Электроника и граммофон

Старинная арабская сказка рассказывает нам о волшебной лампе, с помощью которой можно в мгновение ока возводить дворцы, разрушать горы, переносить людей с места на место и совершать много других больших и малых чудес. Но волшебная сила лампы открывается не сразу, хозяин светильника — Алладин узнает о ней совсем случайно. Чтоб нам не оказаться в подобном положении, давайте сразу же выясним, для чего нам нужны электронные лампы в приемнике, где можно использовать их «волшебную силу», и как это сделать.

Напряжение, которое создает сигнал принимаемой станции на входном контуре, очень мало — обычно оно составляет несколько десятков или несколько сотен микровольт и лишь при приеме мощных и близко расположенных станций достигает десятков и сотен милливольт. В то же время диодный детектор работает без искажений, если на него подать высокочастотное напряжение около вольта, а еще лучше — несколько вольт. Таким образом, первая задача, которая стоит перед электронными лампами, сводится к тому, чтобы усилить высокочастотный сигнал перед его поступлением на детектор.

Если предположить, что первая задача решена, то на выходе детектора мы получим напряжение низкой частоты около вольта, а мощность низкочастотного сигнала после детектирования будет измеряться миллионными долями ватта. (Это, конечно, очень мало, хотя и в миллионы и миллиарды раз больше, чем поступает на вход приемника). Если такой слабый сигнал подвести прямо к громкоговорителю, то его диффузор практически даже не сдвинется с места — громкоговоритель работает при мощностях сигнала порядка ватта. Отсюда и следует вторая задача, которую призваны решить электронные лампы в приемнике, — они должны усилить низкочастотный сигнал, полученный в результате детектирования, резко повысить его мощность, с тем чтобы досыта «накормить» громкоговоритель. Одним словом, в приемнике нужно иметь два усилительных тракта — высокочастотный (ВЧ) и низкочастотный (НЧ).

Попробуем сразу взять быка за рога — попытаемся разобрать типичную практическую схему усилителя НЧ. Подобную схему (рис. 49, б) можно встретить в подавляющем большинстве советских и зарубежных ламповых приемников.

Прежде всего несколько слов об общих принципах построения усилителя НЧ. Мы уже говорили (стр. 127), что необходимую для громкоговорителя мощность может дать специальная выходная лампа — лучевой тетрод или пентод. Но для того, чтобы управлять током выходной лампы, на ее сетку нужно подать сравнительно большое напряжение НЧ — обычно 5—15 в. Детектор такого напряжения обеспечить не может, и поэтому необходим еще один каскад — усилитель напряжения, или, как его еще называют, предварительны» усилитель. На его сетку с детектора подается слабый низкочастотный сигнал, а на выходе получается усиленное напряжение, которое в свою очередь подается на сетку выходной лампы. Теперь посмотрим, как эти общие принципы воплощены в конкретной схеме.

Выходной каскад собран на лампе Л₂. В ее катодную цепь включено сопротивление R₆, на котором суммарный анодно-экранный ток создаст напряжение смещения (рис. 39, б). «Плюс» этого напряжения на катоде лампы, а «минус» — на корпусе. К корпусу через сопротивление утечки R₅ подключена управляющая сетка и таким образом на ней оказывается отрицательное напряжение относительно катода.

Главная особенность выходного каскада состоит в том, что нагрузка (громкоговоритель) включена в анодную цепь не непосредственно, а через выходной трансформатор Тр₂. Связано это вот с чем. Сопротивление звуковой катушки громкоговорителя очень мало — оно не превышает нескольких ом. В то же время, чтобы лампа отдавала значительную мощность при минимальных искажениях, в анодную цепь этой лампы нужно включить довольно большое сопротивление нагрузки, обычно 5—10 ком. Только при таком сопротивлении на нагрузке действует достаточно большое низкочастотное напряжение — 100–200 в, которое так же, как и ток (рис. 10), участвует в создании выходной мощности. Назначение выходного трансформатора в том и состоит, что он с помощью маленького сопротивления звуковой катушки создает в анодной цепи достаточно большое сопротивление нагрузки.

Если, пользуясь формулой закона Ома (рис. 5), вы захотите подсчитать сопротивление какой-нибудь цепи, то нужно будет разделить напряжение на ток. Даже без формул, на основании простой логики можно прийти к выводу — чем больше напряжение и чем меньше ток, тем больше сопротивление цепи. Выходной трансформатор понижающий — число витков вторичной обмотки во много раз меньше, чем первичной. В соответствии с этим и напряжение на звуковой катушке во много раз меньше, а переменный ток во много раз больше, чем в анодной цепи лампы. Ну, а отсюда уже непосредственно следует, что включение в анодную цепь выходной лампы низкоомного (го есть с малым сопротивлением) громкоговорителя через понижающий трансформатор равносильно тому, что в анодную цепь лампы включено большое сопротивление. Величину этого сопротивления можно сделать оптимальной (см. параметры ламп), подбирая коэффициент трансформации выходного трансформатора. Обычно его первичная обмотка содержит 2000–3000 витков тонкого провода (ПЭ 0,12 — ПЭ 0,25), а вторичная — несколько десятков витков более толстого провода (ПЭ 0,5—ПЭ 0,8). Конденсатор С₅ замыкает первичную обмотку накоротко для сверхзвуковой частоты и предохраняет усилитель от самовозбуждения (стр. 121).

Постоянное напряжение подается на анод лампы через первичную обмотку — один ее конец подключен к аноду, а второй — к «плюсу». Напряжение на экранную сетку подается непосредственно с «плюса» без гасящего сопротивления, так как для выходных ламп это напряжение должно быть примерно равно анодному. Переменные составляющие анодного и экранного токов замыкаются на «землю», а оттуда на катод через конденсатор С₈ фильтра выпрямителя.

Наконец, последний элемент схемы выходного каскада — цепочка R₇C₇. Это простейший регулятор тембра, с помощью которого можно «завалить» частотную характеристику в области высших звуковых частот. При этом есть возможность в какой-то степени ослабить некоторые виды помех — трески и шумы, хотя одновременно ухудшается и качество звучания. Работает регулятор тембра так. Когда движок сопротивления R₇ находится в крайнем нижнем положении, анод лампы Л₂ замкнут на «землю» через конденсатор С₇, емкость которого подобрана с таким расчетом, чтобы конденсатор хорошо пропускал высшие звуковые частоты и поэтому как бы срезал их. Для средних и особенно для низших частот емкостное сопротивление конденсатора велико, и он почти не влияет на эти составляющие. Перемещая движок сопротивления вверх (по схеме), мы увеличиваем общее сопротивление цепи, влияние конденсатора уменьшается и частотная характеристика выравнивается.

Напряжение низкой частоты, то есть усиливаемый сигнал, подается на сетку выходной лампы с анодной нагрузки R₁ усилителя напряжения (Л₁) через разделительный конденсатор С₁. Этот конденсатор нужен для того, чтобы на сетку Л₂ с анода Л₁ не попало постоянное напряжение. Если конденсатор С₁ окажется пробитым, а такое повреждение иногда случается, то на сетке Л₂ появится большое положительное напряжение, анодный ток лампы резко возрастет, и она может выйти из строя.

* * *

* * *

Схема первого усилительного каскада уже знакома нам (рис. 39, а), знаком и способ питания экранной сетки через гасящее сопротивление (рис. 41, б). Сопротивление утечки R₂ и конденсатор С₂ — это элементы фильтра детектора (рис. 23). Как уже было отмечено (стр. 74), переменное сопротивление R"₁ является регулятором громкости. С помощью R"₁ мы подаем на вход усилителя большую или меньшую часть низкочастотного напряжения. Иногда R"₁ включают вместо сопротивления утечки (рис. 49, а).

Приведенная на рисунке 49 схема усилителя низкой частоты в реальном приемнике встречается с целым рядом изменений и дополнений.

Многие изменения не носят принципиального характера, и вы легко поймете их, если внимательно читали предыдущие разделы. К числу таких изменений можно отнести применение в первом каскаде триода вместо пентода, подачу смещения на сетку первой лампы за счет ее собственного сеточного тока (рис. 39, б), подачу смещения на обе лампы с сопротивления включенного в цепь общего «минуса» (рис. 48), питание экранной сетки от делителя напряжения (рис. 41, в). Встречаются в усилителях НЧ особенности, с которыми мы еще не знакомы. К их числу в первую очередь нужно отнести отрицательную обратную связь, раздельную регулировку тембра и двухтактный выходной каскад.

С обратной связью мы познакомились, когда речь шла о недостатках триода (стр. 121) — она возникла из-за того, что сигнал из анодной цепи лампы попадал в сеточную. Существует две разновидности обратной связи — положительная и отрицательная. В первом случае сигнал, попадающий в сеточную цепь из анодной, действует согласованно, или, как говорят, в фазе с усиливаемым сигналом, в результате чего переменное напряжение на сетке увеличивается. Во втором случае обратная связь действует в противофазе с сигналом и ослабляет его.

В усилителях низкой частоты используется только отрицательная обратная связь, так как она позволяет снизить нелинейные искажения и в широких пределах корректировать частотную характеристику усилителя.

Каждая электронная лампа, особенно выходная, в какой-то степени изменяет форму усиливаемого сигнала, создает нелинейные искажения (стр. 38). Связано это с тем. что на некоторых участках характеристика лампы нелинейна — анодный ток не всегда прямо пропорционален напряжению на сетке. В результате нелинейных искажений на выходе усилителя появляются синусоидальные составляющие, которых не было на входе, и из радиоприемника вместо чистого, прозрачного звука доносятся скрежет и хрипы. Для объективной оценки искажений существует специальная величина — коэффициент нелинейных искажений, который показывает, сколько процентов от основного сигнала составляет мощность вновь появившихся посторонних гармоник. Нелинейные искажения в 3–5 процентов наше ухо практически не замечает, 10–15 процентов сильно искажают передачу, ну а при искажениях больше 20 процентов речь и особенно музыку может слушать человек лишь с исключительно крепкими нервами. Помимо ламп «богатым» источником нелинейных искажений является еще и громкоговоритель, а также выходной трансформатор. Кроме того, в общий счет входят искажения, которые появляются на передающей стороне радиовещательного тракта. Все это заставляет вести упорную борьбу с каждым лишним процентом искажений везде, где это только возможно, в том числе и в усилителе низкой частоты.

Когда мы вводим отрицательную обратную связь в усилитель НЧ, то из анодной цепи на сетку попадает не только усиливаемый чистый сигнал, но и все посторонние гармоники, появившиеся в самой лампе в результате искажений. И вот здесь-то, попав на главный командный пост лампы, на управляющую сетку, появившиеся в результате искажений гармоники начинают сами себя ослаблять, действуя против своих «родителей» — посторонних гармонических составляющих анодного тока. Конечно, подобным способом нельзя полностью избавиться от искажений, но уменьшить их в несколько раз удается. Заметим, что наряду с определенными достоинствами отрицательная обратная связь имеет и серьезный недостаток, она одновременно ослабляет полезный сигнал. Однако бороться с этим недостатком довольно просто-нужно лишь повысить усиление предыдущего каскада и подавать напряжение на сетку с некоторым запасом.

На рис. 50 вы видите упрощенную по сравнению с предыдущей (не показаны цепи накала, вместо пентода в первом каскаде работает триод) схему усилителя НЧ, где жирными линиями показано несколько типичных цепей отрицательной обратной связи. Прежде всего (а, б) напряжение обратной связи появится на катодных сопротивлениях R₃ и R₆, если отключить от них конденсаторы. Теперь под действием анодного тока на сопротивлениях возникает не только постоянное, но и переменное напряжение, которое, как всегда, действует между катодом и корпусом, а значит, между катодом и сеткой.

Анод лампы Л₁ с ее сеткой непосредственно связывает конденсатор С₁₀ (в). Он по сути дела лишь увеличивает междуэлектродную емкость лампы. Аналогичная цепь (г) протянута с анода выходной лампы к сетке первого каскада, правда, не к самой сетке, а к сопротивлению R₃, которое, как только что было отмечено, включено между сеткой и катодом лампы Л₁. Одна из цепей (д) охватывает практически весь усилитель, так как напряжение низкой частоты здесь подается со вторичной обмотки выходного трансформатора на вход первого каскада, в другой цепи (ж) отрицательной обратной связью охвачены лишь главные источники нелинейных искажений — выходной каскад (Л₂) и выходной трансформатор. Обратная связь может подаваться и на экранную сетку, например, с части витков (I б) первичной обмотки выходного трансформатора (е). Такую схему иногда называют ультралинейной.

С помощью конденсатора, сопротивление которого, как известно, зависит от частоты, удается сделать обратную связь неравномерной — усилить или, наоборот, ослабить ее в некоторой части звукового спектра и таким путем «поднять» или «завалить» определенный участок частотной характеристики.

Этот прием широко используется в усилителях НЧ и, в частности, в раздельном регуляторе тембра, работу которого поясняет рис. 51.

В цепи обратной связи имеются два фильтра — один из них пропускает высшие звуковые частоты, другой — низшие. Уменьшая сопротивление R₁, это своего рода гасящее сопротивление, мы усиливаем обратную связь (а значит, ослабляем входной сигнал) на высших частотах и создаем «завал» частотной характеристики в этой области. Аналогично с помощью сопротивления R₂ регулируется тембр в области низших частот. Практически в цепях обратной связи имеется значительное количество сопротивлений и конденсаторов (в принципе вместо конденсаторов можно использовать катушки — их сопротивление тоже зависит от частоты), с помощью которых и осуществляется корректировка частотной характеристики.

И, наконец, еще один незнакомый нам элемент усилителя НЧ — двухтактный выходной каскад. Когда от усилителя нужно получить большую мощность и одной лампы уже недостаточно, поступают довольно просто — берут две, включая их так, как показано на рис. 52. Это и есть двухтактный выходной каскад, который можно встретить почти во всех приемниках высокого класса.

Возможен такой режим двухтактного каскада, когда лампы работают поочередно, подобно кенотронам в двухполупериодном выпрямителе. Правда, в двухполупериодном выпрямителе нагрузку включают так, чтобы получить в ней пульсирующий ток, то есть ток одного направления. В двухтактном каскаде задача совсем другая — лампы должны создать в нагрузке переменный ток, причем каждая из них обеспечивает какой-нибудь одни — положительный или отрицательный полупериод этого тока. Из каждой половинки обмотки энергия передается во вторичную, где выходные мощности обеих ламп суммируются в едином переменном токе низкой частоты.

Можно было бы, конечно, обойтись и без двухтактной схемы и просто включить лампы параллельно — анод соединить с анодом, катод — с катодом, сетку — с сеткой. При этом увеличился бы суммарный анодный ток, а значит, и входная мощность. Однако двухтактная схема имеет по сравнению с параллельным включением ламп, да и вообще по сравнению с любой однотактной схемой (рис. 49), ряд серьезных преимуществ.

Глазные из них — малые нелинейные искажения при большой выходной мощности, уменьшение габаритов выходного трансформатора, экономный расход анодного тока, возможность улучшить частотную характеристику. Благодаря этим достоинствам двухтактная схема, наверное, применялась бы еще более широко, не будь у нее так велики запросы. Она требует, чтобы на сетки ламп Л₂ и Л₃ подавались одинаковые по величине и обязательно противофазные напряжения — когда на одной сетке положительный полупериод усиливаемого сигнала, на другой должен быть отрицательный. Для того чтобы получить такие напряжения, как правило, используется специальный усилительный каскад с громоздким названием «фазоинвертор».

Наиболее простая схема для получения двух напряжений показана на рис. 52. Здесь вторичная обмотка междулампового трансформатора Тр₁ разделена на две части, а так как заземлен средний вывод («средняя точка»), то напряжения на сетках ламп Л₂ и Л₃ оказываются в противофазе — в тот момент, когда на сетке Л₁ «плюс» относительно шасси, на сетке Л₂ — «минус». В приемниках подобная схема сейчас встречается сравнительно редко — ее заменили бестрансформаторные ламповые фазоинверторы. Один из них — усилительный каскад с разделенной на две части нагрузкой (рис. 53, а).

Когда под действием входного сигнала увеличивается анодный ток лампы Л₁, то одновременно возрастают и напряжения на анодной R₁ и катодной R₂ нагрузках. При этом, естественно, напряжение на аноде уменьшается, а на катоде увеличивается. Иными словами, напряжения, которые получаются с выходом этого необычного каскада, действуют в противофазе, что и необходимо для двухтактного усилителя. В третьей схеме (рис. 53, б) переворачивание фазы осуществляется с помощью дополнительного каскада, который собран на первой половине двойного триода (Л₁). И, наконец, четвертая схема (рис. 53, в), где напряжение на сетку одной из ламп двухтактного каскада подается с выходного трансформатора.

Нужную фазу этого напряжения можно легко получить, заземляя тот или другой вывод специальной обмотки III.

Оценивая наиболее интересные изобретения нашего времени, люди далекого будущего, вероятно, отдадут должное старому доброму граммофону. Первые аппараты записи и воспроизведения звука — фонограф и граммофон — так же, как книги, фотография, кино — открыли новые возможности для хранения и распространения информации — главного богатства цивилизованного человечества. Больше того, звукозапись — это одно из средств хоть как-то противостоять неумолимому течению времени. Для нас навсегда потеряны виртуозное мастерство Паганини-исполнителя и страстные монологи великих актеров русского крепостного театра, но голоса Собинова, Шаляпина, Карузо стали бессмертными благодаря небольшим черным дискам с длинными, закрученными в спираль звуковыми дорожками. Граммофонные пластинки сохранили на века бесконечно дорогой всем людям голос вождя революции Владимира Ильича Ленина.

Подлинный переворот в звукозаписи произвела радиоэлектронная техника. На ее основе появились принципиально новые системы записи звука и, в частности, оптическая и магнитная. Даже старый граммофон, подружившись с молодыми и умелыми электронными приборами, сам в корне преобразился и начал свою вторую жизнь. Раньше на долю граммофона доставалась поистине непосильная работа — слабые колебания иглы, бегущей по извилистой звуковой дорожке, сами, без всякой посторонней помощи должны были создавать звук. Хорошо известно, какой это был звук! Напрягаясь из последних сил, работая с огромным браком — с сильными частотными и нелинейными искажениями, граммофон с трудом развивал звуковую мощность в несколько сотых долей ватта.

Теперь все происходит иначе. В звуковоспроизводящий тракт вклинились ламповые усилители, граммофонная игла перешла на легкую работу, исчезли проблемы мощности, резко уменьшились искажения. Теперь игла звукоснимателя легкая, как пушинка, только считывает информацию. Скрупулезно следуя за всеми извилинами канавки, она колеблется и с помощью пьезоэлемента (чаще всего кристалл титаната бария) эти колебания превращаются в переменное электрическое напряжение соответствующей формы (рис. 54, а). Одним словом, звукосниматель — это тоже своего рода переводчик, причем той же квалификации, что и микрофон.

Легкие условия работы звукоснимателя, позволяющие ему практически без искажения осуществлять перевод с «механического языка» на «электрический», можно подтвердить цифрами. Когда звукосниматель воспроизводит долгоиграющие записи, то наибольшая амплитуда колебаний его иглы (обратите внимание — наибольшая!) составляет 20–30 микрон; вес звукоснимателя, приведенный к концу иглы, не превышает 5—12 граммов; от звукоснимателя требуется низкочастотное напряжение в несколько сотых долей вольта и мощность…0,0000001 ватта! Дальше за звукоснимателем следует уже знакомый нам усилитель НЧ, который усиливает этот слабый сигнал, доводит его мощность до необходимой величины и передает громкоговорителю. Для воспроизведения грамзаписей приспособлен любой приемник. Установив переключатель диапазонов в положение Зв — звукосниматель, мы переключаем вход усилителя НЧ с детектора к выведенным на заднюю стенку гнездам для звукоснимателя (рис. 54, б). В радиолах одновременно включается в сеть электродвигатель.

На этом мы, пожалуй, закончим разговор о низкочастотном усилительном тракте радиоприемника. Теперь нам предстоит посмотреть, как происходит усиление сигнала до детектора, как устроен и работает тракт усиления высокой частоты.