сетке следующей лампы
п2
может получиться повышенное переменное напряжение. В нашем
примере на частоте 8000 гц сопротивление индуктивности рас-
сеяния xl 6,28• 8000• 0,4~20000 ом, сопротивление емкости
10ta
6,28-8000-1000
^20000 ом,
хс =
Рие. 9.25. Частотные харак-
теристики трансформатор-
ного усилителя
т. е. на частоте 8000 гц возникает резо-
нанс напряжений и усиление резко воз-
растет.
Частотная характеристика транс-
. форматорной ступени показана на рис.
9.25. Видно, что трансформаторный
усилитель создает значительные час-
тотные искажения и его особенностью
является подъем усиления на верхних
звуковых частотах. При повышении
частоты после резонанса напряжений усиление резко снижается.
Это объясняется возрастанием потери напряжения на индуктив-
ности рассеяния и уменьшением сопротивления шунтирующей ем-
402
кости. Следует заметить, что в оконечной трансформаторной
ступени резонанс напряжений наблюдается не на верхних звуко-
вых, а на более высоких частотах, так как входная емкость сле-
дующей ступени отсутствует, а емкость обмоток мала.
Для уменьшения падения усиления на нижних частотах необ-
ходимо, чтобы индуктивность Li была не слишком малой. Одна-
ко нельзя делать первичную обмотку с очень большим числом
витков, так как размеры трансформатора станут слишком вели-
ки и сильно возрастет его собственная емкость. Чтобы для ниж-
них частот усиление не было слишком малым, следует в транс-
форматорной ступени применять по возможности лампы с не-
большим внутренним сопротивлением Rt.
Наилучший метод борьбы с резонансом на верхних звуковых
частотах — увеличение частоты резонанса, чтобы она была за
пределами диапазона частот, на который рассчитан усилитель.
Для этого необходимо уменьшить Lpl и собственную емкость
трансформатора, что достигается применением секционированной
намотки и уменьшением толщины изоляции между обмотками,
чтобы они были расположены теснее друг к другу. Можно такжя
г с
увеличить затухание контура, составленного из Lpi и— , нагру-
жая вторичную обмотку на активное сопротивление R в десятки 1
или сотни килоом. Это сопротивление включено параллельно ем- I
кости С, и его называют шунтирующим сопротивлением. Внося
затухание в контур, оно притупляет (сглаживает) резонанс.
На рис. 9.25 штрихом показана частотная характеристика
трансформаторного усилителя при наличии шунтирующего со-
противления R, сплошной линией — при отсутствии R. Чем мень-
ше сопротивление R, тем больше затухание контура и тем силь-
нее сглаживается резонанс. Это можно объяснить тем, что с
уменьшением сопротивления все большая часть тока пойдет че-
рез него, а не через емкость. Но резонанс наблюдается только
для части тока, которая идет в емкость С. Таким образом, при
уменьшении R резонанс сказывается все слабее. Недостатком
описанного метода является уменьшение усиления на всех час-
тотах. а не только на резонансной частоте. Иногда применяют
короткозамкнутую обмотку из нескольких витков. Поглощая
энергию, она также вносит затухание и сглаживает резонанс,
уменьшая усиление и на остальных частотах, т. е. действует
аналогично шунтирующему сопротивлению.
Трансформатор является источником нелинейных искажений.
Сердечник трансформатора под влиянием постоянной составля-
ющей анодного тока может намагнититься до насыщения, и тогда
изменения магнитного потока не будут пропорциональны изме-
нениям тока в первичной обмотке. На рис. 9.26 а дана кривая,
намагничивания сердечника, т. е. кривая зависимости магнит-
ного потока Ф от тока 1а в первичной обмотке. Вследствие зна-
26* 40?
кривой намагничивания
Рис. 9.26. Нелинейные иска-
жения вследствие магнитного
насыщения
чительной величины постоянной составляющей анодного тока
/ работа происходит в области, близкой к магнитному насы-
щению. Поэтому переменная составляющая анодного тока 1а™
создает искаженные изменения магнитного потока Пере-
менное напряжение во вторичной обмотке, индуктируемое этим <
переменным магнитным потоком, также будет искаженным, не ’
синусоидальным.
Если же постоянное подмагничивание сердечника^ невелико,
то работа трансформатора происходит на прямолинейной части
захода в область насыщения
(рис. 9.266), и тогда нелинейные
искажения не возникнут. Намаг-
ничивание сердечника до насыще-
ния создает также уменьшение
индуктивности первичной обмот-
ки, и это вызывает уменьшение
усиления на нижних звуковых ча-
стотах, т. е. частотные искажения.
Борьба с постоянным намаг-
ничиванием сердечника ведется I
различными способами. Применя-
ются лампы, имеющие небольшой
анодный ток. Для его уменьше- 1
ния на сетку дается напряжение ’
смещения, что необходимо и по
другим причинам (см. §9.3).Сер-*
дечник трансформатора делают с
достаточно большим сечением,
чтобы он' не мог намагнититься j
до насыщения. Иногда в сердеч- £
нике делают воздушный зазор,
который фактически заполнен бу-
магой, картоном или другим диа-
магнитным веществом. Он уменьшает магнитный поток, а вместе
с тем уменьшается и опасность намагничивания до насыщения.
Радикальным.средством является применение трансформатор-.^ I
ной__схемыс_параллельным анодным питанием (рис. 9.27) 1.
Б~ней постоянный анодный ток проходит через сопротивление/?в
и в первичную обмотку трансформатора не попадает, так как
этому препятствует разделительный конденсатор Ср , имеющий
достаточную емкость для пропускания переменной составляю-
щей низкой частоты (0,1—0,5 мкф). Постоянное намагничивание
здесь отсутствует. Однако усиление получается несколько мень-
ше, чем с одним трансформатором, так как параллельно пер» |
вичной обмотке включено сопротивление уменьшающее об 1
щее сопротивление нагрузки.
1 Ее также называют реостатно-трансформаторной схемой.
404
Схема с параллельным анодным питанием может дать подъ-
ем усиления нижних частот. Для этого емкость Ср подбирают
так, чтобы ее сопротивление хс на некоторой нижней частоте,
например 50 гц, было равно индуктивному сопротивлению пер-
вичной обмотки трансформатора. Тогда на этой частоте будет
резонанс напряжений и усиление возрастет.
Рис. 9.27. Трансформаторный усили-
тель с параллельным анодным пита-
нием
Это может компенсировать уменьшение усиления в других
ступенях и является примером коррекции частотных искажений,
выравнивающей частотную характеристику всего усилителя.
Реже применяются другие комбинированные схемы: дроссель-
ная с параллельным питанием и дроссельно-трансформаторная.
Рис. 9.28. Цилиндрическая и секционированная
обмотки трансформатора
Междуламповые трансформаторы, как правило, делаются
броневого типа, т. е. с разветвленным магнитным потоком. Пла-
стины для сердечников напоминают букву Ш и имеют обозна-
чения от Ш-3 до Ш-40. Число обозначает ширину среднего
стержня в миллиметрах. Цилиндрические обмотки (рис. 9.28 а)
встречаются наиболее часто. Ближе к стержню может быть
405
намотана как первичная, так и вторичная обмотки. С целью
уменьшения междувитковой емкости и индуктивности рассея-
ния применяют секционированную намотку (рис. 9.28 6)f при-
чем секция одной и другой обмотки чередуются.
Для уменьшения собственной емкости трансформатора необ-
ходимо близкие друг к другу выводы обмоток подключать к +£„
и катоду. Например, если обмотки расположены по рис. 9.28 а,
то ближе всего друг к другу конец первичной обмотки Ki и
начало вторичной обмотки Н2. Следует начало первичной обмот-
ки Hi присоединить к аноду, конец ее — к +Еа, а у вторичной
Рис. 9.29. Схема трансформаторного уси-
лителя с транзисторами
обмотки начало — к катоду и конец К2— к сетке. С целью устра-
нения паразитных индуктивных и емкостных связей трансфор-
матора с другими деталями схемы трансформатор помещают
в экранирующий чехол из мягкой стали, который вместе с сер-
дечником соединяется с корпусом усилителя.
Схема трансформаторного усилителя на транзисторах без
стабилизации режима изображена на рис. 9.29. Для упрощения
вторая ступень показана не полностью. Переходный трансформа-
тор Тр включен первичной обмоткой в цепь коллектора тран-
зистора 1\. Со вторичной обмотки трансформатора напряжение
подается на вход транзистора Т2. Сопротивления и R2 служат
для подачи напряжения смещения на базы. Через конденсатор
С2 эмиттер транзистора Т2 присоединен ко вторичной обмотке
трансформатора. Чтобы потеря переменного напряжения на этом
конденсаторе была незначительной, он должен иметь достаточ-
ную емкость (порядка единиц микрофарад). Трансформаторный
усилитель дает значительно большее усиление, чем усилитель на
сопротивлениях, так как с помощью трансформатора можно со-
гласовать низкое входное сопротивление второй ступени с высо-
ким выходным сопротивлением первой ступени. Для этой цели,
в отличие от ламповых усилителей, применяется понижающий
трансформатор, который преобразует входное сопротивление вто-
рой ступени, обычно не превышающее 1—2 ком, в достаточно
408
большое нагрузочное сопротивление, порядка десятков килоом,
необходимое для хорошей работы первой ступени. Тогда эта
ступень будет давать большое усиление напряжения и мощности.
Коэффициент трансформации трансформатора в большистве
случаев бывает от 5 : 1 до 10: 1. Первичная обмотка имеет не-
сколько тысяч витков. В последнее время для малогабаритной
аппаратуры на транзисторах применяют трансформаторы очень
малых размеров (например, с сечением сердечника 3X3 мм2).
Обмотки их выполняются проводом диаметром 0,03—0,05 мм.
В качестве материала для сердечника нередко вместо стали ис-
пользуются пермаллой, имеющий более высокую магнитную про-
ницаемость.
Транзисторный трансформаторный усилитель, в отличие от
лампового усилителя, не может давать резонансный подъем уси-
ления на верхних звуковых частотах, так как вторичная обмотка
трансформатора нагружена на сравнительно небольшое активное
входное сопротивление следующей ступени. Это сопротивление
настолько сильно шунтирует емкости транзистора и трансфор-
матора, что резонанс не наблюдается. На верхних частотах
в транзисторном усилителе происходит уменьшение усиления
из-за потери напряжения на индуктивности рассеяния трансфор-
матора. На нижних частотах усиление также снижается вслед-
ствие уменьшения индуктивного сопротивления первичной об-
мотки.
В рассмотренной схеме при необходимости вполне возможно
применение стабилизации режима. Иногда в трансформаторном
усилителе транзистор включают по схеме с общей базой. При
этом усиление снижается, но зато уменьшаются нелинейные ис-
кажения и усиление в меньшей степени изменяется при смене
транзистора, чем в схеме с общим эмиттером.
§ 9.10. ОДНОТАКТНАЯ ОКОНЕЧНАЯ СТУПЕНЬ УСИЛЕНИЯ
Усилитель мощности должен увеличить с минимальными ис-
кажениями мощность колебаний низкой частоты и отдать ее в
нагрузочное сопротивление, например громкоговоритель. Это вы-
полнимо, если сопротивление нагрузки имеет величину: для трио-
дов 2 Ri (от Ri до 3 R(), для пентодов и лучевых тетродов
0,1 Ri (от 0,05Ri до 0,2 Rt). Сравнительно малая величина /?□
для пентодов и лучевых тетродов объясняется особенностями их
характеристик (см. § 9.6).
Если выходная мощность не превышает нескольких ватт,
оконечную ступень делают по однотактной схеме с одной лам-
пой. Предыдущая ступень может иметь любую схему: трансфор
маторную, на сопротивлениях или дроссельную. Чаще всего при-
меняют схему на сопротивлениях, обеспечивающую наименьшие
407
искажения. .В большинстве случаев в оконечной ступени делают
автоматическое смещение.
Схема включения нагрузочного сопротивления (громкогово-
рителя) в оконечную ступень называется схемой выхода.
Непосредственный выход. Громкоговоритель может быть не-
посредственно включен в анодную цепь оконечной^ ступени
Рис. 9.30. Выход усилителя:
о) непосредственный, б) дроссельный, в) трансформатор-
ный, г) автотрансформаторный
(рис. 9.30 а). Преимуществом такого способа является его про-
стота. Зато он имеет ряд недостатков. Если громкоговоритель
низкоомный, то непосредственный выход непригоден, так как
при малом сопротивлении нагрузки ступень вместо усиления даст
ослабление. Полезная мощность будет ничтожна. Непосредст-
венный выход применим только для высокоомных громкогово-
рителей.
Наличие на выходе постоянной составляющей анодного тока
также нежелательно. При включении электромагнитного телефо-
на в цепь постоянного анодного тока необходимо соблюдать
403
I* & Высокоомный
______f! громкоговоритель
С^Низкоомный
громкоговоритель
•4
Рис. 9.31. Выход для различных
громкоговорителей
полярность включения для предупреждения размагничивания
магнитов. Если включен головной телефон с поврежденной изо-
ляцией, то лицо, пользующееся телефоном, может подвергнуться
действию высокого анодного напряжения.
Недопустимо применение непосредственного выхода на про-
волочную линию, нагруженную громкоговорителями и телефо-
нами, так как они будут под высоким напряжением относительно
земли, что опасно для абонентов. Утечка на землю, имеющаяся
обычно в трансляционных лини-
ях, создаст лишний расход энер-
гии. Большое число включенных
параллельно громкоговорителей
будет иметь малое общее сопро-
тивление, и никакого усиления
оконечная ступень не даст. Непо-
средственный выход применяется
только в простых приемниках
для высокоомного телефона или
высокоомного громкоговорителя.
Дроссельный выход. Постоянная составляющая анодного то-
ка проходит через дроссель (рис. 9.30 6) и не попадает в гром-
коговоритель, присоединенный через конденсатор достаточной
емкости Ср, который пропускает в громкоговоритель переменную
составляющую анодного тока. При дроссельном выходе гром-
коговоритель или телефон не находятся под высоким анодным
напряжением, и работа их не .нарушается постоянным током.
Однако дроссельный выход непригоден для низкоомных громко-
говорителей, так как нагрузочное сопротивление включено через
конденсатор Ср параллельно дросселю, и если это сопротивле-
ние мало, то усиления не будет. Поэтому дроссельный выход
применяется редко, главным образом только для присоединения
дополнительных громкоговорителей (рис. 9.31).
Трансформаторный выход. Недостатки предыдущих схем
устраняются в схеме трансформаторного выхода (рис. 9.30в),
являющейся наиболее распространенной. Постоянная составляю-
щая анодного тока проходит через первичную обмотку выходного
трансформатора и в громкоговоритель не попадает. Громкогово-
ритель не находится под высоким анодным напряжением благо-
даря изоляции между обмотками. Так как трансформатор преоб-
разует величину нагрузочного сопротивления, то, применяя
выходной трансформатор с соответствующим коэффициентом
трансформации, можно при наличии низкоомного громкоговори-
теля создать для лампы необходимое нагрузочное сопротивление.
Пусть лампой оконечной ступени является лучевой тетрод,
имеющий Rt ==80000 ом. Тогда Ra должно быть 8000 ом, так
как для тетрода наивыгоднейшее нагрузочное сопротивление
ЯЛ~0,1 Rt.
409
Если сопротивление нагрузки /?н =20 ом, то применив вы-
ходной трансформатор с коэффициентом трансформации п=
=20:1, получим сопротивление, приведенное к первичной об-
мотке R\=Rh п2=20 • 202=20 • 400=8000 ом. Таким образом,
выходной трансформатор служит для согласования сопротивле-
ния нагрузки с внутренним сопротивлением лампы в соответ-
ствии с формулой Ra ~RHn2.
Эту формулу обычно преобразуют для определения коэффи-
циента трансформации по известным величинам Ra и /?н:
Например, если Т?о=6000 ом и RH= 15 ом, то
п= |/6000 = -|/400 = 20.
При низкоомной нагрузке необходимо применять понижаю-
щий выходной трансформатор. Число витков первичной обмотки
бывает от 2000 до 6000, чтобы индуктивное сопротивление ее на
нижних звуковых частотах не было слишком малым. Сечение сер-
дечника зависит от мощности и бывает от 1 см2 и больше. Для
уменьшения постоянного намагничивания в сердечнике иногда
делают воздушный зазор. Обмотка должна быть по возможности
с минимальной собственной емкостью. Диаметр провода должен
соответствовать токам в обмотках.
Если выход должен быть на низкоомный и высокоомный гром-
коговорители, в трансформаторе делают две вторичные обмотки:
с малым числом витков на низкоомную нагрузку и с большим
числом витков для высокоомной нагрузки. На рис. 9.31 для этого
показана более простая схема. Выходной трансформатор служит
для низкоомного громкоговорителя, а высокоомный громкого-
воритель включается по схеме дроссельного выхода. Роль дрос-
селя выполняет первичная обмотка трансформатора. Иногда
вторичную обмотку делают с отводами, чтобы подбирать наивы-
годнейший коэффициент трансформации для различных нагру-
зок. Это необходимо для усилителей, работающих на линии
проволочного вещания, так как сопротивление нагрузки меняет-
ся в зависимости от количества включенных громкоговори-
телей.
Автотрансформаторный выход (рис. 9.30 г). Он имеет все
преимущества трансформаторного выхода, но для низкоомных
нагрузок разделительный конденсатор должен иметь сопротив-
ление в единицы ом, т. е. емкость в сотни микрофарад. Авто-
трансформаторный выход иногда применяется для высокоомных
нагрузок, имеющих сопротивление, не подходящее к лампе око-
печной ступени. По сравнению с обычным трансформатором
410
автотрансформатор имеет при одинаковой мощности меньшие
размеры, так как у него меньше стали в сердечнике и меди в
обмотках.
Рассмотрим лампы, применяемые в оконечных ступенях. Спе-
циальные мощные триоды имеют коэффициент усиления около
44-10, внутреннее сопротивление порядка 5004-2000 ом и
«левые» характеристики. Пентоды и лучевые тетроды имеют при-
мерные параметры р=504-200 и Rt =204-200 ком. Вследствие
большого ц переменное напряжение на сетке пентодов или луче-
вых тетродов должно быть гораздо меньше, чем у триодов; сле-
Рис. 9.32. Пентод
в оконечной ступени
(а и 6) и включение
пентода триодом (в)
довательно, число ступеней предварительного усиления может
быть меньше. Пентоды и лучевые тетроды вносят несколько
большие нелинейные искажения, чем триоды.
Выходные трансформаторы для пентодов и лучевых тетродов
имеют больше витков в первичной обмотке и больший коэффи-
циент трансформации, чем для триодов. Это происходит оттого,
что триоды имеют /?г =5004-2000 ом и для них R=2 Rt =
= 10004-4000 ом, а для пентодов и лучевых тетродов, имеющих
Rt =204-200 ком, сопротивление анодной нагрузки Ra ~
^0,17?z =24-20 ком.
Чтобы характеристики пентодов и лучевых тетродов были
более «левыми», на экранирующую сетку дают напряжение
411
порядка 704-80% анодного (рис. 9.32 а) и даже равное анодно-
му (рис. 9.32 б). Сопротивление в цепи экранирующей сетки R&
должно быть рассчитано на ток этой сетки. Конденсатор экра-
нирующей сетки Сс2 должен иметь емкость порядка микрофарад
и больше, чтобы его сопротивление для нижних частот было го-
раздо меньше Rc2. Иногда пентоды или лучевые тетроды исполь-
зуют в оконечной ступени как триоды (рис. 9.32в), если не
требуется большого усиления, а желательно уменьшить нелиней-
ные искажения. Включение пентода триодом не следует путать
с подачей на экранирующую сетку напряжения, равного анод-
ному (рис. 9.32б).
Для повышения мощности оконечной ступени иногда вклю-
чают 2—3 лампы параллельно (соединяют вместе все аноды, а
также все сетки). Напряжения при этом остаются неизменными,
а токи и мощности соответственно увеличиваются. Можно счи-
тать параллельно включенные лампы эквивалентными одной
лампе, у которой коэффициент усиления ц остается без изме-
нения, крутизна S возросла, а внутреннее сопротивление Rt
уменьшилось во столько раз, сколько включено ламп. Если вклю-
чены параллельно две лампы, то эквивалентные параметры бу-
дут р, 2S и 0,5 Rt. Фактически вследствие неоднородности ламп
мощность увеличивается не пропорционально числу ламп, а в
меньшей степени. Кроме того, увеличиваются междуэлектродные
емкости, так как они соединены параллельно. Возрастает, напри-
мер, входная емкость оконечной ступени, и от этого увеличивает-
ся западание усиления на верхних звуковых частотах в пред-
оконечной ступени. Поэтому соединять параллельно больше
двух-трех ламп невыгодно; целесообразнее использовать одну
более мощную лампу или двухтактную ступень (см. § 9.10).
Динамическая характеристика для лампы оконечной ступени с трансфор-
маторным выходом имеет некоторые особенности. Трансформатор представ-
ляет значительное сопротивление только для переменной составляющей анод-
ного тока. А для постоянной составляющей сопротивление первичной обмотки
трансформатора очень невелико и им можно пренебречь. Поэтому в трансфор-
маторном усилителе рабочая точка соответствует анодному напряжению в ре-
жиме покоя, равному напряжению анодного источника Еа, а не меньшему
напряжению, как это было в усилителе на сопротивлениях.
Прн построении анодной динамической характеристики для трансформа-
торного усилителя сначала наносят рабочую точку А (рис. 9.33). Ее положение
определяется неточным смещением Есм и напряжением источника Еа. Этой
точке соответствует ток покоя /до- Вторую точку динамической характеристи-
ки можно найти из уравнения Ua=Ea—&laRa. В нем Ra есть приведенное
к первичной обмотке сопротивление нагрузки, т. е. /?о=/?кл2, аД/д —измене-
ние анодного тока. В отличие от усилителя на сопротивлениях (см. § 5.14),
здесь падение напряжения на Ra создается только переменной составляющей
аиодиого тока и поэтому в уравнение входит не сам анодный ток, а его из-
менение Д/д.
Еа
Для 1/д=0 из уравнения находим Д/о=— . Эту величину следует прн-
Ra
бавить к току /до и тогда на вертикальной оси получится точка М. Через нее
412
Рис. 9.33. Анодная динамическая ха-
рактеристика для трансформаторного
усилителя
и точку А проводят прямую, которая и является анодной динамической ха-
рактеристикой.
Таким образом, для трансформаторного усилителя при построении анодной
Еа п
динамической характеристики величину -— откладывают не от 0, а от значе-
Ra
ния тока /до- Для других /?й динамическая характеристика располагается
с меньшим или большим наклоном, но проходит через точку А, Точка М не
соответствует реальному режиму, так как при 1/о=0 анодный ток не может
иметь наибольшее значение. Точка
/V соответствует реальному режиму —
запиранию лампы отрицательным
напряжением на сетке.
Особенность трансформаторного
усилителя заключается в том. что при
изменении анодного тока от /fl0 в
сторону уменьшения анодное напря-
жение становится больше Еа (уча-
сток AN). Это объясняется следую-
щим образом. Первичная обмотка
трансформатора обладает индуктив-
ностью и, следовательно, прн изме-
нении тока в ней получается эдс са-
моиндукции. При увеличении тока
эта эдс действует навстречу току и
вычитается из напряжения Еа. Анод-
ное напряжение при этом уменьша-
ется. А при уменьшении тока эдс
самоиндукции имеет одинаковое на-
правление с током и складывается с напряжением Еа- В результате анодное
напряжение возрастает.
Чтобы получить усиление с малыми нелинейными искажениями, надо учи-
тывать указания о выборе рабочей точки и наклоне динамической характери-
стики (т. е. выборе величины Ra), которые были даны при рассмотрении дина-
мической характеристики для усилителя на сопротивлениях. В усилителях
мощности при этом следует стремиться к получению наибольшей полезной
мощности при малых нелинейных искажениях. Величина этой мощности рав-
на половине произведения амплитудных значений переменных составляющих
анодного тока и анодного напряжения, т. е. /mflt/mn. Для показанной
на рис. 9.33 амплитуды переменного напряжения на сетке полезная мощность
выражается площадью заштрихованного треугольника (при условии, что не-
линейные искажения малы, т, е. при АВ=АС). Таким образом, для получе-
ния большей полезной мощности следует добиваться наибольшей площади
этого треугольника. Для пентодов и лучевых тетродов величина Raonm< соот-
ветствующая наименьшим нелинейным искажениям, как правило, соответст-
вует и наибольшей полезной мощности.
Рассмотренное построение динамической характеристики относится ко всем
схемам, в которых сопротивление анодной нагрузки для постоянного тока
очень мало и для режима покоя можно считать Ua^Ea.
Однотактная оконечная ступень с транзистором может хоро-
шо работать только при сравнительно небольших мощностях.
Чаще всего такие ступени имеют схему с общим эмиттером. Для
уменьшения нелинейных искажений применяют схему с общей
базой, которая также меньше изменяет свой режим при измене-
нии температуры или при смене транзистора. Схема с общим
<г-
коллектором встречается реже. Выход обычно бывает трансфор-
маторным. При схеме с общей базой входная мощность, достав-
ляемая предыдущей ступенью, должна быть в р раз больше,
чем при схеме с общим эмиттером.
Если оконечная ступень питается от выпрямителя, то напря-
жение питания коллектора следует установить возможно выше,
но не более 0,3—0,4 максимально допустимого для данного тран-
зистора значения, приводимого в справочных данных для раз-
личных способов включения транзистора. При более высоком на-
пряжении возможен пробой транзистора от перенапряжений,
возникающих в процессе усиления. Так как транзистор в оконеч-
ной ступени значительно нагревается, то особое внимание уде-
ляют охлаждению транзистора. С этой целью крепление транзи-
стора делают так, чтобы тепло от него отводилось на металли-
ческое шасси, а также применяют радиаторы, усиливающие
охлаждение.
Вследствие того что и ламповые и транзисторные оконечные
усилители с трансформаторным выходом обычно нагружены на
активное сопротивление, в них не наблюдается резонанс на верх-
них звуковых частотах. На этих частотах усиление снижается,
так как возрастает потеря переменного напряжения на индук-
тивности рассеяния. А на нижних частотах усиление падает, как
обычно, из-за уменьшения индуктивного сопротивления индук-
тивности первичной обмотки.
§ 9.11. ДВУХТАКТНАЯ ОКОНЕЧНАЯ СТУПЕНЬ УСИЛЕНИЯ
Хорошие результаты в мощном усилителе дает двухтактная
кли симметричная ступень. По сравнению с однотактной сту-
пенью она позволяет получить гораздо большую полезную мощ-
ность с меньшими нелинейными искажениями. Однотактная
ступень при увеличении переменного напряжения сетки дает
резкое возрастание нелинейных искажений по следующим при-
чинам. Напряжение сетки захватывает нижний изгиб характе-
ристики и заходит в область тока сетки. Вследствие намагничи-
вания сердечника выходного трансформатора большой постоян-
ной составляющей анодного тока изменения магнитного потока
заходят в область магнитного насыщения. Эти причины нели-
нейных искажений были разобраны в §§ 9.3 и 9.8.
В двухтактной ступени нелинейные искажения уменьшаются
благодаря принципу работы схемы. На рис. 9.34 а изображена
двухтактная ступень усиления с двумя триодами. Входной
трансформатор имеет вывод от средней точки вторичной обмот-
ки, а выходной трансформатор — вывод от средней точки пер-
вичной обмотки. Лампы работают со сдвигом фаз 180°. Если на
первичную обмотку входного трансформатора подается перемен-
ное напряжение, то на концах 1 и 2 вторичной обмотки потен-
ии
циалы всегда противоположны по знаку относительно потенциа-
ла средней точки этой обмотки, присоединённой через
сопротивление к катоду. Например, когда на конце 1 и на
сетке лампы Л\ имеется положительный потенциал, то на кон-
це 2 и сегке лампы Л2 будет отрицательный потенциал. Пере-
менные напряжения на сетках показаны графически на
рис. 9.34 6 и в, а графики анодных токов — на рис. 9.34 г и д.
Рис. 9 34 Двухтактная око-
нечная ступень и графики,
поясняющие процесс усиле-
ния в ней
Постоянные составляющие анодных токов проходят в поло-
винках первичной обмотки выходного трансформатора в разных
направлениях (рис. 9.34 а). Поэтому намагничивающее действие
постоянной составляющей анодного тока одной лампы уничто-
жается действием тока второй лампы. В итоге сердечник транс-
форматора не имеет постоянного намагничивания. Опасность
магнитного насыщения отпадает, и нелинейные искажения сни-
жаются. Сердечник можно сделать меньших размеров, чем при
наличии постоянного намагничивания. Практически вследствие
некоторой несимметрии схемы (неодинаковости обеих половин
схемы, называемых плечами), как например, неодинаковости
ламп, неточного равенства числа витков половин обмотки транс-
415
форматора, получается небольшое постоянное намагничивание,
но оно не играет существенной роли. Однако в_ двухтактной
ступени следует стремиться к симметрии схемы, например, пут^м
подбора ламп. Для симметрирования ступени нередко со сторо-
ны катодов ламп включают дополнительные переменные или
подбираемые на опыте постоянные сопротивления.
Переменные составляющие анодных токов ламп также текут
в первичной обмотке выходного трансформатора в противопо-
ложных направлениях, но они имеют сдвиг фаз в 180° и их на-
магничивающие действия складываются. Общий переменный
магнитный поток Ф равен сумме переменных магнитных потоков
обоих плеч 01 и Фг, т. е. он вдвое больше, чем от одной лампы
(рис. 9.34 е, ж и з). Таким образом, переменный магнитный по-
ток имеет частоту подведенного к ступени переменного напря-
жения и индуктирует во вторичной обмотке выходного транс-
форматора переменное напряжение той же частоты. Действия
ламп складываются в сердечнике выходного трансформатора, и
на выходе будет удвоенная мощность. Конечно, вследствие не-
симметрии плеч точного удвоения мощности не получается.
В общей анодной цепи ламп от средней точки первичной об-
мотки выходного трансформатора до катода постоянные сла-
гающие анодных токов ламп идут в одном направлении и скла-
дываются, т. е. лампы, как потребители энергии постоянного
тока, соединены параллельно. Переменные составляющие анод-
ных токов в общей анодной цепи, наоборот, взаимно уничтожа-
ются, так как фазы их противоположны. Благодаря этому
свойству на сопротивлении смещения Ra получается только по-
стоянное напряжение. Значит, нет уменьшения усиления за счет
отрицательной обратной связи и не требуется шунтировать со-
противление RK конденсатором большой емкости. Кроме того,
отсутствие переменной составляющей в общей анодной цепи
устраняет вредное влияние оконечной ступени иа предыдущие
ступени через цепи питания (см. § 9.13).
Преимуществом двухтактной схемы является ее малая чувст-
вительность к пульсациям питающих напряжений. Например,\
недостаточное сглаживание пульсаций напряжения анодного!
выпрямителя создает в двухтактной ступени меньший фон, чем
в однотактной. Это объясняется тем, что лампы питаются па-
раллельно, и под влиянием пульсаций питающих напряжений
анодные токи пульсируют с одинаковыми фазами. Но перемен:
ные составляющие токов этих пульсаций имеют в половинах
первичной обмотки выходного трансформатора противополож-
ные направления и их магнитные потоки взаимно уничтожаются.
Остаются небольшие пульсации из-за несимметрии схемы.
Двухтактная схема позволяет осуществлять работу в особых
режимах, не допустимых для однотактной схемы, ио дающих
увеличенные мощность и кпд.
416
Режим работы на прямолинейном участке характеристики,
когда колебания анодного тока довольно точно соответствуют
колебаниям переменного напряжения сетки, называется режи-
мом усиления класса А. До сих пор мы рассматривали именно
этот режим усиления. Предварительные усилители и однотакт-
ные оконечные ступени работают в режиме класса А. Его свой-
ства следующие: 1) нелинейные искажения получаются
небольшими; 2) полезная мощность сравнительно невелика, так
как используется небольшая часть всей характеристики, 3) по-
стоянная составляющая анодного тока Iа= равна току покоя /а0
и имеет величину, большую, чем амплитуда переменной состав-
ляющей. Последнее говорит о том, что подводимая к усилителю
Рис. 9,35. Режим усиления класса В в двухтактной ступени
от анодного источника мощность постоянного тока велика и
большая ее часть теряется на аноде лампы. А когда на сетке
нет переменного напряжения, то нет полезной мощности, и вся
подводимая мощность расходуется на нагрев анода. Теорети-
чески кпд ступени в режиме класса А не выше 40—45%, а прак-
тически он ниже. Таким образом, режим класса А невыгоден в
отношении полезной мощности и характеризуется низким кпд.
Второй режим, называемый усилением класса В, состоит в
том, что рабочая точка устанавливается в начале нижнего изги-
ба характеристики. Импульсы анодного тока получаются только
от положительных полуволн переменного напряжения сетки.
Этот режим устанавливается путем увеличения напряжения
смещения и напряжения возбуждения, т. е. переменного напря-
жения сетки. График усиления в режиме класса В для одной
лампы показан на рис. 9.35 а. Колебания анодного тока сильно
искажены по сравнению с колебаниями на сетке. При таком ре-
жиме в однотактной ступени коэффициент гармоник дости-
гает40%.
27—2607 417
Зато возможно использовать режим класса В в двухтактной
ступени. На рис. 9.356 и в показаны графики анодных токов
ламп двухтактной ступени, работающей в режиме класса В.
Лампы работают поочередно. Пульсирующие анодные токи
ламп текут в половинах первичной обмотки выходного транс-
форматора в разные стороны и создают в его сердечнике маг-
нитные потоки, изменяющиеся соответственно графикам
рис. 9.356 и в, но противоположные по направлению. В резуль-
тате суммарный магнитный поток будет малоискаженным
(рис. 9.35 г). Малоискаженную форму имеет и индуктированное
этим магнитным потоком напряжение во вторичной обмотке.
Следовательно, при недопустимых искажениях в каждом плече
схемы, благодаря свойствам двухтактной ступени, на выходе
получается взаимная компенсация искажений. Вследствие несим-
метрии схемы и криволинейности характеристик некоторые ис-
кажения, конечно, будут, так что коэффициент гармоник может
доходить до 10—15%.
Анодный ток в общей анодной цепи при усилении в классе В
показан на графике рис. 9.35 д. Он имеет удвоенную частоту
пульсаций, т. е. не содержит переменной составляющей с часто-
той напряжения, поданного на вход ступени (при полной симмет-
рии схемы). Преимущества, вытекающие из этого, были указа-
ны выше. В данном случае все же необходимо шунтировать кон-
денсатором сопротивление автоматического смещения, чтобы на
нем не получилось напряжения удвоенной частоты.
Режим класса В дает большую полезную мощность, чем ре-
жим класса А, за счет использования большего участка; характе-
ристики. Однако в. режиме класса В значительно увеличиваются
нелинейные искажения по сравнению с режимом класса А. Пре-
имуществом класса В является малый расход энергии источни-
ка анодного напряжения. Ток покоя 1а0 очень мал или равен
нулю, т. е. во всех паузах, когда на сетке нет переменного напря-
жения, анодного тока почти нет. Постоянная составляющая
анодного тока 1а~ также сравнительно невелика — она меньше
амплитуды переменной составляющей. Поэтому и при наличии
колебаний анодный ток меньше, чем в классе А. Нагрев анодов
ламп в классе В также меньше и в паузах почти отсутствует.
Кпд ступени, работающей в режиме класса В, может
доходить до 60—75%.
Для усиления класса В желательно фиксированное напря-
жение смещения. Автоматическое напряжение смещения мало-
пригодно,, потому что ток покоя в режиме класса В почти равен
пулю и не может создать на сопротивлении смещения достаточ-
•ное падение напряжения. При наличии же колебаний постоянная
составляющая анодного тока изменяется в зависимости от ам-
плитуды колебаний и будет изменяться напряжение смещения.
Применяется еще промежуточный режим класса АВ. В этом
418 >
случае рабочая точка устанавливается в области нижнего изги-
ба но ток покоя не равен нулю. На сетку подается довольно
значительное переменное напряжение, чтобы использовать боль-
шой участок характеристики. При режиме класса АВ отрица-
тельная полуволна переменного напряжения сетки создает в
анодном токе отрицательную полуволну, но гораздо меньшую по
амплитуде, чем положительная. В каждом плече схемы при режи-
ме класса АВ получаются сильные нелинейные искажения, но
на выходе эти искажения взаимно уничтожаются. В однотакт-
ной схеме режим класса АВ применять нельзя.
Различают два случая режима класса АВ, показанные для
одного плеча схемы на рис. 9.36 а и б. Режим класса ABi харак-
терен тем, что работа происходит без токов сетки, т. е. только в
области отрицательных напряжений сетки. Режим по рис. 9.36 б
называют классом АВ» В нем работа происходит с заходом в
область положительных напряжений сетки, т. е. с токами сетки.
Режим класса АВ2 отличается большей мощностью, так как ис-
пользуется больший участок характеристики, но зато искажения
возрастают. Индексами 1 и 2 принято обозначать работу ламп
соответственно без сеточных токов и с сеточными токами. По-
этому возможны режимы Ai и Аг, В! и В2.
В двухтактных ступенях применяются мощные триоды, пенто-
ды и лучевые тетроды. Напряжение на экранирующие сетки
обычно подается через поглощающее сопротивление, которое мо-
жет быть общим или отдельным на каждую лампу, или без по-
нижения прямо от источника анодного напряжения. Удобны для
двухтактных схем двойные триоды. Некоторые из них имеют пра-
вые характеристики; они рассчитаны на работу в режиме клас-
са В2 (с сеточными токами). Благодаря правым характеристи-
кам режим класса В можно получить с малым напряжением
смещения.
Трансформаторы в двухтактной схеме должны быть симмет-
ричными. Их катушка делится на две половины, на которые на-
матываются половинки той обмотки, которая имеет вывод сред-
27* 419
ней точки. С целью уменьшения собственной емкости делают сек-
ционированную обмотку, которая, кроме того, уменьшает воз-
можность пробоя изоляции. Это важно в мощных выходных
трансформаторах, работающих с высоким напряжением в пер-
вичной обмотке.
Эквивалентная схема двухтактной ступени для первой гармоники пере-
менной составляющей анодного тока может быть представлена -как последо-
вательное соединение двух генераторов, заменяющих лампы (рис. 9.37 а).
Рис. 9.37. Последовательная (а) и параллельная (б) экви-
валентные схемы двухтактной ступени
Общий провод от средней точки выходного трансформатора до катодов ламп
в этой схеме отсутствует, так как при полной симметрии схемы в нем нет
тока первой гармоники. Общее сопротивление последовательно соединенных
генераторов равно 2Ri, и поэтому сопротивление нагрузки для ннх Ra
должно быть в два раза больше, чем в однотактиой ступени. Это сопротив-
ление выражается формулой Ra = /?Hn2, причем коэффициент трансформации
равен n~Wi:w2, где Wi— полное число витков первичной обмотки. Можно
считать, что сопротивление Ra состоит из двух последовательно соединенных
. Ra
сопротивлении
Учитывая, что в сердечнике выходного трансформатора складываются пе-
ременные магнитные потоки, созданные переменными составляющими анод-
ных токов отдельных ламп, можно также рассматривать двухтактную сту-
пень как параллельное соединение двух генераторов, эквивалентных лампам
Ri
(рнс, 9.376). Их общее внутреннее сопротивление равно —, т. е. в четыре
раза меньше, чем в последовательной схеме. Для параллельной схемы сле-
дует считать, что первичная обмотка трансформатора имеет увеличенное
T0t
вдвое сечение провода и число витков —~
(это эквивалентно параллельному
соединению двух половин обмотки). Тогда коэффициент трансформации бу-
ttlj п
дет = и нагрузочное сопротивление для параллельного соединения
420
’ „ I n V _ na Ra _
генераторов равно Ra = ~ j — R»~ = • Его, можно считать
Ra
состоящим из двух параллельно соединенных сопротивлений
Обе эквивалентные схемы могут быть использованы для расчета двух-
тактной ступени, но параллельную схему иногда считают более удобной, по-
скольку последовательная схема по рис. 9.37 а для режима класса В приво-
дит к противоречиям. Действительно, если полпериода одна лампа заперта,
то в это время через нее не может проходить ток другой лампы.
Для уменьшения искажений входной трансформатор двух-
тактной схемы, можно заменить фазоинверсной (фазоперевора-
чивающей) предоконечной ступенью. Она работает на одной или
двух лампах и создает на выходе два равных, но противополож-
ных по фазе переменных напряжения, которые подаются на сетки
ламп оконечной двухтактной ступени.
На рис. 9.38 показаны два варианта фазоинверсных схем. В схеме
рис, 9.38 а сопротивление анодной нагрузки разделено на две половины
Рис. 9.38. Фааоинверсные схемы
Rai и Rait включенные со стороны анода и катода. Усиленные переменные
напряжения, получающиеся на этих сопротивлениях, через разделительные
конденсаторы Са и Ссъ передаются на сетки ламп двухтактной ступени. Эти
напряжения противоположны по фазе относительно точки нулевого потенци-
ала (земли). Рассмотренная схема дает хорошие результаты только в случае,
если источник усиливаемого напряжения не соединен с общим минусом. Та-
ким источником может быть звукосниматель или вторичная обмотка транс-
форматора. Если же ступень будет работать после обычной ступени на со-
противлениях, то коэффициент ее усиления станет ниже двух. Нарушается и
симметрия схемы.
Лучше схема с дополнительной лампой (рис. 9.38 6), Работа ее основана
на том, что каждая ступень усиления поворачивает фазу переменного напря-
жения на 180°. Переменное напряжение подается на сетку лампы Ль Усилен-
ное и перевернутое по фазе напряжение получается на сопротивлении и
через конденсатор Cci передается на сеточное сопротивление Rm, состоящее
из сопротивлений Rt и /?2. Лампа Л2 вместе с деталями Ло2, См и Res обра-
421
зует вторую вспомогательную ступень. На сетку лампы Л2 подается от со-
противления R2 часть напряжения, усиленного лампой Оно усиливается
лампой Л2, поворачивается на 180° по фазе и подается иа сопротивление
Rc2. Делитель напряжения RtR? рассчитывается так, что напряжения на
Rci и Rcz равны. Если, например, коэффициент усиления ступени иа лампе
Л2 равен 10, то R2 должно составлять 0,1 Rci- Для данной схемы удобно
использовать двойной триод. Инверсные схемы применяются только в слу-
чае, если последующая ступень работает в режиме класса Ai или ABi, т. е.
без сеточных токов.
Когда мощная ступень работает с токами сетки, например,
в режиме АВ2, то на создание токов сетки расходуется мощность.
В этом случае предоконечная ступень должна развивать значи-
тельную мощность для возбуждения (раскачки) оконечной сту-
пени.
В последнее время в мощных усилителях некоторое распространение по-
лучила так называемая ультралинейная схема, показанная на рис. 9.39. Она
работает с пентодами (или лучевыми тетродами), причем экранирующие сет-
ки присоединены к некоторым выво-
дам от первичной обмотки выходно-
го трансформатора. Если экранирую-
щие сетки включены на концы об-
мотки, т. е. к анодам, то получится
триодное включение ламп. В этом
случае усиление и кпд ступени срав-
нительно невелики, но зато нелиней-
ные искажения минимальны. А если
экранирующие сетки присоединены к
средней точке обмотки, т. е. к +£а,
то получится пентодное включение,
при котором усиление и кпд гораздо
выше, но зато возрастают нелиней-
ные искажения. Ультралинейная схе-
Рис. 9.39. Ультралинейная схема
двухтактной ступени
искажения в ней гораздо меньше, чем
вых тетродов. Наивыгоднейшее число
экранирующие сетки для разных ламп
40% числа витков половины обмотки.
ма является чем-то средним между
рассмотренными случаями. Она дает
значительно большее усиление, чем
ступень с триодами, а нелинейные
при использовании пентодов или луче-
витков от средней точки до отвода на
различно и может составлять от 20 до
Широкое применение имеют двухтактные оконечные ступени
на транзисторах. Трансформаторные схемы таких ступеней изо-
бражены на рис. 9.40 в двух вариантах. На рис. 9.40 а показано
включение транзисторов с общим эмиттером, а на рис. 9.406 —
с общей базой. Сопротивления Rt и Rz в этих схемах работают в
качестве делителя для того, чтобы между базой и эмиттером бы-
ло необходимое напряжение смещения, а сопротивление R3 вклю-
чено для стабилизации режима. В отличие от однотактных схем,
сопротивление R3 при работе усилителя в режиме класса А не
требуется шунтировать конденсатором большой емкости. По-
скольку транзисторы имеют значительный разброс характеристик
и параметров, для двухтактной схемы необходим тщательный
подбор транзисторов. Кроме того, для симметрирования таких
422
схем в провода эмиттеров иногда включают переменные или под-
бираемые на опыте постоянные сопротивления порядка десят-
ков ом.
Транзисторные двухтактные ступени могут работать в режи-
мах класса А, АВ и В и имеют более высокий кпд, чем ламповые
усилители. Например, в режиме класса А кпд транзисторного
двухтактного усилителя достигает почти 50%. Режим класса В
применяется не только при большой выходной мощности, но и в
усилителях небольшой- мощности, если необходим экономичный
Рис. 9.40. Схемы двухтактных ступеней с тран-
зисторами
расход энергии источника питания (например, при питании от хи-
мических источников тока). При работе в режиме класса В или
АВ сопротивление Ra надо шунтировать конденсатором доста-
точно большой емкости. Напряжение источника питания коллек-
торной цепи при режиме класса В может составлять 0,4—0,5
максимального допустимого напряжения для данного типа тран-
зистора. Следует иметь в виду, что при включении транзисторов
по схеме с общим эмиттером нелинейные искажения в режиме
класса В могут быть все же значительными. Поэтому для режима
класса В более подходит схема с общей базой.
Фазоинверсные схемы с транзисторами могут быть построены
аналогично рассмотренным выше фазоинверсным схемам с элек-
тронными лампами.
423
§ 9.12. ОКОНЕЧНЫЕ СТУПЕНИ БЕЗ ВЫХОДНОГО ТРАНСФОРМАТОРА
Рис. 9.41. Схема оконеч-
ной двухтактной ступе-
ни без выходного транс-
форматора
Выходной трансформатор является источником частотных и нелинейных
искажений и увеличивает стоимость усилителя. Поэтому в последнее время
появились оригинальные бестрансформаторные схемы оконечных ступеней, в
которых через сопротивление нагрузки не протекает постоянный ток. Подоб-
ные схемы применимы лишь в случаях, когда сопротивление нагрузки состав-
ляет хотя бы сотни ом. Сейчас уже выпускаются электродинамические гром-
коговорители с сопротивлением звуковой ка-
тушки порядка 200—400 ом, специально пред-
назначенные для бестрансформаторных усили-
телей. Если используются два громкоговорите-
ля, то они соединяются последовательно. Лам-
пы для таких усилителей (триоды, пентоды,
лучевые тетроды) должны иметь возможно
меньшее внутреннее сопротивление.
Одна из простейших бестрансформаторных
схем показана на рис. 9.41. Она представляет
собой оригинальную двухтактную схему, в ко-
торой лампы по постоянному току соединены
последовательно. Напряжение анодного источ-
ника, которое делится между ними пополам,
должно быть удвоенное по сравнению с его
значением при обычном включении ламп. Уси-
ливаемое напряжение подводится к сетке JIt.
Сопротивление Rkz служит для автоматическо-
го сеточного смещения лампы Л2. Одновремен-
но RK2 является частью нагрузочного сопро-
тивления для Л1 и поэтому на нем получает-
ся переменное напряжение, которое подводит-
ся через Rcz к сетке Л2. Это напряжение про-
тивоположно по фазе напряжению на сетке
Ль Таким образом, лампа Л{ не только явля-
ется одной из ламп оконечной ступени, но од-
новременно выполняет роль фазоинвертора.
Переменные анодные токи обеих ламп проте-
Гр, совпадая по фазе. Разделительный конден-
лирует громкоговоритель от постоянного напря-
жения.
Рассмотренная схема не может работать в режиме класса В. Ее недостат-
ком является также некоторая асимметрия. За счет нее несколько возраста-
ют нелинейные искажения, и лампа Л2, присоединенная по переменному току
непосредственно к громкоговорителю, отдает ему большую мощность, чем
лампа Ль которая подключена к громкоговорителю через сопротивление RKi.
Эти недостатки устраняются при применении отдельной фазоинверсной сту-
пени. Возможно осуществить также бестрансформаторные схемы с выводом
средней точки у анодного источника, но они не получили широкого распрост-
ранения.
Довольно широко применяются бестрансформаторные двухтактные ступе-
ни с транзисторами. На рис. 9.42 показаны такие схемы, работающие с тран-
зисторами одного какого-либо типа, например р-п-р. Для возбуждения этих
ступеней применяется входной трансформатор с двумя отдельными вторич-
ными обмотками, включенными так, чтобы переменные напряжения на вхо-
дах транзисторов были в противофазе. В схеме рис. 9,42 а источник питания
состоит из двух одинаковых частей, каждая из которых имеет напряжение Е.
Общее напряжение равно 2Е, т. е. вдвое больше, чем в обычной двухтактной
схеме. Подобный источник с выводом от средней точки Легко осуществить,
если, например, для питания усилителя используются батарейки от карман-
424
кают через громкоговоритель
сагор большой емкости С изс
ного фонаря. Сопротивления /?, и /?2 в этой и последующих схемах служат
для подачи смещения на базы. Если оба транзистора и их режимы правиль-
но подобраны, то через громкоговоритель Гр постоянный ток протекать не
будет. Транзисторы оказываются включенными по постоянному току последо-
вательно к источнику 2£, а как генераторы переменного тока онн включены
параллельно и работают на общее сопротивление нагрузки (громкоговори-
тель). При невозможности вывода средней точки у источника ‘ применяется
схема по рис. 9.42 6, в которой громкоговоритель присоединен через конден-
сатор большой емкости С к одному из транзисторов.
Рис. 9.42. Бестрансформаторные оконечные ступени с транзисторами одного
типа
Интересные схемы двухтактных ступеней получаются при сочетании
транзисторов р-п-р и п-р-п. Они не требуют подачи на вход ступени двух
противофазных напряжений, т. е. работают без специального входного транс-
форматора со средней точкой или без фазоинвертора. С электронными лам-
пами подобные схемы осуществить невозможно, так как нет ламп, аналогич-
ных транзисторам р-п-р. На рис, 9.43 изображены примеры бестрансформг-
Ъ
Рис. 9.43. Бестрансформаторные оконечные ступени с транзисторами раз-
ных типов
торных вариантов таких схем (конечно, они могут быть собраны и с выход-
ным трансформатором). В схеме рис. 9.43 а применяются два отдельных ис-
точника питания, каждый с напряжением Е. Однако возможно так же, как
это было в схеме рис. 9.42 б, использовать один источник с напряжением 2£
и включить громкоговоритель через конденсатор к одному транзистору.
Рассмотренные выше схемы имели включение транзисторов с общим эмит-
тером, но можно применить и включение с общей базой. Для примера на
рис. 9.43 6 дана двухтактная ступень без выходного трансформатора, в кото-
425
рой транзисторы р-п-р и п-р-п включены по схеме с общей базой. Эта схема
может быть также выполнена и без разделения источника питания на две
части.
При построении схемы усилителя с бестрансформаторной оконечной сту-
пенью необходимо правильно решать вопрос о питании этой ступени вместе
с предыдущими ступенями от одного общего источника. Если оконечная сту-
пень имеет входной трансформатор, как это показано на рис. 9.42 и 9.43, то
она оказывается изолированной по постоянному току от предыдущих ступе-
ней Тогда можно заземлить любой полюс источника и без всяких затруд-
нений питать от него предыдущие ступени. А при отсутствии входного
трансформатора дело осложняется. Например, в схеме по рис. 9.43 а вход-
ной зажим, соединяющийся в этом случае с эмиттерами, обычно бывает за-
землен, и для того, чтобы можно беддо заземлить один из полюсов источни-
ков, приходится включать их не в провода коллекторов, а в провода эмит-
теров. Следует отметить, что транзисторы р-п-р и п-р-п, применяемые в рас-
сматриваемых схемах, должны быть одинаковы по своим параметрам и
характеристикам.
§ 9.13. УСИЛИТЕЛИ С НЕСКОЛЬКИМИ СТУПЕНЯМИ УСИЛЕНИЯ
Регулировка громкости. На входе усилителя обычно имеется
регулятор громкости в виде потенциометра, которым можно из-
менять переменное напряжение, подаваемое на сетку. Схемы
Рис. 9.44. Включение регулятора громкости
включения регулятора громкости показаны на рис. 9.44 а и б. Со-
противление потенциометра должно быть порядка десятков или
сотен килоом. Регулировка громкости производится почти всегда
на входе усилителя для того, чтобы не перегружать последующие
ступени слишком сильными колебаниями, так как это приводит
к нелинейным искажениям. Неправильно ставить регулятор гром-
кости, например, в оконечной ступени и снижать чрезмерно боль-
шую амплитуду колебаний, полученную в предыдущих ступенях.
При уменьшении громкости наблюдается характерное явле-
ние: чем меньше громкость, тем слабее слышны звуки низких то-
нов. В результате при малой громкости передача получается ис-
каженной. Объясняется это свойством уха воспринимать звуки
нижних частот гораздо хуже, чем звуки более высоких частот.
426
Для устранения этих искажений применяют компенсированный
регулятор громкости (рис. 9.44 в). В нем часть сопротивления по-
тенциометра зашунтирована конденсатором С, включенным по-
следовательно с сопротивлением Ri. Конденсатор уменьшает уси-
ление колебаний верхнйх частот и получается выравнивание
слышимости звуков высоких и низких тонов. Такая компенсация
необходима для слушания музыки, но может ухудшить разборчи-
вость речи. Поэтому иногда конденсатор С замыкают специаль-
ным переключателем Музыка — Речь.
Автоматическое напряжение смещения. В усилителях на лам-
пах с подогревным катодом в большинстве случаев применяется
отдельное автоматическое напряжение смещения в каждой сту-
пени. В провод катода каждой лампы включается сопротивление
Рис. 9.45. Схема общего автоматического
смещения в усилителе
смещения RK, на котором катодный ток создает нужное напря-
жение (см. рис. 9.15 и другие). Для пропускания переменной со-
ставляющей тока каждое сопротивление RK зашунтировано кон-
денсатором. Этот способ наиболее удобен, так как позволяет по-
дать напряжение смещения любой величины независимо от дру-
гих ламп. Он непригоден при катодах прямого накала, так как
эти катоды соединяются параллельно (накаливаются от обще-
го источника). Поэтому применяется общее автоматическое на-
пряжение смещения (рис. 9.45). Сопротивление смещения вклю-
чено в общую анодную цепь всех ламп и через него проходит
суммарный катодный ток. Различные напряжения смещения по-
даются от различных участков сопротивления смещения, которое
одновременно является делителем напряжения. Если напряжения
смещения на сетках ламп одинаковы, то все сеточные цепи при-
соединяются к минусу источника анодного питания. Общее авто-
матическое напряжение смещения может применяться и при по-
догревных катодах. Недостатком его является зависимость на-
пряжения смещения данной лампы от катодных токов других
427
ламп. Однако иногда это превращается в достоинство. Например,
в схеме, рис. 9.15 нельзя получить запирающее напряжение сме-
щения (лампа не может сама себя запереть), а в схеме рис. 9.45
любая лампа может быть заперта напряжением смещения, полу-
ченным за счет тока других ламп.
Анодные развязывающие фильтры. Между отдельными ступе-,
нями усилителя существует паразитная обратная связь через об-
щие цепи анодного питания. На рис. 9.46 о упрощенно показана
схема усилителя, имеющего три ступени. Рассмотрим для приме-
ра влияние последней ступени на предыдущие. Если бы анодный
источник не имел внутреннего сопротивления, то переменный
Рис. 9.46. Паразитная обратная связь через общую анодную цепь в уси-
лителе и включение анодного развязывающего фильтра
анодный ток третьей ступени полностью шел бы через источник
(следует помнить, что генератором этого тока служит лампа).
Никакого влияния на работу предыдущих ступеней не было бы.
Однако каждый анодный источник имеет внутреннее сопротивле-
ние, и поэтому часть переменного анодного тока третьей лампы
ответвляется в анодные цепи предыдущих ступеней, проходит
через их нагрузочные сопротивления ЁЛ, переходные конденса-
торы Сс и сеточные сопротивления Rc. Путь этого тока в первой
ступени показан на рис. 9.46 а стрелками. Он создает на Rc пе-
ременное напряжение, которое усиливается и в последней ступе-
ни снова возникает переменный ток, часть которого ответвляется
в предыдущие ступени, опять создает на их сетках переменное
напряжение и т. д. В результате может возникнуть паразитная
генерация в виде писка, воя или шума, напоминающего работу
мотора.
Борьба с паразитной обратной связью через общие анодные
цепи ведется с помощью анодных развязывающих фильтров,
включаемых в каждую ступень, за исключением оконечной. На
рис. 9.46 6 показан такой фильтр, состоящий из сопротивления
428
Кф порядка 5—20 ком (реже больше) и конденсатора (обыч-
но электролитического) емкостью 4—10 мкф и более.
Сопротивление 7?^ препятствует прохождению переменного
анодного тока третьей ступени в предыдущую ступень. Все же
некоторый ток через 7?^ проходит, но он возвращается на катод
третьей лампы через конденсатор Сф, имеющий малое сопротив-
ление для тока низкой частоты. Поэтому через Ra, Сс и Rc про-
ходит настолько небольшой ток, что созданное им на Rc ничтож-
ное переменное напряжение не влияет на работу усилителя.
Сеточные развязывающие фильтры. Автоматическое напря-
жение смещения по схеме рис. 9.45 также создает паразитную
обратную связь между ступенями усиления через сеточные цепи.
Рис. 9.47. Сеточные развязывающие фильтры
Действительно, через RK проходит переменный анодный ток по-
следней лампы, создающий на Як переменное напряжение. Оно
вместе с напряжением смещения подается на сетки ламп преды-
дущих ступеней и может вызвать паразитную генерацию. Шун-
тирование сопротивления RK конденсатором большой емкости
уменьшает это напряжение, но недостаточно, особенно на ниж-
них частотах, при которых емкостное сопротивление конденсато-
ра Ск не может быть малым.
Поэтому в цепь сетки каждой лампы включают развязываю-
щий фильтр С^.ф (рис. 9.47). Сопротивление Яф порядка сотен
килоом и конденсатор Сф емкостью в десятые доли микрофарады
образуют делитель напряжения. Емкостное сопротивление кон-
денсатора Сф во много раз меньше Иф. Поэтому на конденсато-
ре Сф получится ничтожная часть переменного напряжения, име-
ющегося на сопротивлении RK. Но именно от конденсатора Сф
переменное напряжение подается на сетку. Значит, паразитная
связь во много раз ослаблена, так как почти все переменное на-
пряжение падает на Кф и на сетку данной лампы не проникает.
Сеточные развязывающие фильтры при самостоятельном ав-
томатическом напряжении смещения (рис. 9.15) необязатель-
ны, так как в этой схеме нет обратной связи между ступенями
429
через сеточные цепи. Иногда все же ставят сеточный фильтр для
устранения отрицательной обратной связи в самой ступени.
Регулировка тона и тонкоррекция. В усилителях часто приме-
няется регулятор тона, позволяющий изменять частотную харак-
теристику, а вместе с тем и тон звука (тембр). Схема рис. 9.48а
дает уменьшение усиления на верхних звуковых частотах. Нем
меньше сопротивление R, тем в большей степени первичная об-
мотка трансформатора шунтируется емкостью С. Величина С бе-
рется такой, чтобы емкостное сопротивление на нижних и средних
частотах было велико и не оказывало влияния. Практически С
Рис. 9.48. Различные схемы регуляторов тона
бывает порядка 0,005—0,01 мкф, a R — порядка десятков кило-
ом. Регулятор тона рис. 9.486, наоборот, уменьшает усиление
на нижних частотах. Дроссель Д имеет большое индуктивное
сопротивление на верхних и средних частотах и поэтому не ока-
зывает влияния на этих частотах. На нижних частотах он замет-
но шунтирует первичную обмотку трансформатора и тем сильнее,
чем меньше сопротивление R. В регуляторе тона рис. 9.48 в объ-
единены предыдущие схемы. Передвигая ползунок потенциомет-
ра, можно получать уменьшение усиления на нижних или верх-
них частотах.
Иногда вместо плавной регулировки применяют переключа-
тель, позволяющий изменять частотную характеристику скачка-
ми. На рис. 9.48 г переключатель П включает сопротивления раз-
личной величины. Возможно также включение различных емко-
стей.
Кроме регуляторов тона, применяют тонкорректоры для улуч-
шения частотной характеристики. Например, в оконечных ступе-
430
Рис. 9.49. Усилитель с двумя
ступенями на двойном триоде
нях на пентодах первичную обмотку выходного трансформатора
шунтируют цепью из последовательно соединенных конденсатора
в несколько сотых долей микрофарады и сопротивления в не-
сколько десятков или сотен килоом. Такая корректирующая цепь
уменьшает свое сопротивление на
верхних частотах и компенсирует
увеличение индуктивного сопротив-
ления первичной обмотки, устраняя
в значительной степени искажения.
Лампы. В ступенях усиления на-
пряжения применяют триоды или
маломощные пентоды. На экрани-
рующую сетку пентодов дают на-
пряжение значительно ниже анод-
ного, так как большой анодный ток
в этих ступенях не нужен. Иногда
пентоды применяют в триодном ре-
жиме. Удобна схема использования двойного триода или триод-
пентода в двух ступенях усилителя (рис. 9.49). Эта схема по-
казана с двойным триодом, имеющим общий вывод от катодов;
поэтому в ней применяется общее автоматическое смещение и
сеточный развязывающий фильтр. При наличии отдельных
выводов от катодов в каждой ступени делается свое автомати-
ческое смещение, и развязывающий фильтр тогда не нужен.
§ 9.14. КАСКОДНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ
В последнее время все большее применение получает так называемый
каскодный усилитель. Простейшая схема такого усилителя на сопротивле-
ниях дана на рис. 9.50. В ней два триода соединены последовательно и пита-
ются от общего анодного источника. Входное напряжение ивх подается для
усиления на сетку лампы Ль которая включена, как Обычно, по схеме с об-
щим катодом. Нагрузочным сопротивлением для лампы JJi является лампа Лг
вместе со своим нагрузочным сопротивлением Ra. Усиленное лампой Л,
напряжение получается между ее анодом и землей и через конденсатор С
подводится к участку сетка — катод лампы Л2. Прн этом фаза переменного
напряжения на сетке Л2 такая же, как и иа сетке Лц
Лампа Л2 включена по схеме с общей (заземленной) сеткой, так как кон-
денсатор С имеет достаточно большую емкость н закорачивает сетку лампы Л2
по переменному току на землю/ Выходное напряжение получается на
сопротивлении Ra и обычно снимается между анодом Л2 и землей. Смещение
на сетке Jlt автоматическое, а для получения нужного смещеняя на сетке Л2
служит делитель R1R2. От сопротивления /?2 этого делителя на сетку Л2 сни-
мается некоторое положительное напряжение U2, а напряжение U между
анодом Л1 и землей приложено плюсом к катоду лампы Л2 и минусом к ее
сетке (через сопротивление R2). Следовательно, смещение на сетке Л2 по аб-
солютной величине равно разности U — U?. Напряжение 1/2 подбирается не-
сколько меньше U, и тогда на сетке Л2 получается отрицательное смещение.
Достоинством каскодного усилителя на триодах яаляется высокое и ус-
тойчивое усиление при сравнительно малых собственных шумах. Обычно в
каскодном усилителе применяются два одинаковых триода или двойной три-
од. Если каждый триод имеет параметры S, ц и Ri, то каскодный усилитель
431
оказывается эквивалентным усилительной ступени с одной лампой, имеющей
прежнюю крутизну S н увеличенные в ц раз коэффициент усиления и внут-
реннее сопротивление, т. е. равные ц2 н R/ц. Эти эквивалентные параметры
получаются такого же порядка, как у пентодов, В большинстве случаев
Ra < Ri Р- и коэффициент усиления каскодного усилителя может быть под-
считан так же, как и для усилителя с пентодом, по приближенной формуле
k^SRq. Давая усиление не ниже, чем ступень с пентодом, каскодный усили-
тель, с триодами создает собственные
шумы в несколько раз меньшие, чем
пентодный усилитель.
Каскодный усилитель применяется не
только для низких, но и для высоких
частот. Помимо триодов, в нем также с
успехом используются пентоды.
Рис. 9.50. Схема каскодного уси-
лителя
Большое применение получили
торых с помощью дополнительных
§ 9.15. ШИРОКОПОЛОСНЫЕ УСИ-
ЛИТЕЛИ
В ряде случаев необходимо расши-
рить диапазон частот усилителя. Для
усиления колебаний более высоких ча-
стот нужно применять лампы с более
высокой крутизной и малой входной
емкостью. Такими лампами являются
главным образом специальные широко-
полосные пентоды. Поскольку уменьше-
ние входной емкости возможно только
до известного предела, ведутся работы
по созданию ламп с большой крутизной.
Об этих лампах было рассказано в гл. 5.
В транзисторных усилителях колебания
более высоких частот могут быть усиле-
ны в ступенях по схеме с общей базой,
также широкополосные усилители, в ко-
реактнвных сопротивлений осуществлена
нужная коррекция частотной характеристики. На рис. 9.51 показаны для
усилителя на сопротивлениях простейшие схемы высокочастотной коррекции,
дающей расширение полосы частот усилителя в область более высоких ча-
стот« В схеме параллельной коррекции (рис. 9.51 а), последовательно с на-
грузочным сопротивлением R„ включен корректирующий дроссель La. Он вхо-
дит в состав параллельного колебательного контура, в который также входят
шунтирующая емкость С т , показанная штриховой линией (ее главной ча-
стью является входная емкость следующей ступени), и сопротивление Ra-
Именно этот контур является нагрузочным сопротивлением для лампы на
верхних частотах. В контур входят также конденсатор Сс и конденсатор,
шунтирующий анодный источник, но их сопротивление иа верхних частотах
очень мало и поэтому можно их не учитывать. На какой-то высшей частоте
в контуре получается резонанс токов. Сопротивление контура при резонансе
возрастает и за счет этого увеличивается коэффициент усиления ступени.
Чтобы контур имел резонансные свойства, сопротивление Ra приходится
брать сравнительно небольшим (порядка единиц килоом и даже меньше).
Вследствие этого коэффициент усиления широкополосного усилителя получа-
ется значительно ниже, чем в обычных усилителях^
Схема рис. 9.51 б называется схемой последовательной высокочастотной
коррекции. Она применяется главным образом в ступенях с триодами. Здесь
корректирующий дроссель Le включен последовательно с входной емкостью
432
Рис. 9.51. Схемы параллельной (с) и по-
следовательной (б) высокочастотной кор-
рекции в широкополосном усилителе
следующей ступени С вх (иногда дополнительно к С ех подключают еще под-
строечный конденсатор). Получается последовательный контур, в котором
на высшей Частоте возникает резонанс напряжений, создающий повышенное
переменное напряжение на ем-
кости С вх, т, е. на сетке лампы (
Л2. Подобная схема коррекции i
применяется и в транзистор-
ных широкополосных усилите-
лях.
Схема низкочастотной кор-
рекции в усилителе на сопро-
тивлениях не отличается от
рассмотренной выше схемы
ступени с анодным развязы-
вающим фильтром (см. рнс.
9.46), но только емкость Сф
здесь ие берется очень боль-
шой, а определяется по расче-
ту в зависимости от заданного
расширения частотной характе-
ристики в сторону более низ-
ких частот. На средних и
верхних частотах сопротивле-
ние емкости С ф настолько ма-
ло, что нагрузочным сопротив-
лением является только Ка.
А на нижних частотах сопро-
тивление Сф становится боль-
шим, н переменная составляю-
щая анодного тока проходит
уже через Кф, а не Сф . Сле-
довательно, к сопротивлению
Ка добавляется Кф. Увеличение
нагрузочного сопротивления приводит к возрастанию коэффициента усиления
ступени. Чтобы эффект подъема усиления на нижних частотах был достаточ-
но заметен, обычно берут Иф в несколько раз больше К а •
§ 9.16. ОТРИЦАТЕЛЬНАЯ ОБРАТНАЯ СВЯЗЬ В УСИЛИТЕЛЯХ
Качество работы усилителя можно значительно повысить, если применить
отрицательную обратную связь, т. е. подать некоторую часть выходного на-
пряжения на вход усилителя с фазой, противоположной фазе входного на-
пряжения.
Это улучшение работы усилителя заключается в следующем:
1) уменьшаются частотные и нелинейные искажения н в некоторых слу-
чаях уменьшается фон переменного тока;
2) увеличивается входное сопротивление усилителя;
3) коэффициент усиления усилителя становится более устойчивым и мень-
ше зависит от питающих напряжений, нагрузочного сопротивления, смены
ламп и других причин;
4) внутреннее сопротивление лампы усилителя значительно уменьшается,
что облегчает отдачу полезной мощности в случае низкоомной нагрузки;
5) при помощи отрицательной обратной связи можно изменять частот-
ную характеристику усилителя, т. е. осуществлять частотную коррекцию.
Надо отметить, что не в каждой схеме отрицательной обратной связи по-
лучаются одновременно все эти ценные свойства.
Важным достоинством отрицательной обратной связи следует считать
уменьшение нелинейных искажений. Они возникают-главным образом в око-
нечной ступени усилителя. Поэтому отрицательная обратная связь делается
28—2607 433
преимущественно в оконечной ступени, но иногда она охватывает н -*
предоконечную ступень. Отрицательную обратную связь, охватывающую
большее число ступеней, осуществить труднее, так как возможно, что на не-
которых частотах обратная связь станет положительной и возникнет пара-
зитная генерация. Такая опасность есть при отрицательной обратной связи)
охватывающей даже только две ступени. Недостатком отрицательной обрат-
ной связи является уменьшение коэффициента усиления. Для компенсации
этого приходится увеличивать усиление в предварительных ступенях, что
обычно не представляет затруднений и не приводит к увеличению искажений,
так как в этих ступенях искажения вообще незначительны.
Рассмотрим отрицательную обратную связь на примере схемы оконечной
ступени (рис, 9.52 а). Напряжение первичной обмотки выходного трансфор-
матора U а подано на делитель из сопротивления Ri и R2 (здесь и далее
Рис. 9.52. Схемы усилителей с отрицательной обратной связью
речь идет только о переменных напряжениях)'. Емкость С берется такой
(0,1—0,5 мкф), что ее сопротивление во всем диапазоне звуковых частот
весьма небольшое. Назначение этой емкости — устранить замыкание анодного
источника на сопротивления Ri н R2. Напряжение обратной связи Uoc сни-
мается с сопротивления Rt и подается на сетку, Оно противоположно по
фазе напряжению Uex, поступающему от предыдущей ступени. Напряжение
на сетке равно: U с — Uex — Uoc > отсюда следует, что Uex =U£ +UOC , т. е.
Uex должно быть больше Uс .
Коэффициент усиления усилителя без Обратной связи равен:
k = -7^- или Ua = Ш-.
ие
Отношение напряжения U ос к напряжению Ua называется коэффициент-
том обратной связи 0 и показывает, какая часть переменного напряжения
анодной цепи (на выходе) подается обратно в цепь сетки (на вход) усили-
теля:
= ИЛИ иос = $иа.
U а
Величина 0 в усилителях берется от 0,05 до 0,2.
434
Коэффициент усиления ступени при наличии обратной связи равен!
k' =а
Ug
Но t/ejf « Uc -|- l/oc = Uc -f- =, Uc -|- $kUc = (!-)- РА)«
На основании этого равенства можно написать
t/e(l + ₽£)
или окончательно
' k
k = 1+₽*
Усиление уменьшается в 1 + раз, В такое же число раз возможно умень-
шить частотные и нелинейные искажения, а также фон. Например, коэффи-
циент нелинейных искажений прн наличии обратной связи равен:
Ь = ---------
" 1 + ₽А ’
где kH — коэффициент нелинейных искажений при отсутствии обратной связи.
Входное напряжение при отсутствии обратной связи равно Uc, а прн на-
личии обратной связи Uax = Uc (1 + рй). Следовательно, для того, чтобы ском-
пенсировать уменьшение усиления в 1 + рЛ раз, приходится подавать на вход
напряжение, большее, чем при отсутствии обратной связи, в 1 + рй раз. Тогда
мощность на выходе не уменьшится.
Так как входное напряжение пришлось увеличить в 1 + рй раз, то это
означает, что входное сопротивление усилителя увеличилось в такое же чис-
ло раз.
Уменьшение частотных искажений разберем на примере. Пусть ступень
имеет без обратной связи на средней частоте £=50. Тогда при обратной
связи с коэффициентом Р=0,1 усиление станет равно:
Усиление уменьшилось в 6 раз, так как 1 + Р£=6, Предположим, что без
обратной связи на какой-то иижней или верхней частоте £=40, т. е. имеется
уменьшение усиления на 20%; При наличии обратной связи на этой частоте
40
1 + р£=1+0,1.40=5 и, следовательно, k'= — =8. По сравнению с усилением
О
для средней частоты (8,33) получилось уменьшение усиления всего лишь на
4%.
Частотные искажения уменьшились в 1 + РЛ раз (в данном примере в
5 раз). Чем меньше усиление на какой-либо частоте, тем меньше напряже-
ние на выходе. Соответственно меньше напряжение обратной связи, и это в
известной степени компенсирует снижение усиления на данной частоте. Ана-
логичный результат можно получить для случая подъема усиления. Усили-
тель с отрицательной обратной связью автоматически выравнивает свою
частотную характеристику.
Приведенные выше рассуждения остаются в силе и в случае изменения
коэффициента усиления усилителя не только от изменения частоты, а по лю-
бым другим причинам. Таким образом, относительное (процентное) измене-
ние коэффициента усиления усилителя под давлением любых факторов при
наличии отрицательной обратной связи уменьшается в 1 + fj£ раз,. т. е. уси-
28* 435
пение становится более
следующей формулой:
устойчивым. Математически это можно выразить
Д/г
Ыг k
k' ~ 1 4- p k
или Kk’ % =
1 + 3A *
Интересен случай, когда величина рй значительно больше 1. Тогда
Рнс. 9.53. Уменьшение нелинейных искаже-
ний с помощью отрицательной обратной
связи
Получается, что усиление
вообще не зависит от величи-
ны k и других факторов, а оп-
ределяется исключительно ве-
личиной р. В этом случае име-
ется устойчивое, хотя и не-
большое усиление, почти не за-
висящее от частоты, т. е, ча-
стотные искажения почти от-
сутствуют.
Уменьшение нелинейных ис-
кажений с помощью отрица-
тельной обратной связи пояс-
няет следующий пример. На
рис. 9.53 а показаны графики
входного и искаженного вы-
ходного напряжений в усили-
теле без обратной связи (мас-
штабы UM и Uвых разные).
Нелинейные искажения таковы,
что первая (положительная) полуволна выходного напряжения имеет боль-
шую амплитуду, чем вторая (отрицательная) полуволна.
Графики для усилителя с отрицательной обратной связью даны иа
рис. 9.53 6. Напряжение U вх по-лрежнему синусоидально. Его пришлось
увеличить, а напряжение и„с , противоположное по фазе напряжению U ех •
имеет первую полуволну с большей амплитудой, а вторую — с меньшей, так
как оно является частью выходного напряжения. Напряжение иа сетке Uc,
равное разности U вх и Uoc , показано жирной линией. Оно имеет положи-
тельную полуволну с меньшей амплитудой, а отрицательную — с большей.
Так как положительная полуволна усиливается сильнее, то на выходе на-
пряжение близко к синусоидальному. Таким образом, произошло уменьшение
нелинейных искажений.
Внутреннее сопротивление лампы в усилителе с отрицательной обратной
связью уменьшается в 1 + рр раз. Его определяют по формуле:
1 1 +₽Р ’
Во столько же раз уменьшается коэффициент усиления лампы:
, Р
И “ 2+ •
Крутизна лампы остается без изменения.
ри наличии отрицательной обратной связи любая лампа приобретает
свойства триода, и поэтому Ra следует брать равным (2-т-З)/?;.
436
В схеме рис. 9.52 а коэффициент обратной связи равен:
R1 + ^2
Общее сопротивление R1+R2 берут примерно в 20 раз больше, чем Ra.
Рассмотренная схема обратной связи называется последовательной, а на
рис. 9.52 6 показана схема с параллельной обратной связью, в которой
п _
Ro6m + R
где Ro6m есть общее сопротивление соединенных параллельно R а< Rc и Ri
предыдущей лампы.
Следует отметить, что параллельная обратная связь уменьшает входное
сопротивление усилителя.
Недостаток рассмотренных схем в том, что онн не уменьшают фон от
пульсаций анодного напряжения. Действительно, напряжение пульсаций по-
падает на анод и сетку лампы (через делитель обратной связи) в одной и
той же фазе и вызывает пульсации анодного тока. Схема рис. 9.52 в свободна
от такого недостатка. В ней напряжение обратной связи получается от до-
полнительной обмотки выходного трансформатора. Схема обратной связи,
охватывающей две ступени, показана на рис. 9.52 г. Напряжение U ос полу-
чается с помощью делителя, включенного на выходе, и
Ri + Rz
р=1 и k'—----
1+й
Рис. 9.54. Схема
катодного повто-
рителя (усилите-
ля с катодным
выходом)
За величину k в этом случае надо считать полный коэффициент усиления
„ . Uвых
двух ступеней, т. е. я= —--.
Сильная отрицательная обратная связь получается в схеме с катодной на-
грузкой нли катодным выходом (рис. 9.54). В ней нагрузочное сопротивление
Ra включено со стороны катода и все напряжение ивых на этом сопротив-
лении является напряжением обратной связи. Поэтому
т. е. k' получается немного меньше единицы.
Ступень с катодным выходом дает малые искажения,
имеет малую входную емкость, большое входное сопро-
тивление и малое выходное сопротивление. Она приме-
няется в качестве оконечной или предоконечной ступени
в широкополосных усилителях, дающих равномерное
усиление в широком диапазоне частот, и в ряде других
случаев. Особенностью ступени с катодным выходом яв-
ляется то, что Uвых не только почти равно Uex< но и
совпадает с ним по фазе, а не перевернуто, как в обыч-
ных усилителях. Поэтому такую ступень называют ка-
тодным повторителем.
В рассмотренных схемах применялась обратная
связь по напряжению. Реже применяется отрицатель-
ная обратная связь по току. Схема для этого случая не
отличается от схемы автоматического смещения, но ка-
тодное сопротивление RK не шунтируется емкостью. По-
лучающееся на RK переменное напряжение является
напряжением обратной связи. Оно пропорционально переменному анодному
току. Обратная связь по току уменьшает нелинейные искажения, фон и уси-
ление ступени, но частотные искажения не уменьшаются, а могут даже уве-
личиться.
Если сделать Р различным для разных частот, то возможно осуществлять
частотную коррекцию. Для этого в цепь обратной связи вводят реактивные
437
Рис. 9.55. Отрицательная обратная связь
в трансформаторной ступени с транзи-
стором
сопротивления. Например, если в схеме рис. 9.52 а зашунтировать
сопротивление Ri конденсатором такой емкости, чтобы его влияние сказыва-
лось только иа верхних частотах, то на этих частотах 0 уменьшится и усиле-
ние поднимется. Наоборот, если конденсатором зашунтировать R,, то на
верхних частотах 0 увеличится и
усиление на этих частотах умень-
шится. На этом же принципе мож-
но осуществить регулировку тона.
В транзисторных усилителях
отрицательная обратная связь
осуществляется так же, как и в
ламповых усилителях. Для приме-
ра на рис. 9.55 показана схема
транзисторной трансформаторной
ступени с отрицательной обрат-
ной связью, аналогичная схеме
рис. 9.52 в. Напряжение обратной
связи Uoc получается от допол-
нительной обмотки выходного
трансформатора и подается вместе с входным напряжением на участок ба-
за — эмиттер транзистора. Сопротивление R, как обычно, служит для подачи
смещения на базу. Часто применяется параллельная обратная связь, аналогич-
ная схеме рис. 9.52 6. Широкое распространение получил эмиттерный повто-
ритель, т. е. усилитель с общим коллектором, который по своим свойствам
подобен катодному повторителю.
§ 8.17. ВОПРОСЫ И ЗАДАЧИ
1. Усилитель имеет 5 ступеней. Коэффициент усиления каждой из пер-
вых трех ступеней равен 20, предоконечная ступень имеет й4= 10, а оконеч-
ная — feg=4. Определить коэффициент усиления всего усилителя.
2. Зависит ли выходная мощность усилителя от величины нагрузочного
сопротивления, на которое работает оконечная ступень?
3. Можно ли считать достаточным, если усилитель дает равномерное
усиление в диапазоне частот 300—3000 гц?
4. Начертите частотную характеристику усилителя, дающего подъем уси-
ления на нижних частотах и уменьшение усиления на верхних частотах.
5. Что такое коррекция частотных искажений?
6. Усилитель имеет коэффициент нелинейных искажений йЛ==7%. Что
это означает?
7. Какие искажения и почему вносят лампы?
8. Найти коэффициент усиления ступени, если она имеет лампу с пара-
метрами ц=12, /?/=8000 ом, a Ra =40 000 ом,
9. Почему в эквивалентной схеме усилительной ступени не изображают
источник анодного напряжения?
10. Начертите эквивалентную схему анодной цепи усилительной ступе-
ни для постоянной составляющей анодного тока.
11. Перечертите на клетчатую бумагу динамическую характеристику
лампы (рис. 5.29), выберите напряжение смещения и постройте графическое
изображение усилительного процесса для переменного напряжения на сетке
с амплитудой U
12. Из той же характеристики определите, какое максимальное перемен-
ное напряжение можно подвести к сетке для усиления без искажений и ка-
кое при этом нужно напряжение смещения?
13. Каково назначение отрицательного напряжения смещения в усили-
тельной ступени?
14. Объясните, почему для усиления с меньшими нелинейными искаже-
ниями больших переменных напряжений рекомендуется увеличивать анодное
напряжение на лампе,
438
15. Почему оконечная ступень обычно не бывает на сопротивлениях?
16. Усилитель имеет коэффициент усиления 1000000. Получится ли на
выходе напряжение в 1 000000 в, если на вход дать напряжение 1 в?
17. Анодный источник дает напряжение 350 в, постояннный анодный ток
в ступени усиления на сопротивлениях с триодом /О=2,5 ма, Ra=80 ком
и /?Л=2 ком. Найти анодное напряжение на лампе.
18. Сопротивление /?= 1000 ом присоединено к генератору переменного
тока через понижающий трансформатор с коэффициентом трансформации
5 : 1. На какое сопротивление нагружен генератор?
19. Генератор переменного тока имеет внутреннее сопротивление 2000 ом.
Через какой трансформатор следует присоединить сопротивление 500 ом,
чтобы генератор был нагружен на 8000 ом?
20. В трансформаторном усилителе индуктивность рабочих витков пер-
вичной обмотки Lt=32 гн, индуктивность рассеяния Ар =0,5 гн. Какое со-
противление имеют эти индуктивности на низкой частоте 100 гц и на более
высокой частоте 5000 гц?
21. Какие преимущества и недостатки имеет трансформаторный усилитель
по сравнению с дроссельным?
22. Почему нельзя делать междуламповый трансформатор с очень малым
сечением сердечника?
23. Начертите эквивалентные схемы трансформаторного усилителя с па-
раллельным анодным питанием для низших и высших частот.
24. Постоянная составляющая катодного тока лампы 1К =2,5 ма. Какое
сопротивление RK надо включить в провод катода, чтобы получить напря-
жение смещения —4 в?
25. Можно ли с помощью автоматического напряжения смещения по
схеме рис. 9.8 запереть лампу?
26. Какое влияние на частотную характеристику усилителя оказывает
конденсатор Ск > шунтирующий сопротивление автоматического смещения
RK ? Дайте подробное объяснение.
27. Правильно ли взять для оконечной ступени на грноде, имеющем
Ri = 1000 ом, нагрузочное сопротивление 200 ом?
28. Какое нагрузочное сопротивление следует иметь для оконечного
пентода, у которого внутреннее сопротивление Ri =60 ком?
29. Почему выходной трансформатор всегда имеет значительно большее
сечение сердечника, чем междуламповые трансформаторы?
30. Почему в двухтактной оконечной ступени нежелательно иметь в
лампах разные величины постоянных составляющих анодных токов?
31. При одной и той же мощности в какой ступени усиления сердечник
выходного трансформатора может иметь меньшее сечение: в одиотактной
или в двухтактной?
32, Начертите двухтактную схему оконечной ступени с пентодами, имею-
щими самостоятельное автоматическое напряжение смещения в каждом плече.
33. Какие преимущества имеет режим усиления класса А по сравнению
с режимами В и АВ?
34. Начертите схему ступени усиления на сопротивлениях с анодным раз-
вязывающим фильтром, состоящим из двух звеньев.
35. Катодный ток лампы равен /«=30 ма. Для получения автоматиче-
ского напряжения смещения в цепь этого тока включено сопротивление
1200 ом. Найти величину напряжения смещения.
36. Почему звуковую катушку динамического громкоговорителя, как пра-
вило, нельзя включать непосредственно в анодную цепь оконечной ступени?.
37. Зачем применяются регуляторы тона?
38. Составьте схему усилителя с первой ступенью на пентоде 6Ж8, вто-
рой ступенью на триоде 6С5С и третьей ступенью двухтактной на лампе
6Н7С. Вход должен иметь переключатель на микрофон и на звукосниматель,
а также регулятор громкости. В последней ступени включите регулятор тона.
Примените автоматические напряжения смещения и в первых двух ступе-
439
нях — анодные развязывающие фильтры. Начертите схему выпрямителя на
лампе 5Ц4С, питающего усилитель. Укажите примерные данные деталей схемы.
39. Ступень усиления иа сопротивлениях с триодом имеет следующие
данные: /?д=80 ком, R« =2 ком, 1а—2 ма, напряжение анодного источ-
ника 240 в, а минус его включен на корпус, Найдите величину анодного на-
пряжения и напряжения смещения, а также определите потенциалы относи-
тельно корпуса следующих точек схемы: анода, управляющей сетки, катода,
плюса источника анодного напряжения.
40. При усилении синусоидального напряжения на выходе усилителя,
кроме напряжения основной частоты с амплитудой Uml =20 в, получилось
еще и напряжение второй гармоники с амплитудой Um2 =1,6 в. Определите
величину коэффициента нелинейных искажений.
41. Почему не делают первичную обмотку междулампового трансфор-
матора с очень большим числом витков, например несколько десятков тысяч,
для получения большого индуктивного сопротивления?
42. Усилитель развивает в нагрузочном сопротивлении 140 ом выходную
мощность 70 вт. Какова при этом амплитуда напряжения на выходе?
43, На каких частотах вносит искажения собственная емкость обмоток
трансформаторов?
44. Составьте схему трехступенного усилителя на лампах с катодами
прямого накала для работы от микрофона. Первые две ступени на пентодах
по схеме на сопротивлениях, последняя ступень на пентоде с трансформатор-
ным выходом. Напряжение смещения автоматическое: на управляющие сетки
первых двух ламп — 3 в, а на управляющую сетку выходной лампы — 10 в.
Рассчитайте сопротивления автоматического смещения, если постоянные со-
ставляющие катодных токов равны: /Л1 = /К2 = 1,5 ма и 1 кз =22 ма. В первых
ступенях включите анодные и сеточные развязывающие фильтры.
45. Аноды ламп оконечной ступени, имеющей фиксированное напряжение
смещения, во время усиления речи оратора накаливаются до темно-красного
цвета, а в паузах становится совсем темными. В каком режиме работает
ступень: в классе А или АВ?
46. Сопротивление автоматического смещения мощной ступени RK имеет
200 ол. Желательно, чтобы на самой низкой частоте 50 гц шунтирующий
это сопротивление конденсатор имел сопротивление в 10 раз меньше Ка-
кова должна быть его емкость?
47. Для чего применяются фазоинверсные схемы усилителей?
48. Что такое отрицательная обратная связь?
49. Какие улучшения можно получить в усилителе, если применить в нем
отрицательную обратную связь?
50. Во сколько раз уменьшится коэффициент усиления усилителя, равный
до введения обратной связи £=100, если 0=0,2?
51. Какие особенности имеет усилительная ступень с катодным выходом?
52. Почему во многих-случаях желательно, чтобы усилитель имел большое
входное сопротивление?
53. В каких случаях недопустимо непосредственное включение источника
усиливаемых колебаний к сетке лампы усилителя?
54. Каково назначение сопротивления утечки Rc в усилителях? Почему оно
должно быть большим?
55. Сделайте сравнение основных свойств транзисторных усилителей, име-
ющих схемы с общим эмиттером, общей базой и общим коллектором.
56. Как строится динамическая характеристика транзистора в семействе
его статических выходных характеристик?
57. Начертите схему транзисторного усилителя, имеющего две ступени
с трансформаторной связью, входной и выходной трансформаторы. Транзи-
сторы включены с общим эмиттером и имеют эмиттерную стабилизацию.
58. Из каких соображений выбираются детали усилительной ступени на
сопротивлениях?
440
59. Как получается упрощенная формула для коэффициента усиления сту-
пени с пентодом k^SR
60. Начертите схему усилителя, имеющего две ступени на сопротивлениях
с транзисторами, включенными с общей базой.
61. Начертите схему трансформаторного усилителя с двумя ступенями,
имеющими транзисторы, включенные с общей базой.
62, Составьте схему фазоинверсной ступени с транзисторами.
63. В чем заключаются преимущества ультралинейного усилителя?
64. Каким образом осуществляются схемы оконечных ступеней без вы-
ходного трансформатора?
65. Что такое каскодный усилитель?
66. В чем состоит принцип высокочастотной и низкочастотной коррекции
в широкополосных усилителях?
67. Какой усилитель называется эмиттерным повторителем? Каковы его
свойства?
68. Какое принципиальное отличие имеется между усилением колебаний
с помощью усилителя и повышением переменного напряжения с помощью
трансформатора?
69, Что такое ток покоя?
70. Каким образом возникают за счет сеточного тока искажения колеба-
ний при усилении? Как эти искажения зависят от внутреннего сопротивления
источника колебаний?
71. Если в цепь сетки включены источник колебаний и источник отрица-
тельного напряжения смещения, то какой из ннх может создать сеточный ток?
72. Как следует строить динамическую анодную характеристику для лам-
пы, работающей в трансформаторной ступени?
73. В чем заключается вредное влияние входной емкости лампы в уси-
лительной ступени? Как это влияние зависит от частоты?
74. При каком условии лампа в усилительной ступени будет работать без
сеточного тока?
ГЛАВА 10.
ГЕНЕРАТОРЫ И ПЕРЕДАТЧИКИ
§ 10.1. ЛАМПОВЫЙ ГЕНЕРАТОР С САМОВОЗБУЖДЕНИЕМ
Ламповые генераторы служат для создания электрических
колебаний, т. е. переменных токов любой частоты. Простейший
ламповый генератор был рассмотрен в §5.11. Он состоит из лам-
пы (трехэлектродной или более сложной), колебательного конту-
ра, источников питания и цепи
обратной связи (рис. 10.1).
Все ламповые генераторы
принято делить на две группы:
1) генераторы с посторонним
или независимым возбуждением,
у которых на сетку лампы пере-
менное напряжение, называемое
обычно напряжением возбужде-
ния, подается от другого генера-
тора-возбудителя;
2) генераторы с самовозбуж-
дением или автогенераторы, у
которых напряжение возбужде-
ния подается от собственного
Рис. 10.1. Схема лампового
генератора с индуктивной об-
ратной связью
колебательного контура. Генера-
тор с индуктивной обратной связью на рис. 10.1 относится к ге-
нераторам с самовозбуждением. Обратная связь является при-
знаком генератора с самовозбуждением.
При замыкании ключа К возникает анодный ток, заряжаю-
щий конденсатор колебательного контура. В контуре начинаются
свободные затухающие колебания. Переменный ток, проходящий
через катушку L, индуктирует переменное напряжение в сеточ-
ной катушке Lc. Оно подается на сетку и вызывает пульсацию
анодного тока. В нем появляется переменная составляющая. Ге-
1нератором этого переменного тока является сама лампа так же,
как и в усилительной ступени. Переменная составляющая анод-
ного тока создает на контуре LC переменное напряжение. Это
напряжение есть усиленное лампой переменное напряжение сет-
ки, так как контур представляет собой нагрузочное сопротивле-
. я
м
442
иие для лампы. Частота переменного напряжения сетки равна
частоте собственных колебаний контура. Следовательно, и пере-
менная составляющая анодного тока имеет ту же частоту. По-
этому в анодном контуре автоматически всегда будет резонанс
токов, и контур для переменной составляющей анодного тока
представляет большое сопротивление.
Чтобы колебания, начавшиеся в контуре после замыкания
анодной цепи, не затухали, а поддерживались переменной состав-
ляющей анодного тока и превратились в незатухающие, необхо-
димо совпадение по фазе усиленного напряжения, созданного на
контуре LC переменной составляющей анодного тока, с напряже-
нием свободных колебаний в контуре. В противном случае начав-
шиеся колебания затухнут.
Это можно пояснить следующим примером. Если свободные
колебания совершает тяжелый маятник (например, качели), то
для поддержания колебаний и превращения их в незатухающие
нужно подталкивать маятник с частотой, равной его собственной
частоте, и так, чтобы фаза внешней силы совпадала с фазой ко-
лебаний маятника. А если не соблюдать надлежащего соотноше-
ния фаз, например, толкать маятник противоположно его собст-
венному движению, то он быстро остановится.
Правильная фаза обратной связи достигается соответствую-
щим включением концов катушек L и Lc . На практике при отсут-
ствии самовозбуждения в генераторе с индуктивной обратной
связью меняют места включения концов сеточной катушки Lc и
тогда генерация колебаний возникает, если в схеме нет других
неисправностей. При правильном включении катушек перемен-
ные напряжения на сетке и на аноде лампы противоположны по
фазе. Это легко понять из следующих соображений. Когда в кон-
туре возникли колебания и в течение первой четверти периода
конденсатор разрядился на катушку, произошла потеря части
энергии в активном сопротивлении. В течение следующей четвер-
ти периода, когда конденсатор заряжается под влиянием эдс
самоиндукции катушки, эта потеря должна быть скомпенсирова-
на переменной составляющей анодного тока лампы. Если, напри-
мер, в течение этой четверти периода обкладка конденсатора,
соединенная с анодом (верхняя на рис. 10.1), заряжается отрица-
тельно, т. е. на аноде переменное напряжение имеет знак минус,
то анодный ток должен иметь положительную полуволну, т. е.
должно быть возрастание тока для того, чтобы новые электроны
пришли на верхнюю обкладку конденсатора и увеличили напря-
жение на нем до прежнего значения. Но для увеличения анодного
тока на сетке должна быть положительная полуволна напряже-
ния, противоположная по фазе напряжению на аноде.
Кроме такого сдвига фаз, необходима обратная связь не слиш-
ком малой величины. Если она будет слабой, то переменное на-
пряжение на сетке создаст слишком малую переменную состав-
443
ляющую анодного тока, энергия которой будет недостаточна
для компенсации потерь в контуре. Таким образом, условия са-
мовозбуждения лампового генератора следующие:
1) переменные напряжения на аноде и на сетке должны быть
сдвинуты по фазе на 180°;
2) обратная связь должна быть достаточно сильной.
В принципе генератор с самовозбуждением мало отличается
от усилительной ступени. Колебания, возникшие в контуре, с по-
мощью обратной связи подаются на сетку, усиленное переменное
напряжение получается на контуре и снова поступает на сетку,
снова усиливается и т. д. Амплитуда колебаний постепенно воз-
растает и доходит до некоторого предела. Как видно, ламповый
генератор с самовозбуждением колебаний является усилителем
своих собственных колебаний.
Полезно рассмотреть ламповый генератор более подробно именно как уси-
лительную ступень с положительной обратной связью и нагрузочным сопро-
тивлением в виде параллельного колебательного контура, работающего в ре-
жиме резонанса токов.
Пусть такая ступень имеет коэффициент усиления k, равный для при-
мера 10. Предположим, что при включении анодного источника в контуре
возникают колебания с амплитудой напряжения UmK i200 в. Величина об-
ратной связи характеризуется коэффициентом обратной связи р, который
показывает, какая доля напряжения анодного контура подается с помощью
обратной связи на сетку лампы. Если Р=0,1, т. е. представляет собой вели-
чину, обратную коэффициенту усиления ступени, то на сетку будет подано
переменное наприжение с амплитудой Umc=2O в. Оно усилится в 10 раз,
и на контуре снова получится 200 в. С помощью обратной связи 0,1 этого
напряжения, т. е. 20 в, подается опять на сетку, усиливается лампой в 10 раз
и на контуре опять будет напряжение 200 в и т. д. Как видно, процесс уси-
ления колебаний может продолжаться сколь угодно долго,.
1 1
Но если р<—, то колебания затухнут, Например, если Р= — » то на
сетку в начале' передается уже только 10 в, а не 20 в. Усиленное в 10 раз
напряжение составит 100 в вместо 200 в. Далее на сетку подается от
100 в, т. е. только 5 в. После усиления в 10 раз это даст на контуре только
50 в и т. д. Очевидно, что колебательный процесс затухает. Конечно, затуха-
ние происходит плавно, а не скачками.
Таким образом, для получения незатухающих колебаний, нужно, чтобы
соблюдалось условие р=~—- . Однако этот режим является весьма неустой-
к
чввым. Даже самое незначительное уменьшение коэффициента усиления сту-
пени k, которое может произойти от изменения режима работы лампы, при-
ведет к тому, что величина -— возрастет и станет больше В. Но тогда усло-
к
вие самовозбуждения нарушится и колебания затухнут. Чтобы генератор
работал устойчиво, надо установить такую обратную связь, при которой
₽ > —. Тогда после первоначального возникновения колебаний амплитуда
к
их будет нарастать, но не до бесконечно большого значения, так как анодный
ток при колебаниях может возрастать только до тока насыщения и умень-
444
шаться только до нуля. Кроме того, при увеличении амплитуды колебаний за-
хватываются нелинейные участки характеристики лампы. При этом средние
значения р и S уменьшаются, а /?, увеличивается. Это приводит к тому, что
коэффициент усиления ступени k уменьшается, а величина
— возрастает.
k
1
В конце концов при некоторой амплитуде колебаний величина ~
станет
равна Р и дальнейшее нарастание колебаний прекращается. Устанавливается
определенная амплитуда колебаний, с которой генератор может работать лю-
бое нужное время.
Обратная связь, прн которой р >~— , необходима еще и потому, что в этом
случае даже при малом начальном импульсе начавшиеся слабые колебания
возрастут до максимального значения, определяемого режимом генератора,
и установится непрерывная генерация колебаний достаточно большой ампли-
туды.
Зависимость коэффициента усиления ступени k от параметров лампы и ре-
зонансного сопротивления анодного контура R3 выражается формулой
. _ 1’^э
Я/ + Я, '
Следовательно, для получения устойчивой генерации колебаний необхо-
димо соблюдение условия
я > —I
k p.R3 pR3 p
p
Используя соотношение S= — , можно окончательно написать:
Ri
1 1
₽ > SR3 + р '
Таким образом, чем меньше крутизна, коэффициент усиления лампы и ре-
зонансное сопротивление контура, тем сильнее должна быть обратная связь
для генерации колебаний. Для тетродов н пентодов k^SR3 и для генера-
торов с этими лампами условие самовозбуждения приближенно можно напи-
сать проще: Р>-~—-, т. е. величина ц практически не влияет на необходимый
для генерации коэффициент обратной связи, который зависит только от S и R3.
§ 10.2. РЕЖИМ, МОЩНОСТЬ И КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО
действия лампового генератора
Если усиливать обратную связь, например сближать катуш-
ки L и Lc в схеме с индуктивной обратной связью, то переменное
напряжение сетки увеличится, возрастет переменная составляю-
щая анодного тока и станут сильнее колебания в контуре. Это
происходит до известного предела, так как при больших напря-
жениях сетки анодный ток достигает насыщения и возникает
значительный сеточный ток, на образование которого тратится
часть энергии контура. Такой режим называется перенапряжен-
ным. Наоборот, режим при более слабой обратной связи назы-
вают недонапряженным. Режим генератора, средний между
445
этими случаями, является нормальным, получающимся при не-
которой средней величине обратной связи. В нормальном режи-
ме анодный ток изменяется обычно от нуля до тока насыщения,
но сеточный ток еще невелик. Все эти режимы графически пока-
заны на рис. 10.2. Увеличение переменного напряжения на сетке
дает переход от недонапряженного режима (рис. 10.2 а) к нор-
мальному (рис. 10.26), а затем к перенапряженному (рис. 10.2в).
Для последнего режима характерно искажение формы колеба-
ний анодного тока, в котором появляются провалы за счет боль-
ших сеточных токов.
Рис. 10.2. Недонапряжевный (а), нормальный (б) и перенапряженный
(в) режимы' работы лампового генератора
У лампового генератора различают: 1) подводимую мощ-
ность Р, забираемую от анодного источника, 2) мощность потерь
на аноде Ра , затрачиваемую на нагревание анода лампы, 3) ко-
лебательную или полезную мощность Рк в контуре.
Подводимая мощность расходуется на создание колебатель-
ной мощности и на нагрев анода. Поэтому можно написать
Р = Рк + Ра.
Если передатчик не генерирует, то Рк= 0 и вся подводимая
мощность теряется на аноде, т. е. Р=РО . Этот случай является
наиболее тяжелым для лампы, так как может получиться пере-
грев и даже расплавление анода. На практике стараются не
допускать срыва колебаний в генераторе, чтобы не погубить
лампу.
Величину полезной мощности, которую может дать лампа,
легко подсчитать по формуле
^~0,21„aet/a,
где 1нас — ток насыщения и Ua — анодное напряжение лампы.
Видно, что увеличение полезной мощности можно осущест-
вить повышением анодного напряжения. В зависимости от ре-
жима работы мощность в контуре может быть и меньше, чем
рассчитанная по данной формуле. При этом мощность потерь
446
на аноде Р а не должна превышать максимально допустимую
Ра макс' ‘ ,
Важным показателем режима работы лампового генератора
является коэффициент полезного действия (кпд). Он представ-
ляет собой отношение полезной мощности к подводимой, т. е.
показывает, какую часть подводимой мощности составляет по-
лезная мощность. Обычно кпд выражают в процентахЕ
ЮО.
У ламповых генераторов кпд доходит до 70—80%; причем
в генераторах малой мощности он бывает меньше.
Подводимую мощность можно подсчитать, если известны
постоянная слагающая анодного тока I а= и напряжение анод-
ного источника Uа. В работающем генераторе их измеряют. Фор-
мула для вычисления Р будет
^Ua-
ДЛЯ повышения Рк и кпд нужно по возможности увеличить
переменную составляющую анодного тока и уменьшить постоян-
ную составляющую. Чтобы увеличить переменную составляю-
щую, нужно использовать всю характеристику до тока насыще-
ния, а для уменьшения постоянной составляющей подают на
сетку отрицательное напряжение смещения. Режимы, показан-
ные на рис. 10.2, соответствуют работе без напряжения смеще-
ния. При этом в недонапряженном и нормальном режимах ко-
лебания имеют синусоидальный характер. Такой режим назы-
вается режимом колебаний без отсечки или колебаний первого
рода. Он дает малый кпд (не более 40—45%', а практически
меньше) и применяется лишь в таких маломощных генераторах,
которые должны давать синусои-
дальные колебания. Этот режим
аналогичен режиму усиления
класса А.
Значительно выгоднее режим
колебаний с отсечкой или коле-
баний второго рода, получаю-
щийся путем сдвига рабочей точ-
ки напряжением смещения Есж
и увеличения напряжения возбу-
ждения. Пример колебаний вто-
Рис. 10.3. Режим колебаний с
отсечкой (второго рода)
рого рода показан на рис. 10.3.
Он напоминает режим усиления класса В. Форма импульсов
анодного тока при колебаниях второго рода зависит от напряже-
ния смещения и напряжения возбуждения. Так как импульсы
анодного тока отделены друг от друга промежутками, в течение
447
которых ток отсутствует, то постоянная слагающая меньше, чем
у колебаний первого рода.
Чем больше промежутки между импульсами, тем меньше по-
стоянная составляющая и выше кпд. Максимальной полезной
.мощности и максимального кпд добиваются путем подбора на-
пряжений смещения и возбуждения. О величине мощности в
контуре судят по индикатору колебаний высокой частоты, на-
пример в виде лампочки накаливания, связанной индуктивно с
контуром или по термоамперметру, включенному в контур. Ми-
нимум подводимой мощности обнаруживается по минимальному
показанию анодного мил-
лиамперметра или по на-
именьшему нагреву ано-
да лампы.
Напряжение смеще-
ния для наивыгоднейшего
режима можно прибли-
женно определить по ха-
рактеристике лампы. Ра-
бочая точка должна быть
в начале характеристики,
автоматиче- как в режиме класса В,
сопротивле- или еще левее. Режим, в
котором импульсы анод-
полупериода, в отличие от класса В,
С.
Рис. 10.4. Способы получения
ского смещения от сеточного
ния (гридлика)
ного тока длятся меньше
называют режимом класса
Для получения напряжения смещения можно использовать
падение напряжения, создаваемое постоянной составляющей се-
точного тока на сопротивлении, включенном в цепь сетки. Такой
метод широко применяется в ламповых генераторах и передат-
чиках, работающих обычно с большими амплитудами напряже-
ний на сетке, а следовательно, с сеточными токами. На рис. 10.4
показаны два варианта схемы сеточной цепи генератора, в кото-
ром получается смещение от сеточного тока. В цепь сетки вклю-
чен последовательно конденсатор Сс, через который на сетку по-
дается переменное напряжение, а для прохождения постоянной
составляющей сеточного тока включено сопротивление Rc либо
параллельно конденсатору, либо между сеткой и катодом. Эти
две детали вместе называют гридликом (от английских слов
grid — сетка и leak — утечка).
На рис. 10.4 показаны направление сеточного тока в Rc и
знаки потенциалов на концах этого сопротивления.
Схема рис. 10.4 о по существу представляет собой простей-
шую выпрямительную схему, в которой роль диода выполняет
участок сетка — катод лампы, а нагрузочным сопротивлением
является Rc. На нем от постоянной составляющей сеточного то-
ка получается постоянное напряжение с отрицательной полярно*
443
стью иа сетке, которое и является напряжением смещения. Кон-
денсатор Сс, будучи подключен параллельно Rc, сглаживает
пульсации и повышает постоянное напряжение, приближая его
к величине амплитуды переменного напряжения. Для того чтобы
конденсатор выполнял эту свою роль, так называемая постоян-
ная времени его разряда, определяющая время разряда и рав-
ная произведению CcRc, должна быть во много раз больше пе-
риода колебаний Т. Иначе говоря, сопротивление конденсато-
ра Хс должно быть во много раз меньше /?с. На высоких
частотах это условие легко обеспечивается при сравнительно
небольшой емкости, порядка сотен пикофарад. Величина Rc
обычно бывает порядка единиц или десятков килоом.
В схеме рис. 10.4 б процессы происходят аналогично. Появ-
ляющиеся под влиянием положительных полуволн сеточного на-
пряжения импульсы сеточного тока заряжают конденсатор Сс.
В промежутках между этими импульсами конденсатор Сс раз-
ряжается через Rc и катушку Lc и поддерживает на Rc падение
напряжения, являющееся сеточным смещением. Если XC=RC,
то постоянная составляющая напряжения на Rc близка к ампли-
туде переменного напряжения Umc. Разница между двумя схе-
мами рис. 10.4 заключается в том, что в схеме а на Rc и Сс
имеется практически только одно постоянное напряжение (с
очень небольшими пульсациями), а переменное напряжение
вместе с постоянным приложено к участку сетка — катод. В схе-
ме б на Rc, которое включено параллельно участку сетка — ка-
тод, имеется и постоянное и переменное напряжения, а на Сс —
практически только постоянное напряжение. Поскольку в схеме
б к Rc приложено переменное напряжение, то для уменьшения
мощности, бесполезно расходующейся на нагрев этого сопротив-
ления, обычно последовательно с ним включают дроссель, кото-
рый резко снижает переменный ток в Rc. В схеме а дроссель не
требуется.
Получение сеточного смещения методом гридлика имеет ту
интересную особенность, что смещение автоматически возни-
кает только тогда, когда иа сетку поступает переменное напря-
жение, и оно автоматически получается тем больше, чем больше
амплитуда переменного напряжения Umc.
Действительно, если колебаний в генераторе нет, то нет пере-
менного напряжения на сетке и ток сетки можно считать равным
нулю. Следовательно, смещение отсутствует. Как только возник-
нут колебания, на сетку будет подано переменное напряжение.
Его положительные полуволны создадут импульсы сеточного
тока и возникнет сеточное смещение, которое сдвинет рабочую
точку. Если Umc возрастет, то импульсы сеточного тока также
увеличатся, возрастет постоянная составляющая сеточного тока
и смещение повысится. За счет этого амплитуда колебаний дол-
29—2607 449
жна несколько уменьшиться. Таким образом, гридлик ограничи*
вает возрастание амплитуды колебаний, т. е. оказывает стаби-
лизирующее действие.
Для иллюстрации этого на рис. 10.5 показаны графики на-
пряжения
ламповом
в цепи ।
генераторе
1а
k
la
ic.
Рис. 10.5. Установление
баний в генераторе с гридли-
ком
коле-
сетки при возникновении колебаний в
с самовозбуждением, имеющем гридлик.
Начальная рабочая точка А соот-
ветствует отсутствию смещения на
сетке. По мере возрастания ампли-
туды возникших колебаний увеличи-
ваются импульсы сеточного тока,
растет смещение и рабочая точка
сдвигается. В установившемся ре-
жиме оиа оказывается в положении
Б или еще левее, что и нужно для
~+ис режима колебаний с отсечкой. Так
как в точке А крутизна выше, чем в
точке Б, то в ламповом генераторе
. при наличии гридлика колебания
возникают легче, чем при подаче
смещения каким-либо другим спо-
собом, когда начальная рабочая
точка находится в области меньшей
крутизны.
В генераторах с посторонним
возбуждением иногда применяют
напряжение смещения от отдельно-
го источника или автоматическое
напряжение смещения, создаваемое
анодным током.
§ 10.3. СХЕМЫ ЛАМПОВЫХ ГЕНЕРАТОРОВ С САМОВОЗБУЖДЕНИЕМ
Схемы ламповых генераторов с самовозбуждением различа-
ются видами обратной связи, которая может быть индуктивной,
емкостной или автотрансформаторной. Кроме того, генераторы
бывают с последовательным анодным питанием, когда лампа и
контур соединены последовательно, или с параллельным анод-
ным питанием, когда лампа и контур подключены к анодному
источнику параллельно. Наконец, каждая схема может быть
однотактной или двухтактной.
Схема на рис. 10.1 имеет последовательное питание; в ней
контур находится под напряжением анодного питания.
На рис. 10.6 а изображен вариант схемы генератора с после-
довательным анодным питанием, в которой заземлен ротор кон-
денсатора переменной емкости, что удобно для монтажа схемы.
При этом в колебательный контур включен последовательно кон-
450
денсатор Ci. Он шунтирует анодный источник и мало влияет на
настройку контура, так как его емкость во много раз больше ем-
кости С. В схеме с параллельным питанием (рис. 10.66) разде-
лительный конденсатор Са пропускает в контур ток высокой ча-
стоты, но не допускает замыкания анодного источника через
катушку L. Он имеет емкость не менее сотен или тысяч пико-
фарад и должен быть рассчитан на двойное анодное напряже-
ние. Постоянная составляющая анодного тока проходит через
Рис. 10.6. Схемы генераторов с индук-
тивной обратной связью:
а) с последовательным анодным пита-
нием, б) с параллельным анодным пи-
танием, в) с контуром в цепи сетки
дроссель Д, имеющий для нее малое сопротивление. Но для тока
высокой частоты дроссель имеет значительное индуктивное со-
противление и преграждает ему путь в анодный источник. Без
дросселя в данной схеме колебания возникнуть не могут, так как
переменная составляющая анодного тока не пойдет в контур,
а замкнется через анодный источник, имеющий небольшое со-
противление по сравнению с сопротивлением контура. Наличие
разделительного конденсатора и анодного дросселя является
некоторым недостатком схемы параллельного питания.
В маломощных генераторах еще встречается схема с конту-
ром в цепи управляющей сетки, а не в цепи анода (рис. 10.6в).
Схема генератора с автотрансформаторной обратной связью
показана на рис. 10.7 а. В ней вся катушка L входит в состав
контура, а часть ее является сеточной катушкой. На сетку
подается часть переменного напряжения контура от катушки,
работающей как автотрансформатор. Эту схему называют трех-
451
точечной потому, что контур включен в схему тремя точками;
концы катушки присоединены к сетке и к аноду, а с некоторой
точки катушки взят отвод на катод. Положение точки к (катод)
между точками с (сетка) н а (анод) обеспечивает сдвиг фаз на
Рис. 10.7. Схемы генераторов с автотрансформаторной обратной связью:
а) с параллельным анодным питанием, б) с последовательным анодным
питанием, в) с заземленным (общим) анодом
180° между переменными напряжениями сетки и анода, что не-
обходимо для самовозбуждения. Величина обратной связи под-
бирается перестановкой точки к по виткам катушки, после чего
провод припаивается.
В схеме с автотрансформаторной обратной связью и после-
довательным питанием (рис. 10.7 б) нельзя присоединять сопро-
тивление Rc параллельно конденсатору Сс, так как тогда через
Rc на сетку попадет плюс анодного напряжения. Источник анод-
ного питания иногда включают между контуром и анодом. В та-
кой схеме (рис. 10.7 в) шасси, являющееся общим минусом,
присоединено к анодному концу контура и ток накала проходит
452
через часть витков контурной катушки. Эта схема называется
схемой с катодной связью или с заземленным (по высокой ча-
стоте) анодом. Если в ней соединить с шасси катод, а не—Ба, то
емкость между анодным источником и шасси будет шунтировать
часть катушки контура. При катоде прямого накала в схеме
рис. 10.7 в в плюсовой провод накала включают дроссель высо-
кой частоты. Без него получилось бы замыкание переменной со-
ставляющей анодного тока мимо контура через источник нака-
ла на катод (штриховая линия на рис. 10.7в). Для лампы с по-
догревным катодом этот дроссель не обязателен, так как цепь
накала может быть совершенно отдельной.
Рис. 10.8. Схемы генераторов с емкостной обратной связью и параллель-
ным анодным питанием:
а) настройка вариометром, б) настройка конденсатором
Схема с емкостной обратной связью, как правило, бывает
только с параллельным питанием (рис. 10.8 а). Она также мо-
жет быть названа трехточечной. Три точки в ней находятся на
емкостной ветви контура. Емкость контура состоит из двух по-
следовательно соединенных конденсаторов Ci и С2, образующих
делитель напряжения. Конденсатор С2 является конденсатором
обратной связи, и с него напряжение подается на сетку. На-
стройка контура производится с помощью вариометра, а в слу-
чае катушки с постоянной индуктивностью — конденсатором пе-
ременной емкости (рис. 10.8 б). Сопротивление Rc в схеме с
емкостной обратной связью включается между сеткой и като-
дом. Конденсатор в цепи сетки может отсутствовать, так как для
постоянной составляющей сеточного тока нет пути через конден-
саторы С\ и С2.
Особый интерес представляет двухконтурная схема генера-
тора с самовозбуждением (рис. 10.9). В этой схеме в цепях сет-
ки и анода имеются контуры, настроенные в резонанс, а для
обратной связи используется междуэлектродная емкость анод —
сетка С„с. Достаточная для самовозбуждения обратная связь
получается только на более коротких волнах. На более длинных
волнах включают между анодом и сеткой дополнительный кон-
денсатор. Двухконтурная схема может быть и с параллельным
питанием.
Все описанные схемы могут быть преобразованы в двухтакт-
ные. В качестве примера на рис. 10.10 а дана двухтактная схема
с индуктивной обратной связью и последовательным питанием,
а на рис. 10.106 —
Рис. 10.9. Двухконтурная схема генератора
с обратной связью через емкость анод —
сетка
двухтактная схема с
параллельным пита-
нием. Двухтактные ге-
нераторы аналогичны
двухтактным усилите-
лям низкой частоты.
Они представляют со-
бой две однотактные
схемы с общим конту-
ром, общим питанием
и другими общими де-
талями, например с об-
щим сеточным сопро-
тивлением Rc. Лампы
работают со сдвигом
фаз в 180°.
Преимущества двухтактной схемы следующие. Она дает уве-
личение мощности почти вдвое. В общих проводах питания от-
сутствуют переменная составляющая основной частоты (первая
Рис. 10.10. Двухтактные схемы ламповых генераторов:
в) с индуктивной обратной связью и последовательным анодным питанием,
6) с автотрансформаторной обратной связью и параллельным анодным пи-
танием
гармоника) и все нечетные гармоники, а в колебательном кон-
туре отсутствуют четные гармоники, которые в передатчиках
весьма нежелательны (см. § 10.6). Междуэлектродные емкости
ламп соединены последовательно. Общая их емкость становится
454
вдвое меньше. Поэтому они меньше влияют на частоту контура
и вообще на работу схемы, делая ее особенно пригодной для
весьма коротких волн, например для укв. Все эти преимущества
проявляются только при хорошей симметрии схемы.
Следует отметить, что на режим работы генератора существенно влияет
величина сопротивления нагрузки. Если анодный колебательный контур вклю-
чен в анодную цель полностью, как, например, на схемах рис. 10.1, 10.6а и б,
10.9, то нагрузочным сопротивлением для лампы служит резонансное сопро-
тивление контура, которое равно (см. § 2.6). В некоторых случаях
для наивыгоднейшего режима
генератора сопротивление на-
грузки должно быть меньше.
Но уменьшать его путем ухуд-
шения качества контура не-
выгодно, так как тогда снизит- +
ся кпд контура, а следователь-
но, и кпд генератора.
Для уменьшения сопротив-
ления нагрузки часто приме-
няют автотрансформаторную
связь контура с лампой (рис.
10.11 а). Чем меньше часть ка-
тушки L а, т. е. чем меньше
часть индуктивного сопротив-
ления контура, к которой при-
соединена лампа, тем меньше
нагрузочное сопротивление.
Если точку А переместить на
конец катушки, соединенный с
катодом, то La=Q и нагру-
зочное сопротивление станет
равно нулю (конечно, в этом
случае генератор работать не
будет!). Таким образом, пере-
мещая точку включения анода
(Л) по катушке, можно подо-
брать наивыгоднейший ре-
жим работы генератора.
Уменьшение нагрузочного сопротивления осуществляют также применени-
ем емкостной связи контура с лампой (рис. 10.116). В этом случае в контуре
последовательно включены два конденсатора Ci и С2, к одному из которых
(Ci) присоединены анод и катод лампы, Эта схема, как правило, применяется
только для генераторов с параллельным анодным питанием, причем раздели-
тельный конденсатор в ней не нужен. Чем больше емкость конденсатора Ci,
т. е. чем меньше его емкостное сопротивление, тем меньше нагрузочное со-
противление для лампы.
Рассмотренные способы уменьшения сопротивления нагрузки, конечно, мо-
гут применяться в любых схемах генераторов. А в трехточечных схемах такое
уменьшение нагрузочного сопротивления уже получается -благодаря особен-
ностям самих этих схем.
Рис. 10.11. Уменьшение сопротивления на-
грузки за счет автотрансформаторной (а)
или емкостной (6) связи анодного контура
с лампой
§ 10.4. ГЕНЕРАТОРЫ С САМОВОЗБУЖДЕНИЕМ
НА ТРАНЗИСТОРАХ
Генераторы с самовозбуждением на транзисторах в большин-
стве случаев имеют включение транзистора с общим эмиттером
и по своим схемам аналогичны ламповым генераторам, но обла-
455
дают некоторыми особенностями. В частности, они могут рабо-
тать с напряжением смещения на базе ^бэ= разной полярно-
сти, а ламповые генераторы, как известно, всегда работают с
отрицательным сеточным смещением. Эту особенность транзи-
Рис. 10.12, Возможное положе-
ние рабочей точки на переход-
ной характеристике транзисто-
ра
сторных генераторов легко понять, если рассмотреть возможные
положения рабочей точки на переходной характеристике транзи-
стора, дающей зависимость тока коллектора /«от напряжения
база — эмиттер (/бэ* (рис. 10.12).
Режим колебаний с отсечкой получается при достаточно
большой амплитуде переменного
напряжения на базе (напряжения
возбуждения). При рабочей точке
Ti генератор будет работать в ре-
жиме класса С. В этом случае на
базу подается запирающее напря-
жение смещения, например, отрица-
тельное для транзистора типа п-р-п.
Такое смещение должно устанавли-
ваться автоматически только при
большой амплитуде колебаний, так
как возникновение генерации коле-
баний в точке Т\ весьма затруднено
(при малой начальной амплитуде
генерация колебаний вообще не воз-
никнет) .
На рис. 10.13 а показана схема генератора с индуктивной
обратной связью, в котором запирающее смещение на базе соз-
дается за счет падения напряжения на сопротивлении 7?б от
Рис. 10.13. Схемы транзисторных генераторов с индук-
тивной обратной связью и автоматическим напряжени-
ем смещения
постоянной составляющей тока базы. Напряжение возбуждения
передается на базу через конденсатор Сб , который служит так-
же для сглаживания пульсаций напряжения смещения. До воз-
никновения колебаний смещение практически отсутствует. После
включения питания в контуре возникают колебания и под влия-
456
пнем отрицательных полуволн переменного напряжения на базе,
отпирающих транзистор типа р-п-р, создаются импульсы тока
базы, которые заряжают конденсатор Сб. В промежутках меж-
ду этими импульсами конденсатор разряжается через сопротив-
ление Re- Таким образом, на сопротивлении Re получается поч-
ти постоянное напряжение (с небольшими пульсациями), кото-
рое и является напряжением смещения. По мере возрастания
амплитуды колебаний это напряжение также увеличивается и
сдвигает рабочую точку, которая в конце концов устанавливает-
ся в положение 1\. Сопротивление R6 может быть включено так-
же не параллельно конденсатору Сб , а между базой и эмитте-
ром. Величина Re зависит от типа транзистора и бывает от еди-
ниц до десятков килоом.
Автоматическое смещение можно также осуществить за счет
падения напряжения от постоянной составляющей тока эмиттера
на сопротивлении, включенном в цепь эмиттера (рис. 10.13 б).
В такой схеме при отсутствии колебаний ток эмиттера весьма
мал и напряжение смещения близко к нулю, а при возникнове-
нии колебаний появляется пульсирующий ток эмиттера. Его
постоянная составляющая создает падение напряжения на со-
противлении R3, которое и является запирающим напряжением
смещения базы. Конденсатор Сэ включен для сглаживания
пульсаций. Поскольку ток эмиттера в десятки раз больше тока
базы, то величина Rs должна быть в десятки раз меньше,
чем R6. В обеих схемах конденсаторы, шунтирующие сопро-
тивления смещения, должны быть такой емкости, чтобы их
емкостные сопротивления были во много раз меньше, чем R6
или Ra.
Рассмотренные схемы обладают стабилизирующим действи-
ем. Например, если амплитуда колебаний почему-либо возра-
стает, то импульсы токов в цепях транзистора также увеличи-
ваются. Но от этого увеличивается смещение на базе и рабочая
точка Т\ сдвигается влево, что приводит к уменьшению импуль-
сов тока коллектора, а следовательно, и к уменьшению ампли-
туды колебаний в контуре. Сопротивления смещения создают
также отрицательную обратную связь по постоянному току и
обеспечивают температурную стабилизацию режима.
Рабочие точки Т2 и Т$ на характеристике рис. 10.12 получа-
ются при напряжении смещения на базе обычной полярности,
например, положительной для транзистора типа п-р-п. В этих
случаях также может быть режим колебаний с отсечкой. Точка
Т2 соответствует примерно режиму класса В. Напряжение сме-
щения для этих режимов дается так же, как и в усилителях,
от источника питания коллекторной цепи через сопротивление
(рис. 10.14). Для стабилизации режима в схеме рис. 10.14 вклю-
чают в цепь эмиттера сопротивление, шунтированное конденса-
тором, как в схеме рис. 10.136.
457
Рис. 10.14. Схема транзис-
торного генератора с пода-
чей смещения на базу от
источника питания
В приведенных схемах заземлен зажим источника Е, соеди-
ненный с эмиттером. Чтобы заземлить ротор конденсатора С,
можно в контур ввести конденсатор, шунтирующий источник Е
подобно тому, как это было сделано в схеме лампового генера-
тора рис. 10.6 а. Возможен и более простой вариант схемы, при
котором у источника Е заземляется
зажим, соединенный с контуром, а не
с эмиттером.
Подобно генератору с индуктивной
обратной связью могут быть построе-
ны трехточечные схемы транзисторных
генераторов. На рис. 10.15 а показана
схема с автотрансформаторной обрат-
ной связью и запирающим автомати-
ческим смещением от тока базы, а в
схеме рис. 10.156 напряжение смеще-
ния другого знака по сравнению с пре-
дыдущей схемой подается от источни-
ка Е через сопротивление Re.
Все приведенные выше схемы имеют последовательное пита-
ние, но они могут быть осуществлены и с параллельным пита-
нием. Для примера на рис. 10.16 даны схемы генераторов с ем-
костной обратной связью и параллельным питанием. Эти схемы
Ф О/
Рис. 10.15. Схемы транзисторных генераторов с авто-
трансформаторной обратной связью
обычно делаются только с параллельным питанием, так как
последовательное питание в них осуществить труднее.
В схеме рис. 10.16 а применено автоматическое положитель-
ное напряжение смещения от тока базы, а в схеме рис. 10.16 6
отрицательное напряжение смещения дается от источника Е.
Разделительный конденсатор Ср в этих схемах не обязателен.
Для уменьшения бесполезных потерь энергии колебаний в со-
противлении R6 во всех приведенных схемах обычно последова-
тельно с Rg включают высокочастотный дроссель.
Иногда встречаются генераторы, в которых транзистор вклю-
чен по схеме с общей базой. В качестве примера на рис. 10.17
458
дан такой генератор с индуктивной обратной связью. Сопротив-
ления /?1 и в этой схеме образуют делитель напряжения для
Рис. 10.16. Схемы транзисторных генераторов с емкостной обратной связью
зисторные генераторы. Их схемы аналогичны схемам двухтакт-
ных усилителей низкой частоты и двухтактных генераторов с
электронными лампами.
Методы стабилизации режима, рассмотренные в гл. 9 приме-
нительно к усилителям низкой частоты на транзисторах, исполь-
Рис. 10.17. Схема генератора с
индуктивной обратной связью
и включением транзистора с
обшей базой_
зуются и в генераторных схемах. С целью получения наивыгод-
нейшего режима работы генератора часто приходится умень-
шать нагрузочное сопротивление для транзистора. Это
осуществляется так же, как было показано на схемах рис. 10.11
для ламповых генераторов.
§ 10.5. ГЕНЕРАТОРЫ С САМОВОЗБУЖДЕНИЕМ БЕЗ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ
На рис. 10.18 а показана схема динатронного генератора, в
котором самовозбуждение получается за счет динатронного эф-
фекта. В анодную цепь включен контур и на аноде установлено
напряжение меньшее, чем на экранирующей сетке. «Пампа ра-
ботает на падающем участке анодной характеристики, когда
увеличение анодного напряжения дает уменьшение анодного
тока и наоборот (рис. 5.37). В таком режиме лампа будет под-
459
держивать колебания, которые могут начаться в контуре от лю-
бого электрического импульса, например при включении анод-
ного источника.
Действительно, пусть переменное напряжение на контуре
имеет в какой-то момент минус на обкладке конденсатора, сое-
диненной с анодом (рис. 10.18а). В этом случае напряжение на
аноде уменьшится, но анодный ток возрастет и создаст приток
некоторого количества электронов на верхнюю обкладку кон-
денсатора. Произойдет подзарядка конденсатора; если она будет
Рис. 10.18. Схемы динатронного (а) и
транзитронного (б) генераторов
достаточной, то потери энергии в контуре скомпенсируются и
колебания станут незатухающими. Отсутствие обратной связи
упрощает схему и позволяет включить контур только двумя точ-
ками. Динатронные генераторы применялись в качестве мало-
мощных генераторов (гетеродинов) главным образом в измери-
тельной аппаратуре. Они дают стабильную частоту колебаний.
Их недостатком является неустойчивость процесса вторичной
эмиссии.
В качестве гетеродина, т. е. маломощного генератора, иногда
применяют транзитронный генератор (рис. 10.18 б). В нем на
анод дано меньшее напряжение, чем на экранирующую сетку.
Контур включен в цепь экранирующей сетки. Защитная сетка
соединена с катодом через большое сопротивление, а через кон-
денсатор Ci на нее подается такое же переменное напряжение
с контура, как и на экранирующую сетку. Изменение напряже-
ния защитной сетки создает перераспределение токов анода и
экранирующей сетки.
Рассмотрим работу генератора на примере. Предположим,
что в контуре возникли колебания с амплитудой 10 ей в данный
момент на верхней обкладке конденсатора С имеется отрица-
тельный заряд. Постоянные напряжения анода, экранирующей
сетки и защитной сетки равны соответственно 100, 200 и 0 в.
Переменное напряжение—10 в снизит напряжение экранирую-
щей сетки с 200 до 190 в, и ток экранирующей сетки должен
немного уменьшиться. Но одновремено изменится от 0 до —10 е
460
напряжение защитной сетки. Это вызовет резкое уменьшение
анодного тока, за счет которого значительно возрастет ток экра-
нирующей сетки /с2 . Таким образом, при уменьшении напряже-
ния экранирующей сетки (в известных пределах) ток экрани-
рующей сетки возрастает и наоборот. В рассмотренном случае,
когда на верхней обкладке конденсатора С имеется отрицатель-
ный заряд, увеличение тока /с2 даст пополнение этого заряда,
т. е. компенсацию потерь энергии в контуре. Станет возможным
самовозбуждение.
Транзитронный генератор может работать на частоте от де-
сятков герц до десятков мегагерц. Управляющая сетка не уча-
ствует в колебательном процессе, но для правильного режима на
нее обычно дают отрицательное смещение.
Генераторы без обратной связи могут быть также построены
на точечных транзисторах, но они не получили широкого рас-
пространения.
§ 10.6. ПЕРЕДАТЧИК С САМОВОЗБУЖДЕНИЕМ
Передатчик представляет собой генератор, связанный с ан-
тенной. В простейших передатчиках используются генераторы
с самовозбуждением на лампах или транзисторах. Различают
передатчики с простой схемой присоединения антенны, у кото-
рых антенна входит в состав колебательного контура генера-
тора, и передатчики со сложной схемой, у которых антенный
контур является самостоятельным и связан с контуром гене-
ратора. Связь антенны с контуром генератора может быть ин-
дуктивная, емкостная или автотрансформаторная.
На рис. 10.19 а показан ламповый передатчик с индуктивной
обратной связью, простой схемой присоединения антенны и па-
раллельным питанием. Емкость контура составлена из конден-
сатора С и емкости самой антенны СА. На рис. 10.19 6 показан
передатчик с автотрансформаторной обратной связью и сложной
схемой присоединения антенны. Связь с антенной — индуктив-
ная. Конденсатор Cj служит для настройки антенного контура
на частоту генератора.
Преимущество простой схемы в том, что мощность в антен-
не Ра получается несколько выше, чем в сложной схеме. Однако
при работе колебаниями второго рода, когда импульсы анодного
тока или тока коллектора несинусоидальны, в антенне при про-
стой.схеме получается много гармоник. Например, если передат-
чик работает на частоте 3000 кгц, что соответствует длине волны
100 м, то при простой схеме будет излучение второй гармоники,
имеющей f=6000 кгц или Х=50 м, третьей гармоники с часто-
той 9000 кгц или Х=33,3 м и т. д. Излучение на гармониках сла-
бее, чем на основной частоте, но все же оно создает помехи при-
ему радиостанций, работающих на волнах, близких к этим гар-
моникам.
461
При сложной схеме антенный контур является вторичным и
настраивается на основную частоту. Гармоники в нем значи-
тельно ослаблены, т. е. сложная схема дает фильтрацию гармо-
ник. Недостатком сложной схемы является уменьшение мощно-
сти в антенне. Практически она составляет от 0,6 до 0,9 Рк,
где Рк — мощность в колебательном контуре генератора. Чем
Ряс. 10.19. Передатчики с самовозбуждением:
а) с простой схемой включения антенны, б) со
сложной схемой включения антенны
слабее связи с антенной, тем меньше РА, но зато меньше излуче-
ние гармоник. В ряде случаев связь с антенной делают пере-
менной.
Передатчики с самовозбуждением являются простейшими по
схеме и конструкции, но обладают серьезным недостатком. Ча-
стота колебаний генератора с самовозбуждением определяется
собственной частотой его контура. В передатчике с самовозбуж-
дением антенна либо входит в состав контура, либо сильно свя-
зана с ним. Поэтому все изменения электрических данных ан-
тенны, например изменение емкости антенны при качании ее
ветром, влияют на частоту передатчика. При сложной схеме это
462
влияние меньше, и при ослаблении связи оно уменьшается, но
вместе с тем падает и мощность в антенне.
Практически передатчик с самовозбуждением имеет неустой-
чивую (нестабильную) частоту. Прием его сигналов из-за этого
иногда труден. Нельзя также точно отградуировать передатчик,
т. е. нанести на его шкалу настройки длины волн или частоты.
Не имея точно установленной устойчивой частоты, передатчик
с самовозбуждением создает помехи другим радиостанциям, ра-
ботающим на соседних близких волнах. Главное требование, ко-
торое предъявляется к передатчику, это устойчивость частоты.
Передатчики с самовозбуждением этому не удовлетворяют. Они
применялись раньше, когда техника радиопередающих устройств
не была на высоком уровне и когда было не так много радио-
станций. Сейчас же их применяют иногда только на метровых и
более коротких волнах.
§ 10.7. ГЕНЕРАТОРЫ И ПЕРЕДАТЧИКИ
С ПОСТОРОННИМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ
Для повышения устойчивости частоты генераторы и передат-
чики делаются с посторонним возбуждением.
Передатчик или генератор с посторонним или независимым
возбуждением состоит из возбудителя (задающего генератора),
представляющего собой генератор с самовозбуждением, и одной
или нескольких ступеней усиления мощности. Задающий генера-
тор может быть построен по любой схеме. Усилитель мощности
является ступенью усиления высокой частоты с колебательным
контуром в виде анодного нагрузочного сопротивления и может
иметь последовательное или параллельное анодное питание.
Рассмотрим передатчик с одной ступенью усиления мощно-
сти, например, по рис. 10.20. Задающий генератор имеет схему
с автотрансформаторной обратной связью на триоде с парал-
лельным питанием. Ступень усиления мощности работает на
тетроде также с параллельным питанием и имеет автотрансфор-
маторную связь с возбудителем. Связь с антенной — индук-
тивная.
Назначение задающего генератора состоит в том, чтобы соз-
дать возможно более устойчивые колебания необходимой ча-
стоты.
Колебания эти подаются для усиления на следующую сту-
пень. Главное назначение усилителя мощности — отделить за-
дающий генератор от антенны для того, чтобы изменения пара-
метров антенны не влияли на частоту задающего генератора.
Одновременно с этим усилитель мощности дает увеличение мощ-
ности колебаний. Усилитель мощности работает обычно на тет-
роде или пентоде. Применение триода нежелательно, так как
•чз
паразитная емкость анод--—сетка Сас в триоде вызывает сле-
дующие вредные явления:
1) через емкость Сас антенна влияет на контур задающего
генератора и частота становится неустойчивой;
2) через эту емкость колебания от возбудителя проникают в
антенну и излучаются даже при разомкнутом ключе К. При
телеграфной передаче излучаются так называемые негативные
сигналы, соответствующие промежуткам между точками и тире;
Рис. 10.20. Схема передатчика с посторонним возбуждением
3) через емкость Сас получается обратная связь в усилителе
мощности, и он может превратиться в генератор с самовозбуж-
дением по двухконтурной схеме. Частота его колебаний будет
определяться параметрами контура L2C2, который связан с ан-
тенной. Иначе говоря, усилитель мощности может превратиться
в передатчик с самовозбуждением, недостатки которого были
рассмотрены выше.
Иногда усилители мощности работают на триодах и имеют
нейтрализацию, т. е. уничтожение вредного влияния емкости Сас
с помощью специального нейтродинного конденсатора. Однако
чаще применяют тетроды и пентоды и рациональным монтажом
стремятся уменьшить емкость между, анодной и сеточной цепями
усилителя. Тогда отпадает необходимость в нейтрализации.
Задающий генератор обычно бывает однотактным и только
на самых коротких волнах иногда — двухтактным. Связь его
контура с сеточной цепью усилителя мощности делается индук-
тивной или автотрансформаторной, реже емкостной. Для боль-
шей устойчивости частоты желательно эту связь делать как мож-
но слабее. Тогда влияние усилителя на возбудитель будет ми-
нимальным, но зато возбудитель должен иметь большую
464
мощность для раскачки усилителя» Практически задающий гене-
ратор имеет мощность от 10 до 50% мощности усилителя. Уси-
литель мощности также может быть однотактным или двухтакт-
ным. Последний желателен при работе на очень коротких вол-
нах. Мощность усилителя иногда повышают путем параллельного
включения ламп, но. при этом возрастают междуэлектродные
емкости.
Для уменьшения излучения гармоник применяют сложную
схему присоединения антенны к усилителю мощности, и тогда
анодный контур усилителя называют промежуточным. Конден-
саторы Ci и Сг контуров возбудителя и усилителя для удобства
настройки часто имеют общую ось, т. е. представляют собой
агрегат, а связь промежуточного контура с антенной делают
постоянной (в передатчиках большой мощности ее делают пере-
менной). Для настройки антенного контура служит конденсатор
переменной емкости или вариометр. В качестве индикатора на-
стройки антенны применяют лампочку накаливания или неоно-
П вую лампочку, а в более мощных передатчиках — термоэлектри-
ческий амперметр. Конденсатор настройки антенны всегда имеет
отдельную ручку. Ввести его в агрегат конденсаторов нельзя,
так как параметры антенны не являются строго постоянными.
Ступени усиления мощности передатчиков, как правило, ра-
ботают в режиме класса С со значительным напряжением сме-
шения. Это напряжение может быть получено разными спосо-
бами: от гридлика или катодного сопротивления или от отдель-
ного источника. Последний способ применяется только в мощных
передатчиках. Для мощных ламп смещение от одного гридлика
нежелательно. В этих лампах иногда возникает динатронный
эффект со стороны управляющей сетки, и тогда ток управляю-
щей сетки резко уменьшается или даже изменяет свое направ-
ление. Соответственно резко уменьшается отрицательное сме-
щение, получаемое от гридлика, и оно может даже стать поло-
жительным. При этом анодный ток возрастает до недопустимо
большой величины, и лампа выходит из строя из-за перегрева
анода. Такое аварийное явление не произойдет, если имеется
катодное сопротивление. Возрастание анодного тока создаст уве-
личение падения напряжения на катодном сопротивлении, а сле-
довательно, увеличится и отрицательное сеточное смещение, ко-
торое будет ограничивать возрастание анодного тока. Поэтому
в более мощных передатчиках для смещения иногда применяют
одновременно гридлик и катодное сопротивление.
Для получения наивыгоднейшего режима в усилителях мощ-
ности часто уменьшают величину нагрузочного сопротивления,
применяя автотрансформаторную или емкостную связь анодного
контура с лампой, как это было показано на рис. 10.11.
На коротких и ультракоротких волнах в передатчиках широ-
ко применяется схема усилителя мощности с заземленной (об-
30—2607 465
щей) сеткой, предложенная М. А. Бонч-Бруевичем. Она может
устойчиво работать без нейтрализации на триоде. Принцип та-
кой схемы показан на рис. 10.21 а. Как видно, источник усили-
ваемых колебаний ИК, роль которого обычно выполняет колеба-
тельный контур предыдущей ступени, включен между катодом
и общей заземленной точкой. С этой точкой соединены сетка
и минус анодного источника. Паразитная связь между выход-
ной ,и входной цепями осуществляется через емкость анод —
катод С ак, которая гораздо меньше емкости анод — сетка. Уп-
равляющая сетка является электростатическим экраном, разде-
ляющим входную и выходную цепи, т. е. она действует подобно
Рис. 10.21. Схема усилителя с заземленной сеткой
экранирующей сетке тетрода. Поэтому самовозбуждение не
возникает. Элементом связи входной и выходной цепей является
также индуктивность вывода сетки, но она обычно очень неве-
лика.
Схема с общей сеткой имеет ряд особенностей. Анодный ток
протекает через источник усиливаемых колебаний и сильно на-
гружает его. Этот источник должен иметь значительную мощ-
ность, так как он нагружен на сравнительно малое входное
сопротивление данной ступени. Для хорошей работы схемы не-
обходимо согласование этого сопротивления с внутренним со-
противлением источника колебаний. Катод лампы должен быть
изолирован от земли по переменному току.
Один из вариантов усилителя с заземленной сеткой показан
на рис. 10.21 б. Ступень имеет автотрансформаторную связь с
контуром Z-iCi предыдущей ступени. Детали CKRK служат для
создания автоматического сеточного смещения. Чтобы катод не
был заземлен по переменному току через емкость между ним и
подогревателем, в провода цепи накала включены высокоча-
стотные дроссели Д1 и Д2. В анодный контур введен конденса- 1
тор С, шунтирующий анодный источник. Это позволило зазем- ]
лить ротор конденсатора С2.
В генераторах и передатчиках с посторонним возбуждением
466
на транзисторах возбудитель выполняется по любой схеме из
числа рассмотренных выше или по какой-либо другой, а ступени
усиления мощности представляют собой усилители колебаний
высокой частоты с нагрузочным сопротивлением в виде резо-
нансного контура в цепи коллектора. На работу этих ступеней
оказывает значительное влияние паразитная обратная связь.
Она получается частично через внутреннее активное сопротив-
ление транзистора, а главным образом через проходную емкость,
которой является емкость коллектор — база в схеме с общим
эмиттером или емкость коллектор — эмиттер в схеме с общей ба-
зой. Поэтому в транзисторных усилителях мощности обычно
применяют нейтрализацию с помощью дополнительного конден-
сатора и активного сопротивления. Их включают между входной
и выходной цепями так, чтобы создать обратную связь, дей-
ствующую навстречу паразитной обратной связи. Иногда для
нейтрализации включают только один конденсатор. В ряде слу-
чаев удается получить устойчивую работу ступени и без нейтра-
лизации, особенно при схеме с общей базой.
Вследствие низкого входного сопротивления транзистора
важное значение приобретает согласование входного сопротив-
ления ступени усилителя мощности с выходным сопротивлением
предыдущей ступени. Его осуществляют при помощи индуктив-
ной, автотрансформаторной или емкостной связи со значитель-
ным понижением напряжения при переходе от предыдущей сту-
пени к последующей.
Ступени усиления мощности на транзисторах обычно рабо-
тают в режиме колебаний с отсечкой и строятся на тех же прин-
ципах, что и рассмотренные выше схемы транзисторных генера-
торов с самовозбуждением. Они могут быть с общим эмиттером
или общей базой, с последовательным или параллельным пита-
нием, с автоматическим смещением или смещением от источника
питания коллекторной цепи, со стабилизацией режима или без
нее. Для наивыгоднейшего режима ступени контур в цепи кол-
лектора часто имеет автотрансформаторную или емкостную
связь с транзистором. Схема включения антенны (или другого
нагрузочного сопротивления) может быть простой или сложной.
Для примера на рис. 10.22 показана однотактная ступень
усиления мощности, в которой транзистор включен по схеме с
общим эмиттером и применена индуктивная связь с предыдущей
ступенью, например с возбудителем. Ступень имеет последова-
тельное питание и сложную схему включения антенны. Контур
антенны с помощью катушки связи Lce индуктивно связан с
промежуточным контуром. Помимо катушки Lce, в антенный
контур входят еще конденсатор Ci для настройки и емкость са-
мой антенны Сл . Напряжение смещения на базу положитель-
ной полярности подается автоматически за счет падения напря-
жения на сопротивлении от тока базы. Дроссель Д включен
30* 467
для уменьшения потерь мощности возбуждения в сопротивле-
нии R6. Конденсатор CN и сопротивление RN включены для ней-
трализации. Через эту цепочку на вход транзистора подается
переменное напряжение с нижнего конца катушки L. А через
паразитную обратную связь, существующую внутри транзисто-
ра, на его вход передается напряжение с верхнего конца этой
катушки.
Рис. 10.22, Схема усилителя мощности с транзистором
Настройка передатчика с посторонним возбуждением произ-
водится следующим образом. Если применен агрегат конденса-
торов в контурах возбудителя и усилителя и связь с антенной
постоянна, то, вращая ручку агрегата, устанавливают нужную
волну по шкале, а затем настраивают антенну до получения
максимального тока в ней. В более мощных передатчиках, имею-
щих отдельную настройку промежуточного контура и перемен-
ную связь с антенной, устанавливают заданную волну настрой-
кой контура задающего генератора, а затем настраивают в резо-
нанс контур усилителя, который должен иметь какой-либо
индикатор (связь с антенной при этом должна быть минималь-
ной). Далее увеличивают связь с антенной и настраивают ан-
тенный контур. Для получения максимальной мощности в антен-
не подбирают наивыгоднейшую связь с антенной и подстраи-
вают промежуточный контур и антенну, так как изменения
величины связи и параметров одного из контуров влияют на па-
раметры другого контура и нарушают резонанс. При этом сле-
дят за анодом лампы усилителя мощности; при слишком силь-
ной связи с антенной анод может перегреться.
§ 10.8. ГЕНЕРАТОРЫ С ЭЛЕКТРОННОЙ СВЯЗЬЮ
Широкое распространение в передатчиках малой и средней
мощности, а также в гетеродинах для приемников и измери-
тельной аппаратуры получили генераторы с электронной связью.
В них применяется одна лампа одновременно в задающем гене-
раторе и усилителе мощности. Подобно генераторам с посторон-
468
ним возбуждением они имеют значительно более устойчивую
частоту, чем генераторы с самовозбуждением.
Генератор по схеме с электронной связью на лампе с катодом
прямого накала показан на рис. 10.23 а. В нем может быть ис-
пользован тетрод, пентод или более сложная лампа. Катод,
управляющая и экранирующая сетки лампы образуют триод,
входящий в задающий генератор, причем экранирующая сетка
выполняет роль анода. Задающий генератор чаще всего бывает
с автотрансформаторной обратной связью и последовательным
питанием (схема с катодной связью, рис. 10.7 в). Именно эта
схема показана на рис. 10.23 а, но возможно применение других
схем. Анодный конец контура LtClt называемого внутренним
контуром, присоединен к минусу анодного источника. Ток на-
кала проходит через часть катушки контура. Чтобы она не была
замкнута для переменного тока батареей накала, включен дрос-
сель высокой частоты Д\. На экранирующую сетку подается
напряжение через сопротивление , а для переменной состав-
ляющей анодного тока (т. е. тока экранирующей сетки) задаю-
щего генератора включен конденсатор Сл .
Колебания, возникшие в контуре LiCi задающего генератора,
усиливаются всей лампой, входящей в усилитель мощности с
параллельным питанием (возможно и последовательное пита-
ние). Усиленные колебания получаются в анодном или внешнем
контуре L2C2, который связывают с антенной. Для лампы с подо-
гревным катодом дроссель Д1 не обязателен (рис. 10.23 6).
В коротковолновых генераторах обычно все же включают дрос-
сели высокой частоты в оба провода цепи накала, потому что
цепь накала, как правило, присоединена одним полюсом к об-
щему минусу или имеет значительную емкость относительно
шасси, а между катодом и нитью также есть паразитная ем-
кость. При отсутствии дросселей эта емкость шунтирует часть
катушки Li. Часто замыкают для токов высокой частоты катод
с нитью конденсатором емкостью в сотни или тысячи пикофарад.
Без пего изоляция между катодом и нитью может быть пробита
значительным переменным напряжением, которое получается на
этом участке. Конденсаторы С\ и Сг обычно сдваиваются в
агрегат.
Приведенное объяснение схемы с электронной связью яв-
ляется упрощенным. Дело в том, что переменная составляющая
анодного тока усилителя мощности, т. е. тока главного анода,
проходит через контур LiCb способствуя самовозбуждению за-
дающего генератора. Если разомкнуть цепь главного анода, то
мощность колебаний в контуре L\C\ упадет и возможно даже
прекращение генерации. В обычной двухламповой схеме пере-
менная составляющая анодного тока усилителя мощности не
попадает в задающий генератор. Тем не менее, в схеме с элек-
тронной связью контуры ЦС, и L2C2 не имеют паразитной ем-
469
Рис. 10.23. Схемы генераторов с электронной связью:
а) на лампе с катодом прямого накала, б) на лампе с като-
дом косвенного накала, в) транзитронный генератор на геп-
тоде
470
костной связи. Они связаны только через общий электронный
поток, что и послужило поводом к названию «генератор с элек-
тронной связью». Благодаря отсутствию паразитной емкостной
связи изменения параметров контура L2C2 весьма мало влияют
на параметры внутреннего контура, и частота получается ста-
бильной.
Маломощные гетеродины с электронной связью иногда имеют
вместо контура L2C2 активное сопротивление или дроссель вы-
сокой частоты. Встречаются также гетеродины с электронной
связью, имеющие возбудитель по транзитронной схеме. В них
применяются обычно гептоды. Такая схема с лампой 6А7 пока-
зана на рис. 10.23 в. Она работает подобно схеме с пентодом
(рис. 10.186). Роли экранирующей и защитной сеток пентода
выполняют вторая и третья сетки лампы, а роль анода лампы
возбудителя — четвертая сетка. Переменное напряжение, полу-
чающееся на контуре, усиливается всей лампой, и усиленное
напряжение снимается с анодного нагрузочного сопротивле-
ния Ra.
§ 10.9. СТАБИЛИЗАЦИЯ ЧАСТОТЫ
Значение стабильности (устойчивости) частоты для радио-
передатчиков было рассмотрено выше. Применение посторон-
него возбуждения и сложной схемы связи с антенной повышает
стабильность частоты. Однако сам возбудитель изменяет частоту
от емкостных и температурных влияний и изменений питающих
напряжений. Поэтому необходимо принять ряд мер для стабили-
зации частоты задающего генератора. Существуют две системы
стабилизации частоты: параметрическая (или бескварцевая) и
кварцевая.
Параметрическая стабилизация осуществляется ослаблением
влияния внешних причин на частоту генератора и подбором па-
раметров и элементов схемы, обеспечивающих наименьшее из-
менение частоты. Одним из способов параметрической стабили-
зации является работа возбудителя на возможно более длин-
ной волне и при возможно большей емкости в контуре с
последующим умножением частоты. Вообще стабильность гене-
ратора с укорочением волны ухудшается. Предположим, что
небольшое изменение емкости контура или режима лампы изме-
няет частоту иа 1%. Если частота генератора 200 кгц (Х=
= 1500 м), то изменение частоты будет небольшое, всего на
2 кгц. В приемнике сигналы данного передатчика не исчезнут.
Но если частота генератора 5000 кгц (Х=60 л»), то изменение
на 1% составит 50 кгц и вызовет пропадание сигналов в прием-
нике.
Преимущества большой емкости в контуре можно выяснить
на примере. Пусть емкость контура изменяется на 0,5 пф, вызы»
471
вая соответствующее изменение частоты. Если емкость контура
50 пф, то указанное изменение емкости составляет 1%, а если
емкость равна 500 пф, то изменение емкости на 0,5 пф составит
только 0,1% и изменение частоты будет значительно меньше.
Однако слишком большая емкость в контуре при малой индук-
тивности дает уменьшение мощности. Практически желательно,
чтобы численно емкость в пикофарадах была в 5 раз больше
длины волны в метрах.
При применении в коротковолновом передатчике задающего
генератора, работающего на более длинной волне с большой
емкостью в контуре, необходимо применить умножение частоты.
Удвоитель частоты по однотактной схеме не отличается от уси-
Рис. 10.24. Схема двухтактного удвои-
теля частоты
лителя, но имеет напряжение
смещения в 2—3 раза больше,
чем в усилителе. Напряжение
возбуждения также увеличива-
ется, и тогда импульсы анодно-
го тока имеют большую вторую
гармонику, на которую на-
страивается анодный контур.
Этот контур вследствие резо-
нанса токов представляет боль-
шое сопротивление только для
второй гармоники, и в нем по-
лучаются мощные колебания с
удвоенной частотой. Для пер-
вой гармоники сопротивление
контура мало, и поэтому на основной частоте усиления нет. По-
лезная мощность удвоителя может быть не больше половины
мощности данной ступени в режиме усиления.
Работа двухтактного удвоителя основана на том, что в общей
анодной цепи двухтактной ступени имеются только четные гар-
моники. Цепь сетки двухтактного удвоителя такая же, как у
двухтактного усилителя. Лампы работают со сдвигом фаз 180°
(поочередно), Аноды их соединены вместе, и в общую анодную
цепь включен контур, настроенный на вторую гармонику
(рис. 10.24). Напряжения смещения и возбуждения подбираются
так, чтобы вторая гармоника была максимальной. Применяют
и утроители частоты. У них анодный контур настраивается на
утроенную частоту (третью гармонику). Полезная мощность при
этом уменьшается. Удвоение или утроение частоты можно также
получить в генераторе с электронной связью, если настроить его
внешний контур на вторую или третью гармонику.
При работе возбудителя на более длинной волне можно, при-
меняя несколько удвоителей или утроителей, получить короткие
волны, даже укв, с хорошей стабильностью частоты.
Большое влияние на частоту возбудителя оказывают измене-
472
ния питающих напряжений. При питании от сети желателен ста-
билизатор напряжения. Лучше применять для возбудителя от-
дельный выпрямитель. Повышение стабильности режима дает
увеличение сеточного сопротивления.
Наиболее трудно бороться с влиянием температуры на часто-
ту колебаний генератора. Вследствие постепенного разогрева
электродов лампы и деталей схемы изменяютсй параметры кон-
тура (например, увеличиваются емкости) и наблюдается мед-
ленное изменение — сползание — частоты в течение довольно
продолжительного времени, достигающего нередко десятков ми-
нут. Поэтому иногда возбудитель включают задолго до начала
работы и не выключают его в перерывах. В более мощных пере-
датчиках возбудитель помещают в термостат — ящик с тепло-
изолирующими стенками, в котором с помощью электронагрева-
телей и автоматических регуляторов (реле) поддерживается
постоянная температура. Конденсаторы и катушки контуров де-
лаются с температурной компенсацией, т. е. с приспособлениями,
устраняющими изменение емкости или индуктивности при на-
гревании. Самым простым методом компенсации является вклю-
чение в контур тикондового конденсатора (см. § 2.10).
Необходимо избегать механических вибраций деталей гене-
ратора. Катушка, конденсатор контура и монтажные провода
должны быть укреплены прочно, чтобы сотрясения не могли вы-
звать изменений длины волны. Особенно важно это для пере-
движных радиостанций. Для уменьшения влияния на возбуди-
тель следующей ступени связь с ней должна быть по возмож-
ности слабой. Желательно, чтобы эта ступень работала без тока
сетки. В мощных передатчиках такая ступень, называемая бу-
ферной, обязательно применяется для отделения возбудителя от
более мощных усилительных ступеней. Чтобы устранить различ-
ные емкостные влияния, весь возбудитель помещают в экран.
Кварцевая стабилизация дает высокую стабильность частоты
и проста по устройству, так как требует внесения в схему воз-
будителя только одного дополнительного элемента — кварцевой
пластинки. Однако она имеет и недостатки. Кварц стабилизи-
рует, как правило, только одну волну, а параметрическая ста-
билизация позволяет работать на любых волнах в заданном
диапазоне1. Кроме того, кварц дорог и требует осторожного
обращения, так как при перегрузке он легко разрушается.
Пластинки кварца прямоугольной или круглой формы выре-
заются из кристаллов кварца (горный хрусталь) или кварцевой
гальки (рис. 10.25а) и помещаются в кварцедержатели
(рис. 10.256) между металлическими обкладками. В последнее
время металлический слой наносят непосредственно на поверх-
* Существуют схемы кварцевой стабилизации в плавном диапазоне, но
они сравнительно сложны.
473
ность кварца. Получается конденсатор с диэлектриком в виде
кварцевой пластины. На схемах его изображают так,.как на
рис. 10.25 в.
Кварц обладает пьезоэлектрическим эффектом, о котором
было рассказано в гл. 8. Если приложить к кварцу переменное
напряжение, то он станет совершать механические колебания,
т. е. будет попеременно сжиматься и расширяться.
Рис. 10.25. Пластинка кварца и кварцедержатель
Кварцевая пластинка имеет несколько собственных частот,
зависящих от ее размеров. Обычно используются «колебания по
толщине», частота которых зависит от толщины пластинки. Дли-
на электромагнитной волны в метрах Л определяется через тол-
щину пластинки в миллиметрах d по формуле
X = 120с/. -
Например, при d=0,5 мм получаем Х= 120 -5=60 м. По-
стоянный коэффициент, взятый в данном случае равным 120, у
разных типов кварцевых пластин может быть от 100 до 140.
При изменении температуры меняются размеры кварца и
собственная частота его изменяется. Для борьбы с этим раньше
кварц помещали в термостат. Теперь пластинки вырезают осо-
бым образом (нулевой или косой срез), дающим почти полную
независимость частоты от температуры.
Наиболее сильные колебания кварцевой пластинки можно
получить, когда частота внешней переменной эдс, воздействую-
щей на кварц, равна его собственной частоте, т. е. в случае ре-
зонанса. Кварцевая пластинка обладает очень острым резонан-
сом и, следовательно, весьма малым затуханием. При неболь-
шой разнице между частотой внешней- эдс и - собственной
частотой кварцевой пластинки амплитуда колебаний последней
совершенно ничтожна. Это свойство и позволяет применить
кварц для стабилизации частоты. Кварцевая пластинка эквива-
лентна колебательному контуру с очень малым затуханием и
очень стабильной частотой,
474
кварца на сетку, имеет
Широко распространена схема генератора с кварцем в цепи
сетки (рис. 10.26 а). По существу это двухконтурная схема, в
которой сеточный контур заменен кварцевой пластинкой. Обрат-
ная связь осуществляется через емкость анод — сетка Сас. Анод-
ный контур настраивается на частоту кварца. Переменное на-
пряжение, подаваемое от
частоту. Такую же часто-
ту имеют переменная со-
ставляющая анодного то-
ка и колебания в анод-
ном контуре. При неболь-
шой расстройке анодного
контура генерация коле-
баний еще есть, но ес-
ли контур расстроить
больше, то сопротивление
его уменьшится, усиление
упадет и колебания,пере-
даваемые при помощи об-
ратной связи из анодной
цепи в цепь сетки, будут
недостаточно сильны для
поддержания незатухаю-
щих колебаний кварца.
Таким образом, схема
с кварцем в цепи сетки ге-
нерирует только на не-
большом участке настрой-
ки анодного контура. На-
личие колебаний обнару-
живается по индикатору,
например лампочке, свя-
занной индуктивно с кон-
туром, или по спаданию
анодного тока, если в
анодную цепь включен
миллиамперметр. Послед-
нее объясняется тем, что при возникновении колебаний на сетке
получается переменное напряжение, которое создает сеточный
ток. Постоянная составляющая этого тока, проходя через сопро-
тивление /?с. создает отрицательное напряжение смещения на
сетке и постоянный анодный ток уменьшается. Конденсатор в
Цепи сетки в данной схеме не нужен, так как постоянный сеточ-
ный ток через кварц пройти не может. Схема с кварцем в цепи
сетки может быть с последовательным или параллельным анод-
ным питанием.
Некоторые сорта кварца плохо генерируют, и, кроме того,
Рис. 10.26. Схемы кварцевых генераторов
с обратной связью через емкость анод —
сетка (а) и с дополнительной обратной
связью (б)
475
в схеме с кварцем в цепи сетки обратная связь на более длин*
ных волнах становится недостаточной. Для облегчения генера-
ции и увеличения мощности вводят дополнительную обратную
связь. Ее подбирают такой величины, чтобы схема без участия
кварца, т. е. на волнах, отличных от волны кварца, не могла
генерировать, но была близка к режиму генерации. А на волне
кварца, когда он придет в колебание и даст дополнительное
возбуждение на сетку, схема будет генерировать. На рис. 10.26 6
дана схема кварцевого генератора с дополнительной индуктив-
ной обратной связью.
На волнах короче 30 м кварцевая пастинка получается
очень тонкой и легко разрушается при перегрузке. Допустимая
мощность кварцевого генератора зависит от толщины и площа-
ди пластинки. Для пластинок толщиной в 0,5 мм можно допус-
тить мощность в контуре не свыше 1—2 вт на 1 см2 площади
пластины. Стабилизацию кварцем более коротких волн (20—
Юл) и укв производят путем использования кварцевой пла-
стинки на более длинные волны с последующим умножением
частоты.
Кроме кварца, можно применять пластинки из минерала
турмалина. Они позволяют стабилизировать непосредственно,
без умножения частоты, даже укв генераторы и выдерживают
большую мощность, чем кварц. Но турмалин дороже кварца и
еще не получил широкого распространения.
Транзисторные генераторы с самовозбуждением, построен-
ные по простейшим схемам, имеют сравнительно низкую ста-
бильность частоты, главным образом вследствие сильного влия-
ния температуры на режим транзистора. Кроме того, в отличие
от электронных ламп, у транзисторов изменение питающих на-
пряжений сильно изменяет емкости коллекторного и эмиттер-
ного переходов, а эти емкости всегда входят в состав колеба-
тельного контура генератора.
Для повышения стабильности частоты необходимо примене-
ние стабилизации режима транзистора. Весьма желательна так-
же стабилизация напряжения питания. Поскольку это напря-
жение является низким, то для такой стабилизации удобно ис-
пользовать кремниевые стабилитроны. Вполне возможно осу-
ществление в транзисторных генераторах кварцевой стабилиза-
ции. Как и в ламповых передатчиках, для уменьшения влияния
антенны на частоту колебаний в транзисторных передатчиках
следует применять генераторы с посторонним возбуждением.
§ 10.10. ТЕЛЕГРАФНАЯ МАНИПУЛЯЦИЯ В ПЕРЕДАТЧИКАХ
Телеграфной манипуляцией в простейшем случае называют
прерывание работы передатчика с помощью телеграфного клю-
ча. Существуют два вида манипуляции. В первом случае при
476
размыкании ключа излучение прекращается совершенно, а во
втором оно прекращается только на рабочей волне, но продол-
жается на другой волне, называемой негативной. Таким обра-
зом, точки и тире передаются на рабочей волне, а в промежут-
ках между ними происходит излучение на другой волне (нега-
тивной) .
Чтобы задающий генератор работал устойчиво, ключ вклю-
чают не в его цепи, а в ту или иную цепь усилителя мощности
(оконечного или промежуточного). При небольшой мощности и
Рис. 10.27. Схемы включения телеграфного ключа в цепь
управляющей сеткн
невысоком анодном напряжении ключ может быть в анодной
цепи. Если же анодное напряжение высокое, то лучше включить
его в цепь экранирующей сетки. Однако напряжение в несколь-
ко сот вольт на ключе создает опасность для радиста-оператора
даже при наличии защитного чехла у ключа. Кроме того, между
контактами ключа при высоком напряжении возникает искре-
ние, которое портит контакты и создает помехи близко располо-
женным приемникам. Для предупреждения искрения между кон-
тактами включают специальные конденсаторы и сопротивления,
называемые искрогасящими.
Часто включают ключ в цепь управляющей сетки. При этом
надо избегать включения его в провода, по которым идут токи
высокой частоты, так как тогда наблюдается емкостное влияние
оператора на настройку. На рис. 10.27 а приведена схема вклю-
чения ключа в цепь постоянной составляющей сеточного тока.
Если ключ разомкнут, то на сетке получается накопление элект-
ронов и лампа запирается. Но в лампах, имеющих «левую» ха-
рактеристику, отрицательный потенциал на сетке от скопления
электронов недостаточен для запирания лампы. Более надежно
477
подавать на сетку при размыкании ключа запирающее отрица» \
тельное напряжение от отдельного источника (рис. 10.27 6) или ,
от делителя (рис. 10.27 в). Когда ключ располагается на зна-
чительном расстоянии от передатчика, а также в мощных пере- 1
датчиках, манипуляция производится с помощью специального Ч
реле, контакты которого включены вместо ключа в ту или иную 1
цепь передатчика, а ключ управляет работой реле.
§ 10.11. ЛАМПЫ И ТРАНЗИСТОРЫ ДЛЯ ГЕНЕРАТОРОВ
И ПЕРЕДАТЧИКОВ
Для маломощных генераторов и передатчиков применяются , I
любые приемно-усилительные триоды, тетроды и пентоды, рас- - '
смотренные в гл. 5.
Передатчики и генераторы средней и большой мощности ра- »*
ботают на специальных генераторных лампах. Катоды у ламп
значительной мощности бывают чисто вольфрамовые, а в лам-
пах с анодным напряжением ниже 1500 в применяют оксидные
или карбидированные катоды. Аноды в лампах средней мощно-
сти обычно никелевые, черненные для лучшей теплоотдачи. При
большей мощности аноды делают из молибдена и тантала, а
также из меди или хромистой стали с принудительным воздуш- I
ным или водяным охлаждением. Сетки изготовляют из молиб-
дена или тантала. Анод обычно выводится наверху баллона.
У некоторых мощных ламп, особенно для укв, выводы от элект-
родов часто делаются в разных местах баллона через стекло на
специальные контакты или гибкими проводами с кабельными I
наконечниками.
В обозначении генераторных и модуляторных ламп первой
стоит буква Г.
По существующей системе обозначений генераторные лампы
для длинных, средних и коротких волн (частоты ниже 25 Мгц)
имеют буквы ГК, для укв (25-4-600 Мгц) —ГУ, для дециметро-
вых и сантиметровых волн (выше 600 Мгц) — ГС, модулятор-
ные лампы — ГМ, генераторные лампы для импульсной рабо- j
ты — ГИ, модуляторные лампы для импульсной работы — ГМИ.
Далее следует номер для того, чтобы различать лампы разных |
типов друг от друга. После номера ставится буква, указываю- I
щая род охлаждения анода лампы. Для ламп с лучистым (есте- |
ственным) охлаждением анода такая буква вообще отсутству- ;
ет. Принудительное водяное охлаждение обозначается буквой !
А, воздушное — буквой Б. Некоторые лампы, применяющиеся
сейчас, выпускаются еще со старыми обозначениями.
Лампы для коротких волн с успехом работают на любых 1
более длинных волнах, а лампы для более длинных волн могут 1
работать в диапазоне более коротких волн только с пониженной 1
478
полезной мощностью, да и то не всегда. Например, лампы типа
ГК возможно иногда использовать на укв.
Особенностью генераторных триодов для средних и корот-
ких волн являются высокий коэффициент усиления р, (густая
сетка) и «правая» характеристика. Это дает возможность умень-
шить напряжение возбуждения и облегчает возникновение ге-
нерации в самовозбуждающихся генераторах, но зато работа
происходит с большим сеточным током.
В настоящее время широко применяются следующие генера-
торные и модуляторные триоды: с естественным охлаждением—
ГИ-3 ГМ-60, ГМ-70, ГМ-100, ГМИ-30, с воздушным охлажде-
нием— ГИ-17, ГИ-18Б, ГУ-5Б, ГУ-10Б, ГУ-16Б, ГУ-89Б, с водя-
ным охлаждением — ГК-1 А, ГК-ЗА, ГУ-5А, ГУ-10А, ГУ-11 А,
ГУ-12А, ГУ-89А, ГМ-1А, ГМ-51А, а также многие другие.
Мощными генераторными тетродами являются лампы
ГУ-27А и ГУ-27Б. В числе мощных модуляторных ламп, пред-
назначенных для импульсной работы, имеются тетроды ГМИ-83,
ГМИ-89 и ГМИ-90. Однако триоды и обычные тетроды в значи-
тельной степени вытесняются лучевыми тет-
родами и пентодами. У всех генераторных I I
пентодов делается вывод от защитной сет- I I
ки, так как в телеграфных передатчиках
иногда для увеличения мощности на эту сет-
ку дают некоторое положительное напряже- Ц
ние, а в телефонных передатчиках ее ис- IfrjHLjH ia
пользуют для модуляции. f Ж
Значительное распространение получили
генераторные лучевые тетроды ГУ-13, цГТЗЦ I WRjJ
ГУ-29, ГУ-32 и ГИ-30. Последние три лампы
являются двойными. У них сделан один об-
щий вывод от экранирующих сеток обоих I П |
тетродов, причем для уменьшения вредного •
влияния индуктивности этого вывода внут- рис Ю28 Генератор-
ри лампы имеется конденсатор, соединяю- ный двойной лучевой
щий экранирующие сетки с катодом. Внеш- тетрод
ний вид двойного лучевого тетрода показан
на рис. 10.28.
Из генераторных пентодов небольшой мощности с катодом
прямого накала следует отметить лампы 2П5Б, 2П19Б,
2П29Л, 2П29П и 4П1Л. Для передатчиков средней и большой
мощности предназначены пентоды ГУ-15, ГУ-50, ГУ-72, ГУ-80,
ГК-71, ГИ-8 и др. На рис. 10.29 показан внешний вид некоторых
генераторных пентодов. Лампы ГУ-15 и ГУ-50 имеют стеклян-
ный баллон с выводами от электродов в виде штырьков, впа-
янных в утолщенное стеклянное донышко баллона. Ключ для
правильного включения лампы в гнездо сделан в виде про-
дольной выпуклости на баллоне. В верхней части баллон снаб-
479
жен металлической крышкой с ручкой. Некоторые генераторные •
пентоды имеют вывод от средней точки нити накала. Это поз-»
воляет применять для питания накала источники с разными на-
пряжениями в зависимости от включения половинок нити по-
следовательно или параллельно.
В генераторах дециметрового диапазона волн, в частности и
передатчиках, работающих в импульсном режиме, используются I
металлокерамические триоды, предназначенные для соединения
с коаксиальными колебательными системами. На рис. 10.30
показан внешний вид металлокерамической генераторной лам-
пы и ее устройство. Рабочие поверхности катода, сетки и анода
в этой лампе имеют форму дисков или выпуклых поверхностей,
расположенных очень близко друг к другу. Оксидный катод
косвенного накала имеет вывод в виде цилиндра, который од-1
новременно является выводом одного конца подогревателя. Вто-
рой вывод подогревателя сделан внутри этого цилиндра. Вывод
сетки в форме диска переходит в цилиндр, выполняющий роль
части баллона лампы.
Анод в виде массивного цилиндра своей расширенной частью ]
припаян к керамическому цилиндру, служащему частью бал- -
лона. С другой стороны этот керамический цилиндр спаян С ]
выводом сетки. Между выводами сетки и катода также имеется
керамическое кольцо. Для лучшего охлаждения анода на него -
навинчивается массивный ребристый радиатор, который обду-|
480
'вается воздухом от вентилятора. Лампа может работать и без
радиатора, но тогда допустимая мощность потерь на аноде зна-
чительно снижается. Широко применются триоды этой серии
ГИ-6Б, ГС-9Б, ГИ-7Б, ГИ-11Б, ГИ-70Б, ГС-90Б, ГИ-12Б и др.
Некоторые из них имеют наименьшую рабочую длину волны
порядка 7—9 см. Лампы типа ГС предназначены для непрерыв-
ного режима работы, а лампы типа ГИ — для импульсного.
Более сложные лампы, чем триоды, для дециметрового диа-
пазона применяются сравнительно редко, так как при ббльшем
Вывод—
сетки
Вывод като-
да и подо-/ ъ
гревателя'
Вывод подо
еревателя
Рис. 10.30, Металлокерамический триод с радиатором для охлаж-
дения анода:
а) внешний вид, б) принцип устройства
Катод
штифт Вля
навинчивания^
радиатора
Анод
Сетка
Подогре-
ватель
'Керамика
числе сеток приходится соответственно увеличивать расстояние
между анодом и катодом, но тогда возрастает время пролета
электронов. Поскольку триоды для метровых и дециметровых
волн часто должны работать в схеме с заземленной сеткой, то
их делают с возможно меньшей индуктивностью вывода сетки.
Сама сетка в таких лампах должна быть густая. Тогда она буд-
дет хорошим экраном. Коэффициент усиления у триодов, пред-
назначенных для схем с заземленной сеткой, всегда большой
(до 100 и выше), а емкость анод—катод составляет всего лишь
сотые доли пикофарады.
В генераторах возможно использование транзисторов любо-
го типа. Однако многие из них могут работать только на срав-
нительно низких частотах. Среди параметров транзисторов,
приводимых в справочниках, обычно бывает указана предель-
ная частота генерирования, которую следует принимать во вни-
мание при- подборе транзисторов для генератора или передат-
чика. Для частот от сотен килогерц до десятков и даже сотен
31—2607 431
мегагерц должны применяться специальные высокочастотные
транзисторы, например от 11401 до П411. Эти транзисторы яв-
ляются маломощными. Но в ближайшее время будут выпуще-
ны и более мощные высокочастотные транзисторы, предназна-
ченные для передатчиков.
§ 10.12. ПРИНЦИП МОДУЛЯЦИИ
Для радиотелефонной передачи нужно воздействовать зву-
ковыми колебаниями на колебания высокой частоты, которые
называют несущими колебаниями. Наиболее распространенной
Рис. 10.31. Графики, поясняющие амплитудную модуляцию:
а)' модулирующее колебание низкой частоты, б) несущее колебание высо-
кой частоты, в), г) и д) модулированные колебания при глубине модуляции
50, 100 и 30%
является амплитудная модуляция, при которой под воздействи-
ем Звуковых колебаний изменяется амплитуда колебаний высо-
кой частоты. Это изменение должно происходить в соответствии
.с передаваемым звуком.
f Изменение амплитуды колебаний высокой частоты соответ-
ственно передаваемым колебаниям звуковой частоты называет-
ся модуляцией. Полученные в результате модуляции колебания
высокой частоты, у которых амплитуда меняется со звуковой
частотой, называются модулированными колебаниями. Устрой-
ства, служащие для модуляции, называются модуляторами.
Процесс модуляции можно наглядно изобразить графичес-
ки. На рис. 10.31 а показан график синусоидального звукового
колебания, которое необходимо передать. Рисунок 10.31 б изо-
бражает незатухающие (немодулированные) колебания высокой
частоты—несущие колебания. Наконец, на рис. 10.31 в показа-
ны модулированные колебания, получившиеся в результате воз-
действия звуковых колебаний на колебания высокой частоты.
482
Изменение амплитуды у модулированных колебаний точно пов-
торяет все характерные особенности звукового колебания.
Нельзя говорить, что модуляция есть наложение колебаний
низкой частоты на колебания высокой частоты, или сложение
колебаний низкой частоты с колебаниями высокой частоты, или
что модулированный ток является суммой токов высокой н низ-
кой частот. Подобное сложение токов можно осуществить, если
генератор низкой частоты включить последовательно с генера-
тором высокой частоты (рис. 10.32 а). Сложение токов этих ге-
нераторов показано на рис. 10.32 6. Полученный суммарный ток
Tqk низкой частоты
Рнс. 10.32. Сложение колебаний высокой и низкой частот
имеет высокочастотную составляющую с неизменной амплиту-
дой и не является модулированным колебанием.
В зависимости от силы воздействия звуковых колебаний на
несущие колебания можно получить более или менее значитель-
ное изменение амплитуды колебаний высокой частоты или, как
говорят, больший или меньший коэффициент модуляции (глу-
бину модуляции). Коэффициент модуляции пг показывает наи-
большее изменение амплитуды модулированного колебания по
отношению к амплитуде, бывшей до модуляции, т. е. к ампли-
туде несущих колебаний. Обычно его выражают в процентах.
На рис. 10.31 показаны модулированные колебания с различны-
ми коэффициентами модуляции для случая передачи синусои-
дального колебания. Если в процессе модуляции амплитуда
меняется на свою полную величину, бывшую до модуляции,
уменьшаясь до 0 и возрастая до удвоенного значения (рис.
10.31 г), т. е. изменяется на 100% в обе стороны, то коэффици-
ент модуляции равен 100%. При изменении амплитуды только
на 30% своей первоначальной величины (рис. 10.31 д) коэффи-
циент модуляции равен 30% и т. д.
31* 483
Случай, когда коэффициент модуляции больше 100% (рис.
10.33), носит название перемодуляции. При этом амплитуда уве-
личивается больше, чем на 100%, но так как уменьшение ее
возможно только на 100%', то получается срезание части коле-
баний, что приводит к искажениям. Наибольший возможный
коэффициент модуляции без искажений /п=100%.
При радиотелефонировании передаются звуки различной
силы и коэффициент модуляции не остается постоянным, как в
Рис. 10.33, Случай перемодуляции
пределах 30—80%. Так как при
случае модуляции синусои-
дальным колебанием. При
сильных звуках он больше, при
слабых — меньше. Чтобы избе-
жать искажений от перемоду-
ляции, можно допустить т=
= 100% только для самых силь-
ных звуков, а для средних по
силе звуков коэффициент мо-
дуляции должен быть меньше.
У радиостанций средний коэф-
фициент модуляции бывает в
его увеличении возрастает даль-
ность действия радиостанции, то при передаче речи т доводят
иногда до 85—90%, допуская искажения более сильных звуков,
а при концертной радиотелефонии т не превышает 50—60%.
§ 10.13. СОСТАВ МОДУЛИРОВАННЫХ КОЛЕБАНИИ
М. В. Шулейкин в 1916 г. показал, что модулированные ко-
лебания являются суммой нескольких простых синусоидальных
колебаний с различными частотами.
Модулированные синусоидальным звуком колебания пред-
ставляют собой сумму трех незатухающих колебаний: несущего,
имеющего частоту, равную частоте модулируемого колебания f,
а также верхнего и нижнего боковых колебаний, частоты kotol
рых больше и меньше f на величину частоты модулирующего
звука Р, т. е. равны f+F и f—F. Амплитуды боковых колеба-
ний одинаковы, но меньше, чем у несущего колебания.
При отсутствии модуляции излучается лишь несущая волна.
Как только начинается модуляция, появляются боковые колеба-
ния. Например, если передатчик имеет несущую частоту f—
=250 кгц и модулируется звуком с частотой Г=2000 гц =
=2 кгц, то, кроме несущей волны, излучаются еще верхняя и
нижняя боковые волны с частотами f+F— 252 кгц и f—F=
=248 кгц. На рис. 10.34 а приведен спектр модулированного ко-
лебания, т. е. диаграмма частот и амплитуд составных частей
такого колебания, а на рис. 10.34 6 показаны эти составные ко-
лебания.
484
Рассмотрим простое доказательство наличия боковых коле-
баний, которое будет полезно в дальнейшем. Попробуем сло-
жить все три колебания: несущее и два боковых. Сложим сна-
чала боковые колебания. При сложении двух незатухающих
колебаний, частоты которых не равны, образуются биения, игра-
ющие в радиотехнике важную роль. Биения представляют собой
колебания с периодически меняющейся амплитудой, несколько
У
Несущ, колебание
Нижи. Веков. Bepze Benet
кмебамие колебание
248 25t 2Я Май
WVWWWWV fS,
Рис. 10.34. Состав модулированного колебания
напоминающие модулированные колебания. Если сложить коле-
бания с частотами fi и f2, то у результирующего колебания сред-
няя частота равна:
с __ fl + ^2
' 2
а амплитуда изменяется (пульсирует) с более низкой частотой
биений F, равной разности fi и f2. На рис. 10.35 показано сложе-
ние двух колебаний с одинаковыми амплитудами и частотами
/1=80 кгц и /г=Ю0 кгц (частоты относятся как 4 :5, а перио-
ды как 5:4). В результате получается колебание с частотой
/=(80+100) :2=90 кгц. Его амплитуда пульсирует с частотой
F—100—80=20 кгц.
Обратим внимание на то, что при переходе от одной группы
биений к другой имеется колебание с периодом, вдвое меньшим,
чем у остальных колебаний. Таким образом, за время одного
полупериода совершается целое колебание и поэтому фаза коле-
435
баний каждой следующей группы биений противоположна фазе
колебаний предыдущей группы.
Если теперь сложить биения с несущими колебаниями, имею-
щими частоту [=90 кгц, то одна группа биений будет склады-
ваться с ними, а другая группа биений будет вычитаться из них,
так как фазы этих групп биений противоположны, а у несущих
колебаний фаза постоянна. В результате получится правильное
модулированное колебание с высокой частотой [=90 кгц и
частотой модуляции Г=10 кгц (рис. 10.36). Тем самым мы до-
казали, что оно состоит из несущего колебания и двух боковых
с частотами 100 и 80 кгц.
f-SOtan
f'SBKSH F=20kzh
Рис. 10.36. Графики, поясняющие состав модулированного коле-
бания
Наличие боковых колебаний можно также доказать с помощью простых
тригонометрических преобразований. Пусть ток несущей высокой частоты вы-
ражается уравнением i=Imo sincof, где Imo—амплитуда тока при отсутствии
модуляции, а <в=2л/. При модуляции амплитуда тока будет изменяться и
станет равна Zmo+A/m. Величина А/т есть приращение амплитуды, изме-
няющееся по синусоидальному закону с низкой частотой й=2лГ. Если
обозначить максимальное изменение амплитуды при модуляции через 1М, то
&Im=IMcosQt (изменение по закону косинуса взято только для получения
более удобного конечного выражения). Учитывая, что коэффициент модуляции
равен т= ~~~< можно заменить 1М на ml то Тогда Ыт =mlm cos Qt,
Imo
а уравнение модулированного тока будет:
< = Uто 4- m/m, cos 2 0 sin со t = Im0 sin со t + m/m0 cos 21 sin «> t.
486
На основании известной тригонометрической формулы sin a cos р =
= ~^-[sin(a—p)+sin(a+P)] это уравнение легко преобразовать в сле-
дующее:
Гп1тВ rnlma
i = lm0 sin со Z + —sin (со Z — Q Z) -J-sin (a> Z + 2 Z).
А если в выражениях, стоящих под знаком синуса, вынестн за скобку
время Z, то окончательно получим:
Щ/тП /71/тП
lm0 sin со Z + - ° sin (со — 2) Z + —~— sin (со + 2) I.
рассматривать как
амплитудой, либо
неизменными амп-
I,
20кги
Как видно, в этом уравнении слагаемые выражают соответственно несу-
щее колебание, нижнее боковое и верхнее боковое.
Итак, модулированное колебание можно
колебание одной частоты с изменяющейся
как сумму несущего и боковых колебаний с
литудами, но разными частотами. Обе точки зрения не противо-
речат друг другу, а показывают разные стороны одного и того
же процесса. В каждом случае следует применять ту точку зре-
ния, которая позволяет наиболее просто и ясно получить ответ
на интересующий вопрос.
При радиотелефонной передаче звуки имеют сложную фор-
му. Частота и амплитуда их меняются. Сложный звук является
суммой нескольких колебаний раз-
личных частот и амплитуд. Каждое
из них производит модуляцию.
Поэтому получаются уже не два
боковых' колебания, а две боковые
полосы колебаний. Например, если
передатчик работает на частоте
500 кгц и модулирующие звуки име-
ют частоты от 100 до 10000 гц, т. е.
от 0,1 до 10 кгц, то верхняя боковая
полоса имеет частоты от 500+0,1 =
= 500,1 кгц до 500+10 = 510 кгц, а
нижняя боковая полоса — от 500—•
—0,1=499,9 кгц до 500—10=
= 490 кгц (рис. 10.37).
Таким образом, колебания займут полосу частот от 490 до
510 кгц.
Ширина полосы частот модулированных колебаний равна уд-
военной наивысшей частоте модуляции. В рассмотренном при-
мере ширина полосы равна 20 кгц (от 490 до 510 кгц), так как
наивысшая звуковая частота 10 кгц. Для хорошей передачи му-
зыки и речи необходимо передавать примерно такую полосу ко-
487
4S0 499,9.5001 510 f/ггц
500
Рис. 10.37. Боковые полосы ча-
стот при модуляции сложным
звуком
лебаний. Однако недостаток свободных волн в радиовещатель-
ном диапазоне заставляет суживать полосу передаваемых коле-
баний. На средних волнах каждой радиовещательной станции
отведена полоса частот в 9 кгц. Это означает, что можно переда-
вать звуки с частотой не выше 4500 гц. Более высокие звуки не '
должны передаваться, чтобы соответствующие им боковые ко-
лебания не мешали передаче радиостанции, работающей на со-
седней волне.
При модуляции амплитуда несущих колебаний остается пос-
тоянной, а у боковых колебаний она меняется, оставаясь всегда
меньше амплитуды несущих колебаний. Полезной мощностью
при радиотелефонии является мощность боковых колебаний, ко-
торая меньше мощности несущих колебаний. Суммарная
мощность двух боковых колебаний даже при /п=100%
составляет лишь */з общей мощности, а 2/з мощности приходится
на несущую волну. При /и=50%' мощность боковых волн со-
ставляет только 0,1 всей мощности. Поэтому при одинаковой об-
щей мощности в антенне и прочих равных условиях у радиоте-
лефонной станции дальность действия значительно меньше,
чем у радиотелеграфной.
Для служебной радиотелефонной связи иногда успешно при-
меняют однополосную модуляцию, при которой передатчик, по-
строенный по специальной схеме, излучает только одну боковую
полосу колебаний (в некоторых случаях дополнительно с несу-
щими колебаниями значительно уменьшенной амплитуды). Од-
нополосная радиосвязь требует создания в приемнике несущих
колебаний с частотой, точно равной несущей частоте передатчи-
ка. Это значительно усложняет приемное устройство и препятст-
вует широкому распространению такого вида связи. Но зато при
однополосной радиосвязи передатчик занимает вдвое меньшую
полосу частоту и имеет более высокий кпд, в частности, потому,
что в паузах между передачей звуков излучения вообще нет. По
сравнению с обычной радиотелефонной связью однополосная
связь на коротких волнах гораздо меньше подвержена зами-
раниям и поэтому является более надежной.
§ 10.14. СЕТОЧНАЯ МОДУЛЯЦИЯ
При модуляции под воздействием колебаний звуковой часто-
ты изменяется режим передатчика, в результате чего амплитуда
колебаний изменяется в соответствии с передаваемым звуком.
Чтобы не ухудшить стабильность частоты, модуляцию осуществ-
ляют в одной из ступеней усиления мощности, чаще всего в вы-
ходной, но иногда и в промежуточной.
Простейшей является сеточная модуляция или модуляция на
управляющую сетку, при которой напряжение смещения лампы
488
усилителя мощности изменяется., со звуковой частотой _ (рис.
10.38 а). В цепь постоянной составляющей сеточного тока вклю-
чена вторичная обмотка микрофонного трансформатора МТ. Та-
ким образом, на управляющую сетку лампы усилителя мощнос-
ти, кроме напряжения возбуждения высокой частоты от задаю-
щего генератора и постоянного напряжения смещения от сеточ-
ного сопротивления, подается переменное напряжение звуковой
частоты. Оно изменяет величину напряжения смещения и пере-
мещает рабочую точку по характеристике. -
На рис. 10.386 изображена работа лампы усилителя мощно-
сти при модуляции на управляющую сетку, когда коэффициент
модуляции 100%. Напряжение
смещения взято —20 в, ампли-
туда напряжения высокой
частоты равна 40 в и ампли-
туда модулирующего напряже-
ния звуковой частоты также
40 в. При отсутствии модуля-
ции импульс анодного тока
имеет величину 50 ма. В тече-
ние положительного полупе-
риода модулирующего напря-
жения рабочая точка переме-
щается из Л в Б, и импульсы
возрастают до 100 ма. Отри-
цательная полу-
волна звукового
напряжения уве-
личивает смеще-
ние до —60 в, ра-
бочая точка сдви-
гается в точку В,
и лампа запи-
рается. Импульсы
анодного тока
уменьшаются до
нуля. В результа-
те высокочастот-
ная составляю-
щая анодного то-
ка представляет
собой модулиро-
ванный ток с ко-
эффициентом мо-
дуляции 100%. Этот ток питает анодный контур, в котором ко-
лебания также будут модулированными. При меньшей ампли-
туде напряжения звуковой частоты коэффициент модуляции
получится меньше.
489
л
Рис. 10.39. Модуляцион-
ная характеристика при
модуляции на управляю-
щую сетку
Начальный режим для модуляции, когда напряжения звуко-
вой частоты нет (точка Л), должен соответствовать режиму ко-
лебаний второго рода. При режиме колебаний первого рода мо-
дуляция не получается, в чем нетрудно убедиться, проделав для
этого случая графическое построение, подобное рис. 10.38 б.
IB режиме колебаний первого рода высокочастотная составляю-
щая анодного тока имеет неизменную амплитуду, т. е. она не
модулирована. Кроме того, в начальном режиме импульсы анод-
ного тока должны иметь величину, рав-
ную половине максимально возможной.
Тогда при /п=.100% они смогут возра-
стать до удвоенной величины.
Режим с максимальными импульсами
анодного тока, дающий максимальную
полезную мощность, называют телеграф-
ным режимом. Телефонный режим уста-
навливается увеличением напряжения
смещения до значения, при котором им-
пульсы анодного тока, а следовательно,
ток в контуре и в антенне уменьшаются
вдвое. Мощность в антенне при этом сни-
жается в 4 раза, что сокращает дальность действия по сравнению
с телеграфным режимом.
Чтобы установить правильный режим модуляции с мини-
мальными искажениями, пользуются модуляционной характери-
стикой. Она снимается экспериментально и представляет собой
зависимость тока высокой частоты в антенне от напряжения
смещения при постоянном напряжении возбуждения. Пример-
ный вид ее изображен на рис. 10.39, где показаны также точки
телеграфного и телефонного режимов. Последняя находится на
середине прямолинейного участка характеристики и определяет
величину напряжения смещения. Размеры прямолинейного
участка определяют амплитуду модулирующего напряжения.
Схема рис. 10.38 применяется для передатчиков мощностью
до десятков ватт. Микрофонный (модуляционный) трансформа-
тор имеет коэффициент трансформации от 1 :10 до 1:100. Вме-
сто специальной батареи для микрофона иногда используют ба-
тарею накала генераторной лампы. В настоящее время пользу-
ются, главным образом, динамическими микрофонами, не требу-
ющими источников питания.
Если мощность передатчика значительна, то необходим до-
полнительный усилитель низкой частоты. Микрофон включается
на вход усилителя через микрофонный трансформатор, а с вы-
хода усилителя колебания подаются в цепь управляющей сетки
усилителя мощности передатчика через модуляционный транс-
форматор, имеющий обычно коэффициент трансформации 1:1.
О наличии модуляции судят по изменению тока в антенне
490
при разговоре перед микрофоном. Для этого рекомендуется про-
износить в микрофон звук «а». Лучше проверять модуляцию по
изменению свечения лампочки накаливания, включенной в ан-
тенну. Хорошо реагирует на изменение амплитуд при модуля-
ции неоновая лампа, обладающая малой инерцией свечения.
Контроль качества модуляции обычно ведут, принимая переда-
чу на приемник, например, простейший детекторный.
§ 10.15. АНОДНАЯ МОДУЛЯЦИЯ
Анодная модуляция состоит в изменении со звуковой часто-
той анодного напряжения лампы усилителя мощности. Она так-
же возможна только при колебаниях второго рода. Если режим
усилителя мощности установлен правильно, то при увеличении
анодного напряжения амплитуда колебаний возрастает, а при
уменьшении напряжения на аноде амплитуда колебаний умень-
шается. Неискаженная и глубокая анодная модуляция возмож-
на тогда, когда генератор работает в перенапряженном режи-
ме, т. е. когда импульсы анодного тока резко несинусоидальны
и имеют провал за счет возрастания сеточного тока (рис. 10.2в).
При анодной модуляции колебания звуковой частоты долж-
ны иметь значительную мощность. Модуляцию непосредственно
от микрофона через трансформатор не применяют. Даже при
малой мощности передатчика надо иметь модуляторную сту-
пень, в виде ступени усиления низкой частоты по трансформа-
торной или дроссельной схеме. Вообще модулятор, как прави-
ло, является обычным усилителем низкой частоты. Процесс мо-
дуляции совершается не в модуляторе, а в усилителе мощности.
Задача модулятора состоит в усилении колебаний низкой час-
тоты, полученных от микрофона, чтобы они могли достаточно
сильно воздействовать на режим работы усилителя мощности.
На рис. 10.40 а показана схема анодной модуляции с транс-
форматором. Модуляторная ступень является трансформатор-
ным усилителем низкой частоты. Вторичная обмотка модуляци-
онного трансформатора Т2 включена в цепь анодного питания
генераторной лампы ГЛ. Переменное напряжение звуковой час-
тоты этой обмотки складывается с постоянным напряжением
анодного источника. Поэтому анодное напряжение на ГЛ пуль-
сирует со звуковой частотой, что создает эффект модуляции.
Для уменьшения постоянного намагничивания сердечника мо-
дуляционного трансформатора концы его обмоток соединяют
так, чтобы постоянные анодные токи, протекающие в обмотках,
создавали противоположно направленные магнитные потоки.
В более мощных передатчиках между микрофоном и модулято-
ром включают дополнительный усилитель, называемый иногда
подмодулятором. Сам модулятор для уменьшения нелинейных
искажений часто делают по двухтактной схеме.
491
Другая схема анодной модуляции с дросселем дана на рис.
10,406. Здесь модулятор является дроссельным усилителем низ-
кой частоты. Модуляционный дроссель МД включен в общую
анодную цепь модуляторной и генераторной ламп. Переменная
составляющая анодного тока модуляторной лампы создает на
Рис. 10.40. Схемы анодной модуляции:
о) с трансформатором, б) с дросселем
дросселе большое переменное напряжение звуковой частоты, ко-
торое складывается с постоянным напряжением анодного ис-
точника. В результате напряжение на аноде генераторной лампы
пульсирует со звуковой частотой, и происходит модуляция.
Для получения большого коэффициента модуляции мощ-
ность модуляторной лампы должна быть не меньше, чем генера-
торной. Это является недостатком анодной модуляции, так как
получается дополнительный расход энергии на питание цепей
накала и анода модулятора. Зато при анодной модуляции теле-
фонный режим может совпадать с телеграфным. Следовательно,
мощность радиотелефонного передатчика с анодной модуляцией
492
значительно больше, чем у передатчика с модуляцией на сетку
(при одинаковых генераторных Лампах). Переход с телеграфно-
го режима на телефонный при анодной
модуляции не требует уменьшения мощ-
ности колебаний, как при модуляции на
сетку. На модуляционной характеристи-
ке, представляющей зависимость тока в
антенне от анодного напряжения
(рис. 10.41), точки телефонного и теле-
графного режимов совпадают.
Модуляционный дроссель должен
иметь большую индуктивность. Чтобы
его сердечник не мог намагнититься до
Рис. 10.41. Модуляцион-
ная характеристика при
анодной модуляции
насыщения, в нем делают воздушный за-
зор. Конденсатор С, шунтирующий анодный источник, ставится
большой емкости для пропускания переменной составляющей
звуковой частоты.
§ 10.16. МОДУЛЯЦИЯ ПРИ ТЕТРОДАХ И ПЕНТОДАХ
Анодная модуляция с успехом применяется при использова-
нии в качестве генераторных ламп лучевых тетродов и пентодов.
При обычных тетродах она непригодна, так как анодное напря-
жение в некоторые моменты будет меньше напряжения экрани-
рующей сетки и возникнет динатронный эффект, который вне-
сет сильные искажения.
Рис. 10.42. Схема аиодио-экраниой модуляции
Для тетродов применяется сеточная модуляция или модуля-
ция на анод и экранирующую сетку одновременно. При анодно-
экранной модуляции (рис. 10.42) модуляционный дроссель (или
трансформатор) включается в общую цепь анода и экранирую-
щей сетки генераторной лампы. Тогда одновременно и в одну
сторону изменяются напряжения анода и экранирующей сетки.
493
Уменьшение анодного напряжения сопровождается уменьшени-
ем напряжения на экранирующей сетке и наоборот. Анодное
напряжение остается все время выше напряжения экранирую-
щей сетки, и возможность возникновения динатронного эффек-
та устраняется. Анодно-экранная модуляция применяется так-
же для пентодов.
Рис. 10.43. Схема модуляции на защитную сет-
ку пентода
Хорошие результаты дает модуляция на защитную сетку
пентода (рис. 10.43). По такой схеме можно получить неиска-
женную модулящцр с большим коэффициентом модуляции при
сравнительно небольшом напряжении звуковой частоты даже у
передатчиков значительной мощности. При этом на защитную
сетку обычно дают некоторое отрицательное смещение.
§ 10.17. МОДУЛЯЦИЯ В ТРАНЗИСТОРНЫХ ГЕНЕРАТОРАХ
На рис. 10.44 показаны две схемы амплитудной модуляции
в ступенях усиления мощности, имеющих включение транзисто-
ров с общим эмиттером. В первой схеме модуляция осуществ-
ляется изменением напряжения на базе. Этот метод аналогичен
модуляции на управляющую сетку вакуумного триода. Для по-
лучения постоянного смещения на базу включено сопротивле-
ние R3. Конденсатор Сэ, шунтирующий это сопротивление, дол-
жен иметь большую емкость, чтобы на Rs не было потери на-
пряжения модулирующей частоты. Модулирующее напряжение
UMOd подается через трансформатор. Для устранения потери на-
пряжения возбуждения вторичная обмотка этого трансформато-
ра шунтирована конденсатором <?>.
В схеме рис. 10.446 осуществлена модуляция на коллектор,
аналогичная модуляция на анод. Смещение на базу в этой схеме
подается от источника питания Е через сопротивление R6 . Если
это сопротивление переключить с минуса источника на точку А,
494
то модуляция будет производиться одновременно на коллектор
и на базу.
Амплитудная модуляция в транзисторных генераторах с са-
мовозбуждением возможна по таким же схемам, но при этом не-
избежно получается паразитная частотная модуляция, так как
Рис. 10.44. Схемы модуляции аа базу (а) и на коллек-
. тор (6) в транзисторном усилителе мощности
изменение напряжений на транзисторе вызывает изменение ем-
костей его р-л-переходов. А эти емкости входят в состав ко-
лебательного контура и, следовательно, определяют частоту ге-
нерируемых колебаний. В специальных более сложных схемах
генераторов это нежелательное явление почти полностью устра-
няется.
§ 10.18. ЧАСТОТНАЯ МОДУЛЯЦИЯ
В радиосвязи и радиовещании успешно применяется частотная модуля-
ция — ЧМ. У нас в стране создана сеть ультракоротковолновых радиовеща-
тельных станций, работающих с частотной модуляцией в диапазоне 64,5-i-
<-73 Мгц (4,65-4-4,12 м).
Недостатком амплитудной модуляции (AM) является плохое использова-
ние мощности высокочастотных колебаний и, как следствие этого, уменьшение
дальности действия радиостанции по сравнению с дальностью при передаче
телеграфных сигналов. В приемниках амплитудно-модулироваиных сигналов
трудно бороться с помехами от атмосферных разрядов и электрических уста-
495
новок. Помехи производят дополнительную амплитудную модуляцию приня-
тых колебаний, которая проявляется в виде шорохов и тресков. Эти недо-
статки в значительной степени устраняются при частотной модуляции.
При частотной модуляции под действием звука изменяется не амплитуда,
а частота несущего колебания. На рис. 10.45 показаны графики модулирующего
синусоидального звука и колебания с переменной высокой частотой, получен-
ного в результате частотной модуляции. Во время одного полупериода зву-
кового колебания частота несущего колебания возрастает, доходит до наи-
большего значения, а затем возвращается к прежнему значению. В течение
другого полупериода звука частота несущего колебания уменьшается, дохо-
дит до наименьшего значения и снова принимает первоначальное значение.
Чем больше амплитуда модулирующего звука, тем сильнее изменяется частота.
Для радиовещания применяется широкополосная частотная модуляция, при
которой наибольшее отклонение частоты от первоначального значения дости-
гает десятков килогерц (обычно ±75 кгц). Такое отклонение частоты допу-
стимо только в случае, если частота иесуших колебаний достаточно велика.
Поэтому радиовещание с частотной модуляцией ведется на ультракоротких
волнах, т. е. на частотах ие меиее десятков мегагерц.
i
1
I
Модулирующий зВук
Рис. 10.45. Частотная модуляция
Главным достоинством частотной модуляции является ослабление дей-
ствия помех, что позволяет улучшить качество приема. По сравнению с ам-
плитудной модуляцией при частотной модуляции лучше используется мощность
передатчика.
Существует еще узкополосная частотная модуляция, при которой полоса |
частот колебаний такая же, как и при амплитудной модуляции. Однако при
узкополосной ЧМ в меньшей степени подавляются помехи.
Для осуществления частотной модуляции колебания звуковой частоты дол-
жны воздействовать на частоту задающего генератора. Существует много
методов частотной модуляции, На рис. 10.46 а показана схема, в которой
частотная модуляция получается путем изменения входной емкости модуля-
торной лампы. Параллельно контуру LC задающего генератора присоединена
через конденсатор Ct входная емкость Свх модуляторной лампы МЛ. Вели-
чина ее зависит от сеточного смещения, что можно объяснить следующим
образом.
На сетку модуляторной лампы подается напряжение высокой частоты 1)с
от задающего генератора. Амплитуда этого напряжения постоянна, а его
частота в процессе модуляции изменяется незначительно. Например, в совре-
менных радиовещательных передатчиках с частотной модуляцией, работающих
иа частоте порядка десятков мегагерц, наибольшее изменение частоты при
модуляции составляет ±75 кгц. Поэтому частоту сеточного напряжения допу-
стимо считать постоянной. Тогда входная емкость лампы будет пропорциональ-
на величине емкостного сеточного тока возникающего за счет наличия этой
входной емкости.
496
Действительно] •
Iс •= —— или 1с = ис(й Свх.
Хсвх
Если бы входнаяемкость была равна нулю, то не было бы и емкостного се-
точного тока. Чем больше входная емкость, тем больший проходит через нее
ток. Он состоит из двух токов. Одни из них проходит через емкость сетка —
катод лампы, а другой — через емкость анод — сетка. Величина последнего
тока пропорциональна переменному напряжению между анодом н сеткой.
Если увеличить сеточное смещение, то рабочая точка сдвинется в область
меньшей крутизны, усиление ступени снизится и уменьшится переменное на-
пряжение на аноде. Станет меньше и переменное напряжение .между анодом
Рис. 10.46. Схемы частотной модуляции:
а) с изменением входной емкости модуляторной лампы, б) с реактивной
модуляторной лампой
и сеткой, что, в свою очередь, создает уменьшение емкостного тока, проходя-
щего через емкость Ссс, и общего емкостного тока в цепи сетки. А это озна-
чает, что снизилась величина входной емкости. При уменьшении сеточного
смещения все будет происходить наоборот, и входная емкость возрастет.
При подаче через микрофонный трансформатор МТ напряжения звуковой
частоты смещение иа сетке лампы МЛ изменяется. Следовательно, будут
изменяться входная емкость модуляторной лампы и частота колебаний задаю-
щего генератора.
Другая схема частотной модуляции с реактивной лампой показана нз
рис. 10.466. В этой схеме у модуляторной лампы МЛ внутреннее сопротив-
ление для переменного тока имеет индуктивный характер, и величина его
зависит от смещения иа сетке. Это сопротивление подключено параллельно
контуру задающего генератора, т. е. входит в состав этого контура и влияет
на его частоту. Если к сетке модуляторной лампы подвести напряжение зву-
ковой частоты, то реактивное внутреннее сопротивление лампы будет изме-
няться и это вызовет изменение частоты колебаний задающего генератора.
32—2607 497
Реактивный характер внутреннего сопротивления модуляторной лампы
объясняется следующим образом. От контура CjLi задающего генератора
переменное напряжение высокой частоты подается на анод модуляторной
лампы и одновременно через делитель, составленный из сопротивления R и
емкости С, иа ее сетку. Сопротивление R значительно больше, чем емкостное
сопротивление конденсатора С. Поэтому ток в цепи RC практически совпа-
дает по фазе с напряжением, подводимым от задающего генератора, т. е. пере-
менным напряжением на аноде модуляторной лампы. Напряжение на емко-
сти С, а следовательно, н на сетке модуляторной лампы отстает от тока на 90°.
В лампе возникает переменный анодный ток, который совпадает по фазе с на-
пряжением иа сетке и отстает по фазе от анодного напряжения на 90°. Отсюда
следует, что внутреннее сопротивление лампы действительно имеет индуктив-
ный характер, т. е. промежуток анод—катод лампы ведет себя, как индук-
тивность. Величина этой индуктивности зависит от крутизны характеристики
лампы. Если крутизна уменьшится, то при прежних напряжениях переменный
анодный ток станет меньше, а это равносильно тому, что внутреннее сопротив-
ление увеличилось, т. е. увеличилась индуктивность, эквивалентная лампе.
Когда на сетку модуляторной лампы подается напряжение звуковой частоты,
то с этой частотой изменяются смещение на сетке и крутизна характеристики.
В результате меняются эквивалентная индуктивность лампы и частота коле-
баний задающего генератора.
Если в делителе для подачи напряжения на сетку модуляторной лампы
поменять местами R и С и взять R много меньшим емкостного сопротивления
конденсатора С, то, повторив проведенные выше рассуждения, придем к вы-
воду, что лампа эквивалентна некоторой емкости, величина которой также
зависит от смещения на сетке. Можно также в схеме модулятора с реактив-
ной лампой заменить конденсатор С катушкой индуктивности.
Так как частотная модуляция производится в маломощном задающем ге-
нераторе, то для ее осуществления не требуется мощных модуляторов. Моду-
лятор должен лишь воздействовать на параметры колебательного контура ге-
нератора для изменения частоты его колебаний.
В транзисторных генераторах с самовозбуждением частотная модуляция
в простейших случаях осуществляется за счет изменения емкостей транзистора
при изменении напряжений на его электродах.
§ 10.19. ВОПРОСЫ И ЗАДАЧИ
1. В чем заключается отличие генератора с самовозбуждением от генера-
тора с посторонним возбуждением?
2. Какая связь называется обратной связью?
3. Каковы условия самовозбуждения лампового генератора?
4. Контур генератора с самовозбуждением имеет £.= 120 мкгн и С=200 пф.
Определите частоту колебаний генератора.
5. Почему чрезмерно сильная обратная связь невыгодна для генератора?
6. Лампа имеет ток насыщения /исс =200 ма. Анодное напряжение Ua —
=450 в. Какую полезную мощность может дать эта лампа в генераторе?
7. В ламповом генераторе анодное напряжение Ua =750 в и постоянная
составляющая анодного тока равна /с =40 ма. Полезная мощность Рк —
= 18 вт. Найдите мощность потерь на аноде Рак кпд генератора.
8. Какую роль играет напряжение смещения в ламповом генераторе?
9. Всегда ли можно получить ст лампового генератора полезную мощ-
ность Рк =0,2 /Мс Ua?
10. Сопротивление контура генератора при резонансе Ra =10 000 ом. Пе-
ременное напряжение на контуре имеет амплитуду 1)та =400 в. Найдите
мощность в контуре /.
11, Что произойдет в ламповом генераторе по схеме рис. 10.6, если во вре-
мя его работы будет пробит сеточный конденсатор?
498
12. Переменное напряжение на управляющей сетке лампы имеет амплиту-
ду U тс= ЮО в и частоту /=8000 кгц. Сопротивление Rc =10 000 ом включено
между сеткой и катодом. Какая мощность тока высокой частоты теряется
в этом сопротивлении? Во сколько раз она уменьшится, если последовательно
с Rc включить дроссель с индуктивностью £=2 мгн?
13, Почему напряжение смещения от сеточного сопротивления становится
равным нулю, если колебания в генераторе прекращаются?
14. Начертите схему лампового генератора с индуктивной обратной связью
и параллельным анодным питанием, имеющего контур в цепи управляющей
сетки, а вместо анодного дросселя активное сопротивление. Почему такая
схема годится только для маломощных ламповых генераторов?
15. Начертите двухконтурную схему лампового генератора с параллель-
ным анодным питанием.
16. Начертите двухтактную схему лампового генератора с емкостной об-
ратной связью и параллельным анодным питанием.
17. Что произойдет в схеме лампового генератора с параллельным анод-
ным питанием, если будет пробит разделительный конденсатор?
18. Почему генератор с параллельным анодным питанием не может рабо-
тать без дросселя в аиодиой цепи?
19. Чем удобна переменная индуктивная связь передатчика с антенной?
20. Правильно ли, что задача усилителя мощности состоит только в уве-
личении мощности колебаний, созданных задающим генератором?
21. Почему нельзя конденсатор настройки антенны насадить на одну ось
с конденсаторами настройки замкнутых контуров передатчика?
22. Анодный контур усилителя мощности имеет £=80 мкгн и С=150 пф.
Можно ли по этим данным определить частоту колебаний передатчика?
23. Объясните назначение антенного индикатора.
24. Зависит ли частота передатчика от параметров его антенны?
25, 3?чем настраивают антенну передатчика на частоту колебаний задаю-
щего генератора?
26. В чем состоит вредное действие емкости Сас в усилителе мощности?
27. Начертите схему лампового передатчика с электронной связью, у кото-
рого задающий генератор имеет индуктивную обратную связь.
28. Зачем применяется удвоение частоты в передатчиках?
29. Как можно усилитель мощности превратить в удвоитель?
30. Каковы главные причины нестабильности частоты передатчика?
31. Почему изменяется частота генератора, если сменить его лампу?
32. Чему равна толщина пластинки кварца на длину волны Х=40 м?
33. Чем замечательны кварцевые пластинки нулевого среза?
34. Начертите схемы кварцевых генераторов с дополнительной автотранс-
форматорной и емкостной обратной связью.
35. Почему не включают ключ в одну из цепей задающего генератора?
36. Можно ли включить ключ в цепь накала усилителя мощности?
37. Что такое негативные сигналы?
38. Почему в усилителях мощности с заземленным катодом нежелательно
применять триоды?
39. Начертите схему передатчика с посторонним возбуждением, имеющего
задающий генератор по схеме с электронной связью на пентоде и усилитель
мощности также на пентоде. Все остальные данные выберите сами,
40. Где важнее повышение коэффициента полезного действия: в задающем
генераторе мощностью 5 вт или в оконечной ступени на 10 кет?
41. Может ли удвоитель частоты работать в режиме колебаний первого
рода?
42. Могут ли быть генераторы с самовозбуждением без обратной связи?
43. Каковы преимущества двухтактных схем ламповых генераторов?
44, Почему для лампового генератора с самовозбуждением нежелательно
применять напряжение смещения от отдельного источника или применять
автоматическое напряжение смещения от анодного тока?
S2* 499
45. Амплитуда тока высокой частоты в антеиие передатчика без модуляции
составляет 20 а. При модуляции оиа увеличивается в некоторые моменты до
32 о и уменьшается до 8 а. Каков коэффициент модуляции?
46. Можно ли сказать, что модуляция в радиотелефонном передатчике
происходит в модуляторе?
47. Является ли коэффициент модуляции при радиотелефонной передаче
постоянной величиной?
48. Генератор создает колебания с частотой 600 кгц. Он модулируется
синусоидальным звуком, имеющим частоту 200 гц. Из каких составных коле-
баний складываются в данном случае модулированные колебания?
49. Что такое биения?
50. Какова ширина полосы частот радиотелефонного передатчика, если
наивысшая частота модулирующих звуков составляет 2500 гц?
51. В чем отличие модулированных колебаний при частотной модуляции
от таких же колебаний при амплитудной модуляции?
52. Амплитуда тока в антенне при коэффициенте модуляции 100% воз-
растает вдвое и уменьшается до нуля. В каких пределах при этом изменяется
мощность в антенне по сравнению с мощностью несущих колебаний.
53. Начертите схему передатчика с модуляцией на управляющую сетку,
имеющего следующие данные. Задающий генератор на пентоде с автотран-
сформаторной обратной связью и параллельным питанием. Усилитель мощ-
ности также на пентоде с параллельным питанием. Модулятор имеет одну
ступень усиления на триоде с дроссельным выходом.
54. Анодную модуляцию можно осуществить, заменив модуляционный
дроссель активным сопротивлением. Какой недостаток имеет такая схема?
55. Модуляционный дроссель имеет индуктивность £=40 гн. Определите
его сопротивление для токов с частотой 50 гц и 3200 гц.
56. В схеме передатчика с анодной модуляцией конденсатор, шунтирующий
анодную батарею, имеет емкость С=5000 пф. Достаточна ли оиа для пропу-
скания низкочастотной составляющей анодного тока?
57. Начертите схему передатчика с электронной связью и модуляцией на
защитную сетку.
58. Какое переключение надо сделать в схеме рис. 10 42, чтобы вместо
анодно-экранной модуляции получилась чисто анодная модуляция?
59. В какой ступени передатчика осуществляется частотная модуляция?
60. Начертите схему анодной модуляции с трансформатором, причем мо-
дулятор должен представлять собой двухтактную ступень на триодах.
61. В каких частях радиотелефонного передатчика возникают частотные
и нелинейные искажения? Дайте подробное объяснение.
62. Каким образом можно уменьшить нагрузочное сопротивление для лам-
пы в генераторе?
63. Какими способами подают напряжение смещения на базу в транзи-
сторных генераторах?
64. В какой схеме усилителя мощности можно применять триоды без ней-
трализации?
65. Как осуществляется нейтрализация в транзисторных усилителях мощ-
ности?
66. Что такое однополосная радиосвязь и каковы ее особенности?
67. Начертите схему транзисторного передатчика, имеющего две ступени:
возбудитель и усилитель мощности с модуляцией на коллектор. Схемы этих
ступеней составьте по своему выбору. Предусмотрите в них автоматическое
смещение и стабилизацию режима,- Модулятор должен иметь одну ступень
усиления низкой частоты.
ГЛАВА 11.
РАДИОПРИЕМНИКИ
$ 11.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПРИЕМНИКАХ
Радиоволны, пересекая провод приемной антенны, наводят в
нем переменную электродвижущую силу. Ее частота равна ча-
стоте принятой радиоволны, т. е. частоте тока в антенне пере-
датчика. Однако мощность колебаний в приемной антенне обыч
но ничтожно мала. Поэтому принятые колебания усиливаются
в приемниках с помощью электронных ламп или транзисторов, а
также за счет настройки в резонанс колебательных контуров.
Главной задачей радиоприемника является детектирование,
т. е. преобразование колебаний высокой частоты в колебания
низкой частоты, повторяющие модулирующий сигнал (речь, му-
зыку и т. д.).
Если модулированный ток высокой частоты пропустить через
телефон, то звука не будет, так как мембрана, обладая инерци-
ей, не может совершать колебания с высокой частотой. Иначе
говоря, модулированный ток не содержит составляющей звуко-
вой частоты, способной привести в колебание мембрану теле-
фона. А если бы даже мембрана совершала колебания с высокой
частотой, то все равно ничего не было слышно, так как человек
не воспринимает в виде звука колебания высокой частоты.
Для детектирования нужны приборы с нелинейными свойст-
вами. Чаще всего применяют детекторы, обладающие несиммет-
ричной проводимостью, т. е. неодинаково проводящие ток в раз-
ных направлениях. В прямом направлении они имеют небольшое
сопротивление, а при обратном направлении тока их сопротив-
ление гораздо больше. Такие детекторы являются маломощны-
ми выпрямителями. Некоторые детекторы совершенно не про-
пускают ток в одном направлении.
Модулированные колебания, пропущенные через детектор,
теряют свою симметричную форму, характерную тем, что сосед-
ние положительная и отрицательная полуволны имеют примерно
одинаковую амплитуду. После детектирования одни полуволны,
например отрицательные, становятся гораздо меньше по ампли-
туде, чем другие — положительные, или даже совершенно
501
уничтожаются. В результате получается несимметричный пере-
менный (или пульсирующий) модулированный ток.
На рис. 11.1а показаны графики модулированного напряже-
ния, подводимого к детектору, и пульсирующего тока, получен-
ного в детекторе, который совершенно не пропускает (срезает)
отрицательные полуволны (рис. 11.16).
Ток детектора представляет собой сумму модулированного
тока высокой частоты, постоянного тока и переменного тока зву-
ковой частоты. Сумма постоянного тока и тока звуковой частоты
составляет ток, пульсирующий со звуковой частотой. Он показан
Составляющей
X । Соста бляющ ая.
t
Рис. 11.1. Графики, поясняющие процесс детекти-
рования
на рис. 11.1 б жирной штриховой линией. Таким образом, в ре-
зультате детектирования появились постоянная составляющая и
составляющая низкой (звуковой) частоты, которых не было в
модулированном колебании. Для приведения в колебание мем-
браны телефона используется низкочастотная составляющая.
Постоянная составляющая и составляющая высокой частоты для
получения звука роли не играют.
Итак, при детектировании модулированные колебания воз-
действуют на детектор, представляющий собой нелинейный при-
бор с несимметричной проводимостью, в результате чего появ-
ляется ток звуковой частоты, который может привести в дейст-
вие телефон или громкоговоритель.
Второй задачей радиоприемника является выделение сигна-
лов нужной радиостанции. В приемной антенне возникает мно-
жество различных колебаний высокой частоты, так как на нее
действуют радиоволны многих радиостанций. С помощью коле-
бательных контуров, настраиваемых в резонанс на частоту нуж-
ной радиостанции, получается усиление сигналов только дан-
ной радиостанции. Это свойство приемника называют избира-
ем
тельностью (или селективностью). Если приемник не обладает
избирательностью, то в нем сигналы различных радиостанций
смешиваются и прием нужной станции невозможен.
Усиление принятых сигналов является также важной задачей
радиоприемников. Усиление одной ступени часто недостаточно.
Поэтому колебания, усиленные в первой ступени приемника, под-
водят ко второй ступени, затем к третьей и т. д., пока они не
будут усилены в нужной степени. Число ступеней усиления в
приемнике бывает до 4—6 и больше. Общий коэффициент усиле-
ния приемника равен произведению коэффициентов усиления от-
дельных ступеней и может составлять несколько миллионов.
Приемники, в которых преобразование частоты совершается
только один раз, т. е. колебания высокой частоты превращаются
в колебания низкой частоты, называются приемниками прямого
усиления. Они просты по устройству и в прошлом имели широкое
распространение. В настоящее время их почти полностью заме-
нили более сложные приемники — супергетеродины, или прием-
ники с преобразованием частоты, дающие большее усиление и
большую избирательность, чем приемники прямого усиления.
В супергетеродинах колебания высокой частоты в специаль-
ной ступени преобразуются в колебания иной, постоянной для
данного приемника, высокой частоты. После этого производится
основное усиление сигналов и при помощи нескольких резонанс-
ных контуров обеспечивается нужная избирательность. Затем
сигналы детектируются, т. е. колебания высокой частоты преоб-
разуются в колебания низкой частоты, как и в приемнике пря-
мого усиления. Таким образом, в супергетеродинном приемнике
преобразование частоты совершается два раза.
§ 11.2. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ПРИЁМНИКОВ
Приемник должен давать хорошую слышимость сигналов в
нужном диапазоне волн, иметь хорошую избирательность и вно-
сить возможно меньшие искажения. Важно, чтобы приемник ра-
ботал устойчиво. Его настройка на заданную волну не должна
самопроизвольно изменяться, чтобы не произошло исчезание
слышимости сигналов. Во многих случаях приемники, настроен-
ные на определенную волну, должны обеспечивать устойчивую
связь без дополнительной подстройки и без поиска сигналов
корреспондента.
Рассмотрим параметры, характеризующие приемники.
Выходное напряжение и выходная мощность. Последняя сту-
пень приемника отдает телефону или громкоговорителю некото-
рую мощность тока низкой частоты, называемую выходной
мощностью. На зажимах телефона или громкоговорителя полу-
чается напряжение, называемое выходным напряжением. Для
громкого приема на телефон выходная мощность должна быть
503
около 10—20 мет, а выходное напряжение составляет 15—
20 в для высокоомного телефона и 2—3 в для низкоомного.
Приемники, работающие на громкоговоритель, имеют большую
выходную мощность (от десятков милливатт до нескольких
ватт).
Чувствительность. Способность приемника принимать слабые
сигналы радиостанций называется чувствительностью. Она опре-
деляется величиной напряжения высокой частоты, которое необ-
ходимо подвести ко входу приемника (зажимы антенны — зем-
ля), чтобы получить нормальную выходную мощность. Чем
меньше входное напряжение, нужное для нормального приема.
Рис. 11.2. Различные формы кривых избирательности приемника* ‘
тем выше чувствительность приемника. У современных приемни-
ков чувствительность бывает от нескольких микровольт до не-
скольких милливольт и зависит от качества и количества ступе-
ней усиления. Нельзя, однако, делать очень много ступеней, так
как при этом возрастают искажения, шумы и трудно добиться
устойчивой работы приемника.
Избирательность (селективность). Способность приемника
выделять сигналы нужной радиостанции из сигналов других ра-
диостанций, имеющих иную длину волны, называется избира-
тельностью. Иначе говоря, избирательность есть способность
приемника принимать колебания в пределах узкой полосы
частот.
При современном развитии радио, когда большое количество
радиостанций работает на близких друг к другу волнах, необхо-
димо, чтобы приемник обладал высокой избирательностью. Чем
выше она, чем уже полоса частот колебаний, пропускаемых
приемником, тем меньше помехи от других радиостанций.
Избирательность характеризуют при помощи резонансных
кривых, называемых кривыми избирательности. Они должны
учитывать избирательные свойства всего приемника и поэтому
представляют собой график зависимости выходного напряжения
Ueux от частоты f напряжения на входе. На рис. 11.2а дана кри-
вая избирательности хорошего приемника. Она показывает, что
приемник принимает сигналы в полосе частот, взятой для приме-
501
ра равной 10 кгц, а сигналы радиостанций, имеющих частоты вне
пределов этой полосы, ослаблены во много раз. Примеры плохих
кривых избирательности, при которых могут наблюдаться силь-
ные помехи от других радиостанций, приведены на рис. 11.26
и в. Если избирательность чрезмерно высока, то полоса частот
пропускаемых колебаний становится весьма узкой. Это выгодно
для приема телеграфных сигналов, но при приеме радиовеща-
тельных передач будут получаться частотные искажения. Таким
образом, для каждого вида сигналов (телеграф, телефон, веща-
ние) желательно иметь свою определенную полосу частот про-
пускаемых колебаний.
Избирательность часто выражают величиной ослабления сиг-
нала при определенной расстройке. При хорошей избирательно-
сти расстройка на 5 кгц должна давать ослабление сигнала не
меньше чем в 100 раз.
Избирательность зависит от числа колебательных контуров и
их качества. Чем больше резонансных контуров в приемнике и
чем они лучше, тем выше избирательность. Большое число конту-
ров практически можно применить только в супергетеродинных
приемниках.
Качество воспроизведения. Чем меньше искажений вносит
приемник, тем выше качество воспроизведения. В гл. 9 были рас-
смотрены частотные и нелинейные искажения, вносимые усили-
телем низкой частоты. В приемнике частотные искажения полу-
чаются также за счет резонансных свойств колебательных кон-
туров.
Чем шире полоса частот колебаний, пропускаемых приемни-
ком, тем естественнее звучание речи и музыки. Для приема ре-
чевых передач достаточно пропускать колебания в полосе ча-
стот 2004-2000 гц, а при приеме музыкальных передач эта поло-
са должна быть 100-4-5000 гц для удовлетворительного воспро-
изведения и 504-10000 гц для хорошего воспроизведения.
Однако требование пропускания колебаний в широкой полосе
частот находится в противоречии с требованием высокой избира-
тельности. Увеличение избирательности ведет к уменьшению по-
лосы частот пропускаемых колебаний и к ухудшению естествен-
ности воспроизведения звука. При высокой избирательности сни-
жается слышимость звуков верхних частот, так как срезаются
колебания боковых частот, наиболее отличающихся от несущей
частоты, а они соответствуют звукам высокого тона.
Идеальная кривая резонанса должна иметь прямоугольную
форму с шириной, соответствующей полосе частот принимаемых
колебаний (рис. 11.2г). Тогда колебания в этой полосе частот
будут пропускаться равномерно. Реальные кривые резонанса
(рис. 11.2 а, б и в) дают обычно ослабление колебаний боковых
частот. Улучшение звучания иногда можно получить, если не-
сколько расстроить контуры. Точная настройка на несущую ча-
505
стоту дает звучание с недостатком высоких тонов, а смещение
настройки в сторону боковых частот возвращает передаче эти
звуки. Хорошую избирательность с достаточно широкой полосой
частот пропускаемых колебаний можно получить лишь при по-
мощи полосовых фильтров, описываемых в § 11.17.
Диапазон волн. Приемник должен давать настройку на необ-
ходимый диапазон волн. Желательно, чтобы его чувствитель-
ность и избирательность были одинаковы на всем диапазоне.
Радиовещательные приемники имеют обычно диапазоны сред-
них волн 187,5-4-577 м (1600-4-520 кгц), длинных волн 723-4-
-4-2000 м (415-4-150 кгц) и коротких волн 25-4-75 м (12-4-
-4-4 Мгц), а также во многих случаях диапазон укв 4,1-4-5,65
(73-4-64,5 Мгц) для приема вещания с частотной модуляцией.
Специальные приемники строятся на иные диапазоны.
К приемникам предъявляют также требования устойчивости
и надежности в работе, экономичности в потреблении энергии от
источников электропитания, удобства и простоты управления,
прочности, доступности монтажа для ремонта и др.
$ 11.3. ПРИЁМНИК ПРЯМОГО УСИЛЕНИЯ
Приемники с электронными лампами или транзисторами да-
ют возможность принимать сигналы отдаленных радиостанций
и получать громкоговорящий прием. Принципиальная особен-
ность этих приемников состоит в том, что они обладают собст-
венным источником энергии в виде батареи или выпрямителя,
Рис. 11.3. Блок-схема приемника прямого усиления
причем энергия принятых волн лишь управляет энергией источ-
ника. С помощью электронных ламп или транзисторов произ-
водится усиление колебаний в сотни тысяч и даже в миллионы
раз.
Принцип устройства приемников прямого усиления показан
на блок-схеме рис. 11.3. Колебания из антенны попадают во
входную часть приемника, представляющую собой контур, свя-
Еое
занный с антенной. На схеме рис. 11.3 показана часто применяе-
мая индуктивная связь антенны с входным контуром. Входной
контур, настраиваемый на частоту принимаемых сигналов, дает
некоторое усиление и осуществляет предварительную избира-
тельность. От входного контура колебания подводятся к усили-
телю напряжения высокой частоты (УВЧ), имеющему обычно не
более двух ступеней. Усилитель высокой частоты при помощи
электронных ламп или транзисторов и настроенных в резонанс
контуров дает значительное усиление и повышение избиратель-
ности. После усиления колебания высокой частоты попадают в
детекторную ступень, которая часто также и усиливает колеба-
ния. Полученные после детектора колебания звуковой частоты
усиливаются в ступенях усиления напряжения низкой частоты
(УНЧ). Эти ступени не отличаются от рассмотренных в гл. 9. От
последней ступени колебания звуковой частоты попадают в
громкоговоритель или телефон. Ступени приемника получают
питание от батарей или аккумуляторов или выпрямителя. На
блок-схеме источники питания обычно не показываются. Глав-
ной ступенью любого приемника является детекторная ступень,
без которой приемник работать не может. Усилители высокой
частоты и низкой частоты вообще не обязательны. Но без уси-
ления высокой частоты приемник имеет недостаточную чувстви-
тельность и плохую избирательность, а усиление низкой частоты
необходимо для увеличения громкости приема.
Для краткой характеристики приемников прямого усиления
иногда применяют следующие условные обозначения. Буквой V
обозначается детекторная ступень. Число ступеней УВЧ и УНЧ
указывается соответственно цифрой до и после буквы V. Напри-
мер: 1-V-1—приемник, имеющий одну ступень УВЧ, детектор и
одну ступень УНЧ; 0-V-2 — приемник без УВЧ, но с двумя сту-
пенями УНЧ.
§ 11.4. ДИОДНЫЙ ДЕТЕКТОР
В современных приемниках детектор с вакуумным или полу-
проводниковым диодом применяется очень часто. Оба типа дио-
дов работают в нем примерно одинаково. Достоинством диод-
ного детектора является малое искажение колебаний звуковой
частоты. Его недостаток — отсутствие усиления колебаний.
На рис. 11.4 а графически показан процесс детектирования
диодом. Вдоль нижней вертикальной оси изображена кривая мо-
дулированного напряжения, подаваемого на диод, а вдоль пра-
вой горизонтальной оси построен с помощью характеристики
диода график пульсирующего в нем тока. Этот ток содержит,
кроме составляющей высокой частоты, еще постоянную состав-
ляющую и составляющую низкой частоты. Для упрощения гра-
507
80S
Рис. 11.4. Графическое изображение детектирования с помощью диода (а и б) и схемы диодных детек>
торов—последовательная (в) и параллельная (г)
фики на рис. 11.4а приведены для случая, когда последователь-
но с диодом не включено никакого сопротивления.
Две схемы диодных детекторов показаны на рис. 11.4, в и а.
В последовательной схеме (рис. 11.4 в) нагрузочное сопротивле-
ние R порядка 0,1—0,5 Мом включено последовательно с диодом.
Переменное модулированное напряжение с контура LC подается
на диод. Чтобы на R не терялась значительная часть переменно-
го напряжения высокой частоты, его всегда шунтируют конден-
сатором Ci емкостью 100—200 пф, сопротивление которого для
токов высокой частоты невелико.
Пульсирующий ток диода протекает следующим образом. Его
составляющая высокой частоты проходит через конденсатор Ct
и контур LC. Постоянная составляющая и составляющая низкой
частоты проходят через катушку контура L и сопротивление R,
создавая на нем напряжение, пульсирующее со звуковой часто-
той. Нагрузочное сопротивление R включено для того, чтобы в
результате работы детектора получилось переменное напряжение
низкой частоты. Это напряжение обычно подается на усилитель
низкой частоты через разделительный конденсатор С% который
служит для того, чтобы на УНЧ не подавалось постоянное на-
пряжение, также получающееся на сопротивлении R. Емкость
конденсатора С% должна быть не менее нескольких тысяч пико-
фарад, чтобы он хорошо пропускал колебания низкой частоты.
Шунтирующий нагрузочное сопротивление R конденсатор С\
не только служит для подачи через него переменного напряже-
ния от контура на диод, но также сглаживает высокочастотные
пульсации напряжения на сопротивлении R, т. е. действует ана-
логично первому конденсатору сглаживающего фильтра выпря-
мителя (см. гл. 7, § 7.2). За счет действия конденсатора Ci
постоянное напряжение и напряжение низкой частоты на сопро-
тивлении R повышаются.
На рис. 11.4 б показан график напряжения на сопротивле-
ния R при детектировании модулированных колебаний. Каждый
импульс тока диода подзаряжает конденсатор Сь который в про-
межутке между импульсами разряжается на сопротивление R.
В результате этого высокочастотные пульсации напряжения рез-
ко уменьшаются, а постоянная составляющая напряжения и со-
ставляющая низкой частоты становится значительно больше
(в 2,5—3 раза), чем при отсутствии конденсатора.
Схема рис. 11.4 г, называемая параллельной, имеет парал-
лельное соединение диода и нагрузочного сопротивления R. Пе-
ременное напряжение от контура LC подается на диод через
конденсатор Ci емкостью 100—200 пф. Высокочастотная состав-
ляющая тока диода проходит через С\ и контур, а постоянная и
низкочастотная составляющая проходят через сопротивление R,
так как Ci не пропускает постоянный ток и представляет очень
большое сопротивление для тока низкой частоты. На сопротив-
509
лении получается постоянное напряжение и напряжение зву-
ковой частоты. Последнее через конденсатор С% подается на
УНЧ.
Детектор с вакуумным диодом имеет входное сопротивление
/?вл,, равное половине нагрузочного сопротивления R для после-
довательной схемы и */з R Для параллельной схемы. При полу-
проводниковом диоде Rex получается меньше из-за того, что
обратное сопротивление RO6P полупроводникового диода не рав-
но бесконечности. И чем меньше Ro6o, тем меньше Rex. Входное
сопротивление шунтирует контур LC, внося в последний затуха-
ние и ухудшая его избирательность.
§ 11.5. ДЕТЕКТОРНЫЙ ПРИЁМНИК
Наиболее простыми приемниками прямого усиления являют-
ся приемники с полупроводниковым детектором, не имеющие
усилителей высокой и низкой частоты и называемые детектор-
ными приемниками. На рис. 11.5 а приведена схема простейше-
го детекторного приемника. Его колебательный контур состоит
Рис. 11.5. Схемы простейших детекторных приемников
из антенны, катушки L и конденсатора С, при помощи которого
производится настройка на частоту принимаемой радиостанции.
Модулированное напряжение высокой частоты, получающееся
510
на катушке L, воздействует на детекторную цепь, состоящую из
детектора Д и телефона Т. Детектор осуществляет выпрямление
тока, и слагающая звуковой частоты приводит в колебание мем-
брану телефона.
Сама антенна обладает собственной длиной волны, завися-
щей от длины ее провода. Катушка L, включенная в антенну,
удлиняет ее волну. Конденсатор С, включенный последователь-
но, укорачивает волну вследствие того, что общая емкость при
последовательном соединении уменьшается. Наоборот, включе-
ние конденсатора С параллельно емкости самой антенны дает
увеличение общей емкости, а значит, и удлинение волны. Для пе-
рекрытия широкого диапазона в детекторных приемниках иногда
применяют переключение конденсатора последовательно и па-
раллельно катушке или применяют катушки с отводами и пере-
ключателем (рис. 11.5 б). Вместо конденсатора можно включить
для настройки вариометр (рис. 11.5е). Иногда дополнительно
присоединяют постоянные конденсаторы последовательно для
укорачивания волны и параллельно для ее удлинения.
Детекторная цепь имеет сравнительно небольшое сопротив-
ление и сильно шунтирует контур, ухудшая его добротность.
В некоторых случаях можно увеличить громкость и улучшить
избирательность, если уменьшить связь контура с детекторной
цепью, присоединив ее только к части катушки контура. Поэто-
му иногда делают переменную детекторную связь (рис. 11.5г).
Детекторный приемник имеет низкие чувствительность и из-
бирательность. Главным недостатком его является малая гром-
кость приема, так как он работает исключительно за счет энер-
гии принятых колебаний. Даже при близко расположенной ра-
диовещательной станции с детекторным приемником можно по-
лучить прием только на телефон. Мощные радиовещательные
станции уверенно принимаются детекторным приемником на рас-
стояних примерно до 500 км, иногда больше. Для улучшения
работы приемника надо увеличить высоту и длины антенны и
свести к минимуму потери энергии в антенном устройстве и в
контуре приемника. Сопротивления антенны, заземления и ка-
тушки контура должны быть минимальными. Конденсатор кон-
тура желателен с воздушным диэлектриком для уменьшения
потерь. Важную роль играет качество детектора и телефона.
Электромагнитный телефон должен быть высокоомным. Па-
раллельно ему присоединяется блокировочный конденсатор
емкостью до 1000—2000 пф. Через него переменное напряжение
высокой частоты от контура подается на детектор. При отсутст-
вии конденсатора значительная часть этого напряжения была бы
потеряна на сопротивлении телефона. Кроме того, конденсатор,
заряжаясь от импульсов тока, проходящих через детектор, раз-
ряжается на телефон, т. е. действует подобно первому конденса-
тору сглаживающего фильтра выпрямителя. В результате на-
511
пряжение звуковрй частоты на телефоне повышается и громкость
приема увеличивается. Однако применение блокировочного кон-
денсатора не обязательно, так как его роль в известной степени
выполняет емкость шнура телефона.
§ 11.6. СЕТОЧНЫЙ ДЕТЕКТОР
В приемниках прямого усиления часто применяется сеточный
детектор с триодом или пентодом. В нем детектирование, подоб-
ное диодному, происходит в цепи управляющей сетки. Роль дио-
да выполняет промежуток сетка—катод, причем сетка является
анодом (рис. 11.6). Как и в схеме диодного детектора, в цепь
Рис. 11.6. Схемы сеточного детектирования
управляющей сетки включены большое сопротивление Rc и кон-
денсатор Сс. В схеме рис. 11.6а сопротивление включено после-
довательно и шунтировано конденсатором. Эта схема аналогич-
на последовательной схеме диодного детектора (рис. 11.4е).
В схеме рис. 11.66 сопротивление Rc включено параллельно про-
межутку сетка—катод, как в параллельной схеме диодного де-
тектирования (рис. 11.4г). Обычно Сс называют сеточным кон-
денсатором, a Rc — сеточным сопротивлением или сопротивле-
нием утечки. Емкость Сс не превышает 100—200 пф, a Rc имеет
величину 14-3 Мом. .
При детектировании модулированных колебаний в цепи
сетки появляется пульсирующий ток, состоящий из трех состав-
ляющих. Составляющая высокой частоты проходит через Сс, две
другие составляющие проходят через Rc и создают на нем на-
пряжение, меняющееся со звуковой частотой. Оно воздействует
на анодный ток триода, в котором появляются пульсации звуко-
вой частоты. Иначе говоря, напряжение звуковой частоты, полу-
чившееся на сопротивлении Rc , усиливается триодом на прямо-
линейном участке характеристики. Одновременно усиливается и
напряжение высокой частоты, так как оно тоже имеется на сетке.
По существу в сеточном детекторе происходят три процесса:
диодное детектирование, усиление колебаний низкой частоты и
усиление колебаний высокой частоты. Для хорошей работы се-
точного детектора рабочая точка должна находиться на прямо-
512
линейном участке характеристики анодного тока и на изгибе
характеристики сеточного тока. >
В анодную цепь триода включено сопротивление Ra, на ко-
тором создается усиленное напряжение звуковой частоты. Это
напряжение через разделительный конденсатор С2 подается в
УНЧ. При его отсутствии вместо Ra включается телефон. В схе-
мах рис. 11.6 усиление колебаний высокой частоты не исполь-
зуется. Высокочастотная составляющая анодного тока пропу-
скается мимо Ra через конденсатор Ci емкостью в сотни пико-
фарад, включенный между анодом и катодом.
У некоторых ламп с катодом прямого накала сеточный ток
начинается не при нулевом, а при положительном напряжении
на сетке порядка десятых долей вольта. Для таких ламп жела-
тельно присоединять Rc к плюсу батареи накала, чтобы дать
некоторый положительный потенциал на сетку и сместить рабо-
чую точку на изгиб характеристики сеточного тока.
Сеточный детектор очень чувствителен к слабым сигналам.
Но при сильных сигналах на сопротивлении Rc получается боль-
шое отрицательное напряжение смещения, которое сдвигает
рабочую точку к нижнему изгибу характеристики анодного тока,
и тогда усиление происходит со значительными нелинейными
искажениями. .
§ 11.7. анодный и катодный детекторы
Для анодного детектирования рабочая точка устанавливает-
ся на нижнем изгибе характеристики анодного тока (рис. 11.7).
При этом отрицательные полуволны напряжения усиливаются
гораздо меньше, чем положительные. Пульсации анодного тока
получаются несимметричными, и в нем появляется слагающая
низкой частоты.
В схеме анодного детектора по рис. 11.7 применяется автома-
тическое напряжение смещения от сопротивления RK.. Конденса-
тор Ск должен иметь большую емкость, чтобы пропускать со-
ставляющую звуковой частоты анодного тока. Назначение Ra,
С2 и Ci такое же, как и в схеме сеточного детектора.
Анодное детектирование малопригодно для слабых сигналов,
так как при небольших амплитудах захватывается незначитель-
ный участок характеристики, имеющий малую крутизну. Целе-
сообразно анодное детектирование применять для сильных сиг-
налов, у которых положительные полуволны будут захватывать
прямолинейный участок характеристики. В приемниках прямого
усиления анодное детектирование не применяется из-за малой
его чувствительности. Достоинством анодного детектора являет-
ся работа без сеточного тока. Поэтому участок сетка — катод
имеет очень большое сопротивление и практически не ухудшает
избирательность контура.
33—2607 513
1
Иногда применяют катодный детектор (рис. 11.8), который по
схеме напоминает катодный повторитель (см. рис. 9.54). В каче-
стве лампы в нем может работать триод или пентод, причем
Рис. 11.7. График анодного детектирования и схе-
ма анодного детектора
Рис. 11.8. Схема катодного детек-
тора
сопротивление нагрузки 7? вклю-
чено в провод катода и шунти-
ровано конденсатором С неболь-
шой емкости, служащим для
сглаживания пульсаций высокой
частоты. Такой детектор не уси-
ливает напряжение, а даже
несколько ослабляет его. Пре-
имуществами катодного детекто-
ра являются очень высокое вход-
ное сопротивление и возможность
детектирования с малыми иска-
жениями сильных сигналов.
Сравним все способы детектирования:
1) сеточный детектор наиболее чувствителен, т. е. дает наи-
большее усиление, но вносит значительные искажения при силь-
ных сигналах и несколько ухудшает избирательность контура;
2) анодный детектор дает меньшее усиление, особенно при
514
слабых сигналах, но хорошо детектирует сильные сигналы и не
ухудшает избирательности контура;
3) диодный детектор имеет малую чувствительность, так как
не дает усиления, и ухудшает избирательность контура, но вно-
сит наименьшие искажения даже при весьма сильных сигналах;
4) катодный детектор не дает усиления, хорошо детектирует
более сильные сигналы и не ухудшает избирательности контура.
§ 11.8. ДЕТЕКТОРЫ НА ТРАНЗИСТОРАХ
Наиболее часто применяется транзисторный детектор по схе-
ме с общим эмиттером, в которой нагрузочное сопротивление
включено в цепь коллектора (рис. 11.9а). Такая схема в извест-
ной степени аналогична
анодному детектору, но в
отличие от него может ра-
ботать без напряжения сме-
щения на базе. Это объяс-
няется тем, что в транзи-
сторе ток коллектора су-
ществует только при прямом
напряжении на участке
база — эмиттер. Иначе го-
воря, переходная характери-
стика транзистора I к =
= f^6a) иДет из начала
координат (см. рис. 6.25),
а у вакуумного триода ха-
рактеристика Ia=f(Uc) рас-
полагается значительной
своей частью в области от-
рицательных сеточных на-
пряжений. Для установле-
ния рабочей точки, обеспе-
чивающей наилучший эф-
Рис. 11.9. Схемы транзисторных детекто-
ров без смещения на базе (с) и со сме-
щением (б)
фект детектирования, ино-
гда подают на базу прямое напряжение смещения, например,
с помощью делителя (рис. 11.96).
Особенность приведенных схем транзисторных детекторов за-
ключается также в том, что они должны иметь индуктивную или
автотрансформаторную связь с колебательным контуром LC.
При этом число витков у катушки L\, к которой подключен де-
тектор, в несколько раз меньше, чем у катушки L. Если детектор
присоединить ко всей катушке L, то его малое входное сопро-
тивление зашунтирует контур. Качество последнего станет весь-
ма низким, за счет этого чувствительность и избирательность
приемника резко ухудшатся. Сопротивление обычно бывает
33*
515
порядка единиц килоом. Напряжение звуковой частоты, полу-
ченное в результате детектирования, через конденсатор большой
емкости С2 передается на усилитель низкой частоты. Вместо RH
может быть включен трансформатор низкой частоты.
На рис. 11.10 показана схема транзисторного детектора с на-
грузочным сопротивлением
~Е
Рис. 11.10. Транзисторный де-
тектор с нагрузочным сопротив-
лением в цепи эмиттера
в цепи эмиттера, аналогичная катод-
ному детектору. Этот детектор в от-
личие от предыдущего может рабо-
тать без искажений от перегрузки
при более сильных сигналах, но за-
то не дает усиления напряжения.
кунч Достоинством схемы является высо-
кое входное сопротивление, позво-
ляющее включать детектор ко всей
катушке контура. Во всех приведен-
ных схемах конденсатор G имеет
сравнительно небольшую емкость и
служит для пропускания высокоча-
стотной составляющей тока.
характеристик транзистора и его ма-
Вследствие особенности
лого входного сопротивления практически нельзя осуществить с
транзистором удовлетворительное детектирование по схеме, ана-
логичной сеточному детектированию с вакуумным триодом. Воз-
можно применение детекторных ступеней по схеме с общей ба-
зой, но они не получили широкого распространения нз-за очень
малого входного сопротивления, свойственного этой схеме вклю-
чения.
§ 11.9. ВХОДНАЯ ЧАСТЬ ПРИЕМНИКОВ
Колебания из антенны подаются на первую ступень УВ7
через входной контур, который связывается с антенной индук-
тивно или через небольшую емкость (рис. 11.11а и б). Непо-
средственное присоединение входного контура к наружной ан-
тенне не применяется потому, что тогда емкость антенны, не
являющаяся постоянной, войдет в состав контура и изменит его
частоту. Сама антенна обычно не настраивается, но иногда для
увеличения чувствительности и избирательности ее настраивают
на частоту сигнала при помощи отдельного конденсатора.
При индуктивной связи с антенной (рис. 11.11 а) усиление,
даваемое входной частью приемника, уменьшается при повыше-
нии частоты сигнала. Но если катушка Ьд имеет значительную
индуктивность, обеспечивающую собственную частоту антенной
цепи ниже самой низшей частоты диапазона приемника, то уси-
ление мало меняется при настройке приемника на разные часто-
ты. Емкостная связь по рис. 11.11 б при повышении частоты сиг-
нала дает резкое увеличение усиления. Наибольшее постоянство
516
усиления по диапазону достигается в схеме индуктивно-емкост-
ной связи (рис. 11.11 в). Поскольку приемник, как правило,
имеет несколько поддиапазонов, например, для длинных, средних
и коротких волн (дв, св и кв), то для каждого поддиапазона
Рис. 11.11. Схемы связи входного контура с антенной:
о) индуктивная связь, б) емкостная, в) индуктивно-емкостная
обычно применяются отдельные контурные катушки с подстроеч-
ными конденсаторами, а также отдельные катушки и конденса-
торы для связи с антенной, включаемые с помощью переклю-
чателя диапазонов. В качестве примера на рис. 11.12 а показано
Рис. 11.12. Переключение диапазонов во входной части
приемника
переключение отдельных катушек для диапазонов дв и св.
В схеме рис. 11.12 б для перехода на диапазон св замыкаются
накоротко дополнительные катушки LA2 и Lz, работающие вме-
сте с катушками ЬД1 и Li на диапазоне дв. В последующих схе-
мах для упрощения будут показываться колебательные контуры
только для одного поддиапазона.
В современных ламповых и транзисторных приемниках для
длинных, средних и коротких волн часто применяют магнитную
(ферритовую) антенну. Обмотка такой антенны обычно состоит
из переключаемых секций с разным числом витков для различ-
ных поддиапазонов, причем каждая секция имеет свой под-
517
строечный конденсатор. На рис. 11.13 показаны две схемы вклю-
чения магнитной антенны в ламповом приемнике. В схеме по
рис. 11.13 а при приеме на магнитную антенну (МА) внешняя
Рнс, 11.13. Включение магнитной антенны
Рис. 11.14, Подключение
магнитной антенны к тран-
зисторному приемнику
антенна (ВА) и катушка контура отключаются, а в схеме
рис. 11.136 магнитная антенна включена все время и при прие-
ме на внешнюю антенну играет роль индуктивности контура.
Могут быть и другие варианты схем
входной части приемника с магнитной
антенной.
Транзистор связывается с
магнитной антенной индуктивно
(рис. 11.14 а) или автотрансформатор-
но (рис. 11.14 6). В обоих случаях ин-
дуктивность Li, к которой подключён
транзистор, имеет в несколько раз
меньше витков, чем основная обмот-
ка L. Так как магнитная антенна об-
ладает направленным действием, то
либо делают ее с поворотным устрой-
ством, либо приходится поворачивать
весь приемник до получения наиболее
громкой слышимости.
Наиболее типичные схемы входной
части приемников укв показаны на
рис. 11.15. Если прием ведется на
симметричный вибратор, например
петлевой, связанный с приемником
(часто такой диполь монтируется внут-
ри самого приемника), то устраивается симметричная индуктив-
ная связь с входным контуром (рис. 11.15 а). Катушка связи LA
имеет заземленный вывод от средней точки. Иногда также меж-
ду катушками LA и L устанавливают электростатический экран
(см. §2.9). А если от антенны идет несимметричный коаксиаль-
ный фидер, который имеет сравнительно небольшое волновое со-
518
симметричным фидером
противление, то его связывают с входным контуром автотранс-
форматорно, т. е. подключают фидер к небольшой части витков
катушки L (рис. 11.15 6). Так как на укв лампы имеют пони-
женное входное сопротивление, то их во многих случаях под-
ключают лишь к части витков катушки контура.
Рис. 11.15. Схемы входной части приемников укв
Для улучшения избирательности и уменьшения помех на вхо-
де приемника часто применяют различные фильтры. Например,
входная часть может быть сделана в виде полосового фильтра
из двух резонансных контуров, имеющих сильную связь. На
Рнс. 11.16. Полосовой фильтр (с) и фильтры против по-
мех (б и в) на входе приемника
рис. 11.16 а показан такой фильтр с емкостной связью. Умень-
шение помех от близкой мощной станции дает фильтр в виде
контура, настроенного на частоту этой станции. Рисунок 11.16 6
изображает заградительный фильтр (фильтр-пробку). Контур
519
Сф Ьф настроен на частоту сигналов мешающей станции и пред-
ставляет только для них большое сопротивление. На рис. 11.16 в
цепь ЬфСф настроена на частоту мешающих сигналов и пред-
ставляет для них малое сопротивление. Поэтому только ток этих
сигналов проходит через фильтр мимо приемника. Могут быть
и более сложные фильтры.
§ 11.10. ЛАМПОВЫЕ УСИЛИТЕЛИ ВЫСОКОЙ ЧАСТОТЫ
Усилитель высокой частоты должен усилить колебания высо-
кой частоты, полученные от антенны, и повысить избирательность
приемника.
Одна из распространенных схем усилителя высокой частоты
с анодным контуром показана на рис. 11.17 а. Переменное на-
пряжение высокой частоты поступает от входного контура на
а)
Рис. 11.17. Схемы УВЧ с анодным контуром:
а) с последовательным анодным питанием,
б) с параллельным
сетку лампы и создает в анодной цепи ток, пульсирующий с вы-
сокой частотой. Анодный контур L2C2 является нагрузочным со-
противлением для переменной составляющей анодного тока. Чем
больше его сопротивление, тем больше коэффициент усиления
520
ступени. Контур этот настраивается на частоту принимаемых
колебаний. При резонансе токов его сопротивление R3 очень
велико (см. § 2.6).
Величины L и С выбираются в соответствии с нужным диа-
пазоном волн. Для увеличения R3 необходимо уменьшать актив-
ное сопротивление контура, т. е. уменьшать потери в катушке
и конденсаторе. Это важно также для повышения избиратель-
ности. Практически R3 не удается сделать больше единиц или
десятков килоом. А так как внутреннее сопротивление высоко-
частотных пентодов достигает сотен и даже тысяч килоом, то
коэффициент усиления ступени УВЧ не превышает нескольких
десятков, хотя лампа имеет ц порядка сотен и даже тысяч.
Например, если в ступени с пентодом 6Ж8, имеющим пара-
метры 5=1,65 лш/в, Я, = 2000 ком и ц = 3300, применен анод-
ный контур с сопротивлением /?_,= 10 ком, то усиление ступени
равно k~SRa =1,65-10=16,5 (расчет делается по приближен-
ной формуле, так как R3 Ri)- Как видно, усиление состав-
ляет всего лишь 16,5, т. е. в 200 раз меньше ц. Использование
коэффициента усиления лампы получается весьма низким вслед-
ствие большого Rl и невозможности построить контур с очень
высоким R3.
Ступени УВЧ на более коротких волнах дают меньшее уси-
ление. Это объясняется тем, что для коротких волн значительно
уменьшается индуктивность L, а емкость уменьшается мало или
остается такой же, как и на более длинных волнах. Например,
в современных приемниках при переключении на короткие волны
конденсаторы в контурах обычно не меняются. Активное сопро-
тивление контура не может значительно уменьшится, так как
потери с увеличением частоты растут, хотя сопротивление самого
провода катушки на коротких волнах становится меньше вслед-
ствие уменьшения числа витков. В итоге сопротивление контура
R3 на коротких волнах получается меньше, а поэтому падает и
усиление.
Для удобства настройки конденсаторы входного (сеточного)
и анодного контуров С] и С2 объединяются в один агрегат.
Однако конденсатор С2 не может иметь общую металлическую
ось с конденсатора С| во избежание короткого замыкания источ-
ника анодного напряжения. Схема, показанная на рис. 11.18, не
обладает этим недостатком. В ней конденсатор Сф, служащий
для пропускания слагающей высокой частоты анодного тока,
включен в анодный контур, и это позволяет ротор конденсатора
С2 насадить на одну металлическую ось с ротором Ci. Для изо-
ляции статора С2 от высокого напряжения и предохранения анод-
ного источника от короткого замыкания при случайном сопри-
косновении статорных и роторных пластин служит конденсатор
С5. Конденсаторы Сф и С5 имеют емкость не менее нескольких
521
тысяч пикофарад, и их включение последовательно с С2 незначи-
тельно уменьшает емкость контура. Для точной подстройки в ре-
зонанс контуров LiCi и L2C2 параллельно конденсаторам Ci и
С2 включены подстроечные конденсаторы. Иногда катушки так-
же имеют сердечники для регулировки индуктивности.
На рис. 11.17 а показано соединение ступени УВЧ с после-
дующей ступенью, которой может быть вторая ступень УВЧ, де-
тектор или преобразователь частоты. Усиленное напряжение
Рис. II.18. Схема УВЧ с развязывающим фильтром
подается от анодного контур’а на сетку лампы следующей сту-
пени через конденсатор Сс1, который изолирует сетку от плюса
анодного напряжения. Сопротивление утечки Rcl нельзя вклю-
чать параллельно Сс1, так как через это сопротивление на сетку
попадет плюс высокого напряжения. Нужно включить Rcl меж-
ду сеткой и катодом. Таким образом, контур Ь2С2 одновременно
является сеточным контуром следующей лампы. Экранирующая
сетка лампы УВЧ питается через понижающее сопротивление
Rc2 или через делитель напряжения и должна быть соединена
с катодом через конденсатор Сс2 емкостью не менее нескольких
тысяч пикофарад.
Триоды в УВЧ для длинных, средних и коротких волн не при-
меняются, так как они дают малое усиление и обладают значи-
тельной емкостью Сас, вызывающей появление паразитной ге-
нерации. Для устранения возникновения генерации при приме-
нении пентодов необходимо хорошо экранировать анодные цепи
от сеточных цепей, чтобы между ними не получилось паразит-
ных емкостных или индуктивных связей.
Схема рис. 11.17 а имеет последовательное анодное питание.
Постоянный анодный ток проходит через катушку анодного кон-
522
тура L2. Этот контур находится под высоким анодным напря-
жением. Применяется также схема УВЧ с параллельным анод-
ным питанием (рис. 11.17 6). В ней постоянная составляющая
анодного тока проходит через дроссель Д, а переменная состав-
ляющая высокой частоты, для которой дроссель создает большое
индуктивное сопротивление, проходит от лампы через раздели-
тельный конденсатор Ср в контур. Удобство этой схемы в том,
что анодный контур не находится под высоким напряжением п
поэтому ротор его конденсатора можно насадить на одну метал-
лическую ось с ротором конденсатора Сь Однако нелегко сде-
лать, чтобы дроссель Д в широком диапазоне частот имел боль-
шое индуктивное сопротивление. Он должен иметь значительное
Рис. 11.19. Трансформаторная схема УВЧ
число витков (несколько сотен или тысяч), намотанных так, что-
бы собственная емкость была возможно меньше. Для этого об-
мотку секционируют. Иногда дроссель заменяют обычным сопро-
тивлением в несколько десятков тысяч ом. Оно имеет одинако-
вую величину на всех частотах, но зато уменьшает анодное на-
пряжение на лампе и шунтирует анодный контур, ухудшая его
добротность.
Распространенная схема ступени УВЧ, называемая трансфор-
маторной, изображена на рис. 11.19. В ней анодная цепь лампы
УВЧ связана с сеточной цепью следующей ступени при помощи
трансформатора высокой частоты, состоящего из катушек L2 и
Ь2. Вторичная катушка Ь2 входит в сеточный контур следующей
ступени. Катушки обычна наматываются рядом на один каркас.
Схема удобна тем, что контур Ь2С2 изолирован от анодного на-
пряжения и, следовательно, С2 может иметь общую металличе-
скую ось с Ср При правильном подборе взаимной индуктивности
между L2 и L2 ступень дает большее усиление и более высокую
избирательность, чем схема с анодным контуром.
В ступенях УВЧ обычно применяется напряжение смещения
порядка единиц вольт для устранения сеточного тока и умень-
шения расхода анодного тока, что особенно важно в батарейных
523
приемниках. Схемы устройства автоматического напряжения
смещения не отличаются от рассмотренных в гл. 9 (§§ 9.4, 9.13)
для усилителей низкой частоты. Для устранения паразитных
связей через общие анодные цепи в ступенях УВЧ применяются
анодные развязывающие фильтры (§9.13).
Для примера на рис. 11.18 показана схема ступени усиления
высокой частоты с анодным развязывающим фильтром СфВф.
Величина RK имеет несколько сотен или тысяч ом, а конденса-
тор Ск должен иметь емкость не менее 10 000—20000 пф. Со-
противление Яф имеет несколько десятков тысяч ом, а емкость
Сф бывает не менее нескольких десятков тысяч пикофарад.
В некоторых случаях применяют ступени апериодического
усиления высокой частоты, в которых отсутствуют резонансные
контуры. Такие ступени проще и дешевле, но они дают меньшее
усиление и не повышают избирательности приемника. Нагрузоч-
ным сопротивлением в этих ступенях является обычное сопротив-
ление или дроссель высокой частоты.
Усилитель высокой частоты при приеме телефонных сигналов
вносит искажения. Вследствие срезания боковых колебаний из-за
острой кривой резонанса возникают частотные искажения —
уменьшения усиления на верхних частотах. Нелинейность харак-
теристики лампы или транзистора также вызывает искажения.
Появляются нелинейные искажения, так как меняется форма
усиливаемых модулированных колебаний. Чем сильнее сигнал,
гем больше нелинейные искажения. При питании приемника
от переменного тока небольшие пульсации питающих напряже-
ний с частотой 50 или 100 гц модулируют принимаемые колеба-
ния. Явление это называют вторичной или паразитной модуля-
цией. Оно дает в громкоговорителе фон переменного тока и
искажения. Таким образом, пульсации питающих напряжений,
имеющие низкую частоту 50 или 100 гц, могут проявить себя
не только в УНЧ, но и в ступенях УВЧ.
Следует отметить, что в схемах У В Ч с непосредственным
включением колебательного контура в анодную цепь и последо-
вательным анодным питанием (рис. 11.17 а, 11.18) пульсации
напряжения анодного источника проникают на вход следующей
ступени и создают мешающий фон. От этого недостатка свободны
схема с параллельным анодным питанием (рис. 11.17 б) и транс-
форматорная схема (рис. 11.19). То же относится и к анало-
гичным схемам УВЧ на транзисторах.
Вторичная модуляция может также получаться от проникно-
вения в УВЧ колебаний звуковой частоты из усилителя низкой
частоты. В результате этого появляются дополнительные частот-
ные и нелинейные искажения, а иногда даже возникает пара-
зитная генерация на низкой частоте. В отличие от самовозбуж-
дения усилителя низкой частоты такая генерация наблюдается
только при настройке приемника на какую-либо станцию.
524
Если на УВЧ, помимо полезных сигналов, действует перемен-
ное модулированное напряжение мешающей станции, имеющей
другую частоту, то вследствие нелинейности характеристики лам-
пы или транзистора может произойти явление модуляции полез-
ного сигнала колебаниями мешающей станции. Получаются по-
мехи, называемые перекрестными искажениями. Их признаком
является пропадание или значительное уменьшение помехи при
отсутствии полезного сигнала, например, при небольшой рас-
стройке. Объясняется это тем, что перекрестные искажения воз-
никают от модулирующего действия мешающего сигнала на УВЧ.
Выходной колебательный контур ступени, настроенный на часто-
ту полезного сигнала, пропускает этот сигнал, модулированный
помехой, но не пропускает мешающий сигнал, если он действует
только один, так как частота у него иная.
§ 11.11. УСИЛИТЕЛИ ВЫСОКОЙ ЧАСТОТЫ ПРИЕМНИКОВ УКВ
Усилители высокой частоты в приемниках укв не только по-
вышают чувствительность и избиратёльность, но также уменьша-
ют паразитное излучение от гетеродина, если приемник суперге-
теродинный. Последнее весьма важно, так как это’излучение
может создавать значительные помехи другим приемникам, в ча-
стности, телевизионным.
Ступени УВЧ для приемников укв строятся по различным
схемам. На частотах ниже 60—80 Мгц нередко применяются
ступени обычного типа с заземленным (общим) катодом, рабо-
тающие на пентодах. Их преимуществом является довольно
большое усиление. Анодный контур в таких ступенях имеет не-
большую индуктивность, а его емкость состоит из емкостей са-
мих ламп и емкости монтажа. Настройка производится измене-
нием индуктивности путем перемещения внутри катушки или
около нее короткозамкнутого витка или листка диамагнитного
металла (латуни, алюминия), называемого «флажком». Эти спо-
собы настройки дают уменьшение индуктивности катушки. Иног-
да подключают дополнительно подстроечный конденсатор не-
большой емкости.
Для частот выше 60—80 Мгц в УВЧ используются триоды,
которые по сравнению с пентодами имеют на этих частотах бо-
лее высокое входное сопротивление и меньший уровень собствен-
ных шумов. Но если триод применить в схеме с заземленным
катодом, то вследствие влияния проходной емкости Сос возника-
ют самовозбуждение ступени и сильное паразитное излучение г
приемника. При работе на фиксированной частоте эти явления
можно устранить с помощью нейтрализации, но если ступень
должна иметь настройку в некотором диапазоне, то устойчивую
нейтрализацию осуществить не удается. Поэтому ступени УВЧ
525
с триодами выполняют либо по схеме с заземленной сеткой, либо
по так называемой схеме с заземленной промежуточной точкой.
Как уже указывалось раньше (см. § 10.7), в ступени с зазем-
ленной сеткой управляющая сетка является электростатическим
экраном между входной и выходной цепями и паразитная связь
между этими цепями осуществляется только через сравнительно
малую емкость анод — катод, а также за счет индуктивности вы-
вода сетки, которая очень мала. Практически ступень работает
устойчиво без нейтрализации. Один из вариантов такой ступени
показан на рис. 11.20. Ступень с заземленной сеткой имеет малое
входное сопротивление Rex. Оно приблизительно равно Rex ~
, например, если 5 = 5 ма/в, то -7-=0,2кеш=200 ом.
S 5
Сопротивление Rex сильно нагружает входной контур L\C^ и
резко снижает его добротность. Чтобы уменьшить это влияние
Rex, лампу подключают к части катушки контура. Но все же
избирательность входного контура оказывается весьма низкой.
Поэтому, если приемник рассчитан на сравнительно узкий диа-
пазон, то входной контур
может иметь постоянную
настройку на среднюю ча-
стоту диапазона. Выход-
ной (анодный) контур
имеет более высокую до-
бротность и требует на-
стройки по диапазону пу-
тем изменения индуктив-
ности или емкости. Для
автоматического смеще-
ния служат детали RK Ск,
Рис. 11.20. Схема УВЧ с заземленной сеткой
а в анодную цепь вклю-
чен развязывающий фильтр ВфСф. Колебания от контура L2C2
через конденсатор С3 передаются на следующую ступень, кото-
рой обычно является преобразователь частоты.
Схема с заземленной сеткой имеет широкое применение, при-
чем на диапазоне дециметровых волн в ней используют спе-
циальные лампы для СВЧ, а колебательными контурами служат
коаксиальные резонансные линии или объемные резонаторы.
На рис. 11.21а показана схема ступени УВЧ с заземленной
промежуточной точкой. Эта ступень является промежуточной
между схемами с заземленным катодом и заземленной сеткой.
Действительно, если заземленную точку на катушке переместить
к катодному концу катушки, то получится схема с заземленным
катодом, а если эту точку переместить к противоположному
сеточному концу катушки, то получится схема с заземленной
сеткой. Ступень по схеме с промежуточной точкой имеет большее
входное сопротивление и дает большее усиление, чем ступень
526
с заземленной сеткой, и вместе с тем работает более устойчиво
в диапазоне частот, чем ступень с заземленным катодом. Чем
ближе точка заземления на катушке L\ к ее катодному концу,
тем выше входное сопротивление и усиление, но зато тем силь-
нее паразитная обратная связь через емкость Сас.
Для нейтрализации влияния этой емкости включен нейтро-
динный конденсатор CN. Принцип нейтрализации состоит в том,
что при правильно подобранной емкости CN для токов вч обра-
зуется уравновешенный мост, плечами которого служат части L\
и катушки £ь емкости Сос и CN + Сак (рис. 11.21 б). Верши-
нами моста являются сетка, анод, катод и земля. Конденсаторы
Ск и Сф, , входящие в мост, можно не учитывать, так как они,
Рис. 11.21. Схема усилителя высокой частоты с заземленной про-
межуточной точкой (а) и нейтродинный мост в этой схеме (б)
обладая значительной емкостью, имеют малое сопротивление.
Если мост уравновешен, то между его диагоналями отсутствует
связь, т. е. колебания, происходящие в одной диагонали, не
влияют на колебания в другой диагонали. В одну диагональ
включен анодный контур L2Cz, а в другую — сеточный LtCi. Та-
ким образом, нейтрализация устраняет связь между этими кон-
турами. Поэтому ступень не самовозбуждается. Кроме того, ко-
лебания от гетеродина, связанного с контуром L2C2, не проникают
в контур L\Ci и, следовательно, нет паразитного излучения через
антенну приемника. Заземленная точка в сеточном контуре мо-
жет быть сделана не на катушке, а на емкостной ветви. Для этого
вместо одного конденсатора С] включают последовательно два
конденсатора и их среднюю точку заземляют. Подобная схема
лучше устраняет излучение гармоник гетеродина, чем схема
рис. 11.21.
Иногда для повышения чувствительности приемников укв, в
частности телевизионных, применяют УВЧ с двумя ступенями.
В таких усилителях первая ступень обычно имеет схему с зазем-
ленным катодом или заземленным анодом, что обеспечивает у нее
сравнительно высокое входное сопротивление, которое лишь не-
527
значительно ухудшает качество входного контура. Вторая сту-
пень делается по схеме с заземленной сеткой. Она дает устой- ,1
чивое усиление без нейтрализации и устраняет паразитное
излучение гетеродина. Обе ступени в большинстве случаев ра-
ботают на двойном триоде, например 6НЗП, 6Н14П, 6Н15П. Не-
сколько таких схем показано на рис. 11.22—11.24. Для нагляд-
ности они изображены с отдельными триодами.
Усилитель рис. 11.22 имеет каскодную схему (см. § 9.14).
Первая ступень — с заземленным катодом, а вторая — с зазем-
ленной сеткой. Первая ступень практически не дает усиления на-
пряжения, так как лампа нагружена
Рнс. 11.22. Каскодная схема усилителя вы-
сокой частоты для укв
лителя R1R2 на сетке этой лампы
на малое входное сопро-
тивление второй ступени.
Поэтому самовозбужде-
ние первой ступени обыч-
но невозможно, несмотря
на наличие паразитной
обратной связи через
ёмкость Сас лампы Л\.
Иногда всё же в этой
ступени применяют ней-
трализацию, способствую-
щую большему постоян-
ству усиления по диапа-
зону. Сеточное смещение
у лампы Л] — автомати-
ческое. У лампы Л2 ка-
тод - имеет относительно
земли положительный по-
тенциал. С помощью де-
создается положительный
потенциал, несколько более низкий, чем на катоде. В результате
получается отрицательное напряжение смещения на сетке лам-
пы Л2. Эта сетка заземлена через конденсатор С3. В рассма-
триваемой схеме входной контур обладает значительной доброт-
ностью, и поэтому есть смысл его настраивать. Настройка кон-
туров в этой схеме, как и в следующих, может производиться
изменением емкости или индуктивности.
Для каскодной схемы характерно последовательное включе-.
ние ламп Л\ и Л2 к анодному источнику. Аналогичная схема
с параллельным соединением ламп по постоянному току показа-
на на рис. 11.23. В первой ступени с заземленным катодом при-
менено параллельное анодное питание. Напряжение на анод лам-
пы Л\ подается через дроссель Д[. Вторая ступень с заземлен-
ной сеткой имеет последовательное анодное питание, причем для
замыкания цепи постоянной составляющей анодного тока лам-
пы Л2 включен дроссель Д2. Нагрузочным сопротивлением для
лампы Л] являются дроссели Д[ и Дъ включенные параллельно,
-528
и шунтирующее их входное сопротивление второй ступени. Се-
точное смещение в обеих ступенях — автоматическое (детали
CKiRKi и
Рис. 11.23. Схема усилителя высокой частоты для укв
двумя ступенями
На рис. 11.24 дана схема УВЧ, в которой первая ступень име-
ет заземленный анод (через конденсатор Сз). Нагрузочным со-
противлением лампы Л] является сопротивление RK сравнитель-
но небольшой величины, шунтированное входным сопротивлением
Рис. 11.24. Вариант двух ступеней усилителя высокой ча-
стоты для укв
второй ступени, которая собрана по схеме с заземленной сеткой.
Сопротивление R к служит также для создания автоматического
смещения на сетках ламп и Л2.
В приемниках дециметровых волн применяются УВЧ, в кото-
рых каждая ступень имеет схему с заземленной сеткой. Усиление
колебаний в диапазонах сантиметровых и миллиметровых волн
производится с помощью ламп бегущей волны, так как триоды
для этих частот непригодны. Лишь недавно были разработаны
специальные триоды для сантиметровых волн.
34—2607 523
§ 11.12. ТРАНЗИСТОРНЫЕ УСИЛИТЕЛИ ВЫСОКОЙ
ЧАСТОТЫ
Усилители высокой частоты на транзисторах в приемниках
имеют схемы, аналогичные тем, которые были рассмотрены в
гл. 10 применительно к их работе в генераторах и передатчиках.
Но, в отличие от генераторов, УВЧ приемников должен работать
в линейном режиме, т. е. в режиме колебаний без отсечки на
линейном участке характеристики с возможно меньшими нели-
нейными искажениями. Поэтому напряжение смещения в тран-
зисторных УВЧ приемников должно быть всегда отпирающим,
т. е. оно является для участка база — эмиттер прямым напря-
жением.
Транзисторные УВЧ осуществляются, как правило, либо с об-
щим эмиттером, либо с общей базой. Свойства этих схем таковы.
Ступени с общим эмиттером дают большее усиление и потому
встречаются наиболее часто. Ступени с общей базой имеют более
высокую граничную частоту и работают более устойчиво, т. е.
в них изменение параметров транзистора меньше влияет на коэф-
фициент усиления ступени, резонансную частоту контуров, поло-
су пропускания и другие параметры ступени. Рассматривая ра-
боту транзисторов в УВЧ, следует иметь в виду, что порядок
их входных и выходных сопротивлений и емкостей на высоких
частотах может существенно отличаться от значений этих вели-
чин на низких частотах. Для высоких частот входная емкость
доходит до тысяч, а выходная — до сотен пикофарад. Входное
активное сопротивление обычно не превышает десятков ом для
схемы с общей базой, а для схемы с общим эмиттером оно в
несколько раз больше (от десятков до сотен ом). Выходное ак-
тивное сопротивление имеет порядок десятков килоом.
В транзисторных УВЧ применяются чаще всего одиночные
резонансные контуры, а иногда двухконтурные фильтры. Изредка
встречаются и апериодические УВЧ на транзисторах (без коле-
бательных контуров). С целью уменьшения шунтирующего влия-
ния транзисторов на качество и резонансную частоту колебатель-
ных контуров последние связываются с транзисторами индуктив-
но или автотрансформаторно. Настройка контуров в
транзисторных УВЧ осуществляется, как обычно, изменением
емкости или индуктивности. Для подачи напряжения смещения
и стабилизации режима используются такие же схемы, как в уси-
лителях низкой частоты (см. гл. 9). Если приемник имеет много
ступеней, то в цепи питания ступеней УВЧ включают развязы-
вающие фильтры. Так как в транзисторах имеется внутренняя
обратная связь главным образом через емкость коллекторного
перехода, играющую роль проходной емкости, то для обеспече-
ния устойчивой работы в ступенях УВЧ на транзисторах часто
применяют нейтрализацию. Однако в ряде случаев, когда коэф-
530
Рис. 11.25. Схема транзисторного усилителя
высокой частоты
Рис. 11.26. Транзисторный УВЧ со стабили-
зацией режима
Рис, 11.27. Транзисторный УВЧ по схеме с
общей базой
34*
531
фициент усиления ступени сравнительно невелик, можно полу-
чить устойчивую работу ступени и без нейтрализации.
Примеры схем УВЧ на транзисторах приведены на рис. 11.25—
11.27. Ступень рис. 11.25 имеет автотрансформаторную связь
транзистора с входным контуром L\C\. Для нейтрализации слу-
жат конденсатор CN и сопротивление Re, соединенные парал-
лельно друг с другом. Эти детали составляют одно из плеч моста
нейтрализации. Вторым плечом являются емкость и сопротивле-
ние коллекторного перехода (Ск и гк), . также соединенные
параллельно (строго говоря, последовательно к ним подключено
еще сопротивление базы гб ). Остальные плечи моста образова-
ны двумя частями катушки L2. В диагонали моста включены
контуры LiCi и Ь2С2. Сопротивление R6 одновременно служит
для подачи смещения на базу.
В схеме рис. 11.26 связь транзистора с входным контуром
LiCi — индуктивная, а для нейтрализации между базой и катуш-
кой связи £3 включена цепочка СЛ,7?Л. Через эту цепочку на базу
транзистора подается напряжение, противоположное по фазе
тому, которое передается через внутреннюю обратную связь. При
этом необходимо, чтобы были правильно включены концы ка-
тушки Ls. Смещение на базу в данной ступени получается от
делителя R1R2, а для стабилизации режима включены детали
RBCB. Для упрощения схемы часто включают лишь один ней-
тродинный конденсатор без сопротивления RN.
На рис. 11.27 дана схема УВЧ с общей базой. В ней приме-
нена индуктивная связь транзистора с входным контуром LiCit
и для подачи смещения на участок эмиттер — база служит дели-
тель RiR2. Плечами моста для нейтрализации являются конден-
сатор CN, сопротивление RN, сопротивление базы г б и емкость
коллекторного перехода Ск.
§ 11.13. ПРИНЦИП СУПЕРГЕТЕРОДИННОГО ПРИЕМА И ЕГО
ОСОБЕННОСТИ
Супергетеродинный прием состоит в преобразовании приня-
тых колебаний высокой частоты в колебания промежуточной час-
тоты (пч), которая почти постоянна. Промежуточная частота
является также высокой, но в большинстве случаев она ниже
частоты принимаемых сигналов. Так как промежуточная частота
на всем диапазоне остается одинаковой, то чувствительность
супергетеродинного приемника более постоянна, чем у приемни-
ка прямого усиления. В супергетеродинных приемниках можно
применить большое число ступеней усиления и настроенных кон-
туров. Поэтому такие приемники имеют большую чувствитель-
ность и избирательность.
В современных приемниках промежуточная частота иногда
бывает выше частоты приходящих сигналов. Поэтому термин
532
«промежуточная частота» лучше понимать в том смысле, что
усилитель колебаний промежуточной частоты в схеме приемника
всегда расположен между усилителем высокой частоты и усили-
телем низкой частоты.
Для преобразования частоты сигнала /с в промежуточную
частоту fnp в приемнике специальный гетеродин (маломощный
генератор) генерирует вспомогательные колебания с частотой f г,
которые складываются с принимаемыми колебаниями. Если час-
тоты этих двух колебаний неодинаковы, то при сложении полу-
чаются биения, у которых амплитуда меняется с частотой, равной
разности частот складываемых колебаний. Биения не содержат
составляющего колебания с какой-либо новой частотой. Но если
биения подвергнуть детектированию, то вследствие нелинейности
этого процесса возникнет составляющая с частотой биений, т. е.
с разностной частотой fz— fc, которая и является промежуточ-
ной частотой. Таким образом, для преобразования частоты прин-
ципиально необходимо наличие нелинейного элемента, например,
в виде детектора.
Вследствие нелинейности преобразователя частоты в нем получается слож-
ное колебание, имеющее составляющие многих различных частот. Эти частоты
выражаются общей формулой
t = ± ± nfc),
где тип — любые целые числа, включая нуль, а знаки + и — следует брать
так, чтобы частота / была положительной. При т = п = 0 получается f — О,
что означает наличие иа выходе преобразователя постоянной составляющей.
Полагая т = 1 и п = 0 или т = 0 и п = 1, получим, что составляющие с ча-
стотами ft и fc также имеются в выходном напряжении преобразователя.
Значениям т — п — 1 соответствуют уже новые частоты: разностная }г— fc
и суммарная ft~\~fc~ Именно первая из них обычно используется в качестве
промежуточной частоты. Другие значения тип также соответствуют новым
частотам, например, при m = 2, n = 1 и m = 1, п = 2 получим f = 2/, + ff
и f=f t+2fc-
Все эти новые колебания с частотами, представляющими собой некото-
рые комбинации частот и fc и их гармоник, называются комбинацион-
ными колебаниями. Выбирая подходящую вспомогательную частоту Д>, мож-
но получить, вообще говоря, любое необходимое значение новой промежуточ-
ной частоты. В числе новых колебаний содержатся и гармоники первона-
чальных колебаний, имеющие частоты 2{г> 3fz, 4[г.., н 2fc, 3fc 4fc...
Как правило, амплитуды комбинационных колебаний и гармоник тем
меньше, чем выше значения тип. Поэтому в большинстве случаев в ка-
честве колебания новой промежуточной частоты используют разностную (ино-
гда суммарную) частоту. Комбинационные колебания более высоких порядков
применяются сравнительно редко.
Промежуточная частота в супергетеродинных приемниках вы-
бирается обычно 465 или ПО—115 кгц. В некоторых случаях она
бывает более высокой, например 1100 или 1600 кгц. Для приема
сигналов на укв промежуточная частота принята 8,4 Мгц (иногда
6,75 или 10,7 Мгц). Если, например, частота сигнала 2000 кгц.
а промежуточная частота 465 кгц, то необходимо в приемнике
генерировать колебания с частотой, отличающейся от 2000 кгц
533
на 465 кгц. Это может быть частота 1535 кгц или 2465 кгц.
В обоих случаях после детектирования биений получатся коле-
бания промежуточной частоты 465 кгц. В супергетеродинных,
приемниках частота вспомогательных колебаний обычно бывает
выше частоты сигнала.
Такое соотношение между частотами ft и fc является един-
ственно возможным в случае, если промежуточная частота f рр,
являющаяся разностной частотой, должна быть выше частоты /с.
Кроме того, если преобразование осуществляется в диапазоне
частот, то при fi>fc приходится обеспечивать меньшее отно-
сительное изменение частоты /г, что облегчает устройство и
налаживание гетеродина. Например, если fc изменяется от 500
до 1000 кгц и необходимо получить fnp =250 кгц, то, выбрав
fi > /с> придется изменятьв пределах от 500 — 250 = 250 кгц
до 1000 — 250 = 750 кгц, т. е. в 3 раза. Но если установить
fi > /«» то частоту/г надо будет изменять от 500 + 250 = 750 кгц
до 1000 + 250 = 1250 кгц, т. е. всего лишь в 1,67 раза.
На рис. 11.28 приведена блок-схема супергетеродинного при-
емника. Модулированные колебания, например, с частотой
2000 кгц поступают из антенны через входной контур LtCi в уси-
литель высокой частоты. Он называется часто преселектором,
так как дает предварительную селекцию (выделение) сигнала.
Иногда усилитель высокой частоты для упрощения приемника
отсутствует. Далее колебания подводятся к преобразователю ча-
стоты, состоящему из смесителя (или первого детектора) и ге-
теродина.
Гетеродин (маломощный генератор) служит для генерации
вспомогательных колебаний, частота которых в нашем примере
взята 2465 кгц. Эти колебания в смесителе складываются с ко-
лебаниями сигнала. Возникают биения, которые после детекти-
рования в том же смесителе, создают колебания промежуточной
частоты 465 кгц *, модулированные так же, как и колебания
принимаемого Сигнала. Смеситель почти всегда дает также и
усиление колебаний промежуточной частоты. Затем колебания
подаются на/усилитель напряжения промежуточной частоты
(УПЧ), представляющий собой также усилитель высокой
частоты. От УПЧ колебания поступают на второй детектор, часто
называемый просто детектором. В нем они преобразовываются в
колебания низкой частоты, усиливающиеся далее усилителем
низкой частоты. Контуры усилителя промежуточной частоты на-
страиваются на постоянную частоту при помощи подстроечных
конденсаторов или сердечников из магнитодиэлектрика. Входной
контур LiCi, контур первого детектора L2C2 и контур гетероди-
на Ь3Сз настраиваются агрегатом конденсаторов.
1 В действительности в смесителе получится ряд комбинационных коле-
баний различных частот, но его контур настраивается на разностную частоту.
534
колебания бч
Усиленные
колебания вч
Колебания
промежулючтй
частоты
Усиленные колеба-
ния пч
L,
1-г,
Смеситель
(Тй детек-
тор)
,W" Minium
/гетеродина
/рчббкге
/
/
,'колебания
Гетеродин
Преобразователь
частоты
чббкгц
Усилитель
промежуточ-
ной частоты
(УМ)
колебания нч Усиленные
колебания но
Детектор
Усилитель
низкой
чистоты
(УНЧ)
Телефон \ Тел еграф
'ICUoftH ------1----- — "»
чвчкгц
Гетеродин
Рис. 11.28. Развернутая блок-схема супергетеродинного приемника
На рис. 11.29 показаны процессы в супергетеродинном прием-
нике при приеме модулированных сигналов, изображенных на
графике рис. 11.29 а. График рис. 11.296 показывает колебания
20D0 кгц
t
Рис. 11.29. Графики процессов в супергетеродине
вспомогательной частоты от гетеродина. Биения, возникающие
при сложении этих колебаний, изображены на графике
рис. 11.29 в. В результате детектирования биений (для примера
взято анодное детектирование) анодный ток первого детектора
будет иметь вид, показанный на графике рис. 11.29 г. Жирной
линией на нем показана слагающая, пульсирующая с промежу-
536
точной частотой, а на графике рис. 11.29д изображено усиленное
колебание промежуточной частоты. Наконец, график рис. 11.29е
дает ток второго детектора. В нем жирной линией показана со-
ставляющая, пульсирующая с низкой частотой (частотой моду-
ляции). Второй детектор считаем диодным, как это обычно бы-
вает в супергетеродинных приемниках.
Телеграфные смодулированные сигналы не могут быть при-
няты на приемник, рассмотренный выше, так как после второго
детектора не получится слагающая звуковой частоты. В этом
можно убедиться, если построить для данного случая графики,
подобные изображенным на рис. 11.29. Для приема телеграфных
незатухающих сигналов в приемнике делают второй гетеродин.
Он создает колебания с постоянной частотой, отличающейся от
промежуточной примерно на 1000 гц. Для случая, когда проме-
жуточная частота равна 465 кгц, второй гетеродин может иметь
частоту 466 кгц или 464 кгц. Колебания от второго гетеродина
подаются на второй детектор, складываются с колебаниями,
приходящими от усилителя промежуточной частоты, и образуют
биения. После их детектирования возникает слагающая с часто-
той 1000 гц.
Тон принимаемых сигналов в этом случае, можно изменять,
меняя настройку приемника. Действительно, если вращать ручку
агрегата конденсаторов, то будет изменяться частота гетеродина.
Частота принимаемого сигнала, поступающего на смеситель,
остается неизменной, так как она определяется настройкой пере-
датчика, посылающего этот сигнал. Следовательно, изменится
разность частот гетеродина и сигнала, а значит, изменится и про-
межуточная частота. Так как частота второго гетеродина посто-
янна, то при изменении промежуточной частоты будет меняться
разность этих частот и частота тона биений также изменится.
В результате при вращении ручки настройки приемника тон бие-
ний (свист) меняется и можно установить желаемую высоту это-
го тона. Обычно подбирают такой тон, чтобы он хорошо вы-
делялся среди сигналов мешающих станций и других помех.
Чем ближе промежуточная частота к частоте колебаний вто-
рого гетеродина, тем более низким будет тон биений. Когда эти
частоты станут одинаковыми, то частота биений равна нулю.
Такой случай называют нулевыми биениями. Они играют важную
роль в радиотехнике. В приемниках нулевые биения считаются
точной настройкой на частоту принимаемой радиостанции. При
изменении настройки в обе стороны от нулевых биений наблю-
дается повышение тона биений. Постепенно тон их переходит в
высокий свист и, наконец, совсем пропадает. Это значит, что
разность промежуточной частоты и частоты колебаний второго
гетеродина стала настолько высокой, что услышать тон биений
нельзя. Второй гетеродин при приеме телефонных сигналов вы-
ключают, чтобы свист биений не мешал приему. Блок-схема
537
включения второго гетеродина показана на рис. 11.28. Суперге-
теродинные приемники для приема радиовещания не имеют вто-
рого гетеродина и могут принимать только телефонные и моду-
лированные телеграфные сигналы. Зато приемники для радиоте-
леграфной связи всегда имеют второй гетеродин с выключателем
Т елефон-Т елеграф.
Существует метод приема незатухающих телеграфных сигналов прн помо-
щи модуляции в приемнике. Для этого в УПЧ имеется генератор звуковой ча-
стоты порядка 1000 гц, колебания которого производят модуляцию. В резуль-
тате на второй детектор приходят колебания промежуточной частоты, промо-
дулированные частотой 1000 гц. Для их приема не нужен второй гетеродин.
Звуковой генератор-модулятор имеет выключатель для возможности приема
телефонных сигналов. В этом методе при изменении настройки приемника или
частоты сигнала тон в телефоне не меняется, так как модулятор имеет по-
стоянную частоту. Различные станции дают сигналы одного тона 1000 гц.
При расстройке меняется только громкость сигнала, что создает большую
устойчивость приема.
Супергетеродинный приемник по сравнению с приемником
прямого усиления имеет следующие преимущества:
1) высокую чувствительность, благодаря большему числу
ступеней и большему усилению на промежуточной частоте,
2) высокую избирательность благодаря применению большо-
го числа резонансных контуров,
3) большее постоянство чувствительности и избирательности
на всем диапазоне приемника,
4) возможность применения различных усовершенствований,
как, например, автоматической регулировки громкости, электрон-
но-светового индикатора настройки и т. д., которые могут при-
меняться только при наличии большого усиления.
Вместе с тем супергетеродинный приемник имеет ряд недо-
статков, на которых необходимо остановиться более подробно.
Собственные шумы. Вследствие неравномерности эмиссии
ламп и наличия беспорядочного (теплового) движения электро-
нов во всех проводниках и сопротивлениях в приемниках наблю-
дается собственный шум. В супергетеродинных приемниках из-
за большого числа ламп и большого усиления, этот шум значи-
тельно сильнее, чем в приемниках прямого усиления.
Зеркальные или симметричные помехи. Частота гетеродина }г
выше частоты сигнала fc на величину промежуточной частоты fnp.
Именно в таком соотношении находятся частоты контура гетеро-
дина и контуров, настраивающихся на частоту сигнала. Если
Д = 2000 кгц и /пр = 460 кгц, то = 2460 кгц. Пусть одновре-
менно с принимаемой радиостанцией работает мешающая стан-
ция на частоте fM =2920 кгц. Разность между fM и /г составляет
460 кгц и равна частоте биений при сложении колебаний ме-
шающей станции с колебаниями гетеродина. После детектиро-
вания этих биений получится колебание промежуточной частоты
538
460 кгц, оно усилится в УПЧ и на выходе приемника будет
слышна мешающая станция. Такая помеха называется симме-
тричной или зеркальной, поскольку ее частота отличается от час-
тоты гетеродина на столько же килогерц, как и частота полез-
ного сигнала. Иначе говоря, частота симметричной помехи fM
отличается от частоты принимаемого сигнала fc на удвоенную
величину промежуточной частоты (2fnJ>). Помеха эта наблюдает-
ся только при сильных сигналах мешающей станции, так как
приемные контуры настроены на частоту сигнала fc и расстроены
относительно fM на величину 2fnp, т. е. в нашем примере на
920 кгц. При более низкой промежуточной частоте, например
fnp =110 кгц, расстройка меньше (на 220 кгц) и помеха может
влиять сильнее, особенно на коротких волнах. Отчасти поэтому
не берут промежуточную частоту слишком низкой. Для борьбы
с симметричной помехой необходимо повысить предварительную
селекцию до преобразователя. Без ступени УВЧ симметричные
помехи чувствуются гораздо сильнее. Уменьшить эти помехи
можно также применением полосового фильтра на входе при-
емника.
Супергетеродинный приемник дает, кроме того, возможность
приема каждой радиостанции при двух положениях ручки на-
стройки. Главной настройкой является та, при которой контуры
УВЧ и смесителя настроены на частоту сигнала. Например, если
fc =5000 кгц и f пр =460 кгц, и главная настройка соответствует
частоте гетеродина =5000+460=5460 кгц, то вторая на-
стройка, называемая симметричной или зеркальной, соответст-
вует частоте гетеродина /г =5000—460=4540 кгц. Разность
между частотой сигнала и этой частотой гетеродина составляет
460 кгц и, следовательно, получается возможность приема сиг-
налов данной радиостанции. Правда, прием будет слабым, так
как контуры УВЧ и смесителя, имея одноручечное управление
с контуром гетеродина, настроены на частоту 4080 кгц, т. е. рас-
строены относительно сигнала на 920 кгц. Практически на сим-
метричной настройке можно принимать только мощные сигналы
и, главным образом, на коротких волнах.
Свисты. Преобразование частоты создает мешающие свисты.
Они получаются благодаря возникновению биений при сложе-
нии гармоник сигнала с колебаниями гетеродина или гармоник
гетеродина с колебаниями сигнала или, наконец, гармоник ге-
теродина с гармониками сигнала. Если частота таких биений
близка к промежуточной частоте, то получатся новые биения
звуковой частоты, воспринимаемые в виде свистов.
Поясним это следующим примером. Пусть fn =460 кгц,
fc—Q22 кгц и f г — 922+460=1382 кгц. Вторая гармоника ко-
лебаний сигнала имеет частоту 2fc =2*922=1844 кгц. Разность
между этой частотой и частотой гетеродина составляет 1844—
— 1382 = 462 кгц. После преобразователя получатся колебания
539
с этой частотой. Они пройдут через УПЧ и создадут в контуре
второго детектора вместе с колебаниями промежуточной частоты
460 кгц биения с частотой 2 кгц. В результате в громкоговори-
теле или телефоне будет слышен свист с частотой 2 кгц.
Сложность схемы, конструкции и налаживания. Супергетеро-
динный приемник значительно сложнее приемника прямого уси-
ления по своей схеме и устройству; его труднее наладить и от-
регулировать при сборке или во время ремонта.
§ 11.14. ЛАМПОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЧАСТОТЫ
Для преобразования частоты могут быть использованы лю-
бые нелинейные приборы. Поэтому широкое применение полу-
чили ламповые преобразователи частоты. Если к лампе подво-
дятся напряжения сигнала и гетеродина с частотами fc и , то
анодный ток пульсирует одновременно с этими двумя частотами."
Вследствие нелинейных свойств лампы в анодном токе появля-
ются составляющие различных новых (комбинационных) частот.
На одну из них, обычно на разностную /г— fc, настроен колеба-
тельный контур, включенный в качестве анодного нагрузочно-
го сопротивления. Поскольку он имеет большое сопротивление
только для тока резонансной частоты, на нем получается усилен-
ное напряжение только с частотой fnp = fi—fc- Таким образом,
контур служит для выделения колебаний промежуточной ча-
стоты.
В преобразователе частоты важно устранение связи между
цепями приходящих сигналов и цепями гетеродина. Обычно в
тех и других цепях имеются резонансные контуры. При наличии
связи между ними получается влияние одного контура на другой,
нарушение правильной их настройки и ухудшение стабильности
частоты гетеродина, а при отсутствии усилителя высокой часто-
ты также паразитное излучение колебаний гетеродина через ан-
тенну приемника. Кроме того, сильные сигналы, например, от ме-
стной станции, имеющие частоту fc, проникая в гетеродин, мо-
гут заставить последний генерировать колебания с той же ча-
стотой f с, несмотря на то, что его контур настроен на частоту
[г, равную fc + /пр. Но если частоты колебаний сигнала и гетеро-
дина будут одинаковы, то промежуточная частота станет равна
нулю, т. е. преобразования частоты вообще не получится. Такое
явление, называемое увлечением, или захватыванием, или при-
нудительной синхронизацией гетеродина приходящими сигнала-
ми, недопустимо.
Если применить в преобразователе частоты диод, то устра-
нить связь между цепями сигнала и гетеродина невозможно.
В триодных преобразователях частоты напряжения сигнала и ге-
теродина подаются в цепь одной сетки, что неизбежно приводит
к значительной связи между источниками этих напряжений. По-
добный метод преобразования частоты называется односеточ--
540
ным. Некоторое уменьшение вредной связи достигается при по-
даче напряжения гетеродина в цепь катода смесительной лам-
пы. Применяя триод — смеситель с большой крутизной, можно
уменьшить его связь с гетеродином. Поэтому в последнее вре-
мя начали успешно применять триоды для преобразования ча-
стоты на коротких и средних волнах. Но 10—20 лет назад, когда
не было триодов с высокой крутизной и требовалась сравни-
тельно сильная связь с гетеродином, триодные преобразователи
на коротких и средних волнах работали плохо. Их применяли
только на укв, так как они дают меньшие собственные шумы
и у них меньше время пролета электронов, чем у многосеточных
ламп. В односеточных преобразователях в качестве смеситель-
ной лампы также применяются пентоды, которые по сравнению
с триодами дают большее усиление и имеют меньшие входную и
проходную емкости.
Пример триодного односеточного преобразователя дан на
рис. 11.30. Он имеет смеситель, работающий как анодный детек-
тор, и гетеродин по трехточечной схеме с катодной связью. Ко-
лебания с частотой сигнала от анодного контура УВЧ подаются
Смесители
От УВЧ
Сч В УПЧ
( !-й гетеро
Вин
Рис. 11,30. Схема односеточного преобразова-
теля частоты
на сетку лампы смесителя Л\. На эту же сетку подводится че-
рез конденсатор связи С (небольшой емкости) колебания от ге-
теродина; колебания складываются и образуют биения. Биения
детектируются, и в анодной цепи лампы Л\ получаются колеба-
ния промежуточной частоты, на которую настроен контур L3C3.
Они передаются далее в контур L^Ct, а затем на сетку первой
лампы усилителя промежуточной частоты.
Для значительного уменьшения вредной связи между цепя-
ми сигнала и гетеродина применяется двухсеточное преобразо-
вание частоты, при котором колебания сигнала и гетеродина по-
даются на различные сетки лампы и сложение этих колебаний
54]
происходит в электронном потоке внутри лампы. Наиболее про-
сто двухсеточное преобразование можно осуществить с пенто-
дом, если напряжение сигнала подвести к его управляющей сет-
ке, а напряжение гетеродина — к защитной сетке, которая ис-
пользуется как вторая управляющая. Так как напряжение на
Ней остается значительно ниже минимального напряжения ано-
да, то она по-прежнему выполняет свои функции как защитная
сетка. А благодаря экранирующей сетке достигается почти пол-
ное устранение паразитной емкостной связи между цепями сиг-
нала и гетеродина.
Однако во многих случаях значительно удобнее специальные
многоэлектродные частотопреобразовательные лампы, которые
имеют две управляющие сетки и поэтому иначе называются лам-
пами с двойным управлением. Они могут работать одновремен-
но в смесителе и гетеродине, т. е. заменяют две лампы. К ним
относятся гексод, гептод и октод, а также комбинированные лам-
пы триод — пентод, триод—гексод и триод — гептод, рассмот-
ренные кратко в гл. 5. Эти лампы широко используются в прием-
никах средних и коротких волн, но на укв они работают плохо.
Рис. 11.31. Схема преобразователя частоты с гепто-
дом-преобразователем
В СССР основными типами таких частотопреобразовательных
ламп являются гептод, триод — пентод, триод — гексод и три-
од — гептод.
Наибольшее распространение получила схема преобразова-
теля частоты с гептодом-преобразователем типа 6А2П или 6А7
или подобным же другим (рис. 11.31). В этих лампах катод вме-
сте с сетками 1 и 2 образуют триод, входящий в схему гетероди-
на, причем сетка 2 является анодом триода *. Гетеродин имеет
трехточечную схему с автотрансформаторной обратной связью.
Его контур состоит из катушки L2 и конденсаторов С2, С и С5
(назначение последних рассматривается ниже). Напряжение от
анодного источника подается на анод гетеродина, т. е. на сет-
ку 2 через поглощающее сопротивление Rc2, а переменная со-
1 Строго говоря, поскольку контур гетеродина включен в цепь катодного
тока, то анодом триодной части гептода следует считать совместно все элек-
троды, имеющие положительный потенциал, т. е. сетки 2 и 4 и анод гептода.
542
ставляющая анодного тока гетеродина проходит через конден-
сатор Сс2. Таким образом, на сетке 1, которая называется гете-
родинной, имеется напряжение с частотой гетеродина.
Сетка 3 является второй управляющей и называется сигналь-
ной; на нее поступают от контура LiCi колебания с частотой сиг-
нала. Поток электронов внутри лампы пульсирует одновременно
с частотой гетеродина и с частотой сигнала. Сложение колебаний
и получение биений происходит в самом электронном потоке.
Сетки 2 и 4 соединены друг с другом внутри лампы и являются
экранирующими. Назначение их различно. Сетка 4 представля-
ет собой обычную экранирующую сетку, служащую для увели-
чения коэффициента усиления лампы и уменьшения паразитной
емкости между анодом и сигнальной сеткой. Сетка 2 служит для
устранения емкости между сеткой 3 и гетеродинной частью, т. е.
для устранения нежелательной связи между контуром LjCi и
контуром гетеродина. Сетка 5 является защитной. Таким обра-
зом, гептод подобного типа является как бы пентодом, но с
двумя управляющими сетками, разделенными друг от друга до-
бавочной экранирующей сеткой. Поскольку сетка 2 выполняет
одновременно роли анода триодной части и экранирующей сетки,
Рис. 11,32. Преобразователь частоты с гептодом ста-
рого типа
то гетеродин обязательно делается по схеме с заземленным ано-
дом. «Пампа 6А7 является одноцокольной. Этим она отличается
от прежних преобразовательных ламп, имевших вывод сигналь-
ной сетки на верху баллона. Кроме того, в конструкции элект-
родов у нее сделан ряд изменений, улучшающих работу преоб-
разователя на более коротких волнах. Аналогичными лампами
являются в серии батарейных пальчиковых ламп 1А1П и 1А2П.
За счет нелинейных свойств лампы биения электронного по-
тока детектируются и в анодном токе получается составляющая
промежуточной частоты, на которую настроен контур L3C3. Он
представляет большое сопротивление для этой составляющей, и
поэтому преобразователь одновременно дает усиление колебаний
промежуточной частоты. Для составляющих с частотой сигна-
ла, гетеродина и других, также имеющихся в анодном токе, кон-
543
тур L3C3 представляет малое сопротивление и они не создают!
на нем заметного напряжения. Колебания промежуточной ча-J
стоты через трансформатор L3L4 передаются в контур L4C4 цепи '
управляющей сетки лампы усилителя промежуточной частоты^
На рис. 11.32 показан преобразователь частоты с гептодом*
старого типа (6А8 или СБ-242). Катод вместе с сетками 1 и 2 ;|
образует триод, используемый для гетеродина, причем сетка* 23
является анодом. Сетки 3 и 5 — экранирующие, а сетка 4—сиг- |
нальная. Такой преобразователь частоты не дает полного устра- J
нения влияния сигнала на работу гетеродина. Изменение напря-
жения на сигнальной сетке влияет на характеристику лампы и,
ее параметры, в результате чего меняется частота гетеродина.;!
Это особенно заметно на более коротких волнах.
Рассмотрим более подробно особенности гептодов старого я”
нового типов. Гептоды старого типа имеют конструкцию элект- Г
родов, разрез которой схематически показан на рис. 11.33 а. На 1
Рис. 11.33. Принцип устройства электродов гептода старого (а) и
нового (б) типов (О] и О; — первое и второе электронные облачка)
этом же рисунке изображены траекторйи электронов. В этих Я
гептодах сетка 2 (анод гетеродинной части) выполнена в виде я
двух стержней. Основное влияние на анодный ток гептода ока- 1
зывает сетка 1. Сигнальная сетка 4 имеет отрицательное сме- |
щение. Между ней и сеткой 5 образуется второе электронное об- 1
лачко, из которого часть электронов возвращается на сетку 2.
Изменение напряжения на сетке 4 влияет на второе элект-’^
ронное облачко, а следовательно, и на количество электронов, 9
попадающих из облачка на сетку 2, т. е. на анодный ток гетеро- ;
дина, вызывая изменение его режима и нестабильность частоты, j
Существенным недостатком гептодов старого типа является так-
же малая крутизна гетеродинной части. Это затрудняет генера- .
цию колебаний в гетеродине на более коротких волнах.
У лампы 6А7 и подобных ей новых гептодов все эти недостат-
ки наблюдаются в значительно меньшей степени. На рис. 11.33 б
544
изображены схематически для гептодов нового типа разрез си-
стемы электродов и траектории электронов в ней. Особенностью
этих гептодов являются специальные собирающие пластины, со-
единенные с сеткой 2. На них попадают электроны, не пролетаю-
щие сетку 5 вследствие того, что ее напряжение отрицательно
или равно нулю. Такие электроны образуют между сетками 2 и
3 второе электронное облачко, которое играет роль катода для
пентодной (сигнальной) части лампы. Изменение плотности и
объема этого облачка при изменении напряжения на сигнальной
сетке сравнительно мало влияет на режим гетеродина, так как
сетка 2 и собирающие пластины служат экраном, отделяющим
гетеродинную часть лампы от сигнальной части.
Поскольку анодным током гетеродина, проходящим через
его колебательный контур, является полный катодный ток гепто-
да, то гетеродинная часть лампы имеет довольно большую кру-
тизну (несколько миллиампер на вольт). Это способствует устой-
чивой генерации колебаний в гетеродине даже на более корот-
ких волнах,- Повышение стабильности гетеродина получается
также за счёт малой зависимости катодного тока от напряжения
на сигнальной сетке. Последнее объясняется тем, что при измене-
нии напряжения на сетке 5 происходит перераспределение обще-
го катодного тока между анодом гептода и сеткой 2. Например,
если это напряжение изменяется в положительную сторону, то
второе электронное облачко будет рассасываться и больше
электронов полетит от него к аноду, т. е. ток анода возрастет. Но
зато соответственно меньше электронов из этого облачка станет
возвращаться на сетку 2 и ее ток уменьшится. Общий катодный
ток при этом остается почти неизменным.
Одна из причин значительного ухудшения работы гептодов
и других многосеточных ламп на более коротких волнах заклю-
чается в следующем. Второе электронное облачко изменяется с
частотой гетеродина и благодаря электростатической индукции
возбуждает в цепи сигнальной сетки ток с частотой гетеродина,
который на контуре, включенном в цепь этой сетки, создает па-
дение напряжения. При обычном соотношении частот гетероди-
на и сигнала (/г>/с) такое напряжение, возникшее на сигналь-
ной сетке с частотой f2, оказывается в противофазе с напряже-
нием на гетеродинной сетке. За счет этого снижается влияние
гетеродинного напряжения. Поэтому на более коротких волнах
лучшие результаты дают пентоды и триоды в схеме односеточно-
го преобразования.
Детектирование при двухсеточном преобразовании частоты
не является сеточным или анодным. Чтобы выяснить его прин-
цип, надо сначала рассмотреть характеристики частотопреобра-
зовательных ламп. На рис. 11.34 показано семейство статических
характеристик гептода, выражающих зависимость анодного то-
ка 1а от напряжения на сигнальной сетке Uc3 для различных на-
35—2607 545
пряжений на гетеродинной сетке Uat взятых для примера рав- I
ными —4, —2 и 0 в. Напряжение на аноде и на экранирующих
сетках постоянно. Подобные же характеристики имеют и другие
лампы с двумя управляющими сетками, в частности, пентоды I
при использовании их защитной сетки в качестве управляющей. Д
Как видно, характеристики представляют собой пучок кри- .1
вых, выходящих примерно из одной точки. Это объясняется тем, ;
что для сигнальной сетки катодом является второе электронное '2
1
11,=
5 -*• -л:-г
1
.I1
Рис, 11.34.- Графическое изображение процесса двухсеточного преоб-
разования частоты
облачко и запирающее напряжение на этой сетке практически
определяется только напряжением экранирующей сетки (как в
обычных тетродах и пентодах) и не зависит от напряжений дру-
гих электродов. Характеристики показывают, что ток анода рас-
тет при изменении в положительную сторону напряжений обеих
управляющих сеток. Но процесс управления анодным током эти-
ми сетками различён. Выше было показано, что изменение на-
пряжения сигнальной сетки, действуя на второе электронное
облачко, создает перераспределение общего катодного тока. Од-
нако такой процесс прекращается при положительном напряже-
нии сигнальной сетки, так как тогда второе электронное облач- .j
ко полностью рассасывается. Поэтому изменение положительно- 1
го напряжения на сигнальной сетке почти не влияет на анодный -Я
ток. А гетеродинная сетка действует как обычная управляющая
сетка триода. Если напряжение на ней изменяется в положитель- “Ц
ную сторону, то все большее количество электронов уходит из 3
первого электронного облачка, имеющегося около катода. Со- J
ответственно растут анодный ток, ток экранирующих сеток и
катодный ток. Важно также, что при этом увеличивается кру-
тизна гептода по сигнальной сетке. Все это хорошо показывают
характеристики на рис. 11.34.
Таким образом, двойное управление анодным током сводится
к тому, что изменение напряжения на одной управляющей сёт- . *
546
i
’"•Я
ке изменяет крутизну характеристики по другой управляющей
сетке. Именно это и создает у лампы нелинейные свойства, необ-
ходимые для осуществления преобразования частоты.
Рассмотрение процесса преобразования частоты с помощью
статических характеристик допустимо потому, что анодный ко-
лебательный контур настроен на промежуточную частоту и на
частотах сигнала и гетеродина ои имет малое сопротивление,
т. е. для колебаний этих частот лампа работает в статическом
режиме. Так как переменные напряжения на сигнальной и гете-
родинной сетках имеют разные частоты, то они в некоторые мо-
менты совпадут по фазе, а в некоторые другие моменты будут
в противоположных фазах. Пусть рабочей точкой является точ-
ка Л и амплитуды напряжений сигнала и гетеродина равны со-
ответственно 1 и 2 в. Тогда в момент совпадения фаз положи-
тельные полуволны напряжений Uca и Ucl дадут увеличение
анодного тока до точки В, а отрицательные полуволны этих на-
пряжений уменьшат анодный ток до точки С. В этом случае
амплитуда пульсации анодного тока за положительный полупе-
риод значительно больше, чем за отрицательный. Это и показа-
но на графике анодного тока справа.
По прошествии какого-то времени наступит момент, когда
фазы напряжений Uca и Ufl станут противоположны. Положи-
тельная полуволна напряжения Uca будет действовать одновре-
менно с отрицательной полуволной напряжения Ucl , и анод-
ный ток уменьшится до точки Д. А при отрицательной полувол-
не Uca действует положительная полуволна Ucl, и анодный ток
возрастает до точки Е. На графике справа показаны колебания
анодного тока между двумя рассмотренными моментами и далее
до следующего момента совпадения фаз. В анодном то^е полу-
чились биения несимметричной формы. Они имеют слагающую,
пульсирующую с промежуточной частотой, показанную на гра-
фике жирной линией. Таким образом, детектирование получает-
ся за счет того, что при изменении напряжения U л сама харак-
теристика качается с частотой гетеродина от одного положения,
соответствующего Ucl= 0, до другого, при котором Ucl = —4 в.
При настройке контуров супергетеродинного приемника с по-
мощью блока конденсаторов одинаковой емкости необходимо,
чтобы контур гетеродина был настроен на частоту, равную часто-
те сигнала плюс промежуточная частота. Для этого в контур ге-
теродина включены дополнительные конденсаторы С и С5
(рис. 11.31 и 11.32). Конденсатор С, включенный последователь-
но с основным конденсатором С2 уменьшает емкость контура и
вследствие этого частота гетеродина увеличивается. Емкости С
и С5 и индуктивность L2 определяются специальным расчетом,
а затем конденсатор С5 регулируют так, чтобы в пределах всего
диапазона разность частот контуров была примерно равна про-
межуточной частоте. Такая регулировка называется сопряжени-
547
ем контуров и представляет известные трудности. Точное сопря-
жение получается обычно только в трех точках диапазона. Кон-
денсаторы С и С5 называются конденсаторами сопряжения. Во
избежание ухудшения слышимости не следует нарушать сопря-
жение, 1. е. регулировать подстроечные конденсаторы и сердеч-
ники контуров сигнала и гетеродина, если нет опыта в такой ре-
гулировке, которая проводится специальными методами с по-
мощью измерительных приборов.
Многие частотопреобразовательные лампы работают нормаль-
но при смещении на сигнальной сетке, равном нулю. А у неко-
торых ламп на эту сетку необходимо подать автоматическое сме-
щение. В гетеродинах смещение, как правило, получается от
гридлика. Напряжение на экранирующую сетку подается, как
обычно, через поглощающее сопротивление или через делитель.
Рис. 11.35. Преобразователь частоты с гептодом-смесителем
и отдельным гетеродином
Хорошие результаты дает преобразователь с триод—пенто-
дом, или триод — гексодом, или триод—гептодом. В таких лам-
пах триодная часть, входящая в схему гетеродина, отделена от
смесительной части, но находится в одном баллоне с ней. Коле-
бания от гетеродина подаются на управляющую сетку пентода,
или гексода, или гептода. Иногда для этой цели служит соеди-
нение внутри лампы. Поскольку триод и смесительная часть име-
ют отдельные электронные потоки, влияние сигнала на работу
гетеродина почти отсутствует. Применяется также преобразова-
тель частоты с гептодом-смесителем и отдельным гетеродином
(рис. 11.35). В таком преобразователе гетеродин может иметь
любую схему. В частности, с хорошими результатами применяет-
‘548
ся схема с электронной связью на пентоде. Колебания от гетеро-
дина подаются на сетку 1 гептода через конденсатор С6. Для то-
го чтобы на этой сетке не скопились электроны, включено со-
противление утечки Роль гептода — смесителя может вы-
полнять лампа 6А7 или подобная ей. Раньше выпускался спе-
циальный гептод-смеситель 6Л7.
Для уменьшения влияния приходящих сигналов на работу гетеродина
иногда осуществляют преобразование частоты с использованием гармоник ге-
теродина. Гетеродин настраивается так, чтобы его вторая или третья, или
более высокая гармоника имела частоту, отличающуюся от частоты приходя-
щего сигнала на величину промежуточной частоты. Например, если надо при-
нимать в диапазоне 3000-5-4500 кгц, а промежуточная частота составляет
120 кгц, то при использовании третьей гармоники гетеродин должен иметь
диапазон 1040ч-1540 кгц. Тогда его третья гармоника с частотой 3120-5-
-5-4620 кгц будет на 120 кгц выше частоты принимаемых сигналов.
Используя несколько гармоник гетеродина, можно осуществить прием сиг-
налов в широком диапазоне при работе гетеродина в сравнительно узком диа-
пазоне. В рассмотренном случае, когда гетеродин работает в диапазоне
10404-1540 кгц, при использовании четвертой гармоники, имеющей частоту
4160-5-6160 кгц, возможен прием в диапазоне 4040-5-6040 кгц. Пятая гармо-
ника гетеродина имеет частоту 5200ч-7700 кгц и позволяет принимать в диа-
пазоне 5080-5-7580 кгц. При таком методе контуры, настраиваемые на при-
ходящие сигналы, должны работать в широком диапазоне, ио зато контур
гетеродина значительно упрощается.
Так как настройка на принимаемую станцию определяется частотой гете-
родина, то стараются сделать ее стабильной. Для надежной связи на неко-
торых определенных волнах иногда стабилизируют кварцем частоту гетеро-
дина. Такой метод применим при условии, что частота колебаний передат-
чика также стабилизирована кварцем. При использовании гармоник гетеро-
дина каждый кварц в гетеродине дает возможность приема сигналов несколь-
ких радиостанций.
Лампы для преобразования частоты, помимо обычных пара-
метров, характеризуются еще крутизной преобразования Snp.
Она выражается в миллиамперах на вольт и показывает вели-
чину тока промежуточной частоты в миллиамперах, получающе-
гося в анодной цепи лампы при подаче на сигнальную сетку на-
пряжения сигнала в 1 в. Чем больше крутизна преобразования,
тем лучше эффект преобразования частоты. Величина Snp воз-
растает при увеличении напряжения гетеродина, но не может
составлять более 25% максимального значения обычной крутиз-
ны. Если напряжение гетеродина равно нулю, то и Snp =0. У геп-
тодов и гексодов S„p бывает всего лишь порядка десятых до-
лей миллиампера на вольт. Зато у пентодов, работающих в ка-
честве смесителя, Snp может быть до 4—5 ма]в и более. Значе-
ния S пр, приводимые в справочниках, соответствуют работе лам-
пы при нормальйом напряжении гетеродина. Если его чрезмерно
повысить для увеличения 8пр, то режим смесителя ухудшится
и возрастут амплитуды нежелательных дополнительных (комби-
национных) колебаний. Поскольку смеситель является одновре-
менно усилителем, то в нем, как и в усилителях высокой часто-
549
ты, могут наблюдаться нелинейные и перекрестные искажения,
а также вторичная модуляция.
Коэффициент усиления частотопреобразовательной ступени к,
представляющий собой отношение напряжения промежуточной
частоты, полученного на анодном контуре, к напряжению сигна-
ла на управляющей сетке, может быть определен по приближен-
ной формуле
X ~ Зпр^Э •
где — сопротивление анодного контура промежуточной ча-
стоты при резонансе. Вследствие того что Snp меньше S, усиле-
ние получается меньше, чем в усилителе с такой же лампой.
§ 11.15. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЧАСТОТЫ ДЛЯ УКВ
В преобразователях частоты для укв многосеточные лампы
не применяются. Эти лампы непригодны для сверхвысоких ча-
стот, так как в них слишком велики время пролета электронов,
собственные шумы, влияние межэлектродных емкостей и индук-
тивностей выводов. Для частот до 50—100 Мгц в смесителях с
односеточным преобразованием по схеме с заземленным като-
дом успешно используются пентоды. На диапазонах метровых и
дециметровых волн (частоты от 50 до 1500 Мгц) широко
применяются односеточные триодные преобразователи частоты
по схеме с заземленным катодом или заземлённой сеткой. Такие
преобразователи могут иметь либо два триода (один — в смеси-
теле, другой — в гетеродине), либо один триод, в котором совме-
щаются функции смесителя и гетеродина. В современных радио-
вещательных приемниках для приема на укв широко распрост-
ранен именно этот последний тип преобразователя.
Один из его вариантов показан на рис. 11.36 а. Гетеродин
в нем имеет индуктивную обратную связь и параллельное анод-
ное питание. В его колебательный контур, помимо основных
элементов LiCi, включены конденсаторы сопряжения С7 и Сз-
Напряжение сигнала от анодного контура усилителя высокой
частоты ЬСС^ через конденсатор С5 подается на сетку триода
(через среднюю точку катушки обратной связи Lt). Смещение
на сетке получается от гридлика С6/?. Конденсаторы С и Cj вхо-
дят в один агрегат и настраиваются одной ручкой. Так как три-
од одновременно является смесителем, то в его анодную цепь
включен контур C2L2C4, настроенный на промежуточную часто-
ту и связанный индуктивно с контуром C3L3.
Для устранения связи между цепями сигнала и гетеродина в
схеме образован уравновешенный мост, показанный на
рис. 11.366. Его плечами являются половинки катушки Lit вход-
ная емкость лампы Свх и подстроечный конденсатор Сб, кото-
рый регулируется для получения баланса моста. В одну диаго-
550
наль моста включен контур LC (через конденсатор С5), а к дру-
гой диагонали приложено напряжение, получающееся на катуш-
ке Li от контура L\Ci. При равновесии моста контуры LC и L\C\
не будут влиять друг на друга. Кроме того, в схеме образуется
еще один мост для устранения отрицательной обратной связи
по промежуточной частоте, которая получается через проходную
емкость Сас и уменьшает усиление. Этот мост изображен на
рис. 11.36 в. Его плечами являются емкость Сас, конденсаторы
Сб, Ct и Сг, причем параллельно последнему подключены вы-
ходная емкость триода Сак и конденсатор С8. Последовательно
с Сб включены индуктивности L и — Li, но для промежуточ-
ной частоты их сопротивление ничтожно и им можно пренебречь.
Рис. 11.36. Схема преобразователя частоты для
диапазона метровых волн (а) и схемы мостов
для устранения связи между цепями гетеродина
и сигнала (б) и для перекомпенсации отрицатель-
ной обратной связи по промежуточной частоте (в)
В диагонали моста включены катушка L2 и участок сетка — ка-
тод лампы. Обычно емкость Ci подбирают так, чтобы равнове-
сие моста было несколько нарушено и преобладала положитель-
ная обратная связь. За счет такой перекомпенсации отрицатель-
ной обратной связи получается увеличение усиления.
551
Рассмотренная ступень преобразования частоты вместе со сту-
пенью УВЧ в большинстве случаев работает на одном двойном
триоде (например, 6НЗП) и монтируется в приемнике в виде от-
дельного экранированного укв блока. Помимо схемы по
рис. 11.36 а с настройкой контуров УВЧ и гетеродина конденсато-
рами переменной емкости, широко применяется аналогичная
схема с настройкой изменением индуктивности.
На дециметровых волнах в смесителе и гетеродине использу-
ются триоды с дисковыми электродами, например маячковые, с
контурами в виде коаксильных резонансных линий. А для ча-
стот выше 500—1000 Мгц в преобразователях частоты применя-
ются вакуумные диоды с дисковыми электродами или полупро-
водниковые точечные диоды. В диодных преобразователях свч
связь между цепями сигнала и гетеродина не вызывает особых
неприятностей, так как приемники свч обычно работают на од-
ной частоте или в узком диапазоне частот и приходящие сигна-
лы, как правило, очень слабы. Вместе с тем, диоды наиболее под-
ходят для свч, так как по сравнению с другими лампами они соз-
дают меньшие собственные шумы и в них меньше время пролета
электронов. Полупроводниковые диоды по сравнению с вакуум-
ными имеют еще меньшее время пролета и широко используют-
ся в смесителях для волн короче 3 см. С целью снижения шумов
и уменьшения излучения гетеродина часто применяют баланс-
ные (двухтактные) смесители с двумя полупроводниковыми дио-
дами. Гетеродины для таких преобразователей работают на кли-
стронах. Контурами служат объемные резонаторы, а для переда-
чи колебаний используются волноводы.
§ 11.16. ТРАНЗИСТОРНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЧАСТОТЫ
Транзисторные преобразователи частоты могут быть либо с
отдельным гетеродином, либо с совмещением функций смесителя
и гетеродина в одном транзисторе. Для уменьшения числа тран-
зисторов и экономии питания в более простых и малогабаритных
приемниках встречаются преобразователи частоты на одном
транзисторе, но в них трудно подобрать наилучший режим работы
и требуется весьма тщательное налаживание. Преобразовате-
ли частоты с транзистором-смесителем и отдельным гетеродином
работают стабильнее и их легче наладить. Если транзистор при-
меняется в качестве смесителя, то у него крутизна преобразова-
ния, как правило, в 2—3 раза меньше, чем крутизна в режиме
усиления. Смесительная ступень с транзистором может иметь
коэффициент усиления до 100—200, а преобразователь на одном
транзисторе обычно дает усиление, не превышающее 10—15.
В зависимости от способа подачи на транзистор-смеситель
напряжений сигнала и гетеродина возможны различные схемы
преобразователей. Иногда оба напряжения подводятся к базе
транзистора, но лучше работают схемы, в которых эти вапря-
552
жения подаются в различные цепи. Наиболее устойчивый режим
получается при подаче напряжения сигнала в цепь базы, а на-
пряжения гетеродина — в цепь эмиттера. В этом случае можно
считать, что смесительная ступень работает для напряжения
сигнала как схема с общим эмиттером, а для напряжения гете-
родина — как схема с общей базой.
Смещение на базу транзистора, работающего в преобразо-
вателе частоты, дается в прямом направлении такими же спосо-
бами, как и в усилителях. Для получения наилучшего эффекта
преобразования и наибольшего усиления важно, чтобы в транзи-
сторе-смесителе рабочая точка находилась на участке характе-
ристики с максимальной нелинейностью. Весьма желательна ста-
билизация режима по одной из тех схем, которые были рас-
смотрены для усилителей. Гетеродин выполняется по различным
Рис. 11.37. Схема преобразователя частоты на транзи-
сторах с отдельным гетеродином
схемам. Связь его со смесителем может быть индуктивная, авто-
трансформаторная или емкостная. На смеситель достаточно по-
дать от гетеродина напряжение всего лишь порядка десятых до-
лей вольта. В отличие от усилителей высокой частоты в смеси-
тельной ступени нейтрализация не требуется, так как входной и
выходной контуры в этой ступени настроены на совершенно раз-
личные частоты. Как обычно, эти контуры имеют автотрансфор-
маторную или индуктивную связь с транзистором. Настройка
контуров сигнала и гетеродина может быть емкостная или ин-
дуктивная. Так же, как и в усилителях высокой частоты, в сме-
сительной ступени на транзисторе получаются нелинейные и пе-
рекрестные искажения и возможна вторичная модуляция.
На рис. 11.37 изображен пример схемы транзисторного пре-
образователя частоты с отдельным гетеродином. От контура
553
/-.С, на базу транзистора-смесителя Tt подается напряжение
сигнала. Делитель служит для подачи смещения на базу.
Чтобы можно было заземлить ротор переменного конденсатора,
в контур LtCt введен конденсатор С4, шунтирующий сопротив-
ление делителя Для стабилизации режима смесителя вклю-
чены детали R3C5. Нагрузочным сопротивлением в цепи коллек-
тора транзистора Т\ является контур L3CS, настроенный на про-
межуточную частоту. Гетеродин собран по схеме с индуктивной
обратной связью. Его контур Е2С2 включен в цепь базы транзи-
стора Г2. Напряжение с части катушки L$ введено в цепь эмит-
тера смесительного транзистора 7\. Смещение на базу и стабили-
зация режима транзистора Т2 осуществлены с помощью сопро-
тивлений /?4, Т?5, /?6 и конденсатора С7. Источник питания под-
ключен через развязывающий фильтр R фСф. В колебательных
контурах показаны ферромагнитные сердечники, которые часто
применяются в транзисторных приемниках для уменьшения раз-
меров катушек и увеличения их добротности.
Рис. 11.38. Схема преобразователя частоты на одном транзисторе
Схема преобразователя частоты на одном транзисторе пока-
зана на рис. 11.38. В ней напряжение сигнала от контура LtCi
подается на базу. Напряжение от контура гетеродина £2С2 че-
рез конденсатор С$ подводится в цепь эмиттера, а катушка об-
ратной связи Lt включена в цепь коллектора, в которой также
имеются контур промежуточной частоты L3C3 и развязывающий
фильтр R$C ф. Постоянная составляющая тока эмиттера прохо-
дит через сопротивление /?з, которое вместе е сопротивлениями
/?1 и /?2 служит для стабилизации режима и получения смещения
на базе. Для упрощения на схемах рис. 11.37 и 11.38 не показа-
ны конденсаторы сопряжения:
§ 11.17. УСИЛИТЕЛИ промежуточной частоты
Усилитель напряжения промежуточной частоты (УПЧ) яв-
ляется по существу усилителем высокой частоты и работает
обычно на пентодах. Пример одной ступени УПЧ приведен на
рис. 11.39. Особенностью УПЧ является применение в нем по-
554
лосовых фильтров. В большинстве случаев полосовой фильтр
состоит из двух контуров, настроенных на промежуточную ча-
стоту и имеющих сильную связь между собой. Ступень УПЧ
связывается с предыдущей и последующей ступенями через та-
кие фильтры (LiCi—L2C2 и L3C3—Z.4C4 на рис. 11.39). Катушки
контуров фильтра образуют трансформатор промежуточной ча-
стоты.
Рис. 11.39. Ступень УПЧ с полосовыми фильтрами
Между контурами полосового фильтра применяется также и
внешнеемкостная связь (рис. 11.40). При такой связи катушки
делаются с замкнутым сердечником из карбонильного железа
Рис. 11.40. Ступень УПЧ с виешнеемкостной связью в по-
лосовых фильтрах
или другого магнитодиэлектрика, что обеспечивает более высо-
кое качество контуров. С этими катушками невозможно осу-
ществить индуктивную связь. Поэтому для связи включают кон-
денсатор С св небольшой емкости. Величина Ссв подбирается
при наладке приемника. Для точной настройки контуров в ре-
зонанс применяются подстроечные конденсаторы. Широко ис-
пользуются также полосовые фильтры с постоянными конденса-
торами, имеющие регулировку индуктивностей с помощью сер-
дечников.
555
Назначением полосовых фильтров является повышение изби-
рательности приемника. Чтобы понять их действие, вспомним
кривую резонанса двух настроенных в резонанс связанных кон-
туров, выражающую зависимость напряжения вторичного кон-
тура от частоты генератора, питающего первичный контур
(рис, 2.14). Для слабой связи кривая получается острая,
но имеет широкое основание, захватывающее большой диапазон
частот. Эта кривая неблагоприятна, так как будут плохо пропу-
скаться боковые колебания модулированного сигнала и возник-
нут частотные искажения (уменьшение усиления на верхних
звуковых частотах). Вместе с тем, могут быть помехи от других
радиостанций, особенно близких и мощных. Кривая для крити-
ческой связи выгоднее, так как основание ее захватывает менее
широкий диапазон волн (следовательно, помехи меньше), а
сама она шире и поэтому лучше пропускаются колебания боко-
вых частот. При связи больше критической кривая становится
двугорбой. Провал в ней тем больше, чем сильнее связь.
Полосовые фильтры рассчитываются и регулируются так,
чтобы ширина кривой резонанса была достаточна для пропуска-
ния всей полосы колебаний модулированного сигнала. Эта по-
лоса для приема радиовещания с амплитудной модуляцией на
длинных, средних и коротких волнах должна иметь ширину по-
рядка 9 кгц, т. е. по 4,5 кгц в обе стороны от резонансной часто-
ты. А для приема сигналов при разговорной радиотелефонии
ширина полосы может быть всего лишь 4—5 кгц и даже меньше.
На рис. 11.2г была показана идеальная кривая резонанса
прямоугольной формы, соответствующая равномерному прохож-
дению всех боковых колебаний и отсутствию помех со стороны
радиостанций, частоты которых лежат за пределами этой кривой.
Практически такую кривую получить не-
возможно, но чем больше применено по-
лосовых фильтров, тем ближе общая
кривая резонанса к прямоугольной фор-
ме. Для устранения провала в области
резонанса иногда в одной из ступеней
ставят одиночный контур. Тогда общая
кривая резонанса принимает вид, пока-
занный на рис. 11.41.
Полосовые фильтры монтируются в
экранах и настраиваются вращением ре-
подстроечных конденсаторов или сердеч-’
ников катушек. Нарушение их настройки дает уменьшение уси-
ления и искажение правильной формы кривой резонанса. Ремонт
и регулировку полосовых фильтров не рекомендуется делать,
если нет в этом опыта и соответствующих приборов.
Величина промежуточной частоты выбирается обычно в той
части диапазона, в которой нет работающих радиостанций. Ес-
Рис, 11.41. Трехгорбая
кривая резонанса
гулировочных винтов
556
ли же на промежуточной частоте или близкой к ней работает
какая-либо радиостанция, то приемник может принять ее сиг-
налы, проникающие через паразитные связи от антенны непо-
средственно в усилитель промежуточной частоты. Чтобы не
пропустить такую помеху, в некоторых приемниках на вход
включают заграждающий фильтр, настроенный на fnp.
Нежелательно, чтобы fnp лежала в диапазоне частот прием-
ника, так как тогда на этой частоте иногда наблюдается силь-
ный свист и может возникнуть паразитная генерация. Например,
в радиовещательных приемниках промежуточная частота лежит
вне стандартных диапазонов 150-=-415 и 520-4-1600 кгц.
Очень низкая f пр, например в несколько десятков килогерц,
невыгодна, так как возрастают симметричные помехи. Но зато
очень высокая f„p также невыгодна потому, что ступени УПЧ
будут давать меньшее усиление и меньшую избирательность.
Чтобы получить преимущества, даваемые низкой и высокой
промежуточной частотой, в некоторых специальных приемниках
устраивают двойное преобразование частоты. Сначала преобра-
зуют частоту сигнала в сравнительно высокую первую проме-
жуточную частоту, которая обеспечивает достаточное ослабле-
ние симметричных помех. А затем осуществляют второе преоб-
разование в более низкую вторую промежуточную частоту, при
которой усилитель промежуточной частоты дает большое уси-
ление и высокую избирательность.
Величина усиления в каждой ступени УПЧ при хороших
пентодах может быть порядка нескольких десятков. Как прави-
ло, в ступенях УВЧ применяется автоматическое смещение. Эк-
ранирующая сетка питается через поглощающее сопротивление
или через делитель. Для устранения паразитных связей через
цепи питания включаются развязывающие фильтры.
С целью увеличения избирательности иногда в УПЧ приме-
няют полосовые фильтры сосредоточенной селекции, в которых
число контуров обычно рав-
но четырем или больше.
В таких фильтрах связь ме-
жду контурами может быть
различной. На рис. 11.42
показан пример четырех-
контурного фильтра, состоя-
щего из двух двухконтур-
ных фильтров с индуктив-
ной связью между контура-
ми, заключенных каждый в отдельный экран. Связь между пер-
вым и вторым фильтрами — внутренне-емкостная. В большинст-
ве случаев фильтр сосредоточенной селекции включается между
преобразователем и первой ступенью УПЧ, так как тогда умень-
шается возможность появления перекрестных искажений в сле-
Т.____(а___I JL TTZ
Рис. 11.42. Схема четырехконтурного по-
лосового фильтра сосредоточенной се-
лекции
557
дующих ступенях. Конечно, увеличение числа контуров в поло-
совом фильтре уменьшает усиление.
Усилители промежуточной частоты приемников укв делают-
ся либо с одиночными контурами, либо с полосовыми фильтра-
ми. В вещательных приемниках, имеющих, кроме диапазонов
длинных, средних и коротких волн, также диапазон укв, конту-
ры полосовых фильтров для промежуточных частот 465 кгц и
8,4 Мгц обычно включаются последовательно (рис. 11.43). Так
как эти частоты во много раз
отличаются друг от друга, то кон-
туры, настроенные на 465 кгц,
имеют очень малое сопротивле-
ние на частоте 8,4 Мгц. И, наобо-
рот, контуры для частоты 8,4 Мгц
практически представляют ко-
роткое замыкание для токов с ча-
стотой 465 кгц. Когда приемник
не работает на диапазоне укв, кон-
тур на 8,4 Мгц в анодной цепи
смесителя замыкается накорот-
ко. Если этого не сделать, то че-
рез такой контур в УПЧ будут
Рис. 11.43. Включение полосовых
фильтров на разные промежуточ-
ные частоты
проникать колебания основной частоты гетеродина при работе
его на диапазоне коротких волн или гармоники гетеродина при
настройке его в диапазонах средних и длинных волн.
В последнее время ведутся успешные опыты по применению в УПЧ элек-
тромеханических фильтров с очень высокой избирательностью. Такие фильтры
представляют собой сложную механическую колебательную систему, имеющую
несколько резонансных элементов в виде ферромагнитных пластинок, стерж-
ней или дисков очень небольших размеров (порядка миллиметров). Эти эле-
менты соединены между собой парами тонких проволочек. Колебания в по-
добном фильтре возбуждаются с помощью пьезоэлектрического или магнито-
стрикционного электромеханического преобразователя. Последний основан иа
явлении магнитострикции, т. е. изменении размеров ферромагнитного сердеч-
ника под действием переменного магнитного поля. На выходе фильтра также
ставится электромеханический преобразователь, в котором механические ко-
лебания последнего ферромагнитного элемента- фильтра возбуждают в катуш-
ке переменную эдс, ' подводимую к следующей ступени усиления. Ступень
с электромеханическим фильтром при расстройке на ±10 кгц может дать
ослабление в тысячи раз.
Для повышения избирательности при приеме телеграфных сигналов в уси-
лителе промежуточной частоты иногда применяют кварцевые фильтры. Кварц
является колебательной системой с высокой добротностью и высокой стабиль-
ностью частоты. Он имеет весьма острую кривую резонанса. При примене-
нии кварцевого фильтра в приемнике полоса частот пропускаемых колебаний
становится порядка нескольких десятков герц и благодаря этому резко сни-
жаются помехи.
Простейшая схема кварцевого фильтра показана на рис. 11.44 а. Контур
LC настроен на промежуточную частоту н включен в анодную цепь преобра-
зователя частоты. Средняя точка катушки L\ заземлена. От двух половин
этой катушки напряжения, равные по величине и противоположные по фазе,
передаются - на сетку лампы через кварц К, рассчитанный на промежуточную
558
частоту, и через конденсатор Со, емкость которого равна емкости кварцедер-
жателя. Если частота колебаний не находится в пределах полосы пропускания
кварца, то последний работает как конденсатор с емкостью Со. Поэтому на-
пряжения, передаваемые иа сетку, равны друг другу и взаимно уничтожаются.
Если же частота колебаний будет в пределах полосы пропускания-кварца,
то последний работает как последовательный - резонансный контур. Его со-
противление резко уменьшается и напряжение, переданное через кварц, ста-
нет больше, чем напряжение, переданное через конденсатор Со. Эти напряже-
ния уже не компенсируют друг друга и получается прием сигналов.
Сопротивление выполняет роль нагрузочного и сильно влияет на шири-
ну полосы частот колебаний, пропускаемых кварцевым фильтром. Чем мень-
ше сопротивление R, тем шире полоса пропускания. Регулируя величину
R, можно получать ширину полосы от десятков до сотен герц. Узкая полоса
применяется для приема телеграфных сигналов. А при ширине полосы поряд-
ка тысячи герц возможен прием телефонной передачи. При этом получаются
Рис. 11.44. Схемы кварцевых фильтров
значительные искажения, но зато снижаются помехи от других радиостанций.
Вместо сопротивления иногда включают контур, настроенный на промежу-
точную частоту и имеющий переменное активное сопротивление. Изменяя
его величину, можно изменять сопротивление контура и тем самым регули-
ровать ширину полосы пропускания. В некоторых пределах ее можно также
регулировать изменением емкости конденсатора Со.
На рис. 11.44 6 показан кварцевый фильтр, в котором кварц включен
в качестве конденсатора внешнеемкостиой связи. В этой схеме ширина по-
лосы пропускания регулируется расстройкой контуров в разные стороны от-
носительно резонансной частоты (частоты кварца). Такая расстройка осуще-
ствляется с помощью особого блока конденсаторов Ct и Сг, у которого при
вращении оси емкость одного конденсатора увеличивается, а другого — умень-
шается. Встречаются и более сложные кварцевые фильтры, имеющие ие один
кварц, а больше.
Усилители промежуточной частоты на транзисторах, как пра-
вило, аналогичны усилителям высокой частоты, и потому схемы
их не приводятся. В этих усилителях ступени могут быть с об-
щим эмиттером или общей базой. Первая схема дает большее
усиление и используется чаще, но работает менее устойчиво.
В большинстве случаев в транзисторных УПЧ применяется ней-
трализация. Подача напряжения смещения на участок база —
эмиттер осуществляется обычными методами. Для устранения
паразитных связей через цепи питания включают развязываю-
щие фильтры. Колебательными системами служат одиночные
контуры или двухконтурные полосовые фильтры или фильтры
сосредоточенной селекции с различными видами связи. С целью
уменьшения шунтирующего влияния входных и выходных со-
559
противлений транзисторов на качество контуров последние
связываются с транзисторами автотрансформаторно или индук-
тивно, а иногда с помощью емкостных делителей напряжения.
Весьма важно обеспечить в транзисторном УПЧ постоянство
его полосы пропускания, которая может значительно изменять-
ся при изменении входных и выходных сопротивлений транзи-
сторов под влиянием изменений питающих напряжений или сме-
ны самих транзисторов. Поэтому очень желательна стабилиза-
ция режима транзисторов. Кроме того, для сохранения посто-
янства полосы пропускания иногда применяется последователь-
ное включение входного сопротивления транзистора в колеба-
тельный контур. Пример такого УПЧ с двумя ступенями по
Рис. 11.45. Ступени УПЧ по схеме с общей базой
и различными способами подключения контуров к
транзисторам
схеме с общей базой и одиночными контурами дан на рис. 11.45.
Входное сопротивление первого транзистора Rexl включено,
как обычно, параллельно части контура LiCj (через конденса-
торы С3 и С#]), а входное сопротивление второго транзистора
/?вл2 включено последовательно в контур L2C2 (в него входит
также конденсатор С^2 большой емкости, практически не вли-
яющий на свойства контура). Очевидно, что изменения Rexl и
Rex2 влияют на контуры LiCt и L2C2 в противоположные сторо-
ны. Если, например, по какой-либо причине входные сопротив-
ления обоих транзисторов увеличатся, то полоса пропускания у
контура LiCt уменьшится, а у контура L2C2 — расширится. Оба
эти изменения в известной степени компенсируют друг друга, и
результирующая полоса пропускания всего усилителя останет-
ся почти постоянной.
§ 11.18. ДЕТЕКТОР, ВТОРОЙ ГЕТЕРОДИН И УСИЛИТЕЛЬ
НИЗКОЙ ЧАСТОТЫ
Детектор в супергетеродинных приемниках бывает часто
диодный. Это объясняется тем, что в приемнике имеется боль-
шое усиление, и на детектор подаются сравнительно сильные
сигналы. Диодный детектор при сильных сигналах работает с
£60
незначительными искажениями. Типичная схема детектора по-
казана на рис. 11.46 а. Колебания на диод подаются от послед-
него полосового фильтра. Нагрузочным сопротивлением детек-
тора являются сопротивления /?1 и R2. Напряжение звуковой ча-
стоты снимается только с сопротивления R2 и подается на уп-
равляющую сетку первой лампы УНЧ через регулятор усиления
(потенциометр). Такая схема применяется для снижения иска-
жений и уменьшения проникновения в УНЧ колебаний высокой
частоты.
Рис. 11.46. Схема детектора и его соединения с
УНЧ
В супергетеродинных приемниках часто используются лампы
двойной диод — триод и двойной диод — пентод. Один из диодов
служит для детектирования, а триод или пентод работает в пер-
вой ступени УНЧ (рис. 11.46 6). Реже встречается схема с двой-
ным диодом — пентодом, в которой пентод используется в сту-
пени УПЧ, а один из диодов — для детектирования.
Как уже было указано, в приемниках возникают собственные
шумы, мешающие приему сигналов. Для уменьшения этих шу-
мов на анод диода, работающего в детекторе, нередко подают
постоянное отрицательное напряжение, которое запирает диод
для приходящего от предыдущих ступеней напряжения шумов.
Под действием полезных сигналов, напряжение которых выше
напряжения шумов, диод отпирается, и сигналы эти принима-
36-2607 В61
ются уже почти без шумов. Отрицательное напряжение на
анод диода подается от сопротивления автоматического смеще-
ния, включенного в цепь катода какой-либо другой лампы при-
емника, так как в самом диоде при отсутствии сигналов ток
равен нулю.
В ламповых и транзисторных приемниках успешно применя-
ются детекторы с полупроводниковыми диодами по таким же
схемам, как и с вакуумными диода-
ми. А в транзисторных приемниках
часто встречаются детекторы на
транзисторах.
Второй гетеродин применяется
для приема телеграфных незатуха-
ющих сигналов. Обычно он делает-
ся с индуктивной обратной связью
на триоде, или пентоде, или транзи-
сторе. Связь его с детектором мо-
жет быть индуктивная или емкост-
ная. Для приема телефонных сиг-
налов имеется выключатель гетеро-
дина. Контур второго гетеродина
настраивается на постоянную ча-
стоту, отличающуюся на 1 кгц от
Рис. 11.47. Схема второго гете.промежуточной частоты. Пример
родина и его связи с диодным схемы второго гетеродина, связан-
детектором ного с детектором, показан на
рис. 11.47.
Ступени усиления низкой частоты применяются обычные.
Принципы и особенности их работы были рассмотрены в гл. 9.
В приемнике с детектором на триоде, или пентоде, или тран-
зисторе первой ступенью
УНЧ по существу являет-
ся сама детекторная сту-
пень. Поэтому, для вос-
произведения граммофон-
ной записи звукоснима-
тель включается на вход
детекторной ступени. Для
уменьшения искажений
при работе от звукосни-
мателя на сетку лампы п .п „
или на базу транзистора Рис‘ 1,Л8' Включение^звукоснимател^ в
подают напряжение сме-
щения. На рис. 11.48 да-
на простейшая схема, в которой автоматическое напряжение
смещения подается только при включении звукоснимателя. Если
он пьезоэлектрический, то его в данной схеме надо зашунтиро-
562
вать сопротивлением. В приемниках с диодным детектором зву-
косниматель включается по схеме рис. 11.46а.
Предварительные ступени УНЧ приемников, делаются, как
правило, по схеме на сопротивлениях на триодах, или пентодах,
или транзисторах. Выходная ступень работает на более мощ-
ной лампе, в качестве которой может быть триод, пентод или
лучевой тетрод, или на более мощном транзисторе. Схема выхо-
да при применении электродинамических громкоговорителей
обычно делается трансформаторной. Непосредственный выход
бывает в самых простых приемниках для телефонов. Часто де-
лают отдельный выход включения дополнительного громко-
говорителя.
В наиболее дорогих приемниках выходные ступени собира-
ются по двухтактной схеме. Все особенности усилителей низкой
частоты, разобранные в гл. 9, как, например, способы подачи
автоматического напряжения смещения, способы питания экра-
нирующих сеток, применение развязывающих фильтров, отрица-
тельной обратной связи, фазоинверсных схем и т. д., встреча-
ются и в ступенях УНЧ приемников.
§ 11.19. РЕГУЛИРОВКИ УСИЛЕНИЯ, ТЕМБРА И ИЗБИРАТЕЛЬНОСТИ
Ручная регулировка усиления. Ее назначение: подбор наи-
более приятной слышимости, уменьшение помех, уровень гром-
кости которых ниже уровня полезных сигналов, и устранение
перегрузки от слишком сильных сигналов, вызывающей иска-
жения. Регулировка эта, называемая иначе регулировкой гром-
кости, может осуществляться в различных частях приемника
В гл. 9 и § 11.18 этой главы была пока-
зана регулировка усиления на входе
УНЧ. Такой способ применяется наи-
более часто; он удобен тем, что служит
и для изменения громкости радиосиг-
налов, и для регулировки усиления при
работе от звукоснимателя. Его недоста-
ток: возможность перегрузки ступеней,
стоящих до регулятора, слишком силь-
ными сигналами. Этим недостатком не
обладает регулировка на входе прием-
ника (рис. 11.49), в которой перемен-
ное сопротивление R шунтирует антен-
ную катушку ЬА. Уменьшая R, умень-
шают ток высокой частоты в катушке LA
Рис. 11.49, Ручная регу-
лировка усиления на вхо-
де приемника
и тем самым понижают
громкость.
Иногда ручная регулировка усиления осуществляется путем
изменения с помощью потенциометра напряжения смещения иа
сетках ламп УВЧ и УПЧ, если эти лампы имеют удлиненные ха-
36* Б63
рактеристики, или путем изменения напряжения на экранирую-
щих сетках тех же ламп.
Поскольку у транзисторов входное сопротивление невелико,
регулировку усиления в ступенях УНЧ транзисторных прием-
ников часто неудобно производить обычным методом с помощью
потенциометра, так как его пришлось бы взять с относительно
малым сопротивлением и за счет этого получился бы проигрыш
в усилении. Поэтому применяют некоторые другие методы ре-
гулировки усиления. Их примеры в виде упрощенных схем (без
деталей питания, смещения и стабилизации) показаны на
рис. 11.50. В схеме рис. 11.50а используется регулировка вели-
чины отрицательной обратной связи, создаваемой сопротивле-
нием R3 в цепи эмиттера. Перемещение ползунка в сторону
Рис. 11.50. Схемы регулировки усиления в сту-
пенях УНЧ транзисторных приемников
эмиттера дает возрастание усиления, так как большая часть со-
противления шунтируется конденсатором и отрицательная об-
ратная связь становится слабее. А в схеме рис. 11.506 перемен-
ное сопротивление R работает как реостат, включенный после-
довательно с входным сопротивлением транзистора Тц.
Автоматическая регулировка усиления (АРУ). Назначение
АРУ: автоматическое выравнивание усиления при колебаниях си-
лы приема вследствие явления замирания и устранение перегруз-
ки ступеней приемника при слишком сильных сигналах. Автома-
тическая регулировка усиления ’) основана на использовании
постоянного напряжения, которое получается в результате детек-
тирования сигналов. В приемниках с АРУ это напряжение под-
водится в виде отрицательного смещения к сеткам ламп усили-
тельных ступеней, предшествующих детектору. «Пампы эти, на-
зываемые управляемыми, должны быть с удлиненной характе-
ристикой. Чем сильнее принимаемый сигнал, тем больше посто-
янное напряжение после детектора, тем больше отрицательное
•) Иначе ее называют автоматической регулировкой чувствительности
(АРЧ), автоматической регулировкой громкости (АРГ) или автоматической
регулировкой слышимости (АРС),
564
напряжение смещения на сетках управляемых ламп и тем
меньше усиление. Таким образом, более сильный сигнал сам для
себя уменьшает усиление в приемнике. В результате при зна-
чительном изменении силы сигналов на входе приемника гром-
кость сигналов на выходе изменяется мало.
Имеется много различных схем АРУ. На рис. 11.51 показана
схема простой АРУ. Принцип ее работы следующий. Начальное
отрицательное напряжение смещения на сетки управляемых
Рис. 11.51. Схемы простой АРУ (а) и задержанной АРУ (б)
ламп подается с катодных сопротивлений RK, включенных в про-
вода катодов этих ламп. Величина этого напряжения смещения
такова, что лампы работают'на участках характеристик с боль-
шой крутизной и поэтому усиление получается наибольшее.
Кроме того, в цепи сеток управляемых ламп включено сопротив-
ление нагрузки детектора R, на котором при приеме сигналов
образуется переменное напряжение звуковой частоты и посто-
янное напряжение. Последнее подается минусом на сетки уп-
равляемых ламп через так называемый фильтр АРУ—Рф Сф и
565
сеточные развязывающие фильтры R^tC^, Рф%Сф9. Таким об-
разом, сеточная цепь каждой управляемой лампы довольно
сложна. Например, у лампы Л\ она состоит из следующих уча-
стков, начиная от шасси: катодное сопротивление RKit проме-
жуток сетка — катод, катушка Llt сопротивление сеточного раз-
вязывающего фильтра R#i сопротивление фильтра АРУ Рф, на-
грузочное сопротивление детектора R и снова шасси. При
отсутствии приема на сетки управляемых ламп подается только
напряжение от соответствующих сопротивлений RK . При нали-
чии сигнала появляется постоянное напряжение на сопротивле-
нии R, и напряжение смещения управляемых ламп увеличива-
ется. Рабочие точки на характеристиках этих ламп смещаются
в области меньшей крутизны, и усиление приемника умень-
шается.
Фильтр АРУ, состоящий из сопротивления Рф в 0,5—1 Мом
и конденсатора Сф емкостью 0,05—0,1 мкф, служит для того,
чтобы не допустить на сетки управляемых ламп напряжение
низкой частоты, имеющееся на сопротивлении R. Медленные из-
менения постоянного напряжения, получающиеся на R при за-
мирании сигналов, передаются через Рф на сетки управляемых
ламп. А для колебаний низкой частоты сопротивление R# во
много раз больше емкостного сопротивления конденсатора Сф.
Поэтому напряжение низкой частоты почти полностью падает
на Рф, и на С ф приходится ничтожная его доля. Последняя,
хотя и попадает на сетки управляемых ламп, но не нарушает
их нормальной работы. Для устранения паразитной связи меж-
ду ступенями через цепи АРУ в цепь сетки каждой управляемой
лампы включен развязывающий фильтр.
Недостаток простой АРУ заключается в том, что уже при
слабых сигналах она начинает уменьшать усиление приемника,
что невыгодно. Значительно лучше задержанная АРУ, которая
уменьшает усиление только тогда, когда сила сигналов превы-
шает определенный уровень. В этом случае нет ослабления и
без того слабых сигналов. Один из вариантов задержанной АРУ
показан на рис. 11.51 б. Диод 1 работает детектором и напряже-
ние звуковой частоты с его нагрузочного сопротивления пода-
ется на УНЧ. Диод 2 является детектором АРУ. Колебания сиг-
нала подаются на него через конденсатор С, а на нагрузочном
сопротивлении получается выпрямленное напряжение. В цепь
этого диода включено катодное сопротивление RK лампы УНЧ и
поэтому на аноде диода АРУ имеется постоянное отрицательное
напряжение( равное падению напряжения на RK , например 3 в,
и называемое напряжением задержки. Пока амплитуда сигнала
не выше 3 в, диод АРУ заперт, ток в нем отсутствует и система
АРУ не работает. Если же амплитуда сигнала превысит 3 в, то
в диоде появится ток, который создаст иа R падение напряже-
ния. Постоянная составляющая этого напряжения через фильтр
566
ЕфСф подается на сетки управляемых ламп, и усиление умень-
шается.
Напряжение, получаемое от детектора АРУ, иногда недоста-
точно для регулировки усиления предыдущих ступеней. .Чтобы
увеличить влияние АРУ на эти ступени, применяют схемы уси-
ленной АРУ. В них имеется дополнительная ступень усиления
промежуточной частоты, от которой напряжение подводится к
детектору АРУ. Тогда после него получается постоянное напря-
жение достаточной величины и регулировка усиления становит-
ся более эффективной.
В транзисторных приемниках также можно осуществить
АРУ, хотя и с худшими результатами, так как транзисторы не
обладают удлиненными характеристиками. Существует много
различных способов АРУ транзисторных приемников. На
Рис. 11.52. Схема простой АРУ в транзисторном
приемнике
рис. 11.52 показана одна из схем, аналогичная по действию про-
стой АРУ ламповых приемников. В ней постоянное отрицатель-
ное напряжение с коллектора транзистора детекторной ступени
Т2 через фильтр РфСф и сопротивление Ri подводится к базе
управляемого транзистора Т\, работающего в УВЧ или УПЧ
(или к базам нескольких транзисторов ступеней, предшествую-
щих детектору). При увеличении силы сигналов возрастают ток
коллектора и падение напряжения на нагрузочном сопротивле-
нии транзистора Т2, а отрицательное напряжение на его коллек-
торе понижается. Это вызовет в транзисторе Т\ уменьшение на-
пряжения смещения базы. Соответственно снизится и усиление,
даваемое этим транзистором. Напряжение для АРУ может
быть также получено от диодного детектора.
Необходимо отметить, что АРУ не может полностью компен-
сировать замирание сигналов. Когда слышимость снижается
очень сильно, то АРУ, конечно, не в состоянии поддерживать
нормальный уровень громкости.
567
Регулировка тембра. В большинстве радиовещательных
приемников в усилителе низкой частоты применяется регулиров-
ка тембра звучания, называемая обычно регулировкой тона.
Она была описана в гл. 9. Как правило, в современных прием-
никах, за исключением более простых, регулировка тембра про-
изводится путем раздельйой регулировки усиления на нижних
и верхних звуковых частотах. Пример такой регулировки пока-
зан на схеме рис. 11.53«. В ней регуляторы нижних частот R\
и верхних частот /?2 имеют сопротивление порядка мегом. Ем-
кость конденсатора С2 невелика (сотни пикофарад), и поэтому
через него колебания нижних частот почти не передаются. А для
верхних частот его сопротивление мало. Для подъема усиления
на нижних частотах необходимо уменьшить сопротивление R\.
Конденсатор С3 имеет емкость порядка тысяч пикофарад. При
перемещении ползунка сопротивления /?2 к сетке вход ступени
для верхних частот все больше шунтируется конденсатором С3,
и соответственно снижается усиление на этих частотах. Конден-
сатор С| является обычным разделительным для пропускания
колебаний всех частот звукового диапазона. Аналогичные схе-
мы могут применяться для регулировки тембра в транзисторных
приемниках, причем вследствие малой величины входного сопро-
тивления транзисторов в этом случае емкости конденсаторов
должны быть значительно больше, а сопротивления /?1 и /?2—
значительно меньше. Нередко регулировка тембра осуществ-
ляется с помощью частотнозависимой отрицательной обратной
связи. Простая схема такого типа изображена на рис. 11.53 6.
Рис. 11.53. Раздельная регулировка усиления на низших и высших частотах:
а) на входе ступени УНЧ, б) в цепи отрицательвой обратной связи
Напряжение отрицательной обратной связи со вторичной об-
мотки выходного трансформатора подается в цепь катода лам-
пы предыдущей ступени. Конденсатор Ct имеет емкость порядка
тысяч пикофарад, а емкость С2 составляет десятые доли микро-
фарады. Сопротивление регулятора усиления верхних частот
Ri— единицы килоом, а регулятора усиления нижних частот
— десятки килоом. Сопротивление R3 подбирается для полу-
568
чения нужной величины обратной связи и обычно имеет еди-
ницы килоом.
При перемещении ползунка сопротивления Ri к катоду кон-
денсатор Ci все больше шунтирует это сопротивление для токов
высокой частоты. Отрицательная обратная связь на этих часто-
тах уменьшается, а усиление соответственно увеличивается.
Для нижних частот сопротивление конденсатора G очень вели-
ко, и коэффициент усиления на нижних частотах не зависит от
положения ползунка Ri. Зато конденсатор С2 имеет очень малое
сопротивление для верхних частот, и на этих частотах величины
обратной связи и усиления почти не зависят от положения пол-
зунка регулятора /?2. Но для нижних частот уменьшение сопро-
тивления Rz дает увеличение обратной связи и снижение уси-
ления.
Регулировка избирательности. В современных приемниках
часто применяют переменную избирательность, т. е. вводят в
приемник устройства, позволяющие менять ширину полосы ча-
стот пропускаемых колебаний. При наличии помех увеличива-
ют избирательность, чтобы уменьшить помехи, но при этом су-
живается полоса частот пропускаемых колебаний и ухудшается
качество звучания. А при приеме без помех уменьшают избира-
тельность, что дает возможность воспроизвести колебания в бо-
лее широкой полосе частот, обеспечивающей более естественное
звучание.
Переменная избирательность осуществляется ступенчатой
или плавной регулировкой связи между контурами полосовых
фильтров УПЧ. Для плавной регулировки изменяют взаимную
индуктивность между катушками (рис. 11.54«), а при ступен-
чатой регулировке включаются дополнительные катушки связи
Рис. 11.54. Регулировка избирательности в усилителе проме-
жуточной частоты
(рис. 11.54 6). Чем сильнее связь между контурами, тем шире
полоса пропускания.
Плавная регулировка полосы пропускания в УПЧ во многих
приемниках производится с помощью одной ручки вместе с ре-
гулировкой усиления верхних звуковых частот в усилителе низ-
кой частоты. В некоторых случаях регулируют избирательность
расстройкой контуров УПЧ или включением в них переменных
569
активных сопротивлений. Иногда для регулировки полосы про-
пускания в усилитель низкой частоты приемника включают низ-
кочастотные фильтры.
В простейших приемниках прямого усиления для регулиров-
ки избирательности можно изменять связь с антенной. Усиление
этой связи ухудшает избирательность и наоборот.
§ 11.20. ЭЛЕКТРОННО-СВЕТОВОЙ ИНДИКАТОР НАСТРОЙКИ
Большое распространение в современных супергетеродинных
приемниках получил электронно-световой индикатор настройки.
Он дает возможность бесшумно настраивать приемник (при
установке регулятора громкости на минимум, т. е. при отсутст-
вии звучания). После настройки по индикатору регулятором
громкости устанавливается желательная слышимость. Элект-
ронно-световой индикатор применяется также в некоторых изме-
рительных приборах.
в) S \ ____ Рис. 11.55. Устройство и схема
( \ f включения электроино-светово-
I А ] / ^. \ г0 индикатора настройки
Устройство и схематическое изображение электронно-свето-
вого индикатора показаны на рис. 11.55«. В одном баллоне по-
мещаются триод и собственно электронно-световой индикатор.
Катод К служит для излучения электронов; экран Э конусооб-
разной формы является анодом, он покрыт с внутренней сто-
роны люминесцирующим веществом, которое дает зеленое све-
чение под ударами электронов; третий электрод У — управляю-
щий — в виде стержня соединен с анодом триода. Схема вклю-
чения индикатора показана на рис. 11.55 6. На сетку триода ин-
дикатора подается напряжение от нагрузочного сопротивления
детектора; анод трйода индикатора соединен с экраном через
сопротивление порядка 1—1,5 Мом. При отсутствии приема
570
сигналов анодный ток триода создает на Ra падение на пряже*
ния. Его минус оказывается на управляющем электроде У, ко-
торый получает отрицательный потенциал относительно экра-
на Э. Поэтому электрическое поле около управляющего элект-
рода таково, что электроны, летящие от катода, искривляют
свой путь, притягиваясь к более положительному экрану. В ре-
зультате светится не весь экран, а в области электрода У полу-
чается темный сектор (рис. 11.55в).
При наличии приема сигналов постоянное напряжение, полу-
чающееся на сопротивлении R, подается минусом на управляю-
щую сетку триода, вызывая уменьшение анодного тока и паде-
ние напряжения на Ra. Потенциал управляющего электрода
становится более положительным и приближается к потенциалу
экрана. Электроны меньше искривляют свой путь, и темный сек-
тор на экране уменьшается (рис. 11.55г). Точная настройка со-
ответствует наименьшим размерам темного сектора. Если сила
сигнала достаточна, то может получиться полное запирание
триода. Тогда потенциал управляющего электрода станет равен
потенциалу экрана, так как не будет падения напряжения на Ra
и темный сектор исчезнет. Триод индикатора настройки обычно
не входит в основной канал усиления, и поэтому приемник мо-
жет работать при отсутствии индикатора. Иногда триодная
часть индикатора входит в состав первой ступени УНЧ. Имеют-
ся также индикаторы с пентодом вместо триода. У нас выпу-
скаются электронно-световые индикаторы с триодом двух типов
6Е5Си6Е1П.
§ 1121. ПОМЕХИ РАДИОПРИЕМУ И БОРЬБА С НИМИ
Помимо сигналов мешающих станций, радиоприемники под-
вергаются действию помех от различных электромагнитных про-
цессов, происходящих вне приемника или внутри него. По своему
происхождению эти помехи разделяются на атмосферные, про-
мышленные (индустриальные) и собственные шумы приемника.
Кроме того, высокочувствительные приемники могут принимать
космические помехи, происходящие от радиоизлучения Солнца,
звезд, туманностей и от других электромагнитных процессов
в мировом пространстве.
Помехи различаются и по своему характеру. Импульсные
помехи состоят из отдельных импульсов малой длительности,
следующих друг за другом хаотически через промежутки вре-
мени, не меньшие, чем длительность самих импульсов. Гладкие
(флуктуационные) помехи представляют собой хаотически из-
меняющиеся непрерывные колебания. Могут быть также помехи
промежуточного типа.
Атмосферные помехи. Они представляют собой электромаг-
нитные волны, создаваемые электрическими разрядами в атмо-
571
сфере. Каждый разряд длится тысячные или еще меньшие доли
секунды. Разряды существуют в атмосфере всегда, но наиболь-
шей силы достигают летом. Зимой они почти не мешают радио-
связи. Атмосферные помехи бывают как импульсными, так и
гладкими. Они проявляются в виде тресков, щелчков, шорохов
и шипений. В диапазоне коротких волн 104-50 м они слабее,
чем на длинных волнах, а на укв их почти совсем нет. По сво-
ему происхождению атмосферные помехи могут быть местны-
ми — от грозовых или тихих разрядов поблизости от приемной
станции и дальними — от непрерывно действующих очагов, на-
ходящихся в Средней Азии и в Африке.
Промышленные помехи. Эти помехи часто гораздо сильнее,
чем атмосферные. В сельских местностях и в~ удалении от элек-
трических установок промышленные помехи обычно не наблю-
даются. Промышленные помехи почти всегда бывают импульс-
ными и возникают главным образом от искровых разрядов
в электрических установках. В городах это прежде всего искры
между токоснимателем трамвая или троллейбуса и проводом.
Они создают в приемнике трески, щелчки и шорохи. Искры в
электрическом зажигании автомобильных моторов вызывают
помехи в виде непрерывного треска, проявляющиеся не только
на длинных, но и на коротких волнах и на укв.
Различные электромедицинские приборы, рентгеновские ап-
параты, киноаппараты с электрической дугой, ртутные выпрями-
тели, электросварочные аппараты создают помехи, имеющие ха-
рактер непрерывного треска, часто заглушающего радиоприем
на широком диапазоне волн. У таких помех ясно наблюдаются
начало и конец, соответствующие включению и выключению
того или иного аппарата. Помехи возникают также от искр в
выключателях и штепселях, в звонках, между коллектором и
щетками в генераторах и моторах, в автоматических переключа-
телях световых реклам, светофоров и т. д.
От электрических искр в проводах возбуждаются высокоча-
стотные токи. Они распространяются вдоль проводов и излу-
чают в окружающее пространство электромагнитные волны, ме-
шающие радиоприему. Эти помехи попадают в приемник раз-
личными путями: 1) через антенну приемника, 2) через провода
осветительной сети, если приемник сетевой, 3) путем индукции
от осветительных или каких-либо других проводов, по которым
распространяются мешающие волны.
Собственные шумы приемника.. В приемнике с большим уси-
лением наблюдаются шумы (непрерывный шорох или шипение)
из-за неравномерности термоэлектронной эмиссии ламп, а так-
же из-за беспорядочного движения электронов в сопротивлениях
и проводах (электрические флуктуации). В малоламповых при-
емниках эти шумы почти незаметны. К собственным помехам
можно также отнести фон переменного тока в сетевых прием-
572
никах. В хорошо сконструированных приемниках фон практи-
чески незаметен.
Методы борьбы с помехами. Труднее всего бороться с атмо-
сферными помехами. Они слабее проявляются в приемниках
прямого усиления с небольшой чувствительностью. Повышение
чувствительности приемника увеличивает уровень помех. Силь-
нее всего атмосферные помехи наблюдаются при приеме на су-
пергетеродинный приемник с большим усилением. Несколько
снижает атмосферные помехи увеличение избирательности и
прием на рамочную антенну, когда направление на принимае-
мую станцию не совпадает с направлением на очаг атмосферных
помех. Для ослабления атмосферных помех рекомендуется де-
лать антенны невысокими и недлинными, т. е. по возможности
с меньшей собственной емкостью. Для ослабления промышлен-
ных помех перечисленные выше методы пригодны, но не всегда
эффективны. Промышленные помехи часто проникают в прием-
ник не через антенну, а другими путями, и тогда нужно приме-
нять иные методы борьбы с ними. Многие помехи можно унич-
тожить в самом источнике. Например, помехи от трамвая резко
уменьшаются, если заменить алюминиевый токосниматель
угольным.
Весьма полезно экранирование источника помех со всех
сторон металлическим экраном. В частности, в автомобилях и
самолетах делают полную экранировку системы электрического
зажигания.
В провода, идущие от источников помех, включают высоко-
частотные фильтры из дросселей и конденсаторов. Тогда высо-
кочастотные токи не будут распространяться по проводам и соз-
давать помехи путем индукции или излучения. Такие фильтры не
всегда можно осуществить, но в ряде случаев они проще, чем
экранирование. Для эффективного подавления помех нужны и
экранирование и фильтры, но последние более важны, так как
помехи главным образом проникают в приемные устройства че-
рез провода и линии. На рис. 11.56 а показана схема фильтра,
не допускающего распространения помех от их источника ИП,
которым может быть электродвигатель, электросварочный или
электромедицинский аппарат, выключатель, звонок и т. д. В про-
вода линии включаются дроссели, задерживающие токи высокой
частоты, и провода соединяются с землей через конденсаторы,
пропускающие токи высокой частоты. Корпус источника помех
также заземляют. Дроссели должны иметь индуктивность по-
рядка 1 мгн и минимальную собственную емкость. Они выполня-
ются из провода, рассчитанного на проходящий ток. Конденса-
торы имеют емкость порядка 0,1 мкф и должны быть рассчита-
ны на соответствующее напряжение. Помехи от искрящих кон-
тактов ДК в выключателях, звонках и других устройствах ос-
лабляются с помощью схем, изображенных на рис. 11.56 6 и в,
573
в которых 7?=5О—100 ом и 7?i=5—100 ком, а емкости равны
0,1 мкф.
Для уменьшения проникновения помех через антенну надо по
возможности удалить ее от источников помех, а также от раз-
личных силовых, осветительных, телеграфных, сигнальных и
других линий и особенно от трамвайных и троллейбусных про-
водов. Желательно провод антенны расположить перпендику-
лярно к мешающим линиям. Уже примерно на расстоянии
100 м от трамвайных или других проводов помехи становятся
незначительными. Чтобы снижение антенны не воспринимало
помехи, делают его экранированным, т. е. из провода, имеющего
Рис. 11.56. Схемы фильтров, уменьшающих дейст-
вие источников помех (ИП) или искрящих кон-
тактов (ИК)
поверх изоляции металлическую оболочку, соединенную с зем-
лей. Снижение должно быть экранированным до гнезда Антен-
на приемника, чтобы уменьшить помехи, индуктируемые от осве-
тительной сети, проходящей в комнате. Схема антенны с экра-
нированным снижением показана на рис. 11.57а. Экранирован-
ный провод можно изготовить, если поверх резиновой изоляции
навить медную проволоку толщиной 0,5—0,8 мм. Витки ее могут
быть иа расстоянии 0,5—1 см друг от друга. Однако экраниро-
ванное снижение значительно уменьшает громкость приема, и
его применяют лишь для чувствительных приемников.
На рис. 11.576 показано устройство специальной аитишумо-
вой антенны. Небольшая вертикальная или наклонная антенна
устанавливается на крыше как можно дальше от источников по-
мех. Чем меньше ее размеры, тем слабее она воспринимает по-
мехи. Около нее расположен трансформатор высокой частоты
LtLz, защищенный от атмосферных влияний. Один конец катуш-
ки £] заземлен, а другой включен к аитение. От катушки £2
к приемнику идет симметричный фидер, заканчивающийся у ан-
тенного гнезда приемника трансформатором L3LA. Для уничто-
жения емкостной связи между катушками £3 и £4 имеется за-
земленный экран в виде сетки из изолированных проволок,
574
соединенных друг с другом в одной точке. Колебания, принятые
такой антенной, попадают в приемник с ослаблением, но зато
помехи создают в обоих проводах фидера равные и противодей-
ствующие друг друга эдс, которые взаимно уничтожаются. Пол-
ного избавления от помех, конечно, не получается, так как при-
нимающая часть антенны все же подвергается их влиянию.
При комнатной антенне промышленные помехи сильнее, чем
при наружной, так как комнатная антенна расположена близко
к осветительным проводам, а полезные сигналы в ней гораздо
слабее.
Рис. П.57. Антенна с экранированным снижением (а) и
антишумовая антенна с двухпроводным фидером (б)
Для уменьшения помех, проникающих в сетевой приемник
через сеть, в силовом трансформаторе между первичной обмот-
кой и остальными обмотками помещают экран из тонкого ме-
талла (он не должен образовывать замкнутого витка) или экра-
нирующую обмотку в один слой проволоки толщиной 0,15 —
0,2 мм. Она соединяется с землей. Иногда в провода сети, иду-
щие к приемнику, включают такой же высокочастотный фильтр,
как у источников помех (рис. 11.56а). Его данные примерно
следующие: £=0,5—1 мгн, С=0,1—2 мкф.
Борьба с помехами в приемниках может также осуществ-
ляться с помощью различных ограничителей и подавителей шу-
мов. Существует большое количество схем таких устройств. Ни-
же приводятся для примера наиболее простые из них.
Ограничители импульсных помех служат для того, чтобы эти
помехи не могли быть слишком сильными и не превышали мак-
575
симальную амплитуду полезного сигнала. Таким образом, огра-
ничители лишь снижают уровень помех, более сильных, чем сиг-
нал, но не подавляют их полностью. Простейшая схема ограни-
чителя с одним диодом показана на рис. 11.58. Диод Д\ работает
в схеме обычного детектора. От его сопротивления нагрузки 7?ь
являющегося одновременно регулятором громкости, напряже-
ние U через сопротивление Rz и конденсатор С2 подается на
вход первой лампы УНЧ. Параллельно высокому входному со-
противлению этой лампы включен диод Д2, на который от потен-
циометра R3 подается запирающее напряжение Пзап. Его вели-
чину называют порогом ограничения.
Пока напряжение U, которое для диода Д2 является отпи-
рающим, не превосходит Пзап, диод Д2 заперт, его сопротив-
ление очень велико и практически он не влияет на работу при-
емника. Но если импульс напряжения от помехи, складываясь
Рис. 11.58. Схема ограничителя импульсных
помех
с полезным сигналом, создаст напряжение U, превышающее
U3an, I т0 ДИОД Д2 отопрется, его сопротивление станет весьма
малым и он зашунтирует вход УНЧ. Почти все напряжение по-
мехи, превышающее величину U зап будет падать на сопротив-
лении Т?2, которое во много раз больше прямого сопротивления
диода. Порог ограничения, т. е. напряжение обычно уста-
навливают равным максимальной амплитуде полезного сигнала.
Если последняя изменяется, то приходится с помощью потен-
циометра R3 соответственно изменять Нза„. В более сложных
схемах это осуществляется автоматически, т. е. порог ограниче-
ния «следит» за максимальной амплитудой сигнала.
В ламповом приемнике вместо двух диодов Д] и Д2 можно
применить вакуумный двойной диод. Рассмотренная схема при-
годна также для транзисторного приемника, но при условии,
что входное сопротивление УНЧ достаточно велико (во много
раз больше прямого сопротивления диода), например, если пер-
вая ступень УНЧ является эмиттерным повторителем,, т. е. со-
брана по схеме с общим коллектором.
В отличие от ограничителей подавители импульсных помех
прекращают работу приемника на короткое время действия по-
мехи, уровень которой превышает максимальную амплитуду по*
576
лезного сигнала. Конечно, при этом прерывается и слышимость
полезного сигнала. Однако человек не ощущает перерывов звука
длительностью не более 1,5 мсек, если их число не превышает
30 в секунду. Простейшая схема подавителя изображена на
рис. 11.59. В ней имеется обыч-
ный диодный детектор, но роль
диода выполняет промежуток
анод — катод триода. Для по-
давления помех служит свя-
занный индуктивно с контуром
LC дополнительный диод Д
с нагрузочным сопротивлением
/?2» которое включено в цепь
сетки триода. На диод Д пода-
но запирающее напряжение
U3an от потенциометра /?з- Это
напряжение устанавливается
немного больше максимальной
амплитуды напряжения сигна-
ла на катушке L2.
Рис. 11.59. Схема подавителя им-
пульсных помех
Пока суммарное напряжение сигнала и помехи не превышает
(Уэвл, диод Д заперт и на сопротивлении Т?2 напряжения нет. Сле-
довательно, напряжение на сетке триода равно нулю, и он рабо-
тает как диод. Под влиянием более сильной импульсной помехи
диод отпирается и возникший в нем ток создает на сопротивле-
нии R2 напряжение, запирающее триод на время действия по-
мехи.
Большой интерес представляют компенсационные схемы
уменьшения импульсных помех. Принцип действия таких схем
состоит в том, что в приемнике имеются два канала приема:
один, настроенный на частоту полезного сигнала, другой — на
близкую к ней частоту, но за пределами'полосы пропускания
первого канала. В остальном оба канала одинаковы. Напряже-
ние на выходе первого канала U\ является суммой полезного
сигнала и помехи, а на выходе второго канала получается толь-
ко напряжение от помехи. Разность Ut—U2 должна представ-
лять собой напряжение полезного сигнала, свободное от помех.
Однако по ряду причин полной компенсации помехи получить
не удается. Для существенного уменьшения помехи приходится
очень усложнять компенсационные схемы.
§ 11.22. ПРИЕМНИКИ ЧАСТОТНО-МОДУЛИРОВАННЫХ СИГНАЛОВ
На рис. 11.60 а, показана блок-схема супергетеродинного приёмника час-
тотно-модулированных сигналов, который отличается от приемников ампли-
тудио-модулированных сигналов принципом работы детектора и наличием
ограничителя перед детектором.
У частотио-модулированиых колебаний амплитуда постоянна, а частота
37-2607 577
меняется. Однако в приемнике под влиянием помех получается изменение
амплитуды частотно-модулированиых колебаний. Поэтому сигнал, приходя-
щий к детектору, имеет не только полезную модуляцию по частоте, но и до-
полнительную модуляцию по амплитуде от помех. Ограничитель должен
уменьшить амплитудную модуляцию, вызываемую помехами, и тем самым
снизить уровень помех иа выходе приемника. На рис. 11.606 приведена ха-
рактеристика ограничителя, показывающая зависимость его выходного на-
пряжения Uвых от входного Hex- При небольших значениях Uвх напряже-
ние иа выходе растет пропорционально Uex , но, начиная от некоторого вход-
ного напряжения, при дальнейшем его возрастании ивых уже не повышается.
Величина Uex, при которой начинается ограничение, называется порогом
ограничения. На том же рис. 11.60 6 показаны графики входного напряжения,
Рис. 11.60. Блок-схема приемника частотно-моду-
лированных сигналов (а) и графики работы
ограничителя (6) и преобразователя модуля-
ции (в)
премодулироваиного помехами, и напряжения на выходе ограничителя, сво-
бодного от этих помех. Схемы ограничителей могут быть различными. Напри-
мер, в качестве ограничителя иногда работает ступень усиления промежуточ-
ной частоты, в которой путем включения добавочных сопрэтивлеиий установ-
лены низкие напряжения иа аноде и иа экранирующей сетке (порядка +10 в).
Большое сопротивление включается также в цепь управляющей сетки.
Детектирование частотно-модулированных сигналов также осуществляется
различными способами. В простейшем случае используется колебательный
контур, расстроенный относительно несущей частоты сигнала. Работа конту-
ра происходит на склоне кривой резонанса (рис< 11,60 в). Точка А на кривой
соответствует несущей промежуточной частоте fnp Кривая внизу показывает
изменение частоты колебаний, подаваемых на детектор. Эти изменения час-
тоты преобразуются л изменения амплитуды, изображенные иа графике
справа. Таким образом, напряжение на контуре получается модулированным
по амплитуде. Изменение амплитуды примерно соответствует изменению час-
тоты. Амплитудно-модулированные колебания подводятся к обычному детек-
тору, построенному по любой схеме, после которого получаются колебания
звуковой частоты.
Более совершенными являются специальные схемы частотных детекторов.
Схема такого детектора, называемого иначе дискриминатором (различите-
лем), изображена на рис. 11.61 а. В ней контуры ьС и AiCi настроены иа
несущую промежуточную частоту fnp. Катушка М имеет вывод средней точ-
ки. Поэтому напряжения 1/| и и2 равны по амплитуде, но сдвинуты по фазе
на 180°. Диоды 1 н 2 применяются полупроводниковые или вакуумные (мо-
578
жет быть двойной диод с раздельными катодами). Сопротивления Ri и Ra
являются нагрузочными, Конденсаторы Са, С3 и С4 имеют малое сопротивление
для токов высокой частоты, а дроссель представляет большое сопротивление
для токов с частотой fnp- При подаче иа вход от ограничителя частотно-мо-
дулированного напряжения U на выходе получается напряжение звуковой
частоты U вых- Рассмотрим, как это получается.
Из схемы видно, что в цепи детектора 1 действует напряжение tZ+t/i, а
в цепи детектора 2 — напряжение U +14, Чтобы определить эти напряже-
ния, надо знать сдвиг фаз между ними.
t-Jfrea u^ut=u^uz Ugblx-U\ f<-fpe3 ищ>ищ 0Вь„>0
Рис. 11.61. Схема дискриминатора для частотного детектирования
(а), графики напряжений, поясняющие его работу (б и а), и харак-
теристика детектора (г)
Если частота входного напряжения равна резонансной частоте fpe3, то во
вторичном контуре напряжение отстает по фазе иа 90°, а ток — на 180е отно-
сительно напряжения U. Это объясняется следующим образом. Ток в катушке
L отстает по фазе иа 90° от напряжения U. Эдс во вторичном контуре отста-
ет от первичного тока на 90° (см. § 2.8), а от напряжения U — на 180°. Кон-
тур i-iCi настроен в резонанс. Ток в нем совпадает по фазе с эдс, т. е. от-
стает по фазе на 180° от напряжения U. А напряжение иа катушке £j опере-
жает на 90 ток вторичного контура, и, следовательно, оно отстает на 90° от
первичного напряжения. Такой сдвиг фаз характерен для двух индуктивно
связанных контуров.
В данной схеме вторичное напряжение разделено на два равных и проти-
воположных по фазе наприжения Ui и Ua- Поэтому, если Ui отстает по фазе
37* 579
от U иа 90° (сдвиг фаз +90°), то U2 опережает по фазе U иа 90° (сдвиг
фаз —90°). Теперь можно найти напряжения U+Ui и tZ+l/j, что и сделано
на рис. 11.61 в (для примера амплитуды U, Ui и U2 взяты одинаковыми).
Как видно, оба. суммарных напряжения равны по амплитуде. После выпрям-
ления их детекторами 1 и 2 на сопротивлениях Ri и Rz получаются равные,
но противоположные по знаку постоянные напряжения, и выходное напряже-
ние будет равно нулю.
Если частота входного напряжения уменьшится, то вторичный контур
окажется расстроенным. В нем будет преобладать емкостное сопротивление
Рис. 11.62. Схемы дробных детекторов для ЧМ сигналов:
а) симметричная, б) несимметричная
н ток будет по фазе опережать эдс. Пусть для примера это опережение со-
ставляет 30°. Значит, теперь вторичный ток отстает от первичного наприже-
ния на 180°—30°= 150°. Напряжение иа катушке Li опережает ток на 90°, и,
следовательно, оно отстает от U на 150°—90°=60р. Так как Ui н Uz всегда
противоположны пр фазе, то сдвиг фаз между U и U2 составит -—120°. Для
этого случая на рис. 11.61 в показано сложение напряжений. Видно, что на-
пряжение U+t/j увеличилось, a U+U2 уменьшилось. Выпрямленное напря-
жение на Ri теперь больше, чем на R2, а напряжение ивых, как разность
этих напряжений, не равно нулю и имеет положительный знак относительно
земли. В случае, когда частота сигнала выше резонансной, оказывается, что
напряжение U+Ui меньше, чем U+U2, и выходное напряжение также не
равно нулю, а имеет отрицательный знак.
Чем больше отклонение частоты сигнала от резонансного значения, тем
больше выходное напряжение. Однако это получается до известного преде-
ла, так как значительная расстройка приведет к уменьшению напряжений на
контурах и на выходе. Зависимость ивых от частоты сигнала показывает
характеристика детектора, приведенная иа рис. 11.61а. Нормально частотный
детектор работает «а линейном участке АБ характеристики и частотио-моду-
лированные колебания без искажений преобразуются в колебания звуковой
частоты.
580
Иногда частотный детектор одновременно является ограничителем, -Таким,
например, является дробный детектор или детектор отношений рис. 11.62. Ои
отличается от дискриминатора рис. 11.61 а тем, что диоды Д\ и Дг соединены
последовательно и их нагрузочные сопротивления Rx и Ла зашунтированы
конденсатором большей емкости Cs (порядка 10 мкф). Кроме того, включены
конденсаторы Сз и Ci сравнительно малой емкости, представляющие значи-
тельное сопротивление для токов звуковой частоты. Выходное напряжение
получается между средней точкой этих конденсаторов и землей. Через фильтр
₽3Сб оно подается на усилитель низкой частоты.
При работе детектора, вследствие большой емкости конденсатора Cg на-
пряжение на нем, а, следовательно, и напряжение между точками а и б не
может изменяться со звуковой частотой. Если приходящие колебания имеют
паразитную амплитудную модуляцию, то она не сказывается на величине
этого напряжения. Как было выяснено из рассмотрения работы дискримина-
тора, при наличии частотной модуляции напряжения высокой частоты, под-
водимые к диодам Д1 и Дг, изменяются по амплитуде. Следовательно, меня-
ются с частотой модуляции и напряжения иа конденсаторах Сз и Ct, ио сум-
ма их остается постоянной. Происходит перераспределение напряжения ме-
жду этими конденсаторами. При этом меняется со звуковой частотой и вы-
ходное напряжение. Фильтр RsCe дает некоторое ослабление колебаний верх-
них звуковых частот,' которые обычно поднимаются на передающей радио-
иеи заземлена средняя точка иагрузоч-
Рис. 11.63. Схема фазового детектора
для ЧМ сигналов
станции.
Схема дробного детектора, показанная на рис. 11.62 а, является симмет-
ричной относительно земли, так как в
ных сопротивлений. Кроме нее, широ-
ко распространена несимметричная
схема, один из вариантов которой
изображен иа рис. 11.62 6. В этой схе-
ме заземлен конец нагрузочного со-
противления Ri. Для компенсации
неодинаковости полупроводниковых
диодов включены сопротивления /?3 я
R2, одно из которых регулируется
прн наладке схемы. Напряжение зву-
ковой частоты получается между
средней точкой катушки Z-2 и землей.
Через дроссель Ls и фильтр С5/?4Св
оно подается на усилитель низкой
частоты.
На рис. 11.63 показана схема так
называемого фазового детектора для
ЧМ сигналов. В нем напряжение при-
ходящих сигналов подается от кон-
тура Z-iCi иа третью сетку гептода, а
в цепь первой сетки включен контур
L2Cz, настроенный иа несущую час-
тоту сигналов. Желательно, чтобы контур L2C2 имел высокую добротность.
Это легче обеспечить, если к детектору подводятся колебания промежуточ-
ной частоты, более низкой, чем частота сигнала. Контуры LtCi и L2C2 должны
быть связаны друг с другом только общим электронным потоком внутри
лампы.
Напряжение сигнала вызывает колебания электронного потока. Ои пуль-
сирует с частотой сигнала и возбуждает переменную эдс в контуре LzC2.
'Ф1! средней частоте сигнала напряжение иа контуре L2C2 отстает по фазе
иа 90 от напряжения иа третьей сетке. В этом случае отрицательное напря-
жение на первой и третьей сетках действует три четверти периода (одну
четверть периода — на первой сетке, вторую четверть — на обеих сетках и
третью четверть — иа третьей сетке). Импульсы анодного тока имеют сред-
581
июю длительность. Если частота сигнала повышается, то сдвиг фаз иозра-
стает и длительность импульсов анодного тока уменьшается, так как отри-
цательное напряжение иа сетках действует дольше, чем три четверти пери-
ода. Например, при сдвиге фаз 180° отрицательное напряжение действует
первые полпериода на одной сетке и вторые полпериода — иа другой. И на-
оборот, если частота сигнала уменьшается, то сдвиг фаз также станет мень-
ше. Тогда отрицательное напряжение на сетках действует меньше времени,
чем три четверти периода (например, при сдвиге фаз, равном вулю, только
в течение одного полупериода), и импульсы анодного тока станут больше по
длительности. В результате среднее значение анодного тока изменяется в
соответствии с колебанием частоты приходящих сигналов. На нагрузочном
сопротивлении Rz выделяется напряжение звуковой частоты, которое пере-
дается иа усилитель низкой частоты. Фазовый детектор не обладает свой-
ством ограничения амплитуд.
§ 11.23. АВТОМАТИЧЕСКАЯ ПОДСТРОЙКА ЧАСТОТЫ
Надежность радиосвязи можно значительно повысить с помощью квар-
цевой стабилизации частоты в передатчике. Однако с помощью кварца труд-
но осуществить стабилизацию частоты в плавном диапазоне. Для получения
надежной радиосвязи иа любых частотах в плавном диапазоне можно также
применять автоматическую подстройку частоты (АПЧ) в приемниках. Прин-
цип ее показан на блок-схеме рис. 11,64,
Рис. 11.64. Блок-схема приемника с автоматической подстрой-
кой частоты
В приемнике с АПЧ дополнительно имеется дискриминатор и управитель.
Дискриминатор может быть, например, по схеме рис. 11.61а. На него пода-
ется напряжение от усилителя промежуточной частоты. Если это напряже-
ние имеет частоту, равную резонансной частоте контуров дискриминатора,
то постоянное напряжение на его выходе равно нулю. При отклонении час-
тоты сигнала в ту или другую сторону иа выходе дискриминатора появля-
ется постоянное напряжение того или иного знака. Это напряжение подво-
дится к управителю, который подобен частотному модулятору с реактивной
лампой, рассмотренному в § 10.18. При изменении напряжения смещения на
сетке реактивной лампы ее индуктивность между анодом и катодом изменя-
ется. Лампа управителя подключена к колебательному контуру гетеродина
приемника и управляет частотой его колебаний.
Пусть частота сигналов fc уменьшилась вследствие нестабильности часто-
ты передатчика. Тогда промежуточная частота fnp возрастет, так как fnp —
= ft— fc, где ft —частота гетеродина. То же было бы и в случае, если час-
тота сигнала постоянна, ио вследствие нестабильности увеличилась частота
682
гетеродина Повышение частоты напряжения на входе дискриминатора вызо-
вет появление иа его выходе постоянного отрицательного напряжения, кото-
рое действуя иа сетку лампы управителя, уменьшит ее крутизну. В резуль-
тате возрастет индуктивность, которой эквивалентен участок анод —катод
лампы управителя. Так как она включена параллельно контуру гетеродина,
то частота последнего уменьшится. Следовательно, уменьшится разность
между частотами гетеродина и сигнала и промежуточная частота будет
стремиться возвратиться к своему нормальному значению. Если же частота
сигналов увеличилась или уменьшилась частота гетеродина приемника, то
произойдет подобный же процесс, ио иа выходе дискриминатора появится
положительное напряжение, которое уменьшит индуктивность лампы упра-
вителя, и в результате частота гетеродина увеличится. Таким образом, при
любой' расстройке происходит автоматическая подстройка частоты гетероди-
на, приводящая к более точной настройке приемника иа принимаемые сиг-
налы.
§ 11.24. ДЕТЕКТОРНО-РЕГЕНЕРАТИВНАЯ СТУПЕНЬ
В детекторной ступени приемников прямого усиления часто осуществляет-
ся регенерация, т. е. между анодной и сеточной цепями устраивается обрат-
ная связь для высокочастотных колебаний, аналогичная обратной связи в
генераторе с самовозбуждением. Схема регенеративной детекторной ступени
с индуктивной обратной связью приведена на рис. 11.65 а. Обратная связь
делается переменной, чтобы ее можно было регулировать.
Частота зВдка Область нилебыа
биении (гц) биений
Рис. 11.65. Регенеративная детекторная ступень с индуктивной обратной
связью и график изменения частоты тона биений при настройке такой
ступени
Принцип регенерации заключается в следующем. Анодный ток лампового
детектора имеет три составляющие — постоянную, низкочастотную и высоко-
частотную. Составляющая высокой частоты по форме соответствует прини-
маемым модулированным колебаниям. Она проходит через катушку обрат-
ной связи La и индуктирует в катушке контура L переменное напряжение.
Если концы катушек L и La включены верно, то напряжение, индуктирован-
ное в катушке L за счет обратной связи, совпадает по фазе с напряжением
сигнала и сложится с ним. В результате напряжение на сетке лампы воз-
растет. 1 огда возрастет амплитуда высокочастотной составляющей анодного
тока, увеличится и напряжение, индуктированное этой составляющей в ка-
тушке контура. Напряжение иа сетке еще больше увеличится, что снова даст
усиление высокочастотной составляющей анодного тока и увеличение благо-
даря действию обратной связи переменного напряжения на сетке и т. д,
Произойдет иарастаиие колебаний, ио, конечно, до определенной величи-
583
иы, С увеличением амплитуды колебаний возрастет потеря энергии в ак-
тивном сопротивлении контура. Нарастание амплитуды возможно только до
тех пор, пока энергия, добавляемая в контур с помощью обратной связи,
больше, чем потеря энергии. Как только потеря энергии станет равна энер-
гии, поступающей из аиодиой цепи через обратную связь, нарастание коле-
баний прекратится.
Рассмотренный процесс усиления колебаний высокой частоты получается
только при достаточной обратной связи, т. е. при достаточном сближении
катушек L и La и при правильном их включении. Если катушки включены
иеверио, то напряжение, индуктированное в контуре катушкой La, противо-
положно по фазе напряжению сигнала и ослабит, а не усилит колебания.
При сближении катушек La и L, т. е. при увеличении обратной связи, усиле-
ние возрастает, но до известного предела, после которого ступень становит-
ся генератором. Значение обратной связи, при котором возникает генерация
собственных колебаний, называют порогом генерации.
Когда приемник генерирует собственные колебания, получается сложение
этих колебаний с принимаемыми, и прием сильно искажается. Возникают
биения, частота которых зависит от разности между частотами принимаемых
и собственных колебаний. Частота сигнала постоянна, а частота собственных
колебаний, как и во всяком генераторе с самовозбуждением, равна частоте
контура. Изменяя настройку контура вблизи резонанса, т. е изменяя раз-
ность между частотой сигнала и частотой контура, можно изменять частоту
биений. После детектироваиня биений в анодной цепи получается слагающая
с частотой биения. Поэтому той биений можно услышать, если ои находится
в пределах звукового диапазона.
При точной настройке в резонанс биений не будет, потому что частота
собственных колебаний совпадает с частотой сигнала и разность их равна
нулю. Получаются нулевые биения. Они являются показателем точной на-
стройки. Практически нулевые биения наблюдаются и при некоторой рас-
стройке контура относительно частоты сигнала. Объясняется это тем, что
при небольшом. отклонении от резонанса приходящие колебания действуют
как постороннее возбуждение и заставляют ступень генерировать колебания
с частотой сигнала (явление увлечения). Получается некоторая область нуле-
вых биений, которая тем шире, чем сильнее сигнал. За ее пределами ступень
генерирует собственные колебания с частотой, уже не равной частоте сигна-
ла, вследствие чего возникают биения, слышимые в телефоне в виде одно-
тонного звучания. Чем больше расстройка контура относительно частоты сиг-
нала, тем выше той биений. При значительной расстройке частота биений
выходит за пределы слышимых звуков.
При настройке приемника, работающего в режиме генерации, подход к
резонансу сопровождается возникновением свиста, постепенно понижающего
тон и обрывающегося на низком тоне около точного резонанса (нулевые
биения). После прохождения резонанса явление повторяется в обратном по-
рядке, т. е. возникает низкий тон, который по мере удаления от резонанса
повышается, переходит в свист, а затем становится неслышимым. Графически
это показано на рис. 11.65 6, иа котором по вертикальной оси отложена час-
тота биений, а по горизонтальной оси — частота контура генерирующего при-
емника. Частота сигнала взята 500 кгц. Биения звуковой частоты, для при-
мера, в данном случае возникают при расстройке относительно резонанса ие
меньше, чем иа 200 гц. Таким образом, ширина области нулевых биений
составляет 400 гц.
Режим генерации нельзя применять для приема радиотелефонных пере-
дач, так как свист, возникающий от биений, делает прием неразборчивым и
искажевиым. Прием, в области нулевых биений свободен от искажений, но
неустойчив. Практически для приема речевых или музыкальных передач об-
ратную связь устанавливают до порога генерации. Зато режим генерации
необходим для приема незатухающих телеграфных сигналов. Без генерации
в телефоне слышны лишь щелчки, а в результате биений в телефоне полу-
584
чаются тональные сигналы. Изменяя настройку контура генерирующего при-
емника, можно подобрать наиболее приятный для слуха тон сигналов. Обыч-
но устанавливают частоту биений около 1000 гц, так как ухо наиболее чувст-
вительно к этой частоте. При этом контур должен быть расстроен на 1000 гц
в ту или другую сторону относительно частоты сигнала.
На рис. 11.66 даиы положения ручки обратной связи для порога генера-
ции и для наилучшего приема телефонных и телеграфных сигналов.
Схема рис. 11.65 применяется редко, так как перемещение катушки обрат-
ной связи около катушки контура влияет на индуктивность и емкость конту-
ра, изменяя его частоту. Это затрудняет настройку приемника и не позво-
ляет проградуировать его шкалу. Гораздо удобнее схема с регулировкой об-
ратной связи конденсатором (рис. 11.67 а). В ней постоянная и низкочастот-
ная составляющие анодного тока проходят через дроссель Д, заграждаю-
щий путь высокочастотной составляющей. Последняя направляется через ка-
тушку обратной связи и конденсатор переменной емкости Са, которым мож-
но регулировать обратную связь. Катушки La и L располагаются неподвиж-
но. При увеличении емкости Са ток
высокой частоты в катушке Ln воз-
растает и обратная связь усиливает-
ся. Конденсатор обратной связи Са
имеет емкость порядка 200—500 пф
и может быть с твердым диэлектри-
ком. Иногда последовательно с иим
включают постоянный конденсатор
Сп в 1000—2000 пф как предохрани-
тельный на случай замыкания плас-
тин в Са. Катушка.Т-о обычно имеет
меньше витков, чем контурная ка-
тушка, и наматывается любым, да-
же очень тонким проводом. Для
уменьшения паразитной емкости сле-
дует наиболее удаленные друг от
друга концы катушек La и L присое-
динять к аноду и к сетке. Чтобы обратная связь ие была слишком
между анодом и катодом лампы включают конденсатор небольшой ____________
(20—50 пф}. Тогда ток высокой частоты частично ответвляется через этот
конденсатор и не проходит полностью в катушку La . Дроссель высокой час-
тоты Д должен иметь несколько сот витков и обладать малой собственвой
емкостью; его обмотку обычно делают секциоиироваиной.
телвумЕа сигналов ~
Минимум
обратной связи
Пфог генерации
Генерации
непт
агналов
. Генерация
\ earn
Максимцм
обратяй
связи
Рис. 11.66.
Различные положения
ручки регулировки обратной
связи
сильной,
емкости
Ф 0
Рис. 11.67. Схемы регенеративных ступеней с регулировкой обратной
связи конденсатором (а) и потенциометром (б)
В регенеративной ступени часто применяются пентоды, дающие значи-
тельно большее усиление. Регулировка обратной связи в этом случае может
осуществляться конденсатором переменной емкости по схеме рис. 11.67 а нлн
(рис^УбТб) напРяжения экРаниРУЮщей сетки с помощью потенциометра
585
Для регенеративного приемника важно, чтобы подход к генерации был
плавным, так как усиление достигает максимума вблизи порога генерации,
В случае мягкого или плавного подхода уменьшение обратной связи обрыва-
ет генерацию при том же значении обратной связи, при каком генерация
возникла. Порог генерации получается вполне определенный н устойчивый.
Слабые сигналы можно принимать устойчиво в непосредственной близости к
порогу генерации, когда усиление наибольшее. В противоположность этому
иногда наблюдается жесткий подход к генерации — затягивание генерации.
Генерация возникает резко со щелчком в телефоне, а при уменьшении об-
ратной связи генерация затягивается и также резко обрывается при мень-
шем значении обратной связи. Получаюгся два неустойчивых порога генера-
ции и приближение к ним становится невозможным. Для устранения жест-
кого подхода к генерации надо уменьшить анодное напряжение на детектор-
ной лампе и тщательно подобрать величину сеточного сопротивления. Плав-
ность подхода к генерации зависит от положения рабочей точки на характе-
ристике анодного тока. Необходимо, чтобы эта точка была на участке наи-
большей крутизны. Поэтому при анодном детектировании применять регене-
рацию нецелесообразно, так как рабочая точка находится на нижнем изгибе.
В батарейных приемниках для получения плавного подхода к генерации
и обеспечения иаилучших условий детектирования, помимо подбора величи-
ны Rc, следует пробовать присоединять Rc к плюсу или минусу батареи на-
кала. Присоединение к минусу дает более плавный подход к генерации, но
зато включение на плюс дает более громкую слышимость. Иногда включают
Rc к ползунку потенциометра, соединенного с концами нити накала, и под-
бирают наивыгодиейшее положение рабочей точки.
Сеточный детектор является одновременно детектором и усилителем низ-
кой частоты. При наличии регенерации он, кроме того, дает усиление высокой
частоты. Чувствительность регенеративного приемника очень велика. Чем сла-
бее принимаемый сигнал, тем больше усиление, даваемое приемником. Для
слабых сигналов оно доходит до тысяч, а для сигналов близких мощных
станций, которые слышны громко и без обратной связи, усиление за счет
обратной связи получается малым,
Избирательность от применения регенерации тоже увеличивается. У порога
генерации она становится наиболее высокой, а полоса частот пропускаемых
колебаний заметно суживается. При точной настройке слышимость становит-
ся глухой из-за срезавия боковых колебаний. Но мощные близкие станции все
же слышны в большом диапазоне настройки приемника и мешают приему
других станций. Это устраняется применением ступени усиления высокой час-
тоты. Необходимость такой ступени диктуется еще одним неприятным свой-
ством регенеративного приемника. В режиме генерации он превращается в
маломощный передатчик и излучает своей антенной радиоволны, которые в
соседних приемниках создают помехи в виде свистов, завываний и т. д. Для
устранения такого паразитного излучения необходима ступень усиления вы-
сокой частоты. Тогда колебания, генерируемые в детекторной ступени, не
смогут проникнуть в антенну.
В последние годы по схемам прямого усиления с обратной связью стро-
ятся только наиболее простые любительские приемники. Чтобы построить
приемник с большой чувствительностью и высокой избирательностью по схе-
ме прямого усиления, нужно увеличить в нем число ступеней усиления вы-
сокой частоты, но тогда трудно избавиться от паразитной генерации. Большое
число резонансных контуров чрезвычайно удорожает приемник, усложняет
его конструкцию и настройку. При одиоручечной настройке можно подогнать
в резонанс два-три контура, настраивающихся с помощью блока конденса-
торов, ио сделать это с ббльшим числом контуров очень трудно. Кроме того,
ступени УВЧ, работающие на радиовещательном диапазоне или иа диапа-
воне коротких волн, дают малое усиление, так как сопротивление анодного
контура получаетси малым. Приемник прямого усилении нелегко настраивать:
586
необходимо одновременно вращать ручку настройки и ручку обратной Связи;
Слабые сигналы можно принимать только при установке обратной связи у
самого порога генерации, а потому для настройки такого приемника требу-
ется большой навык. Все эти недостатки отсутствуют в супергетеродинном
приемнике.
Иногда в супергетеродинном приемнике, вместо второго гетеродина, при-
меняют сеточный детектор с обратной связью. Помимо возможности приема
телеграфных сигналов, обратная связь в этом случае дает некоторое уси-
ление телефонных сигналов.
Рис. 11.68. Схема детекторной ступени с обратной связью па траи
зисторе
В транзисторных приемниках обратная связь может быть осуществлена
так же, как и ламповых приемниках. На рис. 11.68 показан пример схемы
детекторной ступени с обратной связью на транзисторе. Катушка обратной
связи включена в цепь коллектора. Величина обратной связи регулиру-
ется переменным сопротивлением, шунтирующим катушку Д2.
§ 11.25. СВЕРХРЕГЕНЕРАТИВНЫЕ ПРИЕМНИКИ
Сверхрегенеративные приемники являются приемниками с обратной
связью, работающими в режиме прерывистой генерации. Их применяют толь-
ко иа диапазоне УКВ для приема радиотелефонных или модулированных ра-
диотелеграфных сигналов. По принципу работы и по свойствам они значи-
тельно отличаются от обычных регенеративных приемников.
Регенеративный приемник обладает наибольшей чувствительностью для
приема радиотелефонных сигналов в случае, если обратная связь доведена
до порога генерации. В этом режиме получается высокое усиление, особенно
слабых сигналов, ио прием неустойчив. Малейшее изменение питающих на-
пряжений, настройки контура или частоты сигнала нарушают этот режим,
и либо возникает генерация собственных колебаний, сильно искажающих
принимаемые сигналы, либо резко падает чувствительность. Прием телеграф-
ных сигналов на регенеративный приемник более устойчив, так как он ве-
дется в режиме генерации. Той принимаемых телеграфных сигналов опреде-
ляется частотой биений, которая равна разности частот сигнала и собствен-
ных колебаний, генерируемых в приемнике. Не слишком большие изменения
режима работы приемника не срывают генерацию колебаний и прием сигна-
лов не прерывается. Наблюдается лишь изменение тона сигналов вследствие
того, что изменение частоты собственных колебаний вызывает изменение час-
тоты бн инн, т. е. разностной частоты. Может быть также и изменение гром-
кости. Однако такой режим не пригоден для приема радиотелефонных сиг-
налов, так как возникающие биения звуковой частоты накладываются иа
радиотелефонную передачу я сильно ее искажают.
587
Рис. 11.69. Принципиальная схема
для получения сверхрегенератив-
иого приема
ной, и генерация прекращается, т. е.
Недостатки регенеративного приемника в значительной степени устраняют-
ся в сверхрегенеративном приемнике, в котором прием модулированных сигна-
лов производится в режиме генерации, но мешающие биения звуковой часто-
ты ие возникают, так как генерация колебаний прерывается со сверхзвуко-
вой частотой. Благодаря такому режиму прием модулированных сигналов
на сверхрегенеративиый приемник значительно более устойчив, чем иа реге-
неративный. При этом чувствительность приемника получается весьма высо-
кой. Усиление при приеме слабых сигналов доходит до сотен тысяч. Сверх-
регеиеративный приемник обладает сравнительно невысокой избирательно-
стью и поэтому особенно пригоден для приема сигналов простейших передат-
чиков с самовозбуждением, не имеющих стабилизации частоты. Недостатком
его является наличие суперного шума в виде шороха, слышимого при от-
сутствии принимаемых сигналов. Этот шум уничтожается приходящими сиг-
налами, если они не слишком слабы.
Упрощенно работу сверхрегенеративвого приемника можно объяснить сле-
дующим образом. Пусть в регенеративном приемнике (рис. 11.69) обратная
связь установлена такой, что при не-
большом отрицательном смещении на
сетке получается режим генерации, а при
увеличении смещения собственные коле-
бания прекращаются. Если подать от
вспомогательного генератора на сетку
переменное напряжение с частотой, зна-
чительно более низкой, чем частота соб-
ственных колебаний, то смещение на
сетке будет изменяться. Прн положитель-
ной полуволне вспомогательного напря-
жения рабочая точка на характеристике
лампы находится в области большой
крутизны, и в приемнике генерируются
собственные колебания. Отрицательная
полуволна напряжения вспомогательной
частоты сдвигает рабочую точку на учас-
ток характеристики с меньшей крутиз-
колебаиия затухают, Таким образом, ге-
нерация собственных колебаний высокой частоты прерывается с более низкой
вспомогательной частотой. Ее называют гасящей, так как колебания этой час-
тоты служат для прерывания (гашения) генерации.
Если приема сигналов нет, то генерация колебаний высокой частоты во
время положительных полупериодов гасящего напряжения возникает под
влиянием электрических флуктуаций, т. е. весьма слабых электрических им-
пульсов, которые существуют в любой электрической цепи, так как электроны
в каждом проводнике совершают беспорядочное тепловое движение.
Электрические процессы в сверхрегенеративном приемнике при отсутствии
принимаемых сигналов иллюстрируются рис. 11.70. Рисунок показывает на-
пряжение вспомогательной частоты, которое для упрощения рассуждений
взято прямоугольной формы. При такой его форме во время положительного
полупериода гасящего напряжения отрицательное смещение на сетке лампы
остается постоянным, происходит генерация колебаний и нарастание их ам-
плитуды. С переходом к отрицательному полупериоду смещение иа сетке ста-
новится значительным, условия самовозбуждения нарушаются и колебания
затухают. Если гасящее напряжение имеет синусоидальную форму, то прин-
цип работы не изменится, но явления протекают сложнее. Вспышки колеба-
ний высокой частоты, возникающие в сверхрегеиеративиом приемнике, пока-
заны на рис. 11.70 6. Колебания возникают и нарастают при каждом поло-
жительном полупериоде гасящего напряжения, а затухают при каждом от-
рицательном. Чем сильнее начальный импульс от электрических флуктуаций,
тем больше амплитуда генерируемых колебаний. Так как импульсы электри-
Б88
ческих флуктуаций имеют разную величину, то и вспышки колебаний имеют
различные амплитуды. Эти колебания высокой частоты являются беспоря-
дочно модулированными. В результате детектирования их получаются им-
пульсы различной величины, следующие друг за другом с вспомогательной
частотой (рис. 11.70в). Сами эти импульсы не могут дать звук в телефоне,
так как вспомогательная частота является сверхзвуковой. Среднее значение
тока этих импульсов, показанное иа графике штриховой линией, изменяется
также беспорядочно, ио более медленно и создает в телефоне звук в виде
шороха — суперный шум.
Когда на приемник воздействуют сигналы более слабые, чем импульсы
электрических флуктуаций, то процесс не изменяется. Суперный шум оста-
ется и заглушает приходящие сигналы. Иначе протекают процессы при при-
еме сигналов, уровень которых выше уровня импульсов флуктуаций (рис.
Гасящее колебание
Рис. 11.70. Графики процессов в сверхрегенераторе при отсутствии
внешних сигналов
11.71). Напряжение вспомогательной частоты изображено на рис. 11.71 а.
Рисунок 11.716 показывает модулированное колебание приходящего сигнала.
Вспышки собственных колебаний теперь возникают под влиянием более
сильных приходящих колебаний, а не слабых флуктуационных импульсов.
Наибольшая амплитуда колебаний в этих вспышках определяется амплиту-
дой приходящих сигналов, т. е. следует закону модуляции сигналов (рис.
11.71 в). Результат детектирования таких колебаний дан на рис. 11.71а.
Среднее значение полученных импульсов изменяется с частотой модуляции,
и поэтому в телефоне будет слышен передаваемый звук. Так как в этом слу-
чае вспышки колебаний возникают не от флуктуаций, то суперный шум не
слышен даже тогда, когда принимаются только несущие колебания сигнала,
т. е. когда модуляции нет. Происходит подавлеине суперного шума прихо-
дящими сигналами. Под влиянием приходящих сигналов вспышки колебаний
могут возникать и при некоторой расстройке приемного контура. Амплитуда
сигналов при этом уменьшается, ио пока она превышает флуктуационные
импульсы, прием возможен. Поэтому избирательность сверхрегеиеративиого
приемника получается сравнительно низкой, но устойчивость приема зна-
чительно выше, чем у регенеративного приемника.
Рассмотренные процессы в сверхрегенеративном приемнике объясняют его
высокую чувствительность. Даже под влиянием слабых проходящих сигналов
в нем возникают вспышки собственных колебаний, амплитуда которых на-
растает до значительной величины, определяющей слышимость принимаемых
589
<9
Вспышки плеваний1,
высокой. . J
О
Рис. 11.71. Графики процессов в сверхрегеиераторе прн приеме мо-
дулированных сигналов
« !
Ммпилъсы ‘после детектирования ‘it’
1 i AiAiAbAAJ
сигналов. Вспышки колебаний происходят с частотой гасящего напряжения,
а приходящие сигналы определяют наибольшую амплитуду генерируемых ко-
лебавнй, г, е. управляют процессом генерации этих колебаний. Чувствитель-
ность сверхрегеиеративиого приемника зависит от того, до какой величи-
ны может нарастать амплитуда собственных колебаний. При удачном режи-
ме она достигает весколькнх вольт, хотя приходящие сигналы, вызывающие
генерацию колебаний, могут иметь амплитуду в несколько микровольт. Та-
ким образом, усиление может доходить до миллионов. Величина его мало
зависит от усилительных свойств лампы. Возможна также работа сверхреге-
неративного приемника при низком анодном напряжении (15—20 в), кото-
рое должно быть только достаточно для самовозбуждении.
При возбуждении гасящего напряжения отдельным вспомогательным ге-
нератором возможны два режима работы: линейный и нелинейный (или ло-
гарифмический), В линейном режиме генерируемые колебания не успевают
Гасящее колебание
нарасти до наибольшей возможной (установившейся) амплитуды. Амплитуда
колебаний нарастает и доходит до наибольшего значения UMaXc в момент, ког-
да условия самовозбуждения нарушаются из-за увеличения отрицательного
смещения иа сетке. Тогда генерация прекращается и начинается затухание
колебаний. Графики на рис. 11.70 н 11.71, соответствуют именно линейному
режиму. Он получается при достаточно высокой частоте гасящих колебаний.
В линейном режиме максимальная амплитуда UMaKc пропорциональна напря-
жению UB того импульса, который вызвал генерацию колебаний, т. е. меж-
ду Uмакс и Uo имеется линейная зависимость. Сверхрегеиеративиый приемник
в линейном режиме вносит малые искажения, но усиление сильно зависит от
питающих напряжений. Для устойчивого усиления необходимо этн напря-
жения стабилизировать, При линейном режиме плохо подавляются импульс-
ные помехи. Линейный режим труден в налаживании, и поэтому он редко
применяется в любительских приемниках.
В нелинейном режиме амплитуда колебаний успевает нарасти до уста-
новившегося, т. е. наибольшего возможного значения, и в течение некоторого
времени остается неизменной. Величина имакс в этом случае не зависит от Ua.
590
is.
I
Начальное напряжение Uo влияет только на время нарастания колебаний.
Чем больше Uo, тем меньшее время нужно для нарастания амплитуды коле-
баний до U макс и тем больше время, в течение которого происходят коле-
бания с постоянной амплитудой U маКс. Для нелинейного режима частота га-
сящего напряжения должна быть меньше, чем при линейном режиме. Гра-
фики колебаний при приеме модулированных сигналов в нелинейном режиме
показаны на рис. 11.72. В отличие от линейного режима, в данном случае при
изменении амплитуды приходящих сигналов изменяется не максимальная
амплитуда, а длительность вспышек с максимальной амплитудой колебаний.
После детектирования получается некоторое среднее значение напряжения,
показанное на рис. 11.72 г штриховой линией. Оно пропорционально дли-
тельности вспышек, а не амплитуде приходящих сигналов. Поэтому полу-
чаются нелинейные искажения. В этом заключается недостаток нелинейно-
го режима, Однако сверхрегеиеративиые приемники в нелинейном режиме
Рис. 11.72. Графики процессов при приеме модулированных сигна-
лов на сверхрегенератор, работающий в нелинейном режиме
обладают свойствами автоматической регулировки усиления и ослабления
импульсных помех. При колебаниях питающих напряжений усиление полу-
чается устойчивым. Поэтому чаще всего применяется нелинейный режим.
Из рассмотрения работы сверхрегенеративного приемника ясно, что гася-
щая частота должна быть обязательно сверхзвуковой, ио значительно ниже
частоты сигнала. Если последнее условие не соблюдается, то за время поло-
жительного полупериода гасящего колебания амплитуда колебаний высокой
частоты не нарастает до достаточно большой величины. Указанные условия
трудно выполнить на средних и даже коротких волнах. А для укв иаивы-
годнейшая величина гасящей частоты получается порядка 100—200 кгц.
Сверхрегенеративный приемник дает паразитное излучение, так как он ра-
ботает в режиме генерации. Необходимо иметь в нем усилитель высокой
частоты, который устраняет излучение, отделяя генерирующую ступень от
антенны, а также повышает чувствительность приемника и делает его работу
более устойчивой. Если иет ступени усиления высокой частоты, то всякие
изменения параметров антенны сильно влияют иа настройку и режим ра-
боты приемника. Отсутствие ступени усиления высокой частоты допустимо
только в переносной аппаратуре, в которой число ламп и расход энергии
источников питания должны быть сведены к минимуму.
591
Встречаются сверхрегенеративные приемники двух типов: с отдельным
генератором гасящей частоты н с самогашением. Пример сверхрегенератив-
ного детектора с отдельным генератором гасящего напряжения показан на
рис. 11.73. Лампа Л\ входит в детекторно-регенеративную ступень, которая
представляет собой укв генератор с емкостной обратной связью, осуществляе-
мой с помощью междуэлектродных емкостей. Контур ЦС1 настраивается на
частоту приходящих сигналов. Лампа Л2 работает в генераторе колебаний
гасящей частоты по схеме с индуктив-
ной обратной связью. Гасящая частота
определяется параметрами контура L2C2.
Через конденсатор С3 колебания гася-
щей частоты передаются на сверхрегене-
ративную ступень. Конденсатор С4 про-
пускает только токи частоты приннмае-
Рнс. 11.73, Схема сверхре-
генеративного детектора с
отдельным генератором га-
сящих колебаний
Рис. 11.75. График на-
пряжения на сетке лам-
пы сверхрегеператора с
самогашением
Рис. 11.74. Схема сверхре-
генеративного детектора,
работающего в режиме са-
могашения
мого сигнала, а конденсатор Cs— токя гасящей частоты и токн низкой часто-
ты. Трансформатор Т служит для передачи колебаний низкой частоты, полу-
ченных в результате детектирования, иа усилитель низкой частоты. Дроссель
Д перегружает путь к колебаниям высокой частоты. Для регулировки режима
работы служит потенциометр /?, с помощью которого иожно изменять анод-
ное напряжение на лампах. В такой схеме генератор с лампой Л2 играет
роль модулятора, прерывающего генерацию колебаний в генераторе с лам-
пой Ли
592 -• г
Более простыми являются сверхрегенератнвные приемники с самогаше-
нием, в которых прерывание генерации происходит за счет особого режима
цепи сетки. Одна из таких схем дана на рис. 11.74. В ней отрицательное
смещение на сетке лампы получается от напряжения, возникающего на кон-
денсаторе Сс, т. е. от падения напряжения иа сопротивлении Rc. Сетка при-
соединена через сопротивление утечки к положительному полюсу источника
анодного питания. Применяются также схемы, в которых Rc присоединено
к катоду лампы.
Приемник с самогашением пр свойствам напоминает приемник с отдель-
ным генератором гасящих колебаний, работающий в нелинейном режиме.
В режиме самогашения также нет линейной зависимости между напряже-
нием низкой частоты, полученным в результате детектирования, и напряже-
нием сигнала, т. е. получаются нелинейные искажения. Но вспышки колеба-
ний имеют такой же характер, как в приемнике с линейным режимом, т. е,
амплитуда колебаний доходит до максимального значения, после которого
колебания затухают (рис. 11.76).
Модулированный сигнал
Вспышки колебаний Высокой частоты
Импульсы после детектирования
...
Рис. 11.76. Графики процессов, происходящих при приеме модули-
рованных колебаний на сверхрегенератор с самогашением
При нарастании колебаний напряжение на сетке заходит в положительную
область и создает сеточный ток, заряжающий конденсатор Сс . Вследствие
этого вместе с амплитудой колебаний растет сеточное смещение, показанное
иа рис. 11.75 штриховой линией. Когда амплитуда колебаний н смещение
достигают наибольшего значения, условия самовозбуждения нарушаются и
колебания начинают затухать. Вместе с ними уменьшается смещение, так как
конденсатор Сс разряжается на сопротивление Rc- Но при уменьшении сме-
щения возрастает крутизна лампы в рабочей точке. Поэтому в какой-то мо-
мент условия самовозбуждения снова будут выполняться, и приходящий
сигнал вызовет следующую вспышку колебаний. Чем больше амплитуда при-
ходящих колебаний, тем сильнее их воздействие и тем раньше возникает
очередная вспышка колебаний. Таким образом, в отличие от приемника
с отдельным генератором гасящих колебаний в режиме самогашения часто-
та вспышек не остается постоянной, а зависит от силы принимаемых сиг-
налов. Зато длительность вспышек и максимальная амплитуда колебаний со-
храняются неизменными. Когда сигналов нет, то под влиянием’ флуктуаций
частота вспышек в режиме самогашения меняется ’ беспорядочно и после де-
тектирования получается напряжение, также беспорядочно изменяющееся, но
с более низкой частотой, чем частота самих вспышек. Процесс 'в этом случае
38-2607 593
напоминает то, что было изображено на рис. 11.70, но только максимальные
амплитуды вспышек неизменны, а частота их следования беспорядочно ме-
няется, В результате возникает суперный шум.
Графики процессов при приеме модулированных колебаний в режиме са-
могашения изображены на рис. 11.76. С увеличением амплитуды приходящих
колебаний частота вспышек растет (рис. 11.766) и наоборот. Однако прямой
пропорциональности в этой зависимости нет. Среднее значение импульсов, по-
лученных после детектирования (штриховая линия на рис. 11.76в), изменяет-
ся с частотой модуляции. Когда импульсы следуют чаще, то среднее значение
получается больше. Но полученное колебание низкой частоты не соответствует
точно модулирующему сигналу, т. е. имеются нелинейные искажения.
Наивыгоднейший режим работы приемника с самогашением устанавли-
вается изменением анодного напряжения с помощью потенциометра R. Для
подбора лучшего режима делают также переменным сопротивление Rc. В ре-
жиме самогашения, как и в нелинейном режиме с отдельным генератором
гасящих колебаний, суперный шум и импульсные помехи подавляются при-
ходящими сигналами, а также получается хорошая устойчивость работы и
автоматическая регулировка усиления.
Сверхрегенеративные приемники могут быть использованы и для приема
частотно-модулированных сигналов.
Вполне возможно осуществить сверхрегенеративные приемники, работаю-
щие не на лампах, а на соответствующих транзисторах, В самом сверхреГе-
иеративном детекторе должен применяться транзистор, пригодный для укв.
§ 11.26. РЕФЛЕКСНЫЕ ПРИЕМНИКИ
Приемники иногда строятся по рефлексной схеме. В ней одна н та же
лампа работает одновременно в усилителе высокой частоты и в усилителе
низкой частоты. Это дает возможность уменьшить число ламп и экономнее
расходовать источники питания, что особенно важно для батарейных прием-
ников.
д _______________
Рис. 11.77. Схема рефлексного приемника 1-V-1
На рис. 11.77 дана для примера схема рефлексного приемника прямого
усиления типа 1-V-1, имеющего только две лампы. Колебания из антенны
поступают в контур LtCi и затем на лампу Л1# Усиленные колебания высо-
кой частоты получаются в контуре L^Ct и поступают на сетку второй лампы
Лг, работающей в качестве сеточного детектора с обратной связью. Получен-
ное на сопротивлении Rt напряжение низкой частоты подается через разде-
594
лительный фильтр CtRtCsRi и регулятор громкости Rt снова иа сетку лам-
пы Jit- В ее анодную цепь включен громкоговоритель Г.
Работа рефлексной схемы основана на разделении колебаний высокой н
низкой частоты. Конденсаторы С3, Си, Cs, Св емкостью порядка сотен пико-
фарад пропускают только колебания высокой частоты. Конденсатор Ci
имеет емкость в тысячи пикофарад. Через него не должны замыкаться то-
ки нч. У разделительного конденсатора Св емкость порядка тысяч пикофарад
или больше. Регулятор громкости Rt с сопротивлением около 1 Мом служит
для регулировки усиления одно-
временно по высокой и низкой ча-
стоте. Сопротивления фильтра Rs и
Rt имеют около 0,1 Мом каждое.
При работе со звукоснимателем
на сетку лампы Л2 подается сме-
щение от сопротивления Re- На
схеме для упрощения ие показа-
ны цепи экранирующих сеток.
Рефлексные схемы применяются
также в супергетеродинных при-
емниках с использованием одной
лампы для усиления промежуточ-
ной и низкой частот. Однако
рефлексные схемы работают не-
сколько хуже, чем обычные с от-
дельными лампами для усиления
высокой и визкой частот, имею-
Рис. 11.78. Схема рефлексного приемни-
ка 1-V-1 на одном транзисторе
щими различные режимы.
По рефлексной схеме довольно часто строят транзисторные приемники. На
рис. 11.78 дан пример схемы такого приемника типа 1-V-1 с одним транзисто-
ром. Колебания высокой частоты от ковтура LC с помощью катушки связи
Lt подаются на базу транзистора, работающего в апериодическом УВЧ. Уси-
ленные колебания через трансформатор высокой частоты L^Ls подводятся
к диодному детектору. Конденсаторы С\ и Сз имеют емкость не более не-
скольких тысяч пикофарад, так как они должны пропускать только токи вы-
сокой частоты. От нагрузочного сопротивления детектора Rs колебания низ-
кой частоты через конденсатор С2 большой емкости снова подводятся к базе
транзистора, который теперь уже выполняет роль УНЧ. Усиленные колебания
низкой частоты поступают в громкоговоритель. Для токов низкой частоты
катушки Lt и 12 представляют малое сопротивление.
§ 11.27. ВОПРОСЫ И ЗАДАЧИ
1. Почему в приемнике необходимо большое усиление?
2. Что такое избирательность?
3. Почему детекторный приемник дает сравнительно слабую слышимость?
4. Чувствительность у одного приемника 100 мкв, а у другого 5 мкв.
У какого она выше?
5. Почему нельзя чрезмерно повышать избирательность приемника?
6. При расстройке приемника, работающего иа средних волнах, на 100 кгц
ослабление сигнала получается в 10 раз. Имеет ли этот приемник достаточ-
ную избирательность?
7. Достаточна ли для удовлетворительного воспроизведения музыки по-
лоса частот колебаний, пропускаемых приемником, от 300 до 2000 гц?
8. Какая желательна кривая избирательности приемника?
9. Является ли детектирование процессом преобразования частоты?
10. Можно ли считать, что детектирование и выпрямление переменного
тока являются одинаковыми процессами?
38* 595
11. В приемнике 1-V-2 первай ступень дает усиление, равное 8, вторая —
100, третья и четвертая — по 15, Найдите общий коэффициент усиления.
12. Почему в схеме диодного детектора нагрузочное сопротивление долж-
но быть большое?
13. Будет ли работать диодный детектор, если конденсатор, шунтирующий
нагрузочное сопротивление, имеет емкость 25000 пф?
14. Объясните, почему диодный детектор перестает детектировать, если
на анод диода подать постоянное положительное напряжение?
15. В чем сходство н различие между сеточным и диодным детекторами?
16. Может ли сеточный детектор работать со значительным отрицатель-
ным напряжением смещения на управляющей сетке?
17. Какой детектор наиболее подходит для слабых сигналов?
18. В чем разница между ламповым генератором с самовозбуждением н
детекторно-регенеративной ступенью?
19. Частота сигнала радиостанции 500 кгц. На какую частоту нужно на-
строить контур регенеративной ступени, чтобы тон сигнала был 1500 гц?
20. Почему с помощью обратной связи в регенеративной ступени про-
исходит усиление колебаний только высокой частоты?
21. Почему в регенеративном приемнике желательна ступень усиления
высокой частоты?
22. Если в регенеративном приемнике не возникает генерация даже при
максимальной обратной связи, то каковы могут быть причины этого?
23. Какие недостатки имеет ступень усиления высокой частоты, если у нее
в качестве сопротивления анодной нагрузки включен дроссель?
24. Почему в ступенях УВЧ для средних волн не применяют триоды?
25. Зачем применяют в ступенях УВЧ напряжение смещения?
26. Начертите схему приемника 1-V-0 с регенерацией. Обе лампы — пен-
тоды. Схема УВЧ — с анодным контуром. Регулировка обратной связи про-
изводится с помощью конденсатора.
27. Регенеративный приемник в режиме генерации принимает колебания
с частотой 300 кгц. Контур его настраивается на частоты 295 кгц, затем
299,2 кгц и, наконец, 301 кгц. Какой частоты будет тон биений в телефоне?
28. Составьте схему приемника 0-V-1 по следующим данным. Питание —
от батарей. Первая ступень—-сеточный детектор иа триоде. Вторая ступень —
усилитель низкой частоты на пентоде с автоматическим смещением и непо-
средственным выходом. Связь между ступенями — трансформаторная.
29. Составьте схему приемника 1-V-1 иа лампах 6КЗ, 6С5 и 6П6С по сле-
дующим условиям. Связь с антенной — индуктивная. Ступень усиления вы-
сокой частоты — с параллельным анодным питанием. Обратная связь регули-
руется с помощью конденсатора. Усилитель низкой частоты связан с детек-
тором по схеме на сопротивлениях. Выход—трансформаторный. В первой и
третьей ступенях имеется автоматическое смещение. Экранирующие сетки
питаются через поглощающие сопротивления. В анодные цепи первых сту-
пеней включены развязывающие фильтры.
30. Почему супергетеродинный приемник имеет более высокую чувстви-
тельность, чем приемник прямого усиления?
31. Промежуточная частота в супергетеродине 470 кгц, а частота прини-
маемого сигнала 3600 кгц. Какова частота гетеродина?
32. Изменяется ли промежуточная частота в супергетеродинном приемни-
ке, если при приеме радиостанции вращать агрегат конденсаторов?
33. Почему супергетеродинный приёмник не принимает сигналы, если пе-
рестал работать его гетеродин?
34. Какая разница между преобразователем частоты н смесителем?
35. Почему в радиовещательных приемниках нет второго гетеродина?
36. Чем объяснить более высокую избирательность у супергетеродинного
приемника по сравнению с приемником прямого усиления?
37. Приемник с промежуточной частотой 120 кгц настроен на частоту сиг-
нала 5420 кгц. Какую частоту имеет симметричная помеха?
596
38. Радиостанция с частотой 7800 кгц принимается при частоте гетеро-
дина 8260 кгц. На какой другой частоте гетеродина можно ее принимать?
39. Что такое полосовой фильтр?
40. На каком принципе работает автоматическая регулировка усиления?
41. Можно ли с помощью АРУ устранить полностью колебания слыши-
мости, вызванные явлением замирания?
42. Как следует понимать возможность уменьшения влияния помех с по-
мощью регулятора усиления?
43. Является ли электронно-световой индикатор настройки необходимым
элементом приемника?
44. На каких волнах наиболее сильны атмосферные помехи?
45. Какие электрические установки создают наибольшие радиопомехи?
46. Почему супергетеродинные приемники дают больший собственный шум,
чем приемники прямого усиления?
47. Как производится подавление помех в месте их возникновения?
48. На чем основан принцип устройства антишумовых антенн?
49. Составьте, схему приемиика, имеющего преобразователь частоты на
лампе 6А7, УПЧ на лампе 6КЗ, детектор и первую ступень УНЧ на лампе
6Г7, выходную ступень на лампе 6П6С, ручную регулировку усиления и. ре-
гулятор тона. Во всех ступенях должно быть автоматическое смещение, а в
первых двух ступенях — анодные развязывающие фильтры.
50. В каких случаях полезно уменьшить избирательность приемиика?
5L Как осуществляется прием частотно-модулированных сигналов?
52. Найдите коэффициент усиления ступени УВЧ, в которой лампа имеет
р=2000 и Rt=2 Мом, а сопротивление анодного контура /?э=20000 оли
53. Какие недостатки имеет супергетеродинный приемник, у которого ча-
стота гетеродина установлена ниже, а не выше частоты сигнала?
54. Какое применение в технике радиоприема имеют биения?
55. Можно ли в супергетеродинном приемнике включить звукосниматель
на сетку лампы УПЧ или на диодный детектор?
56. Какова величина входного сопротивления диодного детектора, если его
нагрузочное сопротивление имеет 300 ком?
57. Каковы преимущества и недостатки катодного детектора?
58. Как изменяются свойства колебательного контура, если к нему под-
ключается сравнительно малое входное сопротивление транзистора?
59. По каким схемам в приемниках осуществляется связь транзистора
с колебательными контурами?
60. Начертите схему входной части приемника с магнитной антенной в
переключением на два поддиапазона.
61. Что такое вторичная модуляция и перекрестные искажения в усили-
теле высокой частоты?
62. По какой схеме следует связывать симметричный диполь с входным
контуром приемника?
63. Почему в усилителях высокой частоты приемников укв применяют ча-
ще триоды, а не пентоды?
64. Какие схемы усилителей высокой частоты применяют в приемни-
ках укв?
65. Каковы особенности каскодной схемы усилителя высокой частоты?
66. В чем заключаются особенности транзисторных усилителей высокой
частоты?
67. Что такое комбинационные колебания’
68. В супергетеродине частота сигнала 1200 кгц, а частота гетеродина
1310 кгц. Найдите частоты нескольких комбинационных колебаний, которые
получаются в преобразователе частоты.
69. В чем заключается влияние увлечения- гетеродина внешними коле-
баниями?
70. Почему двухсеточное преобразование частоты не применяется на очень
коротких волнах?
597
71. Чем отличается крутизна преобразования от обычной крутизны?
72. Начертите схему УВЧ и преобразователя частоты для приемника укв,
работающих на одном двойном триоде.
73. Каковы достоинства и недостатки супергетеродинного приемника
с очень высокой промежуточной частотой?
74. Что такое фильтр сосредоточенной селекции? Начертите несколько
различных схем таких фильтров.
75. Как осуществляется нейтрализация в усилителях высокой и промежу-
точной частоты на транзисторах?
76. Начертите схему АРУ для транзисторного приемника, если в нем при-
менен диодный детектор.
77. Начертите какую-либо схему регулировки тембра в транзисторном
приемнике.
78. Чем отличаются друг от друга импульсные и гладкие помехи?
79. В какой степени удается снизить импульсные помехи с помощью огра-
ничителей?
80. Какими способами можно осуществить детектирование ЧМ сигналов?
81. На чем основана автоматическая подстройка частоты?
82. Начертите схему транзисторного приемника прямого усиления типа
1-V-2 по следующим данным. Усилитель высокой частоты — апериодический.
Детекторная ступень — на транзисторе. Усилитель низкой частоты — по схеме
на сопротивлениях с трансформаторным выходом. Во всех ступенях применено
включение транзисторов с общим эмиттером и имеется стабилизация режима.
Смещение иа базы подается с помощью делителей.
ГЛАВА 12
РАДИОИЗМЕРЕНИЯ
§ 12.1. ИЗМЕРЕНИЕ ТОКОВ
Измерение постоянных токов
Рис. 12.1. Включение
миллиамперметра для
измерения постоянной со-
ставляющей анодного
тока
Величина постоянного тока в цепях питания электронных ламп ила
транзисторов является характерной для каждого режима работы ламп. Для
измерения постоянного тока применяют магнитоэлектрические миллиампер-
метры. Эти приборы пригодны для измерения только постоянного тока и
должны включаться с соблюдением полярности (за исключением приборов,
имеющих нуль по середине шкалы); они чувствительнее приборов других
систем; шкала у них равномерная. При весьма малых токах применяют галь-
ванометры или микроамперметры, требующие осторожного обращения. Во-
обще магнитоэлектрические приборы не допускают перегрузок. Поэтому же-
лательно знать порядок величины измеряемого
тока и сначала включать прибор на шкалу, со-
ответствующую ббльшим токам, а затем уже
переключать его на более подходящую шкалу.
Имея один чувствительный прибор,-можно по-
добрать к нему ряд шунтов для измерения бо-
лее сильных токов и сделать такой прибор
универсальным.
Включение миллиамперметра в цепи элек-
тронной лампы или транзистора следует делать
так, чтобы через прибор не проходили пере-
менные составляющие токов. На рис. 12.1 для
примера показаны правильное и неправильное
включения аиодиого миллиамперметра. Если
прибор включить у аиода, то создадутся пара-
зитные емкости, показанные на схеме штрихом,
величина которых зависит от размеров и рас-
положения прибора и длины соединительных
проводов. Из-за влияния этих емкостей и соб-
ственной индуктивности прибора может нару-
шиться правильный режим работы данной
ступени, в особенности на высоких частотах,
и может возникнуть паразитная генерация. Тогда изменится постоянная со-
ставляющая анодного тока и ее измерение будет сделано неверно.
Прохождение малых переменных токов через магнитоэлектрический прибор
не опасно для прибора. Но при значительных мощностях и высоких частотах,
например, в передатчиках, необходимо зашитить приборы от переменных то-
ков путем шунтирования их конденсаторами достаточной емкости.
Чувствительность магнитоэлектрических приборов можно увеличить с по-
мощью усилителей на транзисторах. На рис. 12.2 показаны примеры схем
микроамперметров постоянного тока, в которых транзисторные усилители
повышают чувствительность в несколько десятков раз. Если в этих схемах
599
применить миллиамперметр иа 1 ма, то он будет давать полное отклонение
при входном токе в несколько десятков микроампер. При замене миллиам-
перметра иа микроамперметр можно измерять токи порядка единиц микро-
ампер. В качестве источника питания служит один элемент на 1,5 в.
Схемы по рис. 12.2 можно рассматривать как мостовые. В простейшей
схеме с одним транзистором плечами моста являются сопротивления Rt, R2,
Rn и сопротивление транзистора между коллектором и эмиттером. Миллиам-
перметр включен в диагональ моста. Шунтирующее миллиамперметр сопро-
тивление 7?з служит для изменения чувствительности прибора. Баланс моста
при отсутствии тока на входе осуществляется регулировкой сопротивления
При прохождении измеряемого тока через участок база — эмиттер транзи-
стора его сопротивление между коллектором и эмиттером уменьшается, рав-
новесие моста нарушается и миллиамперметр дает отклонение. Недостатком
этой схемы является нарушение баланса моста при изменении параметров
транзистора под влиянием температуры.
а)
Рис. 12.2. Схемы микроам-
перметров постоянного тока
с транзисторными усилите-
лями
Значительно более совершенна схема рис. 12.2 б. Если для нее подобрать
два по возможности одинаковых транзистора, то баланс моста почти не будет
нарушаться при изменении температуры, так как оба транзистора будут при
этом одинаково изменять свои параметры. Кроме того, в данной схеме для
стабилизации режима включены сопротивления R\—Rs. Баланс моста осу-
ществляется с помощью сопротивления /?я. При прохождении во входной цепи
измеряемого тока сопротивление между коллектором и эмиттером у транзи-
стора 71 уменьшается, а у транзистора Т2 увеличивается. Это приводит к на-
рушению баланса моста и появлению тока в миллиамперметре, включенном
в диагональ.
Измерение переменных токов низкой частоты
Для тока с частотой 50 гц применяют электромагнитные приборы, реже —
термоэлектрические и электродинамические. Общим недостатком их является
неравномерность шкалы. В начале шкалы деления сжаты, н практически мож-
но измерять токи величиной не менее 20% максимального значения, соот-
ветствующего концу шкалы прибора. Электромагнитные приборы непригодны
для измерения токов с частотой порядка сотен и тысяч герц, так как облада-
ют довольно большой индуктивностью и значительной собственной емкостью.
Возможно использование электромагнитных приборов и для измерения по-
стоянных токов, несмотря на то, что на их шкале обычно стоит знак только
одного переменного тока (~). Термоэлектрические приборы применяются на
всем диапазоне частот и- могут быть сделаны с большей чувствительностью,
чем электромагнитные приборы, - - •
6W)
Для токов низкой частоты часто применяют приборы детекторной систе-
мы, в которых переменный ток преобразуется в пульсирующий с помощью
полупроводниковых выпримителей и постоянная составляющая этого тока из-
меряется магнитоэлектрическим прибором. Детекторный прибор должен, быть
таким, чтобы через него проходили обе полуволны переменного тока. Тогда
включение прибора не нарушает режим работы той цепи, в которой нужно
измерить ток. Выпрямление с одним детектором применяется лишь в случае,
когда почти весь ток пропускается через шунт (рис. 12.3 а). В схеме
рис. 12.3 6 для измерительного прибора используется однополупериодное вы-
прямление детектором Д\, а обратные полуволны тока проходят через де-
тектор Дг, последовательно с которым включено сопротивление R, равное
сопротивлению прибора Rn- Повышение чувствительности дает двухполупе-
риодное выпрямление по обычной схеме с трансформатором (рис. 12. 3 в) или
по мостовой схеме с четырьмя детекторами (рис. 12. За). Последняя схема
является наиболее распространенной.
тока
Возможность измерения малых токов является главным достоинством де-
текторных приборов. Их чувствительность для переменного тока по сравне-
нию с чувствительностью для постоянного тока магнитоэлектрических при-
боров примерно в 2,5—3 раза меньше при однополупериодиой схеме и всего
лишь иа 25—50% меньше при двухполупериодиой схеме. Например, если взить
магнитоэлектрический прибор на 1 ма, то при схеме рис. 12.3 6 получится
шкала по переменному току примерно на 2,5—3 ма, а при схеме рис. ^.За-
на 1,25—1,5 ма. Для расширения шкалы применяют шунты; их присоединяют
к зажимам, к которым подводится измеряемый переменный ток.
Детекторные приборы имеют ряд недостатков. Они обладают заметным
сопротивлением и поэтому на них получается падение напряжения порядка
десятых долей вольта и более. Шкала у детекторных приборов почти равно-
мерна, но все же она вначале немного сжата. Выпрямляющие свойства
детекторов, а значит, и показания прибора зависят от температуры и часто-
ты. Детекторы имеют значительную емкость, через которую проходят токи
более высоких частот. Например, емкость купроксных выпрямителей состав-
ляет до 0,03 мкф на каждый 1 см2 контактной поверхности.
Показании детекторных приборов зависят от формы тока. Градуировка
обычно производится иа переменном токе синусоидальной формы, и поэтому
измерение несинусоидальных токов получается с ошибкой. Следует также от-
метить, что выпрямляющие свойства некоторых детекторов с течением времени
изменяются, и это приводит к понижению точности показания приборов.
Для увеличения чувствительности детекторных приборов применяют тран-
зисторные усилители, например, по схемам, аналогичным приведенным на
рис. 12.2. В таких приборах усилитель иногда включают до детекторного
устройства, и тогда он будет усиливать переменный ток. В другом варианте с
помощью транзисторов усиливают постоинный ток после детектора. Иначе
говоря, если иа вход схем рис. 12.2 добавить детекторное устройство, то эти
схемы станут чувствительными измерителями переменного тока. - -
601
Измерение токов высокой частоты
Дли токов высокой частоты применяют термоэлектрические приборы, Оии
работают на частотах до нескольких мегагерц. При дальнейшем повышении
частоты начинает сказываться влияние поверхностного эффекта и паразитных
емкостей. Тепловые приборы в последнее время не используются.
На рис. 12.4 показаны основные схемы термоэлектрических приборов. В
схеме по рис. 12.4 а ток высокой частоты проходит через подогреватель П и на-
гревает спай двух разнородных проводников термопары ТП, соединенной с
магнитоэлектрическим гальванометром. Подогреватель вместе с термопарой
называют термоэлементом. Если термопара имеет контакт с подогревателем,
то она называется контактной. Ее достоинство — большая чувствительность,
а недостаток в том, что ток высокой частоты ответвляется через контакт тер-
мопары в цепь постоянного тока. Последняя имеет обычную значительную
паразитную емкость относительно земли (корпуса), показанную на рис. 12.4а
~~ Перемен.
Рис, 12.4. Схемы термоприборов
штрихом. Схема рис. 12.4 6 с бесконтактной термопарой почти свободна от
этого недостатка, так иак у иее емкость между подогревателем и термопарой
весьма мала. Зато термопара получает меньше тепла и чувствительность ее
ниже, чем у контактной термопары.
Чтобы увеличить постоянный ток в гальванометре, нужно увеличить эдс
термопары и уменьшить сопротивления термопары и гальванометра. Повы-
сить эдс можно путем соединения последовательно нескольких термопар, но
тогда увеличится их сопротивление, Этот недостаток устраняется в мостовом
термопреобразователе (рис. 12.4в), в котором соединены в виде моста четы-
ре термопары. Ток высокой частоты подводится к одной диагонали моста и
проходит по двум ветвям, нагревая термопары, которые как источники эдс
включены в две параллельные группы по две термопары последовательно в
каждой группе. В результате получится удвоенная эдс, а внутреннее сопротив-
ление, как у одной термопары. В мостовой схеме должны нагреваться только
спаи, обозначенные буквами Н. Остальные спаи охлаждаются с помощью ме-
таллических пластинок П. Для уменьшения потерь тепла преобразователь по-
мещают в баллончик, из которого выкачан воздух.
По сравневию с тепловыми приборами термоприборы более чувствительны
и дают меньшие погрешности иа более высоких частотах, так как у них по-
догреватель короче, чем нить теплового прибора, и у него меньше индуктив-
ность и емкость. Удобно также то, что гальванометр можно отнести на значи-
тельное расстояние от термопреобразователя, удлинив провода цепи постоян-
ного тока. С термоприборами нужно работать осторожно, помия, что термо-
преобразователь легко перегорает, если ток больше допустимого.
На высоких частотах шунты у измерительных приборов ив применяются,
так как сопротивление их на разных частотах различно вследствие влииния
их собственвой емкости, индуктивности и поверхностного эффекта.
602
Измерение токов высокой частоты можно также осуществить с помощью
выпрямления этих токов высокочастотными германиевыми или кремниевыми
диодами, а для повышении чувствительности таких приборов к иим добав-
ляют транзисторные усилители.
Для приближенного определения величины тока используют индикаторы
тока высокой частоты, например низковольтные лампочки накаливания. Наи-
более точное измерение тока получается в случае, когда лампочка начинает
светиться. Значение тока, при котором лампочка начинает светиться, можно
Рис. 12.5. Схемы индикаторов тока высокой частоты
с лампочками накаливания
определить на постоянном токе. Например, лампочки на 3,5 в и 0,25 а начина-
ют давать свечение при токе в 0,1 а. Если ток имеет большую величину, то бе-
рут несколько лампочек, включают параллельно. Подбирая такое число лампо-
чек, чтобы они только начинали светиться, можно определить ток. Этот способ
при повышении частоты дает большую погрешность, так как цоколи лампо-
чек имеют значительную емкость, через которую ток проходит мимо нити. По-
этому рекомендуется лампочки снимать с цоколей.
Лампочки накаливания часто используют в качестве индикатора резонан-
са, включая их последовательно в контур. По наибольшему свечению лампоч-
ки определяется настройка в резонансе. Если ток в контуре велик и возмож-
но перегорание лампочки, ее шунтируют куском провода или связывают с кон-
туром индуктивно. Например, для настройки антенного контура передатчика
на проводе антенны делают один виток и с ним связывают несколько витков,
замкнутых иа лампочку. Связь подбирают так, чтобы при резонансе получа-
лось заметное свечение лампочки.
Подобный индикатор можно при-
менить при любой величине тока
в антенне. Когда мощность в кон-
туре невелика, то после настройки
индикаторная лампочка выключа-
ется, если она связана индуктив-
но, или замыкается накоротко.
а)
Рис. 12.6. Схемы индикаторов с детек-
тором и гальванометром
если она включена в контур после-
довательно. На рис. 12.5 показаны
схемы индикаторов с лампочка-
ми накаливания.
Широко применяются индикаторы с детектором и гальванометром (мил-
лиамперметром или микроамперметром). Они могут быть гораздо чувствитель-
нее, чем индикаторы с лампочками накаливания, и дают возможность не толь-
ко обнаруживать ток высокой частоты, но и измерять его относительную
величину. Индикаторы высокой чувствительности удобны тем, что для них
достаточна очень слабая связь с цепью, в которой измеряется ток, и тогда
индикатор будет мало влиять на режим работы этой цепи. Примеры индика-
торов с детектором приведены на рис. 12.6. По существу они являются про-
стейшими детекторными приемниками. Включение дросселей высокой частоты
е цепь гальванометра, показанное иа схеме рис. 12.6 6, желательно для того,
чтобы не допустить ток вч в гальванометр, который вследствие своих довольно
603
больших размеров имеет обычно значительную емкость относительно земли и
Других цепей. Чувствительность индикатора с детектором и гальванометром
можно повысить, если применить в нем резонансный контур, т. е. подключить
к его индуктивности связи конденсатор переменной емкости (например, под-
строечный) и настроить полученный контур в резонанс. Возможно также
применение в таких индикаторах транзисторных усилителей.
Я)
ПровоЗ линии
б?
Линия
Рис. 12.7. Индикатор тока в линии
Для определения тока в симметричной линии индикатор того или иного
типа связывают с одним или обоими проводами линии индуктивно с помощью
витка (рис. 12.7).
Градуировка приборов для измерения тока
Существуют две основные схемы для градуировки или поверки градуи-
ровки приборов, измеряющих ток (рис. 12.8). В схеме рис. 12.8 а эталонный
прибор А s для измерения тока включен последовательно с градуируемым
прибором А и дополнительным сопротивлением, которое ограничивает ток.
Рис. 12.8. Схемы градуировки приборов для
измерения тока
В схеме рис. 12.86 используется эталонный вольтметр и последовательно с
прибором А включено известное сопротивление R, которое во много раз боль-
ше, чем сопротивление прибора. Ток определяют, разделив напряжение U иа
сопротивление R. Если сопротивление R сравнительно невелико, то лучше
вольтметр присоединить параллельно к нему. Схема градуировки обычно пита-
ется через потенциометр, которым регулируетси ток, протекающий через при-
бор. Устанавливая по эталонному прибору различные значения тока в при-
боре, записывают его показания (число делений) в виде таблицы, по которой
затем наносят градуировку иа шкалу.
Желательно градуировку делать на тех частотах, на которых будет рабо-
тать прибор, но это ие всегда возможно. Поэтому часто градуировку произ-
водят иа постоянном токе или на частоте 50 гц. Приборы детекторной си-
стемы, а также термоприборы с мостовой схемой (рис. 12.4 в) можно градуи-
ровать только на переменном токе. Когда иа постоянном токе градуируется
604
термоприбор с контактной термопарой, то необходимо дли каждого значения
тока в подогревателе изменять его направление, и, если при этом показания
градуируемого прибора неодинаковы, то берут их среднюю величину,
§ 12.2. ИЗМЕРЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЙ
Измерение постоянных напряжений
Режим работы каждой лампы определяется величинами постоянных на-
пряжений на электродах, т. е. на аноде, управляющей сетке, экранирующей
сетке и т. д. Их измерение важно при налаживании аппаратуры, проверке ре-
жима отдельных ступеней и нахождении неисправностей. Для измерения по-
стоянных напряжений широко пользуются магнитоэлектрическими вольтмет-
рами. Однако обычные технические вольтметры пригодны не для всех изме-
рений.
Вольтметр всегда присоединяется к тем точкам цепи, между которыми
нужно измерить напряжение. Сам он должен потреблять весьма малый ток,
т. е. иметь возможно большее сопротивление. Сопротивление вольтметра ивля-
ется важной величиной, характеризующей пригодность вольтметра для измере-
ний в тех или иных случаях. Многие вольтметры потребляют при отклонении
стрелки на всю шкалу ток порядка миллиампер, что соответствует сопротив-
лению в несколько сот ом иа вольт шкалы. Например, если вольтметр при от-
клонении стрелки на всю шкалу, соответствующую напряжению 1 в, потреб-
ляет ток 5 ма, то его сопротивление будет 200 ом иа вольт. При шкале 3 в он
имеет сопротивление 600 ом, при шкале 100 в его сопротивление 20 000 ом
и т. д. Подобные вольтметры являются низкоомиыми.
Любой миллиамперметр можно превратить в вольтметр, подключив к нему
соответствующее добавочное сопротивление. Так как сопротивление самого
миллиамперметра незначительно, то добавочное сопротивление определяется
с помощью закона Ома по напряжению, иа которое должен быть рассчитан
вольтметр, и по току, который потребляет миллиамперметр. Если, например
имеется миллиамперметр на 6 ма и нужно из него сделать вольтметр на 300 в,
то, разделив 300 иа 6, найдем величину добавочного сопротивления 50 ком.
Подобрав несколько добавочных сопротивлений к миллиамперметру, можно
превратить его в вольтметр с нужными шкалами.
Низкоомными вольтметрами можно измерять напряжения только иа уча-
стках, которые присоединены к полюсам источника не через большие сопро-
тивления и лишь в случаях, когда источник тока имеет малое внутреннее
сопротивление. Например, можно измерять напряжения источников тока, а
также напряжения на электродах ламп, когда в цепях этих электродов иет
больших сопротивлений. На рис. 12.9 а показаны примеры присоединения инз-
коомного вольтметра для измерения напряжений на электродах. Очевидно,
можно измерять напряжение на аноде в трансформаторном усилителе, уси-
лителе высокой частоты или генераторе, если нет анодного развязывающего
фильтра, напряжение на экранирующей сетке, если она непосредственно пи-
тается от источника, напряжение смещения иа сетке, если оно подается от
отдельного источника. В этих случаях дополнительный ток, потребляемый
вольтметром, ие вызовет значительного перераспределения напряжений в
цепи.
Присоединение вольтметра для измерения иаприжении иа аноде или
экранирующей сетке при наличии больших сопротивлений в цепях этих элект-
родов показано на рис. 12.9 6. Низкоомный вольтметр в этих случаях даст
совершенно неправильные, резко преуменьшенные показания. Предположим,
что в схеме рис. 12.9 б сопротивление в анодной цепи Ra = 100 ком, ток ано-
да /о=0,5 ма и напряжение анодного источника £в=200 в. Тогда напря-
жение на аноде равно Ua = Еа-1а-Ra =200—0,5.100=200—50=150 в. На-
пряжение источника распределяется между сопротивлением Ra и внутренний
сопротивлением лампы, постоянному току /?0> которое равно 150 : 0,5=300 ком.
605
На сопротивлении Ra падает 50 в, а иа лампе — 150 в. Присоединим к аноду и
катоду вольтметр на 150 в, имеющий сопротивление 7?=30 ком, т. е. 200 ом
на вольт. Напряжение теперь распределится между сопротивлениями R и Ra,
равными 30 и 100 ком. Влиянием /?о, присоединенного параллельно вольтмет-
ру, пренебрегаем, так как оно гораздо больше R. На вольтметре, а значит, и
Рис. 12.9. Включение вольтметра для измере-
ния постоянных наприжений на электродах
лампы
на лампе теперь будет напряжение 46 в. Таким образом, вольтметр пока-
жет напряжение иа аноде 46 в вместо 150 в, бывших до его присоединения,
Непригодность низкоомных вольтметров для измерений в усилителях на со-
противлениях, в цепях экранирующих
сеток с большими сопротивлениями, в
цепях с развязывающими фильтрами,
очевидна.
Рис, 12.11. Включение вольт-
метра для измерения на-
пряжения смещения
Рис. 12.10. Схема высокоомного
вольтметра с чувствительным
гальванометром
Для подобных измерений необходимы высокоомные вольтметры, имею-
щие сопротивление не менее 10 ком на вольт, т. е. потребляющие ток не бо-
лее 0,1 ма иа всю шкалу. Подобный вольтметр на шкале 150 в будет иметь
сопротивление 1500 ком. Присоединение его параллельно ламве незначительно
повлияет на распределение напряжений и он покажет напряжение немногим
меньше 150 в. Высокоомный вольтметр может быть сделан из микроампермет-
ра и добавочных сопротивлений (рис. 12.10). Их можно брать иепроволрч-
иые. Если микроамперметр потребляет ток 100 мка и вольтметр рассчитыва-
ется на шкалы 5, 20, 100 и 500 в, то сопротивления должны иметь величину
50 ком, 200 ком, I ТИом и 5 Alon.
Все же такой вольтметр непригоден для измерения иаприжения смещения
на сетке, если в ее цепи имеется большое сопротивление утечки или сопро-
тивление сеточного развязывающего фильтра (рис, 12.11), Пусть дли приме-
606
ра напряжение смещения 3 в подается через сопротивление Rc в 0,5 Мом.
Включим высокоомный вольтметр на шкалу 5 в, имеющий сопротивление
50 ком, между сеткой и катодом (рис. 12.11). Он окажется включенным по-
следовательно с R с- Напряжение 3 в распределится между ними и вольт-
метр покажет меньше, чем 0,3 в. Приходится присоединить его непосредствен-
но к тем точкам схемы, от которых подается напряжение смещения
(рис. 12.11). Если смещение подается от катодного сопротивления, то надо
вольтметр присоединить параллельно этому сопротивлению, т. е. к катоду
и корпусу. Измерение напряжения смещения непосредственно на сетке воз-
можно только с помощью ламповых нли транзисторных вольтметров, имею-
щих еще более высокое сопротивление.
Наиболее просты по устройству вольтметры с транзисторами. Их делают
по таким же схемам, как и микроамперметры (рис. 12.2), но только на вход
включают соответствующие добавочные сопротивления. Такие вольтметры
легко осуществить с потреблением тока порядка единиц микроампер, и поэто-
му они могут иметь сопротивление в сотни килоом иа вольт.
Измерение напряжений низкой частоты
Для напряжений с частотой 50 гц часто используются электромагнитные
вольтметры. Но для напряжений более высоких звуковых частот они непри-
годны, так как имеют обмотки с большим числом витков и значительной соб-
ственной ёмкостью. Электромагнитные вольтметры потребляют ток не менее
20 ма и их сопротивление получается 50 ом иа вольт и меньше. В радио-
технической практике напряжения низкой частоты удобно измерять детек-
торными вольтметрами. Схемы их аналогичны схемам детекторных приборов
для измерения тока (рис. 12.3), но имеют добавочные сопротивления.
Простейший вольтметр с одним детектором (рис. 12.12 а) может приме-
няться только для напряжений, которые допустимы для детектора данного
Рис. 12.12. Схемы детекторных вольтметров
типа, так как в отрицательный полупериод напряжение почти полностью при-
ложено к детектору и может его пробить. Чтобы детектор не был пробит,
при увеличении измеряемого напряжения надо включать последовательно
несколько детекторов, но тогда выгоднее применять схему рис. 12.12 6, в
которой обратная полуволна тока проходит через другой детектор. Схема
рис. 12.12 а неудобна и тем, что постоянная составляющая тока замыкается
через цепь, в которой измеряется напряжения, а это не всегда возможно.
Схемы рис. 12.12 б, в и г не требуют последовательного включения детек-
торов при^ более высоких напряжениях. В них почти все напряжение как поло-
жительной, так отрицательной полуволн падает на добавочном сопротивлении.
Наилучшей является мостовая схема, требующая четырех детекторов.
Для повышения входного сопротивления следует применять более чувст-
вительный гальванометр. При мостовой схеме и гальванометре иа 100 мка
вольтметр имеет сопротивление около 64-8 ком на вольт. Детекторы жела-
тельны с возможно меньшей собственной емкостью. Расчет добавочных сопро-
607
тивлеиий Rdo6 делают так же. как и для постоянных напряжений, ио получен-
ные величины делят на 2,54-3 для одиополупериодиой схемы и на 1,25-г-1,5
для двухполупериодной схемы, Такой расчет является приближенным и дает
несколько преувеличенное значение Rdo6; поэтому при градуировке /?доб при-
ходится подгонять опытным путем.
Пример. Рассчитать Rdo6 для детекторного вольтметра иа 150 в по
мостовой схеме с гальванометром на 200 мка. Определяем добавочное со-
противление при постоянном напряжении: 7?=15О : 0,2= 750 ком. Делим его
величину на 1,5 и получаем 7?=75О: 1,5=500 ком=0,5 Мом.
Для измерения напряжений низкой частоты также применяются ламповые
и транзисторные вольтметры, которые рассматриваются в следую 1ем
разделе.
Измерение напряжений высокой частоты
Напряжение с частотой до десятков мегагерц и выше измеряют с помощью
ламповых вольтметров, которые также используются для измерения постоян-
ных напряжений и напряжений низкой частоты. Ламповые вольтметры имеют
малую входную емкость Свх и могут быть сделаны со входным сопротивле-
нием Rex в несколько мегом или десятков мегом, независимо от шкалы.
Простейшими- являются диодные ламповые вольтметры. Их достоинство
в том, что для них не нужен источник анодного питания. Однако входное
сопротивление у них не более нескольких тысяч ом на вольт.
Диодные вольтметры обычно делают с одиополупериодным выпрямлением.
На рис. 12.13 а показана простейшая схема, которая аналогична схеме
рис. 12.12 а. Диод может выдерживать высокие напряжения и имеет малую
Рис. 12,13. Схемы диодных ламповых вольтметров
емкость порядка нескольких пикофарад. Расчёт Rdo6 производится также,
как и для схемы рис. 12.12 а.
Вольтметры рис. 12.13 6 и в ивляются амплитудными или пиковыми. Они
аналогичны последовательной и параллельной схемам диодных детекторов
(рис. 11.4). Если сопротивление R значительно больше внутреннего сопротив-
ления диода и емкость С достаточно велика, то на конденсаторе С получа-
етси постоянное напряжение, почти равное амплитудному значению измеряе-
мого напряжения U= я Um (или максимальному значению, если напряжение
имеет несииусоидальиую форму). Постоянный ток в гальванометре равен
я . Поэтому сопротивление R следует рассчитывать по формуле
1 D 1.4U
где U — действующее значение измеряемого напряжения, а 1^, —ток, соот-
ветствующий полному отклонению гальванометра. Входное сопротивление ам-
плитудного вольтметра для схемы рис. 12,13 б составляет Rex *«0,57?, а для
608
схемы рис. 12.13 в оно равно /?ejr«0,33 R. При увеличении частоты до не-
скольких мегагерц и выше Rox уменьшается, так как смазывается шунти-
рующее влияние входной емкости.
Схема рис. 12.13 6 ие защищена от постоянного напряжения, т. е. имеет
открытый вход, а схема с закрытым входом по рис. 12.13 в может применяться
для измерения переменных составляющих пульсирующих напряжений.
Емкость С должна быть такой величины, чтобы за один период напря-
жения наиболее низкой частоты конденсатор разряжался незначительно.
Кроме того, необходимо, чтобы она ие менее чем в 100 раз превосходила ем-
кость анод — катод диода. Рассчитать наименьшую допустимую величину
С в пикофарадах можно по формуле
с_ 20'10а
RfMUH
где f мин — наименьшая частота в герцах, a R — в килоомах.
Пример. Вольтметр по схеме рис. 12.13 б с гальванометром иа 100 мка
должен измерять действующее напряжение до 20 в в диапазоне частот от
100 кгц и выше. Требуется рассчитать элементы схемы. Находим:
1 4-20 20-10’
R = ’ — = 280 ком-, Rex = 140 ком. С = 1()5~ = 700 пФ‘
Это наименьшее значение емкости, но можно взять ее больше. Как видно,
получился вольтметр с сопротивлением 7000 ом иа вольт.
Амплитудный диодный вольтметр обычно градуируется иа действующее
значение синусоидального напряжения. Тогда амплитудное значение синусои-
дального напряжения можно узнать, умножая показания такого вольтмет-
ра на 1,4. Действующее значение напряжения несинусоидальной формы по-
добный вольтметр будет измерять неправильно, так как оно ие равно 0,7
максимального значения. Рассмотренные диодные вольтметры имеют недоста-
точно высокое Rex и требуют применения чувствительного гальванометра.
Кроме того, для низких частот при измерении малых напряжений, когда R
сравнительно невелико, приходится брать очень большую емкость С.
Недостатком диодного вольтметра является начальный анодный ток, су-
ществующий при отсутствии переменного напряжения на аноде. Он объяс-
няется начальной скоростью электронов, вылетающих из катода. Этот ток
создает начальное отклонение стрелки гальванометра, и для измерения мо-
жет быть использована лишь часть шкалы. Для компенсации начального
тока включают второй диод, ток которого проходит через гальванометр в
обратном направлении. Переменное напряжение на этот диод не подается.
Его начальный ток подбирают с помощью переменного сопротивления так,
чтобы при отсутствии переменного напряжения стрелка гальванометра уста-
новилась на нуль. Подобную установку на нуль делают, замкнув накоротко
вход вольтметра, чтобы на нем не могло быть какого-либо индуктированного
переменного напряжения.
На рис. 12.13 а показана схема такого вольтметра, работающего на двой-
ном диоде. Шкала диодных вольтметров несколько сжата вначале за счет
нижнего изгиба характеристики лампы. Вместо вакуумных диодов теперь
удобнее применять полупроводниковые диоды. Их достоинством является от-
сутствие источника накала и начального тока.
Триодные ламповые вольтметры по сравнению с диодными имеют гораз-
до большее входное сопротивление, ио их недостатком является наличие
анодного питания. В большинстве случаев триодный ламповый вольтметр пред-
ставляет собой анодный детектор, у которого изменяется постоянная состав-
ляющая анодного тока Iа==. При подаче на сетку переменного напряжения
7я = увеличивается. Чем больше переменное иаприжение, тем больше /а=.
Таким образом, анодный гальванометр можно отградуировать на величину
измеряемого напряжения. Шкала получается неравномерной,
39—2607 слп
В анодном детекторе всегда имеетси начальный анодный ток Для его
компенсации пропускают от анодного источника через гальванометр дополни-
тельный ток, равный /во. но противоположный по направлению. Наиболее
удобна мостовая схема компенсации (рис. 12.14). В ней сопротивление
К2, R3 и внутреннее сопротивление лампы (вместе с RK) образуют мост. В од-
ну его диагональ включен гальванометр, а в другую — анодный источник. I
Если мост уравновешен, то в гальванометре тока нет. При подаче перемен-
ного напряжения на сетку равновесие моста для постоянного тока нарушается ’
и гальванометр дает отклонение. Схема показана с закрытым входом. Со-
противление Rc должно быть не менее нескольких мегом, чтобы входное
сопротивление было достаточно большим. Разделительный конденсатор С с мо-
жет иметь сравнительно небольшую емкость. Для получения анодного детек-
тирования применено смещение от катодного сопротивления Rk • Конденсатор J
С служит для того, чтобы переменная составляющая анодного тока направ-
лялась к катоду, минуя сопротивления. Одно из сопротивлений Ri, R2, Ri
или RK делается переменным, чтобы можно было осуществить начальную
балансировку моста для установки гальванометра на нуль.
При анодном детектировании недопустимы сеточные токи. Поэтому ам-
плитуда измериемого напряжения не должна превышать величины смеще-
ния, т, е. составляет лишь несколько вольт. Для расширения шкалы можно
Рис. 12.14. Триодные ламповые вольтметры по мостовой схеме
иа входе поставить делитель напряжения (рис. 12.14 6), составленный из боль-
ших сопротивлений. Но иа высоких частотах он не дает одинаковое деление
напряжения иа разных частотах, так как влияют паразитные емкости, шунти-
рующие участки делителя (показаны штриховыми линиями). Измерение более
высоких напряжений при высоких частотах следует осуществлять увеличени-
ем катодного сопротивления, которое создает отрицательную обратную связь.
Действительно, прн увеличении переменного напряжения на сетке возрастает
/о= и увеличивается смещение на сетке. Становится возможным измерять
большие напряжения без захода в область сеточных токов. Кроме того, при
увеличении RK шкала вольтметра становится более равномерной.
Рассмотренный вольтметр можно применить для измерения постоянного
напряжения, которое следует подавать плюсом непосредственно на сетку«
Градуировка для постоянного напряжения получается не такая, как для пе-
ременного напряжения. Если же подавать на сетку минус измеряемого иа- .
пряжения, то начальное отрицательное смещение нужно установить не
более — 1 в. Зажвмы гальванометра при этом надо переключить. Для питании । т
вольтметра пригоден любой выпрямитель, причем хорошее сглаживание пуль-;
саций не требуется. Пока катод не накален, мост сильно разбалансирован, и ,
ток в гальванометре может быть недопустимо большим. Поэтому в схеме >
рис. 12.14 а следует анодное напряжение включать лишь после того, как на- ,
калился катод лампы. От этого недостатка свободна балансная схема, в ко- .
торой вместо сопротивления Rs ставится вторая лампа или применяется
двойной триод (рис. 12.14в). Тогда катоды обеих ламп разогреваются одно-
610
временно и значительной разбалансировки моста не получается. Для баланси-
ровки моста, т. е. установки гальванометра иа нуль, служит потенциометр R.
Подобная схема имеет еще то преимущество, что в ней изменение режима
питания в известных пределах ие нарушает баланса моста, так как в одина-
ковой степени изменяется ток в обеих лампах. Чем более одинаковы лампы
по своим характеристикам и параметрам, тем меиее чувствительная схема к не
очень большим изменениям питающих напряжений. Вольтметр по рис. 12.14в
также пригоден для измерения постоянных напряжений, которые должны
подводиться к сопротивлению Rci.
Схемы, аналогичные изображенным на рис. 12.14, могут быть выполнены
и на транзисторах. Однако у них входное сопротивление получается не таким
высоким, как у ламповых вольтметров. Для увеличения входного сопротивле-
ния транзисторных вольтметров их следует делать по схеме с общим кол-
лектором. Пример такой схемы
дан на рис. 12.15. Здесь основ-
ные нагрузочные сопротивления
Ri и R2 включены в цели эмит-
теров. Установка гальваномет-
ра на нуль при отсутствии
измеряемого напряжения (при
замкнутом накоротко входе)
производится сопротивлением
Rs, а сопротивления Rt—Rj
служат для стабилизации ре-
жима. Следует иметь в виду,
что для более высоких частот
порядка десятков мегагерц
пригодны лишь специальные
высокочастотные транзисторы.
Вольтметры с транзисторами
могут применяться и для измерения постоянного напряжения. Его можно под-
водить ко входу вольтметра, если замкнуть конденсатор С.
Большое распространение получила схема, применяемая в ламповых вольт-
метрах типа ВКС-7 и многих других (рис. 12.16). Первая ступень в ней пред-
ставляет амплитудный диодный вольтметр с закрытым входом. Сопротивле-
ние R имеет величину до десятков мегом, в тогда требуется небольшая
емкость С даже на самых низких частотах. Для диапазона укв лампа Лх
должна быть типа «желудь»,
или пальчиковая, или сверхми-
ниатюрная. Можно использо-
вать триод или более сложную
лампу, включенную диодом.
Еще удобнее вместо Л\ приме-
нить точечный полупроводнико-
вый диод. Так как при измере-
нии напряжения высокой час-
тоты важно уменьшить длину
соединительных проводов, иду-
щих ко входу вольтметра, то
первую ступень обычно делают
выносной, т. е. монтируют ее в
небольшом экранированном
корпусе и соединяют гибким
экранированным кабелем со второй ступенью. Тогда всю первую ступень, на-
зываемую «пробником», можно поднести к участку цепи, на котором изме-
ряется напряжение, и сделать соединение с ним короткими проводничками.
На сопротивлении R получается постоянное напряжение, почти равное
амплитудному значению измеряемого напряжения. Оно подается минусом на
39* 611
Рис. 12.16. Схема лампового вольтметра с
двумя ступенями
сетку лампы второй ступени. Фильтр КфСф не допускает на сетку перемеа- ( Я
ную составляющую выпрямленного напряжении. Величина R ф берется поряд- -Д
ка 10—20 Мол», а Сф— порядка нескольких тысяч пикофарад. Втораи ступень • Я
является усилителем по схеме моста, образованного сопротивлениями Rt, Rt, Я
/?з и внутренним сопротнвлевием лампы (вместе с RK) и дающего возмож- ,.'Я
вость осуществить компенсацию начального анодного тока. Если в этой сту-
пени применен триод с небольшой крутизной, то необходим гальванометр Д
примерно на 0,5 ма. Если же использовать лампу с большой крутизной, на- I
пример 10 ма/в, то можно применить миллиамперметр на 2—3 ма.
Катодное сопротивление Rk создает небольшое начальное смещение, ’ :Й
обеспечивающее работу без сеточных токов. При замкнутых накоротко вход- I
иых зажимах вольтметра изменением этого сопротивления производится 1
начальная балансировка моста для установки стрелки на нуль. Когда на вход и
подается измеряемое напряжение, то на сетку второй лампы поступает до-
полнительное отрицательное смещение от сопротивления R. Оно сдвигает
рабочую точку на сеточвой характеристике влево, баланс моста нарушается
и гальванометр дает отклонение. При некотором значении измеряемого на-
пряжения лампа второй ступени запирается, что соответствует наибольшему
возможному нарушению равновесия моста. Гальванометр в этом случае дает
максимальное отклонение. Если подать еще большее напряжения на вход, то
никакого изменении не произойдет, так как лампа заперта. Таким образом,
ценным качеством вольтметра является го, что подача на вход напряжения,
значительно большего, чем нормальное, не приводит к порче прибора. При
нескольких шкалах сопротивление R можно выполнить в виде делителя с пе-
реключателем, чтобы подавать на вторую лампу часть выпрямленного напря-
жения. Применение делителя на входе вольтметра для высоких частот недо-
пустимо.
Вольтметр легко приспособить дли измерения постоииного напряжения.
Его подают на сопротивление R минусом к сетке лампы. Диод можно не от-
соединять, Градуировка по постоянному напряжению почти точно совпадает
с градуировкой по амплитудам переменного напряжения.
Удобно рассматриваемый вольтметр осуществить полностью на полупро-
водниковых приборах. Для этого в первой ступени применяют, как уже было
указано выше, полупроводниковый диод, а вторую ступень выполняют по
схеме рис. 12.26 или рис. 12.15. В последней схеме, конечно, исключается
входной конденсатор.
При измерении малых напряжений порядка единиц и Десятков милли-
вольт в состав вольтметра вводит предварительный усилитель, который может
иметь несколько ступеней, Чтобы стабилизировать его коэффициент усилении,
в нем применяют отрицательную обратную связь.
Для ламповых или транзисторных вольтметров желательно иметь стабиль-
ные питающие напряжения. Выпрямитель вольтметра часто делают со ста-
билизацией напряжения. В простейшем случае в цепь первичной обмотки си-
лового трансформатора включают реостат. Им устанавливают нормальный
режим питания, включая для контроля сам вольтметр к трансформатору.
Индикаторы напряжений
Наиболее простыми индикаторами постоянных или переменных напряже-
ний являются неоновые лампочки. Как известно, они характеризуются напря-
жением зажигания изаж, которое определяют заранее для данной лампочки
на постоянном напряжении (§ 5.32). Если к неоновой лампе приложено пере-
менное или пульсирующее напряжение, то она зажигается при условии, что
амплитудное или максимальное напряжение на ней не меньше, чем У3аж-
Можно построить простейшие приборы для приближенного измерения напря-
жения с помощью иеоиовой лампы, На рис. 12.17 показан такой прибор для
измерения постоянных напряжений и амплитудных значений напряжений низ-
кой частоты. Измеряемое напряжение подается на делитель Ri, Rt- Лампа
присоединена параллельно Rt. Величина Rt изменяется до тех пор, пока лам-
612
па не загорится. Схема градуируется на постоянном напряжении и градуи-
ровка наносится на шкалу сопротивления Rt. Точность измерения невысока,
так как Uзаж изменяется в зависимости от температуры и старения лампы.
Измерять можно только напряжения выше изаж. Для измерения переменных
напряжений ниже U заж нужен дополнительно повышающий трансформатор
с известным коэффициентом трансформации. Схема также пригодна для из-
мерения максимальных значений пульсирующего напряжения. Если надо из-
мерить амплитуду переменной составляющей такого иапряжения, то вклю-
чают разделительный конденсатор достаточной емкости. Для высоких частот
схема не годится, так как R2 шунтируется междуэлектродной емкостью, со-
противление которой на разных частотах различно. По-
этому прн высокой частоте Ri и R2 заменяют конденса-
торами. Значительная и непостоянная входная емкость
у такого прибора является его недостатком. Вообще
при измерении напряжений высокой частоты на колеба-
тельных контурах присоединение того или иного вольт-
метра, обладающего некоторой входной емкостью, всег-
да расстраивает контур. Приходится восстанавливать
резонанс соответствующим уменьшением емкости кон-
турного конденсатора.
Для определения наличия иапряжения высокой час-
тоты неоновая лампочка во многих случаях подключа-
ется только одним полюсом к той или иной точке схе-
мы. Так как лампочка всегда имеет некоторую емкость
относительно земли, то через эту емкость она оказыва-
ется подключенной параллельно участку цепи. На
рис. 12.18 а дана схема присоединения лампочки к кои-
туру генератора. Штрихом показана емкость лампочки
(корпуса). Аналогично определяется напряжение в линии (рис. 12.186). Ко-
нечно, можно и второй полюс лампочки подключить через большое сопротив-
ление илн через конденсатор очень малой емкости, Прн значительных напря-
жениях неоновая лампочка светится, если она даже непосредственно не
подключена к схеме (рис. 12.18в). В этом случае она оказывается включен-
ной через емкости Ct и С2.
Рис. 12.17. Изме-
ритель напряже-
ния с неоновой
лампой
относительно земли
Рис, 12.18. Неоновая лампочка в качестве индикатора напря-
жения высокой частоты
Следует отметить, что если неоновую лампочку связать индуктивно с ка-
кой-либо цепью, то она будет являться индикатором тока в этой цепи. А лам-
почка накаливания, наоборот, может служить индикатором напряжения, если
ее подключить через большое сопротивление параллельно какому-либо участку
цепи. Например, на рис. 12.19а показано включение лампочки накаливания
одним полюсом к одному проводу линии для определении напряжения. Вто-
рой полюс лампочки соединен с небольшим проводннчком, который имеет
емкость относительно другого провода линии. Детектор с гальванометром
также может быть индикатором напряжения, если применить емкостную связь
его с цепью, в которой определяется напряжение. Такой индикатор с настро-
енным контуром и небольшим штырьком (рис. 12.196) работает как детектор-
ный приемник и может являться также индикатором электрического поля.
Штырек выполняет роль антенны. Его приближают к тем точкам, в которых
612
определяется напряжение, например к различным точкам линии или к виткам
катушки у контура.
Хорошим индикатором напряжения для укв является шлейфный вольт*
метр, предложенный С. И, Надененко. Он представляет собой четвертьволно-
вую линию, замкнутую иа термоэлектрический миллиамперметр возможно
меньшего сопротивления. На рис. 12.20 показано подключение шлейфного
вольтметра для измерения напряжения в фндере. Входное сопротивление
такого вольтметра на зажимах АБ весьма велико и определяется по формуле
(см. § 4.8).
Рис. 12.19, Лампочка накаливания в качестве инди-
катора напряжения (а) и индикатор с детектором и Рис. 12.20. Шлейф-
гальванометром (б) ный вольтметр
где ZB — волновое сопротивление линия вольтметра, a Rn — сопротивление
миллиамперметра. Например, если Zc=500 ом, а Рп=5 ом, то Zex =
=5002 : 5=50 000 ом.
Длина линии шлейфного вольтметра для разных волн должна быть раз-
лична, Но для узкого диапазона можно делать линию вольтметра с постоян-
ной длиной. Чтобы точно подобрать длину линии, миллиамперметр укрепляют
на подвижном мостике. Перемещая его, настраивают линию вольтметра по
максимальному показанию миллиамперметра. Шлейфный вольтметр можно
отградуировать с помощью лампового вольтметра. Вместо термомиллиампер-
метра иногда включают магнитоэлектрический гальванометр с полупроводни-
ковыми диодами или лампочку накаливания.
Градуировка вольтметров
Вольтметры для постоянного напряжения градуируют на постоянном на-
пряжении. Для градуировки детекторных и ламповых вольтметров перемен-
ного напряжения обычно пользуются сетевым напряжением с частотой
50 гц. Ламповые вольтметры дли высоких частот желательно градуировать с
помощью напряжения высокой частоты, но ие всегда имеется эталонвый
вольтметр для таких частот. А на частоте 50 гц в качестве эталонного при-
бора можно использовать хороший электромагнитный вольтметр.
Чаще всего пользуются схемой рис. 12.21 а, в которой эталонный вольт-
метр V a и градуируемый вольтметр V соединены параллельно, а напряжение
регулируется потенциометром. Если нужно произвести градуировку на низкие
напряжения, а источник, например выпрямитель или сеть, дает большое
напряжение; то потенциометр питают через добавочное поглощающее сопротив-
ление или через понижающий трансформатор. Иногда эталонный вольтметр
рассчитан на более низкие или более высокие напряжения, чем нужные для
градуировки. В этом случае между вольтметрами включают трансформатор
с известным коэффициентом трансформации или делитель напряжения с из-
вестным коэффициентом делении напряжения (рис. 12.21 б и в).
При этом иадо, чтобы сопротивление участка делителя, параллельно ко-
торому присоединен вольтметр (R\ на рис. 12.21 в), было во много раз мень-
614
ше входного сопротивления вольтметра, т. е. чтобы шунтирующее влияние
вольтметра было незначительным. Для вольтметра, присоединенного^ ко все-
му сопротивлению делителя, это не требуется. Например, эталонный вольт-
метр V s на рис, 12.21 в может иметь малое сопротивление.
Специально для градуировки вольтметров на доли вольта применяют схе-
му рис. 12.21 г, в которой напряжение подается на тонкий высокоомный про-
водник длиной в 1 м, а градуируемый вольтметр присоединяется к различным
участкам этого проводника. На каждый 1 см длины последнего приходится
0,01 доля напряжения, измеряемого эталонным вольтметром.
Рис. 12.21. Схемы для градуировки вольтметров
Иногда в качестве эталонного прибора применяют амперметр или милли-
амперметр. Ток, измеряемый этим прибором, пропускают через известное со-
противление R (рис. 12.21 д), на котором получается известное напряжение.
Параллельно R присоединяется градуируемый вольтметр. Величина тока ре-
гулируется реостатом. Если напряжение нужно снизить, то между сопротив-
лением R и вольтметром включают делитель.
§ 12.3. ИЗМЕРЕНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЙ
Метод вольтметра и амперметра (миллиамперметра)
Для измерений по этому методу нужны два прибора (рис. 12.22а и б).
Сопротивление определяется по закону Ома. Схема рис. 12.22 а применяется
дли сопротивлений, во много раз меньших, чем сопротивление вольтметра, а
схема по рис, 12.22 6 — для сопротивлений, значительно больших, чем сопро-
тивление амперметра. Можно пользоваться одним амперметром, если напря-
жение источника известно и его внутреннее сопротивление невелико.
Сопротивление порядка десятков мегомов и больше можно измерить, при-
соединив его последовательно с микроамперметром к источнику тока на
100—300 в. Например, если источник имеет 200 в и микроамперметр на 100 мка
при таком измерении показал ток 8 мка, то сопротивление равно
„ 200
Rx == = 25- 10е ом = 25 Мом.
о* 10
Чтобы не сжечь микроамперметр, надо последовательно включить предо-
хранительное сопротивление, величина которого равна напряжению источ-
615
ннка, деленному иа ток, соответствующей полному отклонению стрелки при-
бора. В рассмотренном примере такое сопротивление равно
200
/?=бтто^=2Л1ол1-
и тогда истинное значение Rx при величине тока 8 мка равно 23 Мом.
Метод замещения
Гальванометр, миллиамперметр или вольтметр включается поочередно по-
следовательно с измеряемым сопротивлением Rx и с магазином сопротив-
лений (рис. 12.22 в). Величину Rx определяют, подбирая на магазине сопро-
тивление, при котором отклонение стрелки прибора такое же, как и прн R х.
Метод дает большую точность и не требует точно градуированного прибора.
Метод сравнения
Измеряемое сопротивление Rх включается последовательно с известным
сопротивлением R (рис. 12.22 г), и с помощью вольтметра, имеющего сопротив-
ление много больше Rx и R, измеряют напряжения на этих сопротивлениях
Ut и U2. Величину Rx можно иайти из пропорции: Rx- R=Ut: U2, откуда
Чем ближе друг к другу величины Rx и R, тем точнее измерение.
Метод вольтметра
Этот метод (рис. 12.22 д) является наиболее простым, хотя не вполне точ-
ным. Для него требуется только один вольтметр с известным сопротивлением
Re., Если оно неизвестно, то надо его измерить. Иногда на вольтметре бы-
вает указан ток, потребляемый при полном отклонении стрелки. Тогда мож-
но найти R е, разделив напряжение, соответствующее этому отклонению, на
Рис. 12.22. Схемы для измерения сопротивлений на постоянном
токе
ток. Сначала измеряют напряжение источника Ut, а затем последовательно
включают сопротивление Rx- При этом вольтметр покажет напряжение U2,
меньшее, чем U>. Величина Rx определяется по формуле
(77 -1).
\иг /
Наибольшая точность измерения будет при Rx = Re. Не следует такой
метод применять для измерения сопротивлений, меньших, чем 0,1 Re, или
616
больших, чем 10 Re- Источник тока должен иметь малое внутреннее сопро-
тивление, чтобы напряжение Ui при изменении сопротивления цепи остава-
лось практически постоянным. Если же он имеет значительное внутреннее со-
противление (например, выпрямитель), то следует его нагрузить на сопротив-
ление, много меньшее, чем Re (рис. 12.22 е). Тогда изменение сопротивления
цепи вольтметра не будет заметно изменять напряжение источника.
Омметры
На рис. 12.23 а показана последовательная схема омметра. В иее входят
миллиамперметр, источник тока (элемент или батарейка), добавочное сопро-
тивление R и переменное сопротивление Rt. Когда зажимы измеряемого со-
противления Rx разомкнуты, то в приборе тока нет, и положение стрелки,
находящейся в начале шкалы, отмечается знаком о=, что соответствует бес-
конечно большому Rx- При замыкании зажимов Rx накоротко ток в приборе
максимален, и стрелка должна дать полное отклонение, которое отмечается
Рис. 12.23. Омметры по последовательной (а) н па-
раллельной (б) схемам
знаком 0. Различным значениям Rx соответствуют различные токи, а следо-
вательно, н различные отклонения стрелки. Шкала прибора градуируется в
омах. Она получается неравномерной (сжатой в области больших сопротив-
лений). Измерения с достаточной точностью получаются при Rx в преде-
лах от 0,1 R до 10 R. Изменяя Rt, которое в 10—20 раз больше сопротив-
ления самого прибора, можно в некоторых пределах компенсировать
изменение иапряжения батареи. Ручкой переменного сопротивления Ri перед
началом измерения устанавливают стрелку на нуль, замкнув накоротко за-
жимы Rx-
В некоторых омметрах для установки нуля вместо электрического шунта
Ri применяется магнитный шунт в виде стальной пластинки, которую можно
перемещать между полюсами магнита миллиамперметра. В пластинку ответ-
вляется часть магнитного потока, и. таким образом, регулируется чувствитель-
ность прибора. Обычный корректор, имеющийся у всех приборов и вращае-
мый отверткой, служит в омметрах для установки стрелки на оо. Перед
пользованием омметром сначала проверяют установку на оо и, если нужно,
поправляют ее с помощью корректора, а затем осуществляют установку на
нуль ручкой шунта. Если не удается установить стрелку иа нуль, то это сви-
детельствует об истощении батарейки. Для расширения пределов измерения в
сторону больших значений R х надо увеличить R и напряжение батареи.
Измерение малых сопротивлений иногда производят по схеме параллель-
ного омметра (рис. 12.23 6), в которой Rx присоединяется параллельно милли-
амперметру, а добавочное сопротивление R должно быть значительно боль-
ше сопротивления самого прибора Rn. Для установки на бесконечность (при
разомкнутых зажимах Rx ) служит переменное сопротивление Ri. В этом
омметре шкала имеет нуль слева, а бесконечность справа. Пределы изме-
ряемых сопротивлений примерно от 0,1 Rn До Rn.
Специальные омметры для измерения очень больших сопротивлений на-
зываются мегомметрами. В качестве источника тока они обычно имеют ин-
дуктор, т. е. магнитоэлектрический генератор, вращаемый с помощью руч-
617
ки и дающий напряжение порядка 100—200 в. Такие приборы могут быть
и с питанием от выпрямителя или преобразователя.
Поскольку основной частью омметра является магнитоэлектрический при-
бор, то ои может быть использован также для измерения тока и напряже-
ния. Поэтому большое распространение получили универсальные комбиниро-
ванные приборы ампервольтомметры или, короче, авометры. В них одни и
гот же гальванометр с помощью переключателя соединяется с шунтами, до-
бавочными сопротивлениями и источником питания (обычно в виде бата-
рейки) и используется для измерения токов, напряжений и сопротивлений.
Для переменных токов и напряжений в нем применяются полупроводниковые
диоды.
С целью увеличения чувствительности авометра при измерении тока, повы-
шения его входного сопротивления при измерении напряжения и возможности
измерения высоких сопротивлений при небольших напряжениях питания в
авометр добавляют ламповый или транзисторный усилитель. Такие авометры
позволяют измерять сопротивления до десятков мегом и более, токи от еди-
ниц микроампер до единиц ампер, напряжения от единиц милливольт до
тысяч вольт при входном сопротивлении в согни килоом на вольт.
Метод моста
На рис. 12.24 показаны схемы мостов для измерения сопротивлений. При
равновесии моста, т. е. при отсутствии тока в диагонали АБ, сопротивления
плеч моста находятся в следующем соотношении: Rx /?2=/?1/?з. Иначе говоря,
условие равновесия (или баланса) моста заключается в том, что произведения
сопротивлений противолежащих плеч должны быть равны. Отсюда
R - — R
R*~ R2 Ra
В схеме рис, 12.24 а сопротивление /?з является эталонным, а сопротивле-
нии Rt и Ri представляют собой тонкую реостатную проволоку или выпол-
няются в виде потенциометра. С целью получения равновесия моста изменя-
ют с помощью ползунка А отношение Rt: R?. В схеме рис. 12.24 б Rt н R2 —
Рис. 12.24. Схемы мостов для измерения сопротивлений
эталонные сопротивления, причем можно устанавливать то или иное их отно-
шение, нацример, 100: 1, 10: 1, 1: 1, 1: 10, 1: 100 и т. Д., a Rs— переменное
сопротивление, регулировкой которого получается баланс моста.
Для таких мостов Достаточная точность измерения получается при
отношении Rt: R2 в пределах от 0,1 до 10. Наибольшая точность соответст-
вует случаю Rt : /?2= 1. Вообще для получении точных измерений желатель-
но, чтобы все плечи моста имели примерно одинаковые сопротивления.
Если мост питается постоянным током, то в качестве индикатора приме-
няется гальванометр с нулем посредине шкалы. Так как в начале измерения
618.
мост может быть сильно разбалансирован, то следует уменьшить чувстви-
тельность гальванометра, чтобы он не был сожжен. Для этого гальванометр
шунтируют переменным сопротивлением или постоянным сопротивлением с
выключателем (рис. 12.24 в и г). Когда равновесие найдено с зашунтирован-
ным гальванометром, шунт выключают и более точно устанавливают равно-
весие.
Иногда мост питают переменным током с частотой в сотни герц от звуко-
вого генератора и в качестве индикатора применяют телефон. Равновесие
моста соответствует исчезновению или минимуму звука в телефоне, Телефо-
ном можно пользоваться и прн питании моста постоянным током. Тогда рав-
новесие определяют по пропаданию или наиболее слабому звуку щелчков в
телефоне при замыкании и размыкании выключателя в цепи источника.
Пробники
Для грубой проверки сопротивления различных деталей и цепей пользу-
ются пробниками. На рис. 12.25 показано несколько вариантов их устройства.
Проводники а и б присоединяются к проверяемой цепи. Пробник с лампочкой
требует неразряженных элементов и пригоден для проверки цепей, имеющих
сопротивление, не превышающее во много раз сопротивление лампочки. Дру-
гие пробники могут работать со значительно разряженными элементами.
Рис, 12.25. Различные типы пробников:
а} с лампочкой накаливания, б) с вольтметром, в) с миллиампер-
метром, г) с телефоном
Пробники с вольтметром и миллиамперметром примерно равноценны.
Сопротивление R, включенное последовательно с миллиамперметром, подби-
рается так, чтобы при замыкании накоротко проводов а и б прибор давал
полное отклонение. Зная величину R, можно по отклонению стрелки прибли-
зительно судить о сопротивлении проверяемой цепи, т. е. применять пробник
в качестве простейшего омметра. Если напряжение батарейки пробника неве-
лико, то им нельзя проверять цепи с большим сопротивлением. Например,
если напряжение батарейки 4 в, а миллиамперметр взят на 10 ма с доба-
вечным сопротивлением R=4:0,01=400 ом, то при проверке цепи с сопро-
тивлением в 1 Мом ток равен 4: 1 000 000=4 • 10 ~6 а или 4 мка. Конечно,
стрелка миллиамперметра при этом токе останется на нуле.
Наиболее чувствителен пробник с телефоном, работающий при токах в
доли микроампера, Присоединяя его к цепи с сопротивлением даже в не-
сколько мегом, мы услышим в телефоне щелчок при замыкании и размыка-
нии. Это означает, что цепь не имеет обрыва для постоянного тока. По гром-
кости щелчков можно грубо судить о порядке сопротивления цепи. Если для
постоянного тока цепь не имеет проводимости, то слабый щелчок обычно по-
лучается только при замыкании нз-за наличия в цепи емкости, Например,
если проверяется обмотка трансформатора и слабый щелчок слышен в мо-
мент замыкания, а при размыкании его нет, то обмотка имеет обрыв. Две
части такой обмотки образуют конденсатор, на заряд которого пройдет не-
который ток в момент замыкания. То же наблюдается прн проверке отсут-
>619
ств-ия замыкания обмотки с сердечником. При проверке конденсаторов щел-:
чок при замыкании и отсутствие щелчка в момент размыкания показывают,
что конденсатор исправен (не пробит и не имеет значительной утечки).
У исправного конденсатора щелчок прн замыкании получается тем громче,
чем больше емкость. Пробник с измерительным прибором при испытании ис-
правного конденсатора дает отклонение стрелки в момент замыкания, а за-
тем стрелка становится на нуль. Однако при небольшой емкости конденсатора
зарядный ток мал и пробник с измерительным прибором оказывается недо-
статочно чувствительным.
Утечка в конденсаторе может быть определена по времени, в течение ко-
торого конденсатор держит заряд. Конденсатор заряжают и сразу же раз-
ряжают на вольтметр или на телефон, замечая величину отклонения стрелки
или громкость щелчка. Затем снова заряжают конденсатор и разряжают его
через несколько десятков секунд. Тогда, чем больше утечка, тем меньше от-
клонится стрелка или тем слабее щелчок в телефон. Конденсаторы неболь-
шой емкости следует испытывать на телефон. Электролитические конденса-
торы, имеющие сравнительно большую утечку, испытывают на разряд через
несколько секунд,
При проверке деталей в схеме надо проследить влияние на них других де-
талей и в случае необходимости отсоединить их. Например, нельзя проверять
на утечку конденсатор, если он шунтирован сопротивлением. Проверять со-
противление в схеме можно только в случае, если оно не шунтировано дру-
гими сопротивлениями или если шунтирующие сопротивления во много раз
больше проверяемого. Разумеется, что прн проверке деталей в схеме источ-
ники питания данной схемы должны быть отсоединены,
§ 12.4. ГЕНЕРАТОРЫ ЗВУКОВОЙ ЧАСТОТЫ
Генераторы звуковой частоты или звуковые генераторы (ЗГ) применяют-
ся для различных измерений, а также при испытании усилителей, приемников
и передатчиков. Эти генераторы должны иметь стабильные частоту, амплиту-
ду и градуировку, давать чисто синусоидальные колебания, иметь нужный
диапазон с удобной настройкой и удобной градуировкой на шкале, давагь
выходную мощность и выходное напряжение нужной величины с возможно-
стью их регулировки. Желательно, чтобы схема и конструкция генератора
были возможно проще. Питание генераторов должно быть экономичным. Ойо
обычно осуществляется от выпрямителя. Для улучшении стабильности часто-
ты применяют стабилизацию питающих напряжений.
Генераторы звуковой частоты на L и С непосредственно генерируют коле-
бания звуковой частоты. Они имеют контуры из индуктивностей и емкостей,
настраиваемые на необходимые частоты. С такими контурами трудно пере-
крыть диапазон звуковых частот от 20 до 20 000 гц, в котором частота изме-
няется в 1000 раз. Произведение LC надо изменять в 1000 000 раз! Кроме
того, для получения частот порядка десятков герц нужны очень большие ин-
дуктивности. Их можно создать только с помощью громоздких катушек с
большим. числом витков и ферромагнитными сердечниками, вносящими нели-
нейные искажения. Поэтому звуковые генераторы на L и С применяются на
одну или несколько фиксированных частот. Например, для простейших испы-
таний приемников и усилителей пользуются звуковым генератором на частоту
400 или 1000 гц, которая принята в качестве средней частоты, при подобных
испытаниях. Эти генераторы имеют обычно одну лампу и индуктивную или
автотрансформаторную обратную связь. Стабильность частоты даже в генера-
торе с самовозбуждением получается сравнительно хорошей.
Пример схемы простейшего генератора показав на рис. 12.26. В качестве
катушки L и Lt можно использовать междуламповый или иной маломощный
трансформатор низкой частоты. Конденсатор С подбирается Для получения
нужной частоты. Потенциомегр Ri служит для регулировки выходного на-
пряжения. Если индуктивность обмоток трансформатора велика,' то даже без
620
R
конденсатора С может получиться слишком низкая частота. Роль емкости
контура в этом случае выполняет собственная емкость трансформатора.
Если нужны различные частоты, то делают отводы от обмоткн или присоеди-
няют конденсаторы различной емкости. Сеточное сопротивление Rc уменьшает
расход анодного тока н стабилизирует амплитуду колебаний. Для улучшения
формы колебаний в анодную цепь включено сопротивление R в несколько
десятков или сотен килоом. Чем оно
больше, тем меньше гармоник созда-
ет генератор, но зато тем меньше его
полезная мощность. Когда R очень
велико, то генератор вообще не бу-
дет работать. Ослабление гармоник
дает также применение отрицатель-
ной обратной связи по току. Для
этого в провод катода включают со-
противление в несколько сотен или
тысяч ом, не зашунтированное кон-
денсатором. В таком генераторе име-
ется значительное влияние выходной
6bix.
нагрузки на частоту. Прн регулировке рис. 12.26. Схема простейшего гене-
выходного напряжения потенциомет- ратора звуковой частоты
ром Ri наблюдается заметное изме-
нение частоты. Более высокую ста-
бильность частоты можно получить, применив еще усилительную ступень, а
также в генераторе с электронной связью или по транзисторной схеме.
Простейшие звуковые генераторы на фиксированную частоту для испыта-
ния усилителей могут быть построены с одним транзистором. На рис, 12.27
показаны примеры таких генераторов по схемам с общим эмиттером
Рис. 12.27. Простейшие транзисторные
частоты
генераторы звуковой
(рис. 12.27 а) н с общей базой (рис. 12.27 6). В этих генераторах сопротив-
ление R в цепи коллектора беретси порядка десятков или сотен килоом, а
конденсатор С емкостью в сотые доли микрофарады подбирается для полу-
чения нужной частоты. Смещение на базу в схеме рис. 12.27 а подается через
сопротивление Rt, имеющее единицы или десятки килоом. Конденсатор Ct в
обеих схемах должен быть емкостью в десятые доли нли целые микрофарады.
Напряжение источника составляет 1,5—4,5 в. Подобные генераторы могут
давать напряжение звуковой частоты до 1 в. Конечно, форма напряжения у
них заметно отличается от правильной синусоидальной. Для повышения ста-
бильности, частоты и амплитуды в этих генераторах следует применить стаби-
лизацию режима,
521
Генераторы звуковой частоты на биениях по сравнению с генераторами
на L и С значительно сложнее и обладают менее стабильной частотой. Од-
нако большим их преимуществом является возможность перекрытия диапа-
зона звуковых частот без переключений и без устройства громоздких конту-
ров,
В генераторе звуковой частоты, работающем по методу биений (рис. 12 28),
имеются два высокочастотных генератора: Гi с постоянной частотой и Гг с
частотой, изменяющейся в некотором узком диапазоне. Частоты этих генера-
торов обычно выбираются порядка 100—200 кгц. На схеме рис. 12.28 а для
На
фипЬтр
Рис. 12.28. Блок-схема генератора звуковой частоты на бие-
ниях
примера взяты 71=200 кгц и /2=180—200 кгц. Колебания обоих генераторов
подаются на детектор (преобразователь частоты) Д, где оии складываются и
образуют бнення. В результате детектирования биений на выходе детектора
получаются колебания с разностной частотой F=ft—ft- Изменяя частоту ft
от 200 до 180 кгц, можно получить после детектора колебания с частотой F
от 0 до 20 кгц. Это достигается изменением частоты ft на 10%, что легко
осуществить. Весь диапазон звуковых частот можно перекрыть одним пово-
ротом конденсатора генератора Г2,
Колебания звуковой частоты от детектора подаются на усилитель низкой
частоты. Чтобы на выходе генератора отсутствовали высокочастотные колеба-
ния, после детектора включается фильтр Ф, состоящий из дросселей высо-
кой частоты н конденсаторов. Для повышения стабильности звуковой частоты
генераторы А и Гг делают по возможности одинаковыми, чтобы от различ-
ных внешних причин их частота изменялась одинаково. К сожалению, гене-
раторы Ft и Г2 не могут быть вполне одинаковыми, так как один из них име-
ет постоянную частоту, а другой — переменную. Контуры у них устроены
различно. Это приводит к нестабильности звуковой частоты, особенно иа
низких звуковых частотах, когда ft н ft близки друг к другу. Действительно,
предположим, что под влиянием нагрева частота ft изменилась на 100 гц, а
ft — на ПО гц. Частота F, очевидно, изменится на 10 гц. Если это произошло,
когда F установлена порядка тысяч герц, то изменение иа 10 гц мало замет-
но, но если Г=50 гц, то изменение ее на 10 гц составляет 20%, что недопу-
стимо. В этом заключается главный недостаток таких генераторов.
Из-за нестабильности частоты нарушается правильная градуировка и для
ее коррекции в контур одного из генераторов включается подстроечный кои-
622
денсатор С. Коррекцию градуировки делают по нулевым биениям, устанавли-
вая на шкале генератора F=0 гц н добиваясь с помощью корректора С по-
лучения действительно нулевой частоты. Момент получения F=0 определя-
ется по выходному вольтметру или по электронно-световому индикатору. Ког-
да F равна нескольким герцам, то стрелка вольтметра нли затемненная часть
экрана индикатора совершают колебания с этой частотой. Прн приближения
частоты F к нулю колебания становятся все медленнее н прекращаются, ког-
да /’=0. Иногда коррекцию градуировки производят на частоте 50 гц. Для
этого в усилитель низкой частоты генератора при коррекции подают колеба-
ния с частотой сети, например, от цепи накала. На выходе эти колебания
складываются с колебаниями генератора я образуют вторичные биения. Вы-
ходное напряжение пульсирует с частотой этих биений. Если эта частота
близка к нулю, то наблюдаются медленные колебания стрелки выходного
вольтметра илн затемненной части экрана индикатора. Установив на шкале
генератора 50 гц, при помощи корректирующего конденсатора С добиваются
уменьшения частоты этих колебаний до нуля, что соответствует F=50 гц.
Коррекцию градуировки приходится делать всегда перед началом работы с
генератором.
Чем больше разница между напряжениями Ui и U2, поступающими от ге-
нераторов Г1 и Г2 на детектор, тем меньше гармоник содержит выходное на-
пряжение U еых> хотя величина его уменьшается. Практически напряжение
Ui в 20—30 раз меньше, чем 1/2. Кроме того, для уменьшения гармоник в
напряжении Vвых необходимо не допустить в детектор гармоники одногЪ из
генераторов. Поэтому колебания от генератора Гt обычно пропускают через
фильтр, содержащий контуры, настроенные на частоту Л. Для уменьшения
нелинейных искажений детектор и усилитель низкой частоты делают по двух-
тактной схеме. Регулировку выходного напряжения удобно осуществлять по
схеме рис. 12.28 а, т. е. изменением напряжения Hi.
В генераторах этого типа может наблюдаться явление захватывания, на-
зываемого иначе увлечением или принудительной синхронизацией. При ма-
лой разнице между частотами ft и )2 колебания одного генератора, например
Г2, проникая в другой генератор, могут увлечь его за собой, т, е. заставить
работать с частотой )2, а не ft. Тогда получатся нулевые биения и не удастся
создавать колебания низких звуковых частот. Необходимо уничтожить вся-
кую связь между генераторами Ft и Г2. Они должны быть тщательно экра-
нированы. В цепи их питания включаются развязывающие фильтры. Прини-
маются меры для устранения связи генераторов через детектор. Для этого
хорош двухтактный или балансный детектор (рнс. 12.28 6). Две половинки
катушки Li и входные емкости ламп Л, и Л2 образуют уравновешенный мост,
к диагоналям которого подводятся напряжения от генераторов Л и Г2. Если
детектор однотактный, то на входе его устанавливают мост нз четырех оди-
наковых сопротивлений или емкостей (рнс. 12.28 в). Можно также применить
в детекторе многосеточную лампу (например, гептод) и подвести напряже-
ния от генераторов к ее управляющим сеткам.
Желательно, чтобы генераторы Л и Г2 были возможно более стабильны;
хороши, напрнмер, генераторы с электронной связью илн транзитроиные.
Звуковые генераторы на R и С получили широкое распространение. Чаще
всего применяется схема рис. 12.29 а. Она представляет собой усилитель низ-
кой чстоты с двумя ступенями на сопротивлениях, в котором с выхода на
вход даны положительная и отрицательная обратные связи. Положительная
обратная связь, необходимая для самовозбуждения, осуществляется с по-
мощью делителя, составленного нз конденсаторов CtC2 и сопротивлений RtR2.
Один участок этого делителя имеет параллельное соединение Ct и Rt, а дру-
гой — последовательное соединение С2 н /?2.
Работа схемы происходит следующим образом. Пусть на сетку лампы Л,
попал какой-то нмпульс напряжения Uci,. Он усиливается в первой ступени
и при этом изменяет свою фазу на обратную. После второй ступени фаза
.623
напряжения снова изменяется на обратную, т. е. напряжение на выходе U вых
совпадает по фазе с напряжением U а. Для самовозбуждения необходимо по-
дать часть напряжения ивых обратно на сетку лампы Jit без изменения его
фазы, чтобы это напряжение положительной обратной связи Ut совпало по
фазе с напряжением Ua . Как показывает теория, такое условие выполняет-
ся только для одной определенной частоты, зависящей от величин емкостей
и сопротивлений делителя положительной обратной связи. Вследствие этого
могут генерироваться колебания только одной частоты. Это способствует по-'
лучению чисто синусоидальных колебаний. Чтобы изменить частоту, нужно
изменить емкости и сопротивления делителя,
Рис. 12.29. Схема генератора звуковой частоты типа RC
Практически емкости Ct
одинаковыми. Обозначим их
колебаний f оказывается, что R
н С2, а также сопротивления Rt и Rs берутся
через С и R. Тогда для частоты генерируемых
„ — . Отсюда получаем
2п/С
2r.CR
Если делитель положительной обратной связи составить ,дз однородных,
например, активных сопротивлений, то условие самовозбуждения выполняет-
ся для любой частоты и станет возможна генерация несинусоидальных коле-
баний, содержащих колебания высшнх гармоник. Однако применение специ-
ального делителя еще недостаточно для получения чисто синусоидальных ко-
лебаний. Дело в том, что этот делитель уменьшает напряжение только в 3 ра-
за, т. е. иг~ивых.З. Но общий коэффициент усиления двух ступеней го-
раздо больше, чем 3. Поэтому на сетку Jit попадает очень большое напряже-
ние, которое перегружает лампу и вызывает сильные нелинейные искажения.
Для ограничения амплитуды колебаний в пределах прямолинейного участка
характеристик ламп применена отрицательная обратная связь с коэффициен-
том р, немного меньшим, чем */s. Если Р=*/з, то отрицательная обратная
связь полностью компенсирует положительную и генерация ие получится.
При меньшем значении Р положительная связь сильнее н возникает генерация.
Отрицательная обратная связь уменьшает нелинейные искажения и по-
вышает устойчивость работы генератора. Цепь отрицательной обратной связи
образована сопротивлениями Rs и Rm . Коэффициент обратной связи равен
В= •
+ Rki
Сопротивление Rs должно быть переменным для того, чтобы можно было
подобрать нужную величину р. Для повышения устойчивости работы гене-
ратора и уменьшения нелинейных искажений частью катодного сопротивления
624
RK1 служит лампочка накаливания. При возрастании тока сопротивление
увеличивается. Если почему-либо амплитуда колебаний возрастает, то ток в
лампочке увеличится, ее сопротивление возрастет и Р увеличится, что приве-
дет к уменьшению амплитуды колебаний. Так как сопротивление лампочки
должно быть значительным, то обычно применяют несколько лампочек, со-
единенных последовательно. Наиболее подходят лампочки на 26 в и 0,15 а
или маломощные малогабаритные лампы на 220 в.
Приведенная формула для частоты показывает преимущества генератора
на 7? н С по сравнению с генератором на L н С, Для изменения частоты от
20 до 20 000 гц в генераторе на L и С надо изменить произведение LC в
1 000 000 раз. А в генераторе на R и С для этого произведение RC достаточно
изменить только в 1000 раз, что осуществляется значительно проще. Конден-
саторный блок С1С2 может дать изменение емкости в 10 раз, a Rt и R? со-
ставляются каждое из трех сопротивлений, отличающихся друг от друга в
10 раз. Их включает переключатель диапазонов. Рассчитать сопротивления
нетрудно. Пусть, например, емкость конденсаторного блока изменяется (с
учетом емкости монтажа) от 40 до 400 пф. Наибольшее сопротивление соот-
ветствует частоте 20 гц и максимальной емкости 400 пф. Найдем его
R= —-— =---------------------—«20- 10е ом=20 Мом.
2r.fC 6,28-20-400-10 ~ 2
С этим сопротивлением получится диапазон частот от 20 до 200 гц. Со-
противление для диапазона 200—2000 гц надо взять в 2 Мом. А для 2000—
20 000 гц берут сопротивление 0,2 Мом. Таким образом, весь диапазон 20—
20 000 гц достаточно разбить на три части.
Для выравнивания емкостей Ct н С2 параллельно С2 включается подстро-
ечный конденсатор С$ (рис. 12.29 а). На схеме рис, 12.29 а для упрощения не
показаны цепи экранирующих сеток. Часто включают еще оконечную ступень
усиления. Регулировка выходного напряжения производится потенциометром
на выходе второй ступени. Выход звукового генератора делают чаще всего
трансформаторным на два различных напряжения (ннзкоомный выход и вы-
сокоомный). Помимо сравнительной легкости перекрытия диапазона, досто-
инствами RC генератора являются отсутствие громоздких катушек с сердеч-
никами, характерных для генераторов на L и С, н значительно большая ста-
бильность частоты, чем у генераторов на биениях.
Недостатком генератора на R н<С является необходимость применения
блока конденсаторов. При этом возникает следующее неудобство. Если ротор
блока соединить с сеткой Ли то станину надо изолировать от шасси и нельзя
вывести ось иа переднюю панель, так как приближение руки к ней будет из-
менять емкость, а следовательно, и частоту. Для устранения этого надо ротор
конденсатора Ct заземлить, ио тогда его придется изолировать от ротора С2.
Более удобна схема подачи положительной обратной связи по рис; 12.296.
В ней для данного поддиапазона, например 20—200 гц, установлены два де-
лителя. Один из них рассчитан на частоту 20 гц, другой — на 200 гц. Пере-
мещая соединенный с сеткой лампы Л) ползунок потенциометра R, можно
плавно изменять частоту, Для перехода на следующий поддиапазон надо
отсоединить конец потенциометра, соединенный с делителем иа 20 гц, и пере-
ключить его к следующему делителю, рассчитанному на 2000 гц. В данной
схеме R должно быть, по крайней мере, в 7 раз больше, чем Rt или Л2. Поэто-
му Rt и R2 здесь берут меньше, чем в предыдущей схеме, a Ci и С2 — соот-
ветственно больше. Недостаток схемы заключается в том, что выходное на-
пряжение генератора получается непостоянным. Оно наименьшее в среднем
положении ползунка потенциометра R. Звуковые генераторы типа RC по
схемам, подобным рис, 12.29, могут также успешно работать на транзисто-
рах.
40—2607 . 625
При испытании и налаживании усилителей низкой частоты на вход уси-
лителя подается через какой-либо делитель малое напряжение от звукового
генератора. Выход усилителя нормально нагружается, н напряжение иа вы-
ходе измеряется вольтметром. Зиая Uex нивых, определяют коэффициент
усиления. Изменяя частоту генератора, можно снять частотную характери-
стику усилителя, а также проверить на различных частотах работу регулято-
ра тона и регулятора громкости. Наблюдая форму выходного напряжения с
помощью электронного осциллографа (см. § 12.6), можно установить степень
нелинейных искажений, вносимых усилителем. Звуковые генераторы необхо-
димы также для испытания модуляционных устройств передатчиков, пита-
ния измерительных мостов н во многих других случаях.
§ 12.5. ГЕНЕРАТОРЫ СИГНАЛОВ
Для испытания н налаживания приемников и для других измерений при-
меняются генераторы сигналов (ГС). Они являются имитаторами сигналов
передающих радиостанций, работающих на различных частотах, имеющих
различную мощность н различно удаленных от приемника. Проводить испы-
тание и налаживание
приемника с помощью
сигналов радиостан-
ций неудобно, так как
станции не всегда ра-
ботают. Кроме того,
во время передачи
музыки или речи амп-
Рис. 12.30. Блок-схема испытания прием- литуда колебаний все
ннка от генератора сигналов время меняется. На-
блюдается замирание
сигналов. Все это мешает делать измерения. Эти недостатки отсутствуют при
пользовании генератором сигналов. Он дает сигналы нужной частоты с по-
стоянной амплитудой и постоянным коэффициентом модуляции.
Испытание приемника с помощью генератора сигналов показано на блок-
схеме рис, 12.30. На вход приемника через эквивалент антенны, т. е. контур,
заменяющий антенну, подается небольшое модулированное напряжение вы-
сокой частоты от генератора. Для средних воли параметры эквивалента
обычной приемной антенны равны: СА =200 пф, ЬА =20 мкгн, RA =25 ом.
Так как индуктивность антенны играет малую роль, то упрощенно можно
считать ее равной нулю. Для коротких волн параметры эквивалента: СА —
=200 пф н RA =400 ом. Измерив эдс Е на входе приемника, создающую
нормальное напряжение на выходе 17вых, определяют чувствительность при-
емника. Изменяя частоту генератора в небольших пределах или расстраивая
приемник, по изменению U вых судят об избирательности. Удобно определять
избирательность следующим образом. После точной настройки генератор
расстраивают, например, на 10 кгц. При этом Ueux уменьшается. Тогда уве-
личивают напряжение генератора так, чтобы VвЫх стало прежним. Если при-
шлось увеличить Ед, например, в 20 раз, то это означает, что расстройка
на 10 кгц дает ослабление сигналов в 20 раз. Такое измерение делают для
различных расстроек. Чувствительность и избирательность приемника обычно
измеряют не меньше, чем в трех точках каждого поддиапазона: на двух край-
них частотах и средней частоте. С помощью генератора сигналов при нала-
живании приемника настраивают контуры высокой и промежуточной частот,
подгоняют сопряжение контуров, проверяют работу АРУ, регулятора громко-
сти и т. д.
Генератор сигналов должен иметь нужный диапазон, обладать стабиль-
ными частотой и градуировкой, давать выходное напряжение, регулируемое
626
в пределах от 1 мкв до десятых долей вольта. Ои должен нметь модуляцию
синусоидальными колебаниями на частоте 400 гц с коэффициентом модуляции
т=30%. В лабораторной практике применяются и более сложные генераторы
стандартных сигналов (ГСС), к которым предъявляется еще ряд требований.
Например, они обычно имеют регулировку глубины модуляции.
Пример блок-схемы генератора сигналов показан на рис. 12.31. Основной
его частью является высокочастотный генератор Г, градуированный по часто-
те. Для лучшей стабильности частоты он имеет две ступени. Возможно при-
менение генератора с электронной связью и, в частности, транзитронного
генератора. Для модуляции служит генератор ЗГ на стандартную среднюю
частоту 400 гц. Обычно этот генератор имеет одну лампу с индуктивной об-
ратной связью. Выключатель модуляции В позволяет получать немодули-
рованные сигналы для испытания приемников незатухающих телеграфных
сигналов. На зажимы Внешняя модуляция можно подать напряжение от
внешнего звукового генератора, когда нужна модуляция, на иной частоте.
Если требуется регулировка глубины модуляции, то после выключатели В
ставится потенциометр. Чтобы высокая частота была стабильной, модуляцию
осуществляют во второй ступени генератора Г. В генераторе с электронной
связью лучше всего применять модуляцию на защитную сетку.
Колебания от генератора Г подаются иа плавный регулятор выходного
иапряжения — потенциометр R. Напряжение иа ием V измеряется ламповым
вольтметром ЛВ и поступает на ступенчатой делитель напряжения (аттенюа-
тор). На схеме приведены примерные величины его сопротивлений. При пе-
реводе переключателя П на каждый следующий контакт напряжение умень-
шается в 10 раз, На первом контакте Ueux составляет 0,1 U, на втором
контакте ивых равно 0,01 U, на третьем контакте Пвыл«= 0,001 U и т. д.
Если с помощью плавного регулятора установить по вольтметру L/=l в, то
на пятом контакте получится напряжение Ueux = 10 мкв. Величина U еых оп-
ределяется всегда умножением показания вольтметра на коэффициент деле-
ния, соответствующий данному контакту переключателя П. Устройство
ступенчатого делителя представляет известные трудности, так как его сопро-
тивления должны иметь минимальные собственные индуктивность и емкость.
Их изготовляют из тонкой реостатной проволоки, применяя специальную
безындукционную намотку. Паразитные емкости и индуктивности в делителе
вносят особенно большие погрешности на более коротких волнах.
Ламповый вольтметр может быть простым диодным, например, по
рис. 12.13 г. В более простых генераторах он вообще отсутствует, а потенцио-
метр R имеет градуировку даваемого деления напряжения от 1 до 0,1. Если
к нему подводится от генератора Г напряжение 1 в, то, умножая коэффициент
деления потенциометра на коэффициент деления ступенчатого делителя, мож-
но определить величину иеых без помощи вольтметра." Например, если
40* 627
Рис. 12.32. Схема простейшего
ванного гетеродина
ручка R стоит в положении 0,35, а переключатель П в положении 0,0001, то
общий коэффициент деления будет 0,000035 и, значит, ивых =35 мк,в.
Важно, чтобы колебания попадали от генератора в приемник только через
делитель. Поэтому необходимо хорошо экранировать генератор и включить
в цепи его питания фильтры высокой частоты. Если такие меры не приняты,
то колебания попадут в приемник не только через делитель, но и другими
путями, например, через паразитные емкостные связи. В результате напряже-
ние на входе приемника может
стать больше, чем рассчитанное
по коэффициентам деления, н
измерения будут неправильны.
В генератор сигналов по-
лезно ввести переключатель,
позволяющий отключить гене-
ратор высокой частоты и при-
соединить к делителю напря-
жения генератор ЗГ. Тогда мо-
жно получить на выходе малые
напряжения звуковой частоты,
нужные для испытания усили-
телей низкой частоты.
модулиро- Простейший генератор сиг-
налов делается без ступенчато-
го делителя. Он не годится для
измерения чувствительности и
избирательности, но применяется для налаживания и настройки приемников.
Такой генератор также хорошо экранируют и устанавливают на некотором
расстоянии от приемника. Обычно приемник без всякой антенны хорошо при-
нимает сигналы, излучаемые от выходного зажима генератора. Если нужно
увеличить громкость сигналов, то к этому зажиму или к входу приемника
присоединяют проводничок, играющий роль антенны. При испытании ступе-
ней усиления промежуточной частоты проводничок от генератора сигналов
присоединяют к сетке соответствующей лампы. Пример схемы простого моду-
лированного генератора показан иа рис. 12.32. Высокочастотный генератор
имеет схему с электронной связью. Модуляция производится на защитную
сетку от звукового генератора с индуктивной обратной связью. Для упроще-
ния на схеме не показано переключение диапазонов. Выключение модуляции
производится выключателем В. Переключатель П служит для того, чтобы
пользоваться одним звуковым генератором (в этом случае лампу Л\ надо
выключить). в
§ 12.6. ЭЛЕКТРОННЫЙ ОСЦИЛЛОСКОП
Электронный осциллоскоп или осциллограф является универсальным из-
мерительным прибором. С его помощью производят различные измерения и
наблюдают многие процессы, происходящие в радиоаппаратуре. На экране
осциллографа можно получить кривые переменных напряжений, характери-
стики ламп, контуров и усилителей. Эти изображения называют осциллограм-
мами.
Блок-схема электронного осциллографа приведена на рис. 12.33. На ней
не показаны цепи питания электродов трубки, так как они были рассмотрены
в § 5.30. Исследуемое или измеряемое переменное напряжение подается на
зажимы BxY и через потенциометр Ri и Усилитель Y попадает на пластины
У. Величина напряжения регулируется потенциометром Ri. Если напряжение
велико, то его можно подать непосредственно на пластины через зажим У.
Такое же устройство имеется для подачи напряжения на пластины X.
С помощью переключателя развертки ПР пластины X могут быть соеди-
нены с генератором развертки, позволяющим наблюдать на экране трубки
628
кривые переменных напряжений. К генератору развертки через переключа-
тель синхронизации ПС подводится исследуемое напряжение (от пластин У)
или какое-либо внешнее напряжение от зажимов внешней синхронизации или
напряжение сети с частотой 50 гц. Величина синхронизирующего напряжения
регулируется потенциометром Ra-
Рис. 12.33. Блок-схема электронного осциллографа
Усилители имеют обычно одну ступень (иногда больше) по схеме на сопро-
тивлениях. Довольно часто применяют широкополосные усилители для про-
пускания колебаний более высоких частот (до 50—100 кгц и выше). Потен-
циометры Rt и Ra имеют сопротивления не менее 1 Мом, чтобы входное со-
противление было велико. Тогда присоединение осциллографа к исследуемым
цепям не приведет к сильному
нх шунтированию. Усилители
повышают чувствительность
осциллографа. Например, ес-
ли чувствительность трубки
0,2 мм/в, то с усилителем,
имеющим коэффициент усиле-
ния 20, чувствительность бу-
дет 4 мл/в. В самых простей-
ших осциллографах оба усили-
теля или один из них (для X)
отсутствуют.
Генератор развертки дает
на пластины X пилообразное
напряжение (рис. 12.34 а). В
течение времени когда на-
пряжение растет, электронный
луч, а с ним и пятнышко на
экране равномерно движутся
по горизонтали в одном на-
Рис. 12.34. График развертывающего пи-
лообразного напряжения (а) и фигуры
на экране осциллографа (б, виг)
правлении, например, слева на-
право. При резком уменьшении
напряжения в течение времени луч и пятно на экране делают быстрый об-
ратный ход. Все это повторяется с частотой, которую имеет пилообразное
напряжение.
Если развертывающего напряжения нет, то при подаче на пластины У пе-
ременного напряжения светящееся пятнышко совершает колебание по верти-
кали. На экране видна вертикальная черточка (рис. 12.34 6). Ее длина / про-
порциональна двойной амплитуде подведенного напряжения 2Um. Зная
чувствительность осциллографа и измерив длину черточки, можно определить
величину'Um. Например, если чувствительность осциллографа 0,4 м.и/в, а 1=
621
=20 мм, то 2Um = 20:0,4=50 в или Um =25 в. Таким образом, осцилло-
граф можно использовать как амплитудный вольтметр.
При наличии на пластинах X пилообразного напряжения, а на пластинах
Y исследуемого напряжения пятнышко совершает колебание по вертикали и
повторяющееся равномерное движение с обратным ходом — по горизонтали.
На экране наблюдается кривая исследуемого напряжения (рис. 12.34 в), т. е.
получается развертка по времени этого иапряжения.
Чтобы кривая была неподвижной, период развертывающего пилообразно-
го напряжения Траз8 должен быть равен периоду исследуемого напряжения Т
или быть в целое число раз больше. Тогда за время Траз8 пройдет одно или
целое число колебаний исследуемого напряжения и в конце обратного хода
пятнышко на экране окажется в том месте, откуда оно начало двигаться во
Рис. 12.35. Схемы генераторов развертки с тира-
троном
время прямого хода. На рис. 12.34 в и г показаны наблюдаемые кривые сину-
соидального напряжения для случаев, когда Тразв =Т и Траз8 =2Т. Время
обратного хода t2 желательно иметь возможно меньше, так как во время него
часть кривой не воспроизводится на экране. Кроме того, чем меньше t2, тем
быстрее обратный ход и тем слабее виден он на экране.
Простейший генератор развертки с тиратроном показан на рис. 12.35. От
источника постоянного напряжения Еа через сопротивление R заряжается
один из конденсаторов Ct, С2, Сз. Параллельно конденсатору включен тира-
трон Т, имеющий на сетке отрицательное смещение. Во время заряда напря-
жение на конденсаторе растет. Когда оно достигнет напряжения зажигания
тиратрона изаж, то тиратрон зажжется. Внутреннее сопротивление зажжен-
ного тиратрона невелико, и конденсатор быстро разрядится через него до
напряжения погасания тиратрона. Тиратрон погаснет, снова начнется более
медленный заряд конденсатора через сопротивление R, и весь процесс будет
повторяться. На конденсаторе получится пилообразное напряжение. Напря-
жение погасания у тиратронов равно примерно 10—20 в, a U заж при отрица-
тельном смещении на сетке составляет 200—300 в и более. Поэтому можно
получить пилообразное напряжение, достаточное для развертки по всему диа-
метру экрана трубки. Частота развертывающего напряжения fpa38 изменяет-
630
ся грубо переключателем П, включающим конденсатор той или иной емкости,
и плавно — изменением сопротивления R, Чем больше емкость и сопротивле-
ние R, тем медленнее вдет заряд и тем меньше частота развертки. Частоту
развертки подбирают в целое число раз меньше частоты исследуемого на-
пряжения f.
Недостаток схемы рис. 12.35 а состоит в том, что заряд конденсатора че-
рез сопротивление происходит неравномерно: сначала быстрее, а затем мед-
леннее. Такая же неравномерность будет в нарастании пилообразного напря-
жения и движении пятна на экране. Осциллограмма получается искаженная,
с неравномерным масштабом времени (рис. 12.356). Для устранения такой
неравномерности заменяют сопротивление R пентодом, работающим в нор-
мальном режиме, когда анодный ток у него при изменении анодного напря-
жения почти не меняется. Если зарядный ток постоянен, то напряжение на
емкости растет пропорционально времени и развертка получается равномер-
ной. Генератор развертки с пентодом показан на рис. 12.35 в. Плавная регу-
лировка частоты в нем достигается изменением внутреннего сопротивления
Рис. 12.36. Изображение иа экране осциллографа модулированных колебаний
и фигур, получающихся при сравнении частот
пентода при изменении напряжения на его экранирующей сетке е помощью по-
тенциометра R. Катодное сопротивление Лк создает и отрицательную обрат-
ную связь, за счет которой анодный ток становится еще более постоянным.
Частота генератора развертки легко изменяется при изменении питающих
напряжений, температуры и других причин, и тогда подобранное кратное
соотношение между частотами f и fpa3e нарушается. Это вызовет передви-
жение и качание наблюдаемой осциллограммы, Такое явление устраняется
подачей на сетку тиратрона синхронизирующего напряжения Ucuhx* При
внутренней синхронизации им является исследуемое напряжение. Благодаря
синхронизации тиратрон зажигается только во время определенных положи-
тельных полупериодов синхронизирующего напряжения, когда Ua на тира-
троне достигает и3аж' В результате автоматически поддерживается кратное
соотношение между f и }разв- Если f немного изменится, то соответ-
ственно изменится и }разв> но осциллограмма останется неподвижной.
Увеличивая U спнх потенциометром Ri, можно усиливать действие синхрони-
зации. Иногда синхронизируют генератор разнертки каким-либо внешним
напряжением или сетевым напряжением с частотой 50 гц. Для получения бо-
лее высокой частоты развертки применяют маломощные тиратроны с инерт-
ными газами, например ТГ1-0,1/0,3. Оии дают }разв до 50—100 кгц. Более
высокие частоты можно получить с генераторами развертки, работающими на
электронных лампах или транзисторах, Питание генератора развертки осу-
ществляется от выпрямителя, который питает усилители осциллографа.
Имеется много других применений осциллографа. Рассмотрим два из них.
При наблюдении модулированного напряжения высокочастотные колебания
не видны, так как они на экране сливаются и дают общую светящуюся полосу
переменвой ширины (ряс. 12.36 а). Ее наибольшая и наименьшая ширина А
и В соответствуют наибольшей и наименьшей амплитудам модулированного
631
колебания. Измерив А и В,, можно определить коэффициент модуляции по
А —В
формуле т— . » При этом колебания с частотой в сотни килогерц и
выше подают непосредственно на пластины У, если усилитель их не пропус-
кает. Для устойчивости осциллограммы модулированного колебания требу-
ется внешняя синхронизация от модулирующего генератора.
Интересным является сравнение частот с помощью осциллографа, применя-
Рис. 12.37. Схе-
ма для получе-
ния двух на-
пряжений со
сдвигом фаз 90°
ющееся, в частности, для градуировки звуковых генерато-
ров. На пластины X подают напряжение известной часто-
ты f х .например 50 гц (от сети), а на пластины У — на-
пряжение от звукового генератора с неизвестной частотой
fY. Генератор развертки в этом случае не нужен. Изменяя
частоту звукового генератора, добиваются получения на
экране неподвижных фигур, соответствующих тому или
иному отношению частот fy'fx (фигур Лиссажу). Не-
сколько таких фигур показано на рис. 12.36. При равенстве
частот получается окружность, эллипс или наклонная ли-
ния в зависимости от сдвига фаз <р между напряжениями
и величины их амплитуд. Восьмерка или дуга соответствует
отношению частот 2:1, так как за время одного колебания
в горизонтальном направлении происходит два колебания
в вертикальном направлении и т. д. Когда fy •_ fx больше
10: 1, то фигуры трудно разобрать, и тогда надо взять
эталонную частоту выше.
Другой способ сравнения частот состоит в том, что на пластины X и У
подают напряжения известной частоты f3, сдвинутые по фазе на 90°. Они
создают круговую развертку, т. е. на экране будет вцдеи круг (или эллипс).
Если напряжение измеряемой частоты f подвести к управляющему электроду.
то при кратном соотношении частот видна разорванная окружность
(рис. 12.36 в), так как при отрицательных полуволнах напряжения управляю-
щего электрода трубка запирается. Число штрихов на окружности равно от-
ношению f:fa- Напряжения t/1 и U?, сдвинутые по фазе на 90°, можно полу-
чить с помощью цепочки RC, изображенной на рис. 12.37.
§ 12.7. ИЗМЕРЕНИЕ ЧАСТОТЫ
Важное значение имеет измерение частоты (или длины волны) генераторов
и передатчиков, а также градуировка или поверка градуировки по частоте
приемников, передатчиков и генераторов. Большое применение получили при-
боры для непосредственного измерения длины воли или частоты, называемые
волномерами.
Резонансные волномеры. Несколько схем резонансных, волномеров пока-
зано на рис. 12.38. Любой резонансный волномер представляет собой колеба-
тельный контур с индикатором резонанса. Контур должен быть сделан так,
чтобы его частота была возможна более стабильна. Катушка и конденсатор
делаются механически прочными, имеющими стабильные емкость и индук-
тивность. Качество контура должно быть высоким, чтобы резонанс полу-
чался острым. Волномер для широкого диапазона иногда имеет сменные ка-
тушки. Градуировка волномера по частоте илн по длине волны обычно вы-
полняется в виде таблицы или графика.
Для измерения частоты генератор или передатчик связывается с волно-
мером. Чаще всего катушку волномера приближают к контуру генератора или
проводу антенны передатчика, соблюдая осторожность, чтобы не испортить
индикатора. При значительной мощности достаточно, если волномер находится
рядом с передатчиком. Вращая конденсатор волномера, по индикатору на-
ходят резонанс и определяют частоту или длину волны по градуировке вол-
номера. Иногда приходится настраивать, передатчик иа заданную частоту по
632
волномеру. Нужную частоту устанавливают на волномере и изменяют час
тоту передатчика до получения резонанса.
В качестве индикатора удобен стрелочный прибор, например термогаль-
ванометр с детектором или диодом (рис. 12.38а, б, в). Более простыми инди-
каторами являются лампочка накаливания или неоновая лампочка
(рнс. 12.38, г, д), но определение резонанса по их максимальному свечению
дает меньшую точность. По гальванометру резонанс определяется более точно
методом двух отсчетов. Надо заменить деления на шкале волномера си и
0.2, соответствующие одному и тому же отклонению стрелки, как показано
на кривой резонанса рнс. 12.38 е. Тогда деление, соответствующее резонансу,
будет средним между а1 и а.2, т. е. орез ='(«,+«2) : 2,
Рис. 12.38. Схемы резонансных волномеров с
различными индикаторами и графики, поясняю-
щие определение настройки в резонанс
Если измеряется частота маломощного генератора, то чувствительность
индикатора волномера может быть недостаточна. Тогда резонанс определяют
методом реакции. Он состоит в том, что в момент резонанса в результате воз-
действия контура волномера на контур генератора происходит изменение
режима генератора, что можно обнаружить по изменению постоянной сос-
ставляющей его анодного или сеточного тока. У большинства генераторов в
момент резонанса анодный ток несколько возрастает, что показано на гра-
фике рис. 12.38 лс, а сеточный ток уменьшается.
Резонансные волномеры непригодны для градуировки илн измерения час-
тоты настройки приемников, за исключением приемников с обратной связью,
работающих в режиме генерации.
Точность резонансных волномеров невысока. В лучших волномерах ошибка
получается около 0,1%, а в более простых типах она бывает до 0,5% и более.
Это объясняется тем, что контур волномера приходится довольно сильно
связывать с контуром генератора. Но тогда параметры контура волномера
изменяются и тем больше, чем сильнее связь, С другой стороны, если изме-
ряется частота самовозбуждающегося генератора, то она меняется от при-
ближения катушки волномера. Многие современные генераторы и передатчики
обладают более стабильной частотой и более точной градуировкой, чем ре-
зонансные волномеры. Поэтому резонансные волномеры уступили место бо-
лее точным гетеродинным волномерам. Только на сверхвысоких частотах,
например, на дециметровых или сантиметровых волнах, еше пользуются резо-
нансными волномерами с контурами в виде объемных резонаторов нли ре-
зонансных линий.
Измерительные линии. На метровых и дециметровых волнах можно осу-
ществить непосредственное измерение длины волны, используя явление стоя-
633
чих волн в линиях. Предназначенные для этого симметричные линии, назы-
ваемые измерительными, обычно имеют передвижной короткозамыкающий
мостик и индикатор тока или напряжения. Вдоль линии должно укладываться
не менее одной длины волны.
Линия связывается с генератором и настраивается по показанию индика-
тора в резонанс перемещением короткозамыкающего мостика Af (рис. 12.39).
Передвигая вдоль линии индикатор, по распределению стоячих волн можно
измерить длину волны. Если пользоваться индикатором напряжения в виде
неоновой лампочки или лампочки накаливания, включенной одним полюсом к
Рис, 12.39. Измерительная линия
проводу лиини, то ие следует измерять длину волны по пучностям напряже-
ния, так как напряжение около них изменяется вдоль лиини очень мало и глаз
не может заметить небольших изменений свечения лампочки. Нельзя также
определять с помощью лампочки узлы напряжения, так как даже прн значи-
тельном сдвиге в стороны от узла лампочки вообще ие светятся из-за мало-
сти напряжения.
Следует двигать лампочку вдоль линии в одном направлений и измерить
расстояние между соседними точками А и Б, в которых лампочка зажигается
или гаснет (рис. 12.40), Это расстояние равно половине длины волны. Удобно
Я Я, 6 конец
линии
Рис. 12.40. Измерение длины волны в линии
с помощью индикатора напряжения
в качестве индикатора применить шлейфный вольтметр или детектор с галь-
ванометром. Перемещая его вдоль линии, определяют положение точек А и Б,
в которых индикатор дает одно и то же показание, причем оно должно быть
средним между наибольшим, соответствующим пучности, и наименьшим,
соответствующим узлу. Чтобы не было ошибок, надо пропустить одну точку
Ai, в которой напряжение имеет такое же значение, как и в точках А и Б.
Более точным является измерение длины волны путем настройки линии
в резонанс. Передвигая короткозамыкающий мостик М от катушки связи к
концу линии, получают сначала настройку в резонанс, когда мостик нахо-
дится на расстоянии, немного меньше от катушки, а второй раз, когда
X
мостик удален от первого положения резонанса на расстояние , т. е. когда
линия имеет длину несколько меньше А. Таким образом, расстояние между
двумя соседними положениями мостика, соответствующими настройке линии
в резонанс, равно
Иногда в мостик М в качестве индикатора тока вклю-
чают лампочку накаливания (рис. 12.41). Можно также для более 'точного
определения резонанса связать с линией индуктивно детектор с гальваномет-
634
ром. На рис. 12.41 изображены кривые резонанса, характеризующие изме-
нение тока в линии при перемещении вдоль нее мостика.
Для определения резонанса иногда пользуются методом реакции
(рис, 12.42). Он состоит в том, что прн настройке линии в резонанс в генера-
торе, связанном с линией, наблюдается изменение режима за счет заметного
Рис. 12.41. Измерение длины волны методом из-
менения длины линии
отсасывания энергии из его контура в линию. Это можно заметить по измене-
нию постоянной составляющей1 анодного или сеточного тока или по высоко-
частотному индикатору, связанному с контуром генератора. На рис. 12.42
показано, как изменяется анодный ток генератора при перемещении мостика,
При измерении по методу реакции у самой линии индикатор не требуется.
Рис. 12.42. Определение резонанса в линии ме-
тодом реакции
Катушка связи измерительной линии с генераторам обычно представляет
собой один виток. Провода линии должны быть хорошо натянуты и тща-
тельно изолированы друг от друга и от вемли. Измерительная линия удобна
также для градуировки резонансных или гетеродинных волномеров. Для этого
следует связать с каким-либо укв генератором линию и градуируемый вол-
номер. Изменяя волну генератора, измеряют ее с помощью линии и одновре-
менно производят градуировку волномера.
На дециметровых и сантиметровых волнах применяют коаксиальные и
волноводные измерительные линии. Индикатор в них обычно подобен изо-
браженному на рис. 12.196. Его колебательным Контуром должен быть объ-
емный резонатор или резонансная коаксиальная линия. Для того, чтобы шты-
рек связи индикатора мог находиться в электрическом поле внутри
измерительной линии, вдоль нее делают щель.
635
Гетеродинный волномер представляет собой маломощный ламповый или
транзисторный генератор с плавным диапазоном, имеющий градуировку по
частоте или длине волны (в виде графиков или таблиц илн на самой шкале
настройки). Частота генератора должна быть стабильной.; Контур гетеродин-
ного волномера должен иметь стабильные параметры и высокое качество.
Весьма желательна стабилизация питания. Гетеродинный волномер пригоден
для измерения частоты настройки приемников. Точность его значительно выше,
так как резонанс определяется по методу нулевых биений, дающему высо-
кую точность прн очень слабой связи волномера с передатчиком или при-
емником.
Для градуировки или проверки градуировки или измерения частоты на-
стройки приемника гетеродинный волномер располагается рядом с приемни-
ком, от которого отсоединяется антенна. Приемник должен работать в режиме
приема незатухающих телеграфных сигналов, т. е. обратная связь доводится
до генерации или включается второй гетеродин. Для градуировки приемника
устанавливают нужную частоту волномера и настраивают на нее приемник,
добиваясь получения в телефоне приемника звука биений. Изменяя настрой-
кой приемника частоту биений, можно получить пропадание звука бненнй на
самом низком тоне, т. е. нулевые биения, которые соответствуют точному
резонансу. Небольшая ошибка получается только за счет того, что ухо не
слышит звуки очень низкой частоты, а также за счет явления увлечения.
При слабой связи с волномером ошибка не превышает нескольких десятков
герц, что не имеет существенного значения. Измерение частоты настройки
приемника делается так же, но нулевых биений добиваются изменением час-
тоты волномера. Если приемник предназначен только для модулированных
сигналов (например, вещательный приемник), то метод нулевых биений не-
применим. Приходится модулировать колебания волномера звуковым гене-
ратором. Резонанс определяется по максимальной громкости звука в телефоне
приемника.
Гетеродин в волномерах работает в режиме колебаний второго рода и
создает много гармоник. Оии могут быть использованы для расширения диа-
пазона измеряемых частот. Пусть требуется отградуировать приемник на диа-
пазон от 5000 до 10000 кгц, а гетеродинный волномер имеет диапазон 150—
1500 кгц. Если установить волномер на частоту 1500 кгц, то он будет давать
гармоники, имеющие частоты: вторая — 3000 кгц, третья — 4500 кгц, четвер-
тая— 6000 кгц, пятая — 7500 кгц, шестая—9000 кгц и т. д. Настроив при-
емник на частоты 6000, 7500, 9000 кгц, мы получим нулевые биения. При-
настройке волномера на другую частоту, например 1000 кгц, получаются ну-
левые биения иа частотах 5000, 6000, 7000, 8000, 9000 и 10 000 кгц, соответст-
вующих 5, 6, 7, 8, 9 и 10-й гармоникам волномера. Таким образом, можно
отградуировать весь диапазон приемника.
Нетрудно решить обратную задачу. Пусть, надо проверить градуировку
приемника на частоте 6500 кгц. Если делить 6500 на числа 2, 3, 4 и т. д., то
легко установить, что 6500 : 5 = 1300 кгц. Настроив волномер на частоту
порядка 1300 кгц, можно получить в приемнике нулевые биения от приемника
5-й гармоники волномера. Допустим, что вследствие неточности градуиров-
ки нулевые биении получились при частоте волномера 1310 кгц. Следователь-
но, истинная частота настройки приемника не 6500 кгц, а 1310.5=6550 кгц.
Использовать гармоники следует с осторожностью, гак как легко допустить
большие ошибки, если спутать номера гармоник. Диапазон приемника должен
быть известен хотя бы не вполне точно. Сначала определяют так называемые
опорные точки, установив волномер на самую высокую частоту. Тогда гар-
моники располагаются по частоте далеко друг от друга и спутать нх трудно.
Для градуировки в промежутках между опорными точками настраивают
волномер на меиьшие частоты, чтобы в диапазон приемника попало большее
количество гармоник. Более высокие гармоники прослушиваются слабее, и для
усиления их слышимости к приемнику или волномеру присоединяют провод-
иичок, играющий роль антенны,
636
Результаты градуировки записывают в таблицу, имеющую следующий вид:
Частота по волномеру 5000 4800 4700 4600 4500 • < .
Деление шкалы приёмника . . . 4 8 10 13 16
Деления шкалЬ приёмника
Рис.
12.43, Примерный график
градуировки приемника
По таблице строят график градуировки, облегчающий определение проме-
жуточных точек. Примерный вид его показан на рис. 12.43. Неверная точка,
для которой был перепутан номер гармоники, легко обнаруживается, так как
оказывается в стороне от кривой, проведенной через остальные точки.
При измерении частоты передатчика
или его градуировке гетеродинный вол-
номер работает как приемиик. Для это-
го в нем обычно имеется детекторная
ступень, а иногда и ступень усиления
низкой частоты после детектора. В бо-
лее простых волномерах в качестве де-
тектора используется сам генератор,
работающий подобно приемнику с об-
ратной связью, доведенному до генера-
ции. Телефон включается в детекторную
ступень волномера. Так как волномер,
работая в качестве приемника, обладает
малым усилением, то к зажиму связи
волномера присоединяют проводничок и
приближают его к передатчику. Резо-
нанс определяется по нулевым биениям.
Используя гармоники волномера и
передатчика, можно измерить частоты
как более высокие, так и более низкие,
чем лежащие в диапазоне волномера.
Например, если диапазон волномера
150—1500 кгц, а передатчик надо на-
строить на частоту 5000 кгц, то на волномере устанавливают частоту
1000 кгц. Тогда-биения получаются от сложения колебаний передатчика с пя-
той гармоникой волномера. А если надо настроить какой-то генератор на час-
тоту 100 кгц, то волномер настраивают на частоту 200 кгц и тогда вторая
гармоника исследуемого генератора, складываясь с основным колебанием вол-
номера, также дает биения звуковой частоты.
Возможно получение биений от сложения гармоник волномера с гармо-
никами передатчика. Если передатчик работает иа частоте 1000 кгц, то при
настройке волномера также на 1000 кгц слышен самый громкий звук биений.
Более слабые биения возникают и в других случаях. Например, если частота
волномера 1500 кгц, то его вторая гармоника совпадает с третьей гармони-
кой передатчика; если частота волномера 1250 кгц, то его четвертая гармони-
ка совпадает с пятой гармоникой передатчика и т, д. Подобных комбинаций
существует очень много и возможны ошибки в определении номера гармоник.
Чем выше номер гармоники, тем слабее звук биений. Поэтому сначала нахо-
дят опорные точки, уменьшив связь волномера с передатчиком, чтобы биения
от высших гармоник вообще не были слышны.
Кварцевые калибраторы подобны гетеродинным волномерам и обычно
имеют две ступени: кварцевый генератор и детектор (рис. 12.44 а). Они не
обладают плавным диапазоном и служат для градуировки или поверки гра-
дуировки приемников и передатчиков на некоторых определенных частотах.
637
Рис. 12.44. Блок-схемы кварцевого кали-
братора (о) и гетеродинного волномера с
кварцевым контролем (б)
Кварцевый генератор собирается чаще всего по схемам рис. 10.26, при-
чем кварцевая пластина имеет две резонансные частоты, соответствующие
колебаниям по толщине и по длине, например, 1250 и 125 кгц. Переход на ту
или иную частоту производится изменением настройки анодного колебатель-
ного контура.
Для градуировки используются гармоники кварцевого калибратора так
же, как у гетеродинного волномера. Градуируемый приемник или передатчик
настраивают до получения
биений с той или иной гар-
моникой калибратора. Что-
бы не спутать гармоник,
сначала находят опорные
точки, включая калибратор
иа более высокую частоту.
Во время градуировки при-
емника выключают для
контроля на момент калиб-
ратор. Пропадание звука
биений покажет, что прини-
маются сигналы калибрато-
ра, а не какой-либо радио-
станции.
Вследствие высокой ста-
бильности частоты кварце-
вый. калибратор дает более
высокую точность измере-
ния, чем гетеродинный вол-
номер. Для. повышения точ-
ности гетеродинного волно-
мера н нем применяют до-
полнительный кварцевый ге-
нератор (рис. 12.44 6), по
которому перед началом измерений проверяют градуировку самого волномера,
и если нужно, поправляют ее с помощью подстроечного конденсатора, вклю-
ченного в контур волномера.
В качестве гетеродинного волномера может быть также использован ге-
нератор сигналов. Необходимо только добавить к нему детекторную ступень.
Делитель выходного иапряжения в этом случае не нужен, а модуляция ис-
пользуется при градуировке приемников, принимающих только модулиро-
ванные сигналы. Вообще в простейших конструкциях удобно, объединить ге-
нератор сигналов и гетеродинный волномер, так как они имеют одну и ту же
основную часть — градуированный гетеродин с плавным диапазоном.
В радиолюбительской практике широко применяется гетеродинный инди-
катор резонанса (ГИР), который представляет собой градуированный по
частоте гетеродин, имеющий какой-либо индикатор резонанса. С помощью
ГИР можно измерять резонансные частоты колебательных контуров, собст-
венные частоты катушек и конденсаторов, емкости и индуктивности, настраи-
вать приемники, генераторы и антенны и т. д.
На рис. 12.45 а показан простейший ГИР в виде генератора по трехточеч-
ной схеме с заземленным аяодом. Питаться ои может от батарей или вы-
прямителя. Резонанс в нем определяется по методу реакции. Для этого в
цепь постоянной составляющей сеточного тока включен микроамперметр.
Если связать ГИР с каким-либо контуром, резонасную частоту которого
надо измерить, то при резонансе легко заметить изменение сеточного тока.
Это объясняется тем, что в случае резонанса из контура ГИР отсасывается
энергия, т, е. в его контур вносятся потерн, что вызывает уменьшение ам-
плитуды колебаний в ГИР и соответствующее уменьшение сеточного тока.
При измерении частоты генераторов с помощью переменного сопротивле-
638
ния Ri снижают анодное напряжение на лампе ГИР до прекращения ге-
нерации колебаний н ием. Ток сетки при этом уменьшается до нуля. Затем
ГИР связывают с генератором и настраивают в резонанс. Тогда приходящие
от внешнего генератора колебания выполняют роль постороннего возбуж-
дения и вызывают появление колебаний н ГИР, сопровождающееся возник-
новением сеточного тока.
Если вообще выключить анодное питание, то ГИР будет работать как
резонансный волномер. Участок сетка—катод лампы выполнит роль диод-
ного детектора для индикации резонанса. ГИР может работать и как гене-
ратор сигналов для настройки приемников. Для этого в ГИР добавляют мо-
дулятор в виде простейшего звукового генератора на фиксированную часто-
ту. Возможно осуществить модуляцию и на частоте 50 гц (от сети).
Рис. 12.45. Схемы гетеродинных индикаторов резонанса с вакуум-
ным триодом (а) и транзистором (б)
Одни из возможных вариантов схемы ГИР с транзистором показан на
рис. 12.456. В ней применена индуктивная обратная связь, а индикатором
резонанса является детектор с микроамперметром. При резонансе изменяется
Рис. 12.46. Схема измерителя низких частот с
транзистором
переменное напряжение иа участке коллектор — эмнттер транзистора, и это
изменение показывает микроамперметр. Уменьшением напряжения питания
с помощью сопротивления Йг можно перевести ГИР в работу на пороге гене-
рации. С целью повышения чувствительности индикатора р него иногда до-
бавляют усилитель с транзистором.
Для низких частот наиболее распространены измерители частоты, дейст-
вие которых основано иа заряде и разряде конденсатора. Простейшая схема
такого прибора с одним транзистором и двумя диодами показана иа
и 639
рис, 12.46. Вместо транзистора, конечно, можно применить вакуумный триод.
Напряжение измеряемой частоты подаетсн на вход транзистора. Потенцио-
метром 7? подбирается амплитуда этого напряжения, не вызывающая пере-
грузки транзистора. При огрицательной полуволне напряжения транзистор
отперт, и включенный в цепь коллектора один из конденсаторов С1—С4
заряжается от батареи Е. Ток заряда проходит через транзистор, диод Ai
и магнитоэлектрический микроамперметр. А при положительной полуволне
напряжения транзистор запирается, и конденсатор разряжается через сопро-
тивление Т?2 н диод Д2.
Для измерения разных частот включаются конденсаторы различной емко-
сти. Они подобраны так, чтобы за один полупериод конденсатор успевал
практически зарядиться до полного напряжения батареи Е, а за другой по-
лупериод — полностью разрядиться. Тогда весь заряд конденсатора Q=CE
проходит в виде импульса тока через микроамперметр в каждый отрицатель-
ный полупериод. Число таких импульсов равно измеряемой частоте. Среднее
значение этого пульсирующего тока, т. е. его постоянная составляющая 1ср,
измеряется микроамперметром. Поскольку Q=IcpT, где Т — период, соот-
ветствующий измеряемой частоте f, то 1Ср Т=СЕ, а отсюда следует, что
_ СЕ г 1СР
Т=— нли f=^- .
/еР СЕ
Таким образом, при постоянных величинах С и Е измеряемая частота
пропорциональна току в микроамперметре и шкала последнего может быть
проградуирована непосредственно в герцах. Если емкости конденсатора
отличаются друг от друга в 10 раз, то с учетом того, что в начальной части
шкалы прибора погрешности велики, практически могут быть получены, на-
пример, следующие диапазоны измеряемых частот: Ю-з-100, 1004-1000,
ЮОО-г-ЮООО и 10 000—100 000 гц. Для подгонки градуировки прибора приме-
няют переменное сопротивление, шунтирующее микроамперметр.
§ 12.8. ИЗМЕРЕНИЕ ЕМКОСТЕЙ И ИНДУКТИВНОСТЕЙ
Измерение емкостей и индуктивностей производится на переменном токе
низкой или высокой частоты, в частности, на частоте 50 гц. Простейшим яв-
ляется определение С и L по величине их сопротивления хс и xL . Метод ам-
перметра и вольтметра и метод сравнения, показанные на рис. 12.22 а, б и г,
можно применить для измерения хс или xL на переменном токе, включив на
место Rx конденсатор или катушку. Более удобен метод сравнения, так как
для него нужен один вольтметр. Его входное сопротивление Rex должно
быть значительно больше измеряемого сопротивления хс или xL . Наиболее
подходит ламповый вольтметр. Измерив сопротивление и зная частоту, вы-
числяют С и Е. Например, если на частоте 50 гц сопротивление дросселя
xL =10000 ом, то из формулы xL =6,28fE найдем
х, 10 000
г_____— =----------« 32 гн.
L-6,28f 6,28-50
Определять L таким методом можно лишь в случаях, когда активное
сопротивление катушки г по крайней мере в 5 раз меньше, чСмх^, т. е. когда
полное сопротивление катушки Z приближенно равно xL .
У катушек с сердечником индуктивность сильно зависит от подмагничи-
вания сердечника постоянным током. Для таких катушек необходимо вместе
с переменным напряжением подать также постоянное напряжение и устано-
вить по магнитоэлектрическому миллиамперметру соответствующий ток под-
магничивания (рис. 12.47). Вольтметр в этом случае надо применять с за-
крытым входом, чтобы он измерял только переменное напряжение.
Большое распространение получили мосты для измерения емкостей и ин-
дуктивностей. Для равновесия моста на переменном токе (рис. 12.48 а) не-
640
обходимо выполнение двух условий. Произведения полных сопротивлений и
суммы углов сдвига фаз противолежащих плеч должны быть равны:
Z4Z3 = Z2Z4 и <fi -f- = ?2 ~f~
Рис. 12.47. Измерение индуктивности
катушки с ферромагнитным (сталь-
ным) сердечником
как ухо человека малочувствительно к
Выполнение первого условия, подобного условию равновесия моста по-
стоянного тока, обеспечивает равенство напряжений на сопротивлениях Z] и
Z4, а также на Z2 и Z3. Но если не соблюдено условие фаз, то между точка-
ми Л и Б получится некоторое на-
пряжение. Второе условие обеспечи-
вает совпадение по фазе напряже-
ний на Z] и Z4, а также на Z2 и Z3,
без которого мост не будет в равно-
весии. Необходимость соблюдения
двух условий во многих случаях ус-
ложняет балансировку моста.
Питание мостов производят от
звукового генератора на частоте
400—1000 гц или от сети на частоте
50 гц через понижающий трансфор-
матор. В качестве индикатора И
(рис. 12.48) в простейшем случае
используется телефон. Его чувстви-
тельность достаточно высока, но час-
тота должна быть больше 50 гц, так
частоте 50 гц. В более сложных мостах индикатором служит ламповый или
детекторный вольтметр (без градуировки) или электронно-световой индикатор.
Для увеличения чувствительности индикатор иногда включают через усили-
тель.
Рис. 12.48. Схемы мостов переменного тока
емкостей и индуктивностей
для измерения
Балансировка моста производится по наименьшему показанию индикато-
ра, например, по наиболее слабому звуку в телефоне. Обычно ие удается по-
лучить нуль напряжения или тока в диагонали АБ. Это объясняется трудно-
стью выполнения одновременно обоих условий равновесия моста, а также
влиянием паразитных емкостей, через которые переменное напряжение попа-
41—2607 641
дает в индикатор. Если питающее напряжение несинусоидально, то его гар-
моники особенно легко проходят через паразитные емкости, и минимум пока-
заний индикатора получается менее резким, что снижает точность измерений.
Кроме того, условия равновесия обычно ие выполняются одновременно для
колебания основной частоты и для высших гармоник.
Типовые схемы мостов для измерения С показаны на рис. 12.48. В схе-
мах рис. 12.48 бив применяются градуированный конденсатор С3 и эталонные
конденсаторы С] и С2 или сопротивления и Rt. Из первого условия равно-
весия легко получить для схемы рис. 12.48 6 формулу
С -С —
С2
а для схемы рис. 12.48 в формулу
сх = сэ —•
х 3 Rt
При измерении в широких пределах эти мосты имеют несколько различ-
ных конденсаторов С] н С2 нли сопротивлений Rt и Rt. Их включают так,
чтобы отношение С]: С2 или Rt: R2 было равно 1:1, 1:10, 1:100 и т. д.,
а также 10: 1, 100: 1 и т. д. Для большей точности измерения подбирают это
отношение таким, чтобы баланс получался не иа крайних значениях емкости
Са. В схеме рис, 12.48а применяется эталонный конденсатор постоянной ем-
кости, а сопротивления Rt и R2 представляют потенциометр, градуированный
по величине отношения Rt: R2 Условие равновесия этого моста такое же,
как и предыдущего. Баланс достигается плавным изменением величины
Rt'Rt, причем для различных Сх включаются различные емкости Са. Наи-
большая точность измерения получается, когда Сх и С э одного порядка, т. е.
когда отношение R2 : Rt близко к 1.
В более сложных мостах имеется дополнительное переменное сопротив-
ление для балансировки фазовых углов. Например, если конденсатор Сх
худшего качества по сравнению с С3 , то угол сдвига фаз в С3 меньше, чем
Сх. Тогда последовательно с С3 включают переменное сопротивление и под-
бирают его величину, чтобы выполнялось второе условие равновесия
(рис. 12.48 д'). Переключатель П позволяет переключить сопротивление R
для регулировки фазовых углов в плечо Сх, если он более высокого качества,
чем С3. В таком мосте сначала находят равновесие приближенно только с по-
мощью С3, а затем, переключая R в плечо Сх или плечо Сэ и регулируя его,
уточняют равновесие. При этом приходится снова немного изменять С3, а
затем опять подгонять R. Постепенной осторожной регулировкой С3 и R
можно получить резкий минимум показаний индикатора. Современные кон-
денсаторы имеют малые потери й в большинстве случаев достаточную точ-
ность дают и простейшие мосты.
Для измерения индуктивности регулировка фазовых углов более важна,
так как катушки обладают заметным активным сопротивлением. На рис. 12.48
показаны схемы мостов для измерения L. Схема рис. 12.48 е подобна схеме
рис. 12.486. Величина Lx в этом случае определяется формулой
Чтобы не применять эталоны индуктивности, часто пользуются мостом по
схеме рис. 12.48 ж. В нем могут быть использованы эталоны, применявшиеся
для измерения емкостей. Величина Lx определяется из формулы
Если С3 — конденсатор переменной емкости, то Rt и Rt представляют со-
бой различные эталонные сопротивления, включаемые для различных диапа-
зонов измерения. А если Са выполняется в виде нескольких конденсаторов
642
с переключателем, то одно из сопротивлений Ri и R? должно иметь плавное
изменение. Для уравнивания фазовых углов параллельно С3 включено пере-
менное сопротивление R значительной величины.
Наиболее удобны универсальные мосты для измерения L, С и R; в кото-
рых с помощью переключателей осуществляется переход на различные схе-
мы. Точность измерения с мостами переменного тока ие очень высока и
ошибка доходит до 5—10%, особенно для малых емкостей и индуктивностей.
Более точное измерение небольших емкостей и индуктивностей произво-
дят резонансными методами. Измеряемая индуктивность или емкость вклю-
чается в контур, имеющий эталонные детали и связанный с высокочастотным
генератором. Контур настраивается по какому-либо индикатору в резонанс
с генератором.
Рис. 12.49. Схемы измерения емкости и индук-
тивности иа высокой частоте резонансными ме-
тодами
На рис. 12.49 а дана схема определения Сх по эталонной индуктивности L3
или наоборот. Изменяя частоту генератора или емкость до получения резо-
нанса, вычисляют емкость Сх по эталонной индуктивности L3 или индуктив-
ность Lх по эталонной емкости С3 по формулам:
25-109 25-Ю9
Сг =------- и Lr —-----------.
Х l2L3 Х ГСд ’
где L — в микрогенри, С — в пикофарадах и f — в килогерцах. При этом по-
лучается заметная ошибка из-за влияния собственной емкости катушки ,
которая составляет обычно несколько пикофарад, но точно неизвестна.
Гораздо точнее измерение емкости методом замещения (рис.. 12.49 б), в
котором сначала генератор настраивается в резонанс с контуром LCX, а за-
тем вместо Сх включается С3 и резонанс восстанавливается изменением ем-
кости С3.. При этом способе не нужна эталонная индуктивность, не требуется
знать частоту и нет ошибки за счет влияния CL. На рис. 12.49 в показано ви-
доизменение метода замещения. Сначала при выключенном Сх контур наст-
раивается в резонанс и получается значение эталонной емкости C3i.
Затем параллельно включается Сх и восстанавливается резонанс при
значении эталонной емкости С3з-. Очевидно, что Сх — СЭ1 — Сд^. Если Сх
больше максвмальиой емкости С3, то надо Сх включить последовательно
(рис. 12.49 a)s В этом случае Сэа больше, чем C3i, и С х определяется по
формуле
q C3iCg2
Cgf Сд1
На рис. 12.496 показан метод измерения индуктивностей Lx, значительно
меньших, чем индуктивность основной катушки £. Сначала получается ре-
41* 643
зоианс без Lx при значении Са1, а затем последовательно включается Lx и
для восстановления резонанса емкость уменьшают до значения Сл. Величи-
на L к в мнкрогенри определяется по формуле
L _ 25-10В 9(Са1 —Са8)
* 12спсэ,
где емкости в пикофарадах, a f — в килогерцах4
§ 12.9. ИЗМЕРЕНИЕ ДОБРОТНОСТИ
Измерение добротности Q катушек, конденсаторов и целых колебатель-
ных контуров чаще всего производят с помощью куметра, блок-схема кото-
рого показана на рис. 12.50. Ток от градиуроваиного по частоте генератора
высокой частоты ГВЧ измеряется
термомнллиамперметром mA и
проходит через эталонное сопро-
тивление R3, включенное в коле-
бательный контур с эталонным
градуированным конденсатором
переменной емкости Сэ.. Сопро-
тивление R3 очень невелико (со-
тые доли ома), и поэтому весь
ток /, измеряемый миллиампер-
Рис. 12.50. Блок-схема куметра
метром, практически проходит
только через это сопротивление. Можно считать, что в контур вводится на-
пряжение U, равное 1R3.
При резонансе напряжение на конденсаторе, измеряемое ламповым вольт-
метром V и равное напряжению на катушке, получается в Q раз больше,
чем напряжение U:
Uc=1)l = ^-
В приборе предусмотрена регулировка величины тока / с тем, чтобы он
мог всегда поддерживаться одним и тем же. Тогда измеряемое ламповым
вольтметром напряжение оказывается пропорциональным добротности, и,
следовательно, гальванометр лампового вольтметра можно проградуировать
непосредственно в значениях Q.
Если измеряется добротность катушки L, подключенной к куметру, то
определенное по прибору значение Q практически и является добротностью
катушки, так как потери в эталонном конденсаторе ничтожны. Для измере-
ния добротности конденсатора в качестве катушки L включают эталонную
индуктивность, ‘ а исследуемый конденсатор присоединяют параллельно С3.
Величину Q в этом случае определяют по результатам измерения с помощью
специальных формул.
Куметр применяется также для измерения емкостей и индуктивностей ре-
зонансным методом.
§ 12.10. ВОПРОСЫ И ЗАДАЧИ
L Почему электромагнитные приборы непригодны для измерения токов
высокой частоты?
2. На каких частотах можно применять детекторные вольтметры?
3. Каким образом можно измерять токи высокой частоты с помощью маг-
нитоэлектрического прибора?
4. Можно ли градуировать детекторный вольтметр иа постоянном токе?
5. Почему обычным техническим вольтметром нельзя измерять напряже-
ние иа аиоде лампы, работающей в усилителе на сопротивлениях?
644
6. Для измерения каких постоянных напряжений в ламповых схемах' со-
противление вольтметра 10 000 ом иа вольт является недостаточным?
7. Каковы преимущества ламповых триодных вольтметров?
8. В чем заключается недостаток расширения пределов измерения лам-
пового вольтметра с помощью включения на его вход делителя напряжения,
составленного из обычных активных сопротивлений?
9. Какие приборы могут быть использованы в качестве индикаторов тока
и напряжения высокой частоты?
10. Какие предосторожности следует соблюдать при измерении сопротив-
лений непосредственно в схеме приемника?
11. В чем заключается устройство простейшего генератора сигналов?
12. Что означает чувствительность электронного осциллографа в 3 мл/в?
13. Для чего служит генератор развертки в осциллографе?
14. Нарисуйте фигуру, наблюдающуюся на экране осциллографа, для слу-
чая, когда синусоидальные напряжения на пластинах X и У имеют отношение
частот fY '.f% =1:5.
15. Зачем нужна синхронизация в электронном осциллографе?
16. В чем достоинства и недостатки резонансных волномеров?
17. Как измеряется частота по методу нулевых биений?
18. Кварцевый гетеродин имеет частоту 2000 кгц. Можно ли с его помо-
щью проверить градуировку передатчика в диапазоне 800—1600 кгц?
19. Почему для равновесия моста на переменном токе недостаточно равен-
ства произведений сопротивлений противолежащих плеч?
20. Можно ли с помощью моста, работающего на переменном токе, изме-
рить непосредственно в схеме приемника различные сопротивления?
21. Требуется измерить емкость порядка 10 пф. Какой простейший метод
для этого даст лучшие результаты?
22. Каким путем можно увеличить чувствительность магнитоэлектрического
миллиамперметра?
23. Каким индикатором можно определить наличие тока и напряжения
высокой частоты в линии?
24. Начертите схему вольтметра для переменных напряжений, имеющего
первую ступень с полупроводниковым детектором и вторую ступень в виде
усилителя иа транзисторах.
25, Почему светится неоновая лампа, если она никуда не включена, но
находится в электрическом поле высокой частоты около колебательного кон-
тура генератора?
26. Как устроен и работает шлейфный вольтметр?
27. Начертите схему генератора звуковой частоты типа RC иа транзи-
сторах.
28. Каким образом можно измерить длину волны генератора с помощью
линии?
29. В чем состоит метод реакции для определения резонанса?
30. Что представляет собой гетеродинный индикатор резонанса?
31. Как работает измеритель низких частот, в котором используется пе-
риодический заряд и разряд конденсатора?
32. Как устроен и работает куметр?
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
На основе достижений радиотехники, электроники и физики
за последние 10—20 лет стали бурно развиваться новые интерес-
нейшие области науки и техники.
Вместе с ростом радиосвязи и радиовещания быстрыми тем-
пами совершенствуется телевидение. Первые в мире важные ис-
645
следования по созданию высококачественного телевидения с по-
мощью электронно-лучевых трубок осуществил в 1907 г. рус-
ский ученый Б. Л. Розинг. Электронное телевидение, родивше-
еся из идей и опытов Розинга, и основанное на исследованиях
фотоэлектрического эффекта, сделанных в конце прошлого века
русским физиком А. Г. Столетовым, получило свое развитие
благодаря выдающимся работам советских ученых А. А. Чер-
нышева, П. В. Шмакова, П. В. Тимофеева, С. И. Катаева,
А. П. Константинова, Г. В. Брауде и других, создавших
специальные электронно-лучевые трубки для высококачест-
венной передачи и приема телевизионных изображений. Уже
внедряется в жизнь цветное телевидение, о котором первые ин-
тересные предложения сделал еще в 1925 г. советский инженер
И. А. Адамян.
Телевизионное вещание, дающее возможность одновременно
слушать и видеть концерты, кинофильмы, драматические произ-
ведения, оперу и балет, парады и демонстрации, спортивные вы-
ступления, стало массовым. По качеству изображений телевиде-
ние приближается к кино.
Во многих городах страны работают телевизионные центры
и ретрансляционные станции, обеспечивающие высококачест-
венное телевизионное вещание. Идет строительство новых теле-
визионных центров в десятках городов Советского Союза. Наша
промышленность выпускает в большом количестве телевизион-
ные приемники различных типов. Тысячи радиолюбителей стро-
ят самодельные, хорошо работающие телевизоры, а радиолюби-
тели-конструкторы ряда городов построили передающие теле-
визионные центры.
Созданы установки для приема телевизионных изображений
на большой экран. Разработаны и частично уже применяются
различные способы увеличения дальности телевизионных пере-
дач и широкого обмена телевизионными программами между
городами. Передача телевидения на дальние расстояния воз-
можна через промежуточные ретрансляционные станции, по спе-
циальным высокочастотным кабелям и волноводам, с помощью
ретрансляторов, установленных на самолетах и искусственных
спутниках Земли, а также путем отражения радиоволн от искус-
ственных спутников. Телевидение быстро проникает в науку и
промышленность. Специальные телевизионные установки ис-
пользуются для диспетчерского управления на заводах, крупных
железнодорожных станциях, в портах и шахтах, для наблюдений
в глубине земли, в нефтяных скважинах, под водой. Цветное те-
левидение применяется для изучения студентами медицинских
вузов сложных хирургических операций, проводимых выдающи-
мися деятелями медицины. Для передачи неподвижных изобра-
жений широко используется фототелеграф по радио.
Большое развитие получила новая область радиотехники —
645
радиолокация, основанная на том, что радиоволны, посланные
узким направленным пучком, отражаются от того или иного пре-
пятствия, встреченного ими на пути, и возвращаются обратно.
Принимая эти волны, можно определить расстояние до отража-
ющего объекта, его местонахождение, движение и другие дан-
ные. С помощью радиолокационных установок можно опреде-
лять местонахождение самолетов, морских кораблей и многих
других объектов.
Первые наблюдения над отражением радиоволн от препятст-
вий были сделаны А. С. Поповым еще в 1897 г. Тогда же им
были высказаны соображения о возможности применения радио-
волн для определения направлений, т. е. для так называемой
радиопеленгации. Использование радио для вождения подвиж-
ных объектов получило общее название радионавигации.
Применение радио в авиации позволяет самолетам поддер-
живать связь между собой и с аэродромами. С помощью радио-
пеленгаторных установок самолеты определяют свое местопо-
ложение в воздухе. Специальные радиомаяки дают возможность
самолетам летать по правильному курсу. Особые радиоустанов-
ки служат для «слепого полета», т. е. вождения самолетов по
приборам при отсутствии видимости земли, определения высоты
самолета над землей, «слепой посадки» самолетов на аэродром
в условиях плохой видимости, например в тумане.
Серьезные работы ведутся по развитию радиотелемеханики
или радиотелеуправления, т. е. управления механизмами на рас-
стояний с помощью радиоволн.
Для морского транспорта широко применяются радиосвязь,
радионавигация и радиолокация. Каждое судно имеет приемно-
передающую радиостанцию, позволяющую держать связь с пор-
тами, вызывать лоцмана, получать сведения о погоде, просить
помощи в случае аварии. Радиомаяки указывают судам пра-
вильный курс, предостерегают об опасных местах, дают воз-
можность вести суда в тумане. С помощью радиопеленгаторов
определяется положение судна на море. Немало человеческих
жизней было спасено на морях и океанах благодаря радио.
В области радионавигации важные и оригинальные исследова-
ния сделали Л. И. Мандельштам, Н. Д. Папалекси и другие со-
ветские ученые.
Многие достижения радиотехники тесно связаны с разви-
тием техники сверхвысоких или ультравысоких частот (свч или
увч), т. е. метровых, дециметровых и сантиметрогых волн. Эти
волны, особенно дециметровые и сантиметровые, позволили осу-
ществить резко направленную передачу, без которой невозмож-
ны были бы огромные успехи радиолскации и космической ра-
диосвязи. Высококачественное телевизионное вещание и звуко-
вое вещание с частотной модуляцией возможны только на ульт-
ракоротких волнах. На сверхвысоких частотах осуществляется
647
импульсная многоканальная связь, позволяющая вести через од-
ну радиостанцию одновременно большое количество передач
без взаимных помех. Такая связь используется в радиорелейных
линиях, представляющих собой цепочку приемно-передающих
радиостанций, размещенных на определенных расстояниях друг
от друга. Через них проводится связь между двумя пунктами,
расположенными на концах цепочки.
Весьма интересной является также дальняя связь на сверх-
высоких частотах с использованием волноводов вместо кабелей.
На миллиметровых волнах по волноводам можно одновременно
передавать несколько десятков телевизионных программ и про-
водить тысячи телефонных переговоров. Для этих новых видов
связи, а также для радиолокации, радионавигации и телевиде-
ния развилась особая область радиотехники — импульсная тех-
ника, занимающаяся получением и применением кратковремен-
ных электрических импульсов.
Успешный запуск в СССР межконтинентальных баллистиче-
ских ракет, искусственных спутников Земли, космических кораб-
лей и автоматических межпланетных станций, возвестивший все-
му миру начало новой эры завоевания человеком космоса, не
был бы возможен без применения радиоэлектроники. В истори-
ческих полетах героев-космонавтов широко использовались
радиосвязь, телевидение и радиотелеуправление. В будущих
космических полетах радиоэлектронные приборы получат еще
большее применение.
Были проделаны опыты по передаче радиоволн в межпланет-
ное пространство, причем волны, отраженные от поверхности
Луны и Венеры, удалось принять на Земле. Обнаружено, что
Солнце и звезды излучают радиоволны. Это обстоятельство да-
ет новые возможности для изучения небесных светил. Уже от-
крыты «радиозвезды», не видимые в телескопы. С помощью ра-
диолокационных методов астрономы изучают в любое время
(днем или при наличии облачности) метеоры и другие малые
небесные тела. Возникла новая наука — радиоастрономия. Мно-
гие астрономические обсерватории оборудованы радиотелеско-
пами, представляющими собой специальные направленные ан-
тенны больших размеров, соединенные с высокочувствительными
приемниками.
Важное применение имеют радиоэлектронные приборы для
исследований в атомной физике, а также в производстве и ис-
пользовании атомной энергии. Созданные в СССР сверхмощные
синхрофазотроны и другие ускорители заряженных частиц, яв-
ляющиеся основными приборами для изучения атомов,
представляют собой сложные радиоэлектронные устройства.'
Большое количество радиоэлектронных приборов приме-
няется на атомных электростанциях и других атомных уста-
новках.
648
Новая весьма плодотворная наука — кибернетика, занимаю-
щаяся вопросами управления и связи в машинах и живых ор-
ганизмах, в значительной степени основана на принципах радио-
электроники. Все важнейшие направления современной кибер-
нетики—общая теория связи, т. е. теория систем для передачи
различных сигналов, теория быстродействующих электронных
счетных машин и теория систем автоматического управления,—
тесно связаны с радиоэлектроникой. Особенно интересны успехи
кибернетики в создании электронных вычислительных машин.
Эти машины «умеют» делать с огромной скоростью сложнейшие
математические вычисления, переводить с одного языка на дру-
гой, управлять производственными процессами, транспортом,
уличным движением, обрабатывать в короткие сроки колоссаль-
ное количество метеорологических данных, нужных для пра-
вильного предсказания погоды. Во многих случаях они не толь-
ко успешно заменяют сложный и утомительный труд большого
коллектива людей, но и решают такие задачи, которые без по-
мощи машин практически невозможно было бы вообще решить.
Так, например, электронно-счетная машина может за один час
решить систему уравнений с 200 неизвестными, а человеку для
такой работы потребовалось бы 10 лет! Электронные вычисли-
тельные машины быстрыми темпами проникают во все отрас-
ли народного хозяйства.
В современной радиоэлектронике можно выделить ряд важ-
нейших проблем. Прежде всего это проблема повышения на-
дежности радиоэлектронной аппаратуры. Для ее решения со-
зданы электровакуумные и полупроводниковые приборы с боль-
шим сроком службы. У некоторых типов он может доходить до
десятков тысяч часов. Намечается также создание аппаратуры,
в которой неисправности будут устраняться автоматически.
Второй проблемой является миниатюризация и сверхминиа-
тюризация радиоэлектронной аппаратуры.
Большие успехи достигнуты в повышении помехоустойчиво-
сти радиосвязи. Созданы радиоприемные устройства сверхвысо-
кой чувствительности, которые в присутствии помех могут об-
наруживать сигналы ничтожной мощности. Например, от со-
ветской автоматической межпланетной станции, запущенной в
сторону Венеры, принимались сигналы ничтожно малой мощно-
сти. Обнаружено радиоизлучение космических объектов, нахо-
дящихся на расстоянии в несколько миллиардов световых лет
от Земли.
В развитии импульсной техники важнейшим является полу-
чение сверхкоротких импульсов длительностью в миллиардные
доли секунды (миллимикросекундные или наносекундные им-
пульсы). Такие импульсы, в частности, позволят создать сверх-
быстродействующие электронные вычислительные машины:
649
В последние годы возникла и успешно развивается квантовая
радиотехника, которая занимается использованием колебаний
атомов и молекул с частотой в диапазоне радиоволн. Исследо-
вание таких колебаний позволило построить молекулярные уси-
лители радиосигналов, обладающие исключительно высокой
чувствительностью, и молекулярные генераторы, имеющие
сверхвысокую стабильность частоты. Молекулярные усилители
позволили принимать самые слабые сигналы космического ра-
диоизлучения. А на основе молекулярных генераторов построе-
ны молекулярные часы, дающие ошибку в 1 секунду за проме-
жуток времени в 3000 лет!.. За создание молекулярных генера-
торов советские ученые Н. Г. Басов и А. М. Прохоров в 1959 г.
были удостоены Ленинской премии, а в 1964 г. — Нобелевской
премии. Совершенно новым направлением радиоэлектроники яв-
ляется также освоение электромагнитных колебаний сверхвысо-
ких частот в диапазоне от десятков до сотен тысяч гигагерц. Та-
кие колебания получаются в очень твердых кристаллах (напри-
мер, в рубине) и излучаются в виде тонких лучей огромной мощ-
ности, которые могут быть, в частности, использованы для связи
на сверхдальние расстояния.
Много интересных применений имеет радиоэлектроника в
различных отраслях промышленности и народного хозяйства.
Радиосвязь широко применяется на железных дорогах и в
речном флоте страны, повышая безопасность движения, помо-
гая работе машинистов и диспетчеров. По радио даются указа-
ния бригадам, формирующим поезд. Для радио не страшен го-
лолед, который обрывает провода и лишает транспорт связи.
В проведении многих научных экспедиций, работающих в
различных местах Советского Союза, радио часто является един-
ственным средством связи.
С помощью токов высокой частоты, получаемых от мощных
радиогенераторов, производят плавку и поверхностную закалку
металлов, скоростную сушку древесины и других материалов.
Закалка стали токами высокой частоты, имеющая важное зна-
чение для машиностроения, изобретена В. П. Вологдиным.
По радио ведется метеорологическая служба. Все сведения о
погоде, имеющие огромное значение для авиации, сельского хо-
зяйства, морского транспорта, передаются через радиостанции.
Для более точного предсказания погоды в СССР были изобрете-
ны радиозонды для исследования атмосферы на высотах 20—
30 км. Они представляют собой небольшие воздушные шары с
метеорологическими приборами и миниатюрным радиопередат-
чиком, который автоматически передает показания приборов,
так что в течение всего полета радиозонда можно следить за
состоянием атмосферы. Геофизические ракеты с радиоэлектрон-
ным оборудованием позволяют исследовать атмосферу до высот
650-
в сотни километров. Наблюдение за поглощением и отражением
радиоволн в атмосфере также помогает предсказанию погоды.
Радиолокационными методами определяется местоположе-
ние облаков, дождевых фронтов и других образований в атмос-
фере. Всеми этими вопросами занимается новая наука радио-
метеорология.
С помощью радиолокационных и радиоинтерференционных
методов определяются расстояния и проводятся различные из-
мерения в геодезических работах. Электромагнитные волны и
специальные радиоэлектронные приборы используются для гео-
логической разведки полезных ископаемых.
Для диагностики и лечения различных заболеваний широко
применяются современные радиоэлектронные приборы. Высокая
чувствительность этих приборов позволяет с их помощью изу-
чать тончайшие и сложнейшие процессы, происходящие в жи-
вых организмах и живом веществе. Прогресс медицины и био-
логии в большой степени связан с использованием новейших до-
стижений радиоэлектроники.
Радиотехника создала ряд способов записи звука. На грам-
мофонные пластинки и на ферромагнитную ленту звук записы-
вается с помощью радиоаппаратуры. Многие передачи радиове-
щательных станций представляют собой воспроизведение звуко-
записи, сделанной тем или иным методом, и потому могут пов-
торяться многократно. А в последнее время стали записывать
на магнитную ленту телевизионные передачи.
В СССР разработаны открывшие новые возможности в му-
зыке электромузыкальные инструменты, в которых применяют-
ся радиоэлектронные аппараты.
Кино, бывшее долгое время «великим немым», стало звуко-
вым благодаря радиотехнике, так как запись звука на кинолен-
ту и ее воспроизведение осуществляются с помощью усилите-
лей, громкоговорителей и других радиоприборов.
Радиоэлектронные приборы применяются для связи, локации
и видения в темноте с помощью инфракрасных (тепловых) лу-
чей. Развитие радиоэлектроники позволило генерировать и ис-
пользовать для различных целей ультразвуки, имеющие частоту
выше звуковой (десятки тысяч герц). Они применяются в меди-
цине, для контроля изделий (ультразвуковая дефектоскопия),
пайки, стирки, очистки, для связи, навигации и локации под во-
дой, а также во многих других случаях.
Важным успехом электроники явилось создание электронно-
го микроскопа, превосходящего по увеличению во много раз оп-
тические микроскопы и позволяющего видеть вирусы и даже
крупные молекулы.
Радиотехника, электроника и техника токов высокой часто-
ты проникли во все области науки, промышленности, транспор-
та и с каждым днем приносят нам новые удивительные дости-
651
женин. Отечественная радиоэлектроника достигла выдающихся
успехов. Не случайно, что на Всемирной выставке 1958 г. в Брюс-
селе советские экспонаты по радиоэлектронике были удостоены
25 премиями, среди которых 6 высших, 6 вторых, 8 золотых меда-
лей и 5 серебряных. Непревзойденным является также радио-
электронное оборудование советских искусственных спутников
Земли и космических кораблей. Перед советской радиотехникой
и радиопромышленностью стоят серьезные задачи дальнейшего
совершенствования радиосвязи, радиовещания, телевидения,
радиолокации и радионавигации, а также более широкого при-
менения радиотехнических методов в народном хозяйстве. Рас-
цвет науки, техники и культуры создает все условия для успеш-
ного разрешения этих задач.
В нашей стране радиолюбители имеют широкие возможнос-
ти для изучения различных применений радио и могут активно
участвовать в дальнейшем развитии этой интереснейшей обла-
сти техники. Применение радиотехнических методов в народном
хозяйстве достигло больших успехов в значительной степени
благодаря работам советских радиолюбителей. Они постоянно
конструируют оригинальные радиотехнические приборы, пред-
назначенные для автоматического управления производственны-
ми процессами, контроля этих процессов, различных измерений,
испытаний и многих других целей. На ежегодных всесоюзных
выставках радиолюбительского творчества неизменно получают
призы и дипломы радиолюбители-конструкторы, представляю-
щие такие приборы.
О всех успехах радиотехники и электроники невозможно
рассказать кратко. Мы должны ограничиться лишь перечисле-
нием главнейших применений радио. Человек несомненно побе-
дит трудности, стоящие на пути развития науки и техники, пре-
вратит фантастику в реальность. Само радио, дающее связь без
проводов на огромные расстояния через леса, поля, горы, моря
и океаны, незнающее преград, не видимое и не ощущаемое ор-
ганами чувств человека, всего лишь 60 лет назад во времена
А. С. Попова казалось чем-то необыкновенным, почти чудес-
ным, а теперь стало нашим повседневным другом и помощни-
ком.
Победоносное строительство коммунизма, осуществляемое
под руководством Коммунистической партии Советского Союза,
ведет к гигантскому росту науки, техники, культурных и произ-
водительных сил и даст нам новые, еще более замечательные
достижения в области радио.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Стр.
Предисловие . ............................................... 6
Глава 1. Введение
§ 1.1, Наша страна — родина радио............................
§ 1.2. Развитие радио в СССР................................. 8
§ 1.3. Радиовещание и радиосвязь.............................. 12
§ 1.4. Длина радиоволн..................................... 16
§ 1.5. Диапазоны радиоволн , ............... ... . 17
§ 1.6. Вопросы и задачи....................................... 19
Глава 2, Колебательные контуры
§2.1, Свободные электрические колебания 20
§ 2.2. Амплитуда и частота свободных колебаний в контуре...... 24
§ 2.3. Затухающие и незатухающие колебания 26
§ 2.4. Вынужденные колебания и резонанс .......... 28
§ 2.5, Резонанс напряжений ................................... 30
§ 2.6. Резонанс токов ........... 34
§ 2.7, Полоса пропускания контура............................. 38
§ 2.8. Связанные контуры ................................... 41
§ 2.9. Экранирование ......................................... 49
§ 2.10. Типы колебательных контуров и их детали ............. 51
§ 2.11, Простейший расчет контура и его деталей ............. 62
§ 2.12. Вопросы и задачи .................................. 65
Глава 3, Линии, волноводы и объемные резонаторы
§ 3.1, Электромагнитные волны................................ 67
§ 3.2. Бегущие волны в линиях . ............ . ...... 70
§ 3.3, Основные типы линий , ........................,....«. 75
§ 3.4. Стоячие волны в линиях ................ 77
§ 3.5, Нагрузка линии на различные сопротивления ............. 85
§ 3.6. Волноводы ........................................... 87
§ 3.7. Колебательные системы в виде резонансных линий ........ 96
§ 3.8, Объемные резонаторы................................... 102
§ 3,9. Вопросы и задачи .................................... 108
Глава 4, Антенные устройства и распространение радиоволн
§ 4.1. Антенна (открытый контур) , .......................... ПО
§ 4.2. Симметричный полуволновой вибратор .................. 115
§ 4.3. Собственные частоты и длина волны антенны.......... . , 119
§ 4,4. Простейшие приемные и передающие антенны. Заземление и про-
тивовес . . . , ............................................ 121
§ 4.5. Рамочная и магнитная антенны....................... . 126
§ 4.6. Фидерные линии ...................... 128
§ 4,7. Направленное действие одиночного вибратора и системы несколь-
ких вибраторов ............................................ 130
§ 4,8. Антенны для коротких и метровых волн 137
653
Стр.
§ 4.9. Специальные антенны для дециметровых и сантиметровых волн 145
§ 4.10. Распространение радиоволн ................................. 149
§ 4.11. Вопросы и задачи ...................................... . 159
Глава 5. Электронные и ионные приборы
§ 5,1. Общие сведения об электронных и ионных приборах ..... 161
§ 5.2. Движение электронов в электрическом и магнитном полях . . . 163
§ 5,3, Устройство и принцип работы диода ........................165
§ 5.4. Схема включения диода .................................. 168
§ 5,5. Типы катодов 170
§ 5,6. Характеристики диода.................................. 174
§ 5.7. Параметры диода ......................................'• 176
§ 5.8. Типы и конструкции диодов............................... 178
§ 5.9. Устройство и работа триода.............................. 184
§ 5,10. Усиление с помощью триода ............................. 186
§ 5.11. Триод в ламповом генераторе ..........189
§ 5.12. Характеристики триода................................ 190
. § 5,13. Параметры триода..................................... 195
§ 5,14. Динамический режим работы лампы........................ 200
§ 5.15. Приёмно-усилительные триоды ....... ...... 204
§ 5,16. Недостатки триода ..................................... 206
§ 5.17. Устройство и работа тетрода ........................ < 207
§ 5,18. Включение тетрода ..................................... 209
§ 5119. Сеточные характеристики и параметры тетрода ....... 212
§ 5,20. Динатронный эффект в тетроде ............................213
§ 5.21. Устройство и работа пентода , ......................... 215
§ 5.22. Лучевой тетрод......................................... 218
§ 5.23. Лампы с удлинённой характеристикой .......... 220
§ 5.24, Приёмно-усилительные тетроды и пентоды ................ 221
§ 5.25, Многоэлектродные и комбинированные лампы.................223
§ 5.26. Собственные шумы электронных ламп .......................225
§ 5.27, Новые типы приёмио-усилительиых ламп ....................226
§ 5,28, Взаимозаменяемость ламп................................ 230
§ 5.29. Испытание и проверка ламп . . 231
§ 5.30. Электроино-лучевая трубка , . 232
§ 5.31. Электрический разряд в газах , .................... 237
§ 5.32, Неоновая лампа......................................... 239
§ 5.33. Стабилитроны 240
§ 5.34. Газотроны и тиратроны дугового разряда ......... 242
§ 5.35. Тиратроны тлеющего разряда 245
§ 5.36, Электронные лампы для сверхвысоких частот , . ...........247
§ 5,37. Клистроны ..................................• . « > • 254
§ 5.38, Магнетроны 259
§ 5.39, Лампы бегущей и обратной волны ............ 262
§ 5,40. Допросы и задачи ...................................... 265
Глава 6, Полупроводниковые электронные приборы
§ 6.1. Общие сведения о полупроводниковых приборах.......... . 268
§ 6.2. ’Электронная и дырочная проводимости полупроводников . . . 270
§ 6,3. Выпрямление переменного тока в электроино-дырочном переходе 274
§ 6.4, Полупроводниковые диоды ..................................278
§ 6.5. *Транзисторы (полупроводниковые триоды) ......... 286
§ 6.6. Статические характеристики транзисторов ......... 296
§ 6.7. Статические параметры и эквивалентные схемы транзисторов . 303
§ 6.8. Основные типы транзисторов ............. 309
§ 6.9, Вопросы и задачи ....................................... 315
654
Стр.
Глава 7. Выпрямители
§ 7.1. Основные схемы выпрямителей . 317
§ 7.2. Сглаживающие фильтры .............................. . 322
§ 7.3. Детали выпрямителей ....... ............................... 328
§ 7.4. Простейший расчет силовых трансформаторов ........ 333
§ 7.5. Вибропреобразователи ...................................... 335
§ 7.6. Преобразователи напряжения иа транзисторах , . ..............336
§ 7.7. Стабилизаторы напряжения .................................. 337
§78, Стабилизаторы тока (барретеры) 341
§ 7.9. Вопросы и задачи......................................... • 341
Глава 8. Электроакустические приборы
§ 8.1. Свойства звука. Человеческий слух 343
§ 8.2. Микрофоны и телефоны ......................................344
§ 8.3. Громкоговорители ..........................................351
§ 8.4. Звукосниматели 357
§ 8.5. Понятие о децибелах 359
§ 8.6. Вопросы и задачи ........................................ 362
Глава 9. Усилители низкой частоты
§ 9.1. Основные параметры усилителей.............................. 363
§ 9:2. Усилители напряжения и усилители мощности....................367
§ 9.3. Усилительная ступень с триодом ............. 368
§ 9.4. Напряжение смещения в усилителях........................... 375
§ 9.5. Усилительная ступень на транзисторе 380
§ 9.6. Схемы питания и стабилизации режима транзисторов.............385
§ 9.7. Усилитель на сопротивлениях ............................... 389
§ 9.8. Дроссельный усилитель............ . . > .....................396
§ 9.9. Трансформаторный усилитель................................. 397
§ 9.10. Однотактная оконечная ступень усиления ....................407
§ 9.11. Двухтактная оконечная ступень усиления......................414
§ 9.12. Оконечные ступени без выходного трансформатора ..... 424
§ 9.13, Усилители с несколькими ступеняими усиления . ..............426
§ 9.14. Каскодный усилитель....................................... 431
§ 9.15. Широкополосные усилители.................................. 432
§ 9.16. Отрицательная обратная связь в усилителях ........ 433
§ 9.17. Вопросы и задачи.......................................... 438
Глава 10. Генераторы и передатчики
§ 10.1. Ламповый генератор с самовозбуждением ......... 442
§ 10.2. Режим, мощность и коэффициент полезного действия лампово-
го генератора ............................................ 445
§ 10.3. Схемы ламповых генераторов с самовозбуждением...............450
§ 10.4. Генераторы с самовозбуждением на транзисторах ...... 455
§ 10.5. Генераторы с самовозбуждением без обратной связи . : . . . 459
§ 10.6. Передатчик с самовозбуждением...........................«•« 461
§ 10.7. Генераторы и передатчики с посторонним возбуждением . , . 463
§ 10.8. Генераторы с электронной связью . ........... 468
§ 10.9. Стабилизация частоты . ............................ ...... 471
§ 10.10, Телеграфная манипуляция в передатчиках ........ 476
§ 10.11. Лампы и транзисторы для генераторов и передатчиков . . . 478
§ 10.12. Принцип модуляции ................. 482
§ 10.13. Состав модулированных колебаний 484
§ 10.14, Сеточная модуляция ...... s.............................. 488
§ 10.15. Анодная модуляция .........................................491
§ 10.16, Модуляция при тетродах и пентодах..........................493
§ 10.17. Модуляция в транзисторных генераторах ................. . 494
655
Стр. ,
§ 10.18. Частотная модуляция....................................... 495
§ 10,19. Вопросы и задачи.......................................... 498
Глава 11. Радиоприемники
§ 11.1* Общие сведения о приемниках.............................
§ 11.2* Основные параметры приемников..............................
§ II.3« Приемник прямого усиления.................................
§ 11.4л...........................Д иодный детектор , . , .... . . :
§ 11.5. Детекторный приемник
§ 11.6. Сеточный детектор . . ,....................................
§ 11.7. .«Анодный и катодный детекторы.............................
§ 11.8, Детекторы на транзисторах .................................
§ П.9.» Входная часть приемников .... . . .................
§ 11.10. мЛамповые усилители высокой частоты..............., . .
§ 11,11. Усилители высокой частоты приемников укв..................
§ 11.12, Транзисторные усилители высокой частоты...................
§ 11.13.*Принцип супергетеродинного приема и его особенности . . . .
§ 11.14.(Ламповые преобразователи частоты ... .................
§ 11,1 5 Преобразователи частоты для укв...........................
§ 11.16, Транзисторные преобразователи частоты . ..................
§ 11.17. »Усилители промежуточной частоты .........................
§ 11.18. Детектор, второй гетеродин и усилитель низкой частоты . . ,
§ 11.19, Регулировки усиления, тембра и избирательности . . . . .
§ 11.20. Электронно-световой индикатор настройки...................
§ 11.21. Помехи радиоприему и борьба с ними................. . .
§ 11.22. Приемники частотио-модулированных сигналов................
§ 11.23. Автоматическая подстройка частоты ........................
§ 11.24. Детекторно-регенеративная ступень................... . .
§ 11.25. Сверхрегенеративные приемники.............................
§ 11.26. Рефлексные приемники . . . ...............................
§ 11.27. Вопросы н задачи .........................................
50Г
50?
506
507
510
512
513
515’
516
520
525
530
532
540
550
552
554 ।
560
563
570
571
577
582
583
587
594
595
Глава 12. Радиоизмерения
§ 12.1. Измерение токов ..........................................599
§ 12.2. Измерение напряжений .....................................605
§ 12.3. Измерение сопротивлений ........................... . . 615
§ 12.4. Генераторы звуковой частоты ..............................620
§ 12.5. Генераторы сигналов .......................626
§ 12.6, Электронный осциллоскоп...................,...............628
§ 12.7. Измерение частоты .................................. . 632 -
§ 12.8. Измерение емкостей и индуктивностей.......................640
§ 12.9, Измерение добротности .................................... 644 I
§ 12.10. Вопросы и задачи....................................... 644
Заключение , , ,................................................ 645 .
Иван Петрович Жеребцов
Редактор Е. С. Новикова
Техи. редактор Г. И. Шефер Корректор Н. С. Корнеева
Сдано в набор 28/VIII 1964 г. Подписано в печать 28/XII 1964 г.
Формат бумаги 60 X 9O'/i6- 41,0 печ. л. Уч.-изд. л. 42,99
Т-18238. Тираж 100 000 экз. Зак. изд. 11929. Цена 1 руб. 50 коп. Зак. тип. 2607.
Издательство «Связь», Москва-центр, Чистопрудный бульвар, 2.
Набрано в типографии издательства «Связь» Государственного комитета
Совета Министров СССР по печати, Москва-центр, ул. Кирова, 40.
Отпечатано в типографии «Красный пролетарий» Политиздата.
Москва, Краснопролетарская, 16.