Дальше: Настоящий триод в настоящем усилителе

Действие переносится в космос

Очень часто электрический ток сравнивают с потоком воды, а элементы электрической цепи — с различными гидравлическими приборами: батарейку с насосом, нагрузку с турбиной, проводники — с трубами. Продолжая это сравнение, попробуем представить себе управляющий прибор для плавного изменения тока. Такой прибор необходим нам в практике для усиления слабых электрических сигналов — переменных напряжений высокой и низкой частоты.

Что касается потока воды, то для него подобным управляющим прибором является обычный водопроводный кран. Действительно, поворачивая кран, мы перемещаем своеобразную заслонку на пути воды и плавно изменяем мощность потока. Ну, а как создать подобную заслонку для электрического тока? Как ввести ее в проводник? И как перемешать с помощью слабых электрических сигналов? Все эти, казалось бы неразрешимые, задачи довольно просто решаются в электронной лампе.

Ни один уважающий себя кот не полезет за мышкой в ее норку — он будет терпеливо ждать, когда мышь выйдет прогуляться на свежем воздухе. Здесь коту достаточно будет только протянуть лапу — и мышки нет. Учитывая этот убедительный пример, мы тоже не будем стараться проникнуть внутрь проводника для того, чтобы управлять движением зарядов. Выведем эти заряды из проводника «на воздух» и здесь попытаемся поставить на их пути электрическую заслонку. Правда, воздух очень неудачная среда для движения зарядов, ведь он только кажется прозрачным и «пустым». Попробуйте чуть-чуть высунуть руку из движущегося автомобиля, как вы сразу же почувствуете плотность воздуха, его сопротивление — результат столкновения руки с миллиардами молекул различных газов — кислорода, водорода, азота и др.

И вот здесь-то можно вспомнить о космосе, о том, как огромные спутники и корабли двигаются там, не встречая почти никакого сопротивления — в космосе плотность вещества ничтожно мала. Подобные «космические» условия можно создать и в стеклянном баллоне, если с помощью мощных насосов тщательно откачать из него воздух. В таком безвоздушном пространстве, или, как говорят иначе, в вакууме, электрические заряды смогут двигаться практически без столкновений.

Стеклянный, металлический или керамический баллон, в котором создан вакуум, — это основная деталь самых различных приборов для управления движущимися зарядами. Именно поэтому все эти приборы — телевизионные трубки, электронные микроскопы, усилительные лампы — часто называют вакуумными. Попутно заметим, что из обычной электрической лампочки тоже откачивают воздух, но при этом преследуют совсем другие цели. В состав воздуха входит кислород, из-за которого раскаленная нить может просто-напросто сгореть.

Итак, вакуумный баллон для усилительной электронной лампы у нас уже есть. Теперь остаются сущие «пустяки» — нужно создать в баллоне электрический ток и вставить «заслонку» для управления этим током.

* * *

РАДИОПРИЕМНИК ЗАПОЛНЯЕТ АНКЕТУ

Вот несколько вопросов, с которыми покупатель обычно приходит в радиомагазин: «Какой приемник самый хороший? А чем плохи остальные? И какой же все-таки покупать?..»

О радиоприемнике довольно четко рассказывают его главные характеристики — параметры. Вот некоторые из них.

— Диапазоны принимаемых волн.

— Коэффициент нелинейных искажений (в процентах).

— Полоса воспроизводимых частот (в герцах).

— Номинальная выходная мощность (в ваттах), при которой искажения не превышают нормы.

— Чувствительность, которая характеризует способность приемника усиливать слабые сигналы.

Обычно указывается напряжение (в микровольтах) на входе приемника, при котором выходная мощность составляет не меньше 10 % от номинальной. Чем меньше это напряжение, тем, естественно, лучше чувствительность. Так, например, при чувствительности 50 мкв можно принимать более слабые станции, чем при 200 мкв.

— Избирательность по соседнему каналу (обычно в децибелах) величина, показывающая, во сколько раз ослабляется соседняя станция по сравнению с принимаемой («расстояние» по частоте — 10 кгц).

— Избирательность по зеркальному каналу («расстояние» по частоте — 930 Мгц).

Имеется и целый ряд других параметров, характеризующих уровень фона, эффективность системы АРУ, стабильность частоты гетеродина, потребляемую мощность, степень регулировки тембра и полосы пропускания, уровень собственных шумов и др. Но одна только анкета, пусть даже самая подробная, не может полностью охарактеризовать приемник. Ведь имеются еще и такие важные показатели, как внешний вид, отделка, тембр звучания, удобство управления, надежность… Вот почему даже детально познакомившись с основными параметрами приемника, вы можете без стеснения задавать продавцам, а еще лучше мастерам-ремонтникам, традиционный вопрос: «Так какой же приемник все-таки стоит покупать?»

* * *

Не нарушая герметичности баллона, введем в него с разных сторон два электрода (электродами называют расположенные внутри баллона металлические детали, выполняющие какие-то определенные функции по созданию тока и управлению им), а к их выводам, то есть к той части электродов, которая сквозь стекло выходит из баллона, подключим обычную батарейку. Давайте сразу же договоримся: тот электрод, к которому подключен «плюс» батареи, называется анодом, а тот, к которому подключен «минус», — катодом. Батарею, включенную между анодом и катодом, принято называть анодной, хотя с таким же успехом ее можно было бы назвать катодной или, еще точнее, анодно-катодной. В пашем простом примере анод и катод — это совершенно одинаковые металлические пластинки — их даже можно поменять местами. В настоящей лампе анод и катод устроены совершенно по-разному.

После подключения к электродам анодной батареи в баллоне появится ток. Электроны будут вылетать из катода и двигаться к аноду — отрицательно заряженный электрон стремится к «плюсу». В то же время, если на аноде каким-то образом появятся свободные положительные заряды, то они будут двигаться к «минусу», то есть к катоду.

В большинстве электровакуумных приборов, так же, как и в металлических проводниках, ток создают свободные электроны. Только они могут покинуть свои атомы и отправиться в «космический» полет от катода к аноду. Именно эти неутомимые и дисциплинированные труженики позволили создать тысячи точнейших методов и изумительных приборов, объединенных одним словом — электроника. Однако при рассмотрении электронных схем на движение электронов, как всегда, не обращают внимания, а пользуются условным направлением тока — считают, что ток протекает от «плюса» к «минусу», то есть от анода к катоду.

Описывая наш простейший электронный прибор — вакуумный баллон с двумя металлическими электродами, — мы упустили из виду одну «мелочь». Даже при большом напряжении анодной батареи — десятки и сотни вольт — анодного тока в баллоне не будет. Может быть, конечно, несколько наиболее резвых электронов прорвутся к аноду, но они погоды не делают, особенно если учесть, что из анодного тока мы хотим создать «мощную копию» усиливаемого сигнала.

Что же мешает возникновению анодного тока? Ведь в вакууме уже ничто не тормозит движения зарядов?

В вакууме электроны действительно двигаются совершенно свободно, но выйти из катода им так же трудно, как и раньше. Препятствий для выхода электронов несколько. Одно из них — это знакомое нам электронное облако (стр. 13), которое своим отрицательным зарядом отталкивает вылетающие электроды обратно к катоду.

Итак, последовательно, шаг за шагом, мы стараемся преодолеть все трудности, связанные с созданием электронного управляющего прибора. Облегчить электронам выход из катода — вот задача, которая стоит перед нами сейчас. Решается она довольно легко — катод необходимо сильно нагреть. При этом станет более интенсивным хаотическое движение электронов в металле и многие из них будут просто-напросто выпрыгивать из него. Выбрасывание электронов раскаленным катодом называется термоэлектронной эмиссией (термо — тепло, эмиссия — испускание, выбрасывание).

Как же практически разогреть катод? Какой нагреватель применить — костер, примус или электроплитку? Первые два варианта, конечно, относятся к области шуток, ну, а плитка нам вполне подходит. Правда, это будет специальная плитка — роль спирали в ней будет выполнять… сам катод. Изогнем катод в виде дуги или спирали, выведем его второй конец из баллона и к имеющимся у нас теперь двум выводам катода подключим батарейку (рис. 34, а). При этом мы получим самостоятельную, так называемую накальную цепь, которая никакого отношения к другим цепям усилителя, как правило, не имеет. Минус анодной батареи можно подключать к любому из выводов катода. Вот теперь в нашем распоряжении настоящий электровакуумный прибор, простейшая электронная лампа — диод (рис. 34, б).

Рис. 34

Под действием напряжения накальной батареи по самому катоду, как по обычному проводнику, пойдет ток (ток накала), катод накалится и начнет эмиттировать, а проще говоря, выбрасывать электроны, которые тут же устремятся к аноду.

Последнее, правда, относится не ко всем электронам — многие из них будут возвращаться обратно на катод. Здесь уже все зависит от той силы, которая притягивает электроны к аноду, то есть от анодного напряжения. Чем больше плюс на аноде, тем сильней он тянет к себе вылетевшие из катода электроны, тем больше анодный ток.

Необходимо заметить, что увеличение анодного тока не будет беспредельным — как только в него включатся все вылетающие из катода электроны, наступит так называемое насыщение, и дальнейший рост тока станет невозможным. Однако до тех пор, пока насыщение не наступило, можно менять величину анодного тока, изменяя напряжение на аноде.

Все, о чем мы сейчас говорили, очень и очень важно. Фактически мы нащупали основу для создания в нашем приборе управляющей заслонки. Такой заслонкой может быть напряжение, которое будет влиять на ток в баллоне, подобно напряжению на аноде, но только во много раз сильнее.

Давайте между катодом и анодом установим металлическую сетку и снабдим ее самостоятельным выводом — проводником, который выходит наружу сквозь стекло баллона (рис. 35, а). Теперь попробуем одним концом к этой сетке, а другим концом к катоду подключить источник усиливаемого сигнала, например микрофон (рис. 35, в). Во время разговора перед микрофоном на его выходе появится переменное напряжение низкой частоты, которое будет действовать между сеткой и катодом.

Рис. 35

Сетка расположена очень близко к катоду — иногда расстояние между ними не превышает нескольких десятков микрон. Именно поэтому напряжение на сетке весьма сильно влияет на величину анодного тока. Когда на сетке появляется плюс, она помогает электронам покинуть район катода и тем самым увеличивает анодный ток. Минус на сетке, наоборот, отталкивает электроны обратно к катоду, из-за чего анодный ток уменьшается.

Вы уже, очевидно, догадались, что сеточное напряжение, (не сама сетка, а именно напряжение на ней) — это и есть та заслонка, с помощью которой можно плавно управлять анодным током. Для того чтобы подчеркнуть роль сетки, ее называют управляющей.

Анодный ток практически мгновенно реагирует на любые даже самые незначительные изменения сеточного напряжения, и поэтому он будет «по пятам» следовать за усиливаемым сигналом и в точности сохранит его форму. Остается лишь выяснить, будет ли полученная нами в анодной цепи копия мощнее оригинала, то есть сигнала, который дает микрофон.

Для начала отметим, что ток в сеточной цепи (в нашем случае это цепь сетка — катод — микрофон — сетка) всегда меньше, чем в анодной. Так, «втягивая» в анодный ток тысячу электронов, сетка лишь несколько из них «перехватывает себе». Практически это означает, что усиление по току нам всегда обеспечено. Можно, конечно, создать такие условия, при которых картина будет выглядеть совсем иначе, но этот случай нас не интересует.

Усиление тока само по себе ни о чем не говорит — если в 10 раз усилить ток и в 10 раз ослабить напряжение, то мощность сигнала останется неизменной. Для того чтобы решить вопрос о мощности, нам придется восполнить одно очень серьезное упущение — включить в анодную цепь нагрузку (R_н). Ведь без нагрузки вся затея с усилением не имеет никакого смысла. В нагрузке совершает полезную работу усиленный ток, в ней выделяется полезная мощность.

Принципиально нагрузку можно включить в любой участок анодной цепи, но, как правило, ее включают между плюсом анодной батареи и самим анодом. Такую нагрузку называют анодной.

В радиоприемнике можно встретить следующие виды анодной нагрузки колебательный контур или отдельную катушку, когда усиливается сигнал высокой частоты и громкоговоритель, или обычное сопротивление, когда усиливается сигнал низкой частоты. Мы пока остановимся на последнем, наиболее простом виде нагрузки — сопротивлении (R_н).

Анодный ток проходит по сопротивлению нагрузки и создает на нем определенное напряжение. Когда под действием входного сигнала меняется анодный ток, меняется и напряжение на нагрузке (вспомните закон Ома!). Иными словами, напряжение на нагрузке — это копия входного, то есть усиливаемого напряжения. Ну, а как же насчет усиления?

Здесь нужно оговориться, что напряжение на нагрузке состоит из двух частей, или, как принято говорить, из двух составляющих — постоянной и переменной. Постоянная составляющая никакой пользы не приносит. Она существует всегда, когда есть анодный ток. Переменная составляющая появляется лишь тогда, когда анодный ток меняется. Эта переменная составляющая как раз и есть нужная нам копия входного напряжения.

Закон Ома подсказывает нам, как можно довольно просто повысить общее напряжение на нагрузке, а значит и его переменную составляющую. Для этого достаточно увеличить само сопротивление нагрузки. Выбрав это сопротивление достаточно большим (обычно оно составляет десятки и сотни килоом), можно получить усиление по напряжению, то есть добиться того, что переменное напряжение на анодной нагрузке будет больше переменного напряжения на сетке.

Но не может ли изменяющееся напряжение на нагрузке вообще испортить все дело? Ведь само сопротивление нагрузки и сопротивление участка анод — катод по отношению к анодной батарее соединены последовательно, и чем большая часть напряжения теряется на нагрузке, тем меньшая его часть действует между анодом и катодом. Когда меняется анодный ток, меняется напряжение на нагрузке, а значит и на аноде. Так не может ли это меняющееся анодное напряжение помешать переменному напряжению, действующему на сетке? Ведь оба эти напряжения действуют на анодный ток.

* * *

ИГРА В КЛАССЫ

Несколько лет назад все отечественные приемники четко разделялись на четыре класса. Вот примерные характеристики каждого из них.

Совершенно ясно, что различие в параметрах прежде всего определяется сложностью схемы, качеством узлов и деталей. Так, например, в приемниках первого класса почти всегда перед преобразователем частоты имеется еще и усилитель ВЧ с настраивающимся колебательным контуром, усилитель НЧ собран, как правило, по двухтактной схеме; акустический агрегат состоит из нескольких громкоговорителей, каждый из которых воспроизводит свой участок звукового диапазона.

Сейчас не существует строгого и резкого разделения приемников на классы, но все же можно наметить несколько групп радиоприемников, параметры которых близки к указанным в таблице

* * *

Кто же из них окажется сильнее?

Здесь придется вспомнить одну деталь, которая, может быть, в свое время осталась незамеченной. Когда мы вводили в баллон управляющую сетку, то договорились, что она будет расположена рядом с источником электронов — катодом. Ну, а чем ближе электрические заряды друг к другу, тем сильнее они взаимодействуют — в этом легко убедиться, приближая наэлектризованную гребенку к кусочку бумаги. Вы уже, очевидно, сами догадались, что именно поэтому напряжение на управляющей сетке влияет на анодный ток намного сильнее, чем напряжение на аноде. И именно поэтому можно допустить, чтобы напряжение на нагрузке, а значит и на аноде, менялось в довольно больших пределах. Это не помешает нормальной работе управляющей сетки — даже небольшое напряжение на ней по-прежнему будет «командовать» анодным током. В этом основа усиления по напряжению.

Итак, последнее препятствие позади — есть усиление по току и по напряжению, а значит и по мощности — из маленького слоненка все-таки получился слон! Цель, к которой мы так долго и упорно стремились, достигнута, и уже, по-видимому, настало время назвать настоящее имя главного виновника нашего торжества. Это широко распространенный электровакуумный прибор, простейшая усилительная лампа — триод (рис. 35).

Такое название лампа получила потому, что в ее баллоне находятся три электрода — анод, катод и управляющая сетка.

Правда, лампу, о которой мы все время говорили, правильнее было бы назвать упрощенной моделью триода. Сейчас нам предстоит познакомиться с устройством реальных ламп и включением их в реальные усилительные схемы.

Назад: Слоненок становится слоном

Дальше: Настоящий триод в настоящем усилителе