ia от нуля (ia = 0) до максимума (ia =is) изменением напряжения на сетке в пределах от Ug зап до Ugs (фиг. 23). Так как сетка расположена к катоду ближе, чем анод, то достаточно лишь немного изменить сеточное напряжение, чтобы значительно изменить анодный ток. В нашем случае достаточно изменить напряжение на сетке всего лишь на 14,5 В, чтобы уменьшить анодный ток от максимума до нуля. Воздействие сеточного напряжения на поток электронов — исключительно удобная возможность управления величиной электрического тока, в особенности если учесть, что это воздействие осуществляется мгновенно, безынерционно.
Фиг. 23. ”Пределы” изменения анодного тока в зависимости от напряжения сетки при заданном напряжении анода
Будем равномерно и непрерывно менять напряжение на сетке, делая его то положительным, то отрицательным. С этой целью подведём к сетке переменное напряжение Umg1, называемое напряжением возбуждения лампы. График этого напряжения (синусоида) нанесён на вертикальной оси времени t, идущей вниз от нуля. Анодный ток будет пульсировать — периодически увеличиваться и уменьшаться — с частотой, равной частоте напряжения возбуждения. График пульсаций анодного тока, повторяющий по своей форме график напряжения возбуждения, нанесён вдоль горизонтальной оси времени t вправо от характеристики. Чем больше величина Umg1, тем в бо́льших пределах изменяется анодный ток (сравните Umg1 и Ima1 с Umg2 и Ima2) (фиг. 24). Точка а на характеристике, соответствующая среднему значению напряжения на сетке и току покоя в анодной цепи, называется рабочей точкой.
Фиг. 24. Переменное напряжение на сетке создаёт пульсирующий анодный ток
Что произойдёт, если в анодную цепь лампы (схема слева) включить сопротивление Ra? Через него будет проходить анодный ток ia, вследствие чего на нем получится падение напряжения URa, пульсирующее с частотой напряжения возбуждения. Пульсирующее напряжение, как известно, состоит из двух слагаемых: постоянной (в нашем случае URa=) и переменной (Uma). При правильно выбранной величине Ra переменная слагаемая анодного напряжения Uma в усилителях напряжения оказывается больше Umg, т. е. осуществляется усиление переменного напряжения. Отношение Uma к Umg называется коэффициентом усиления схемы. Если усиление, производимое одной лампой, недостаточно, то усиленное первой лампой напряжение подают ко второй лампе, а от второй — к третьей и т. д. Так осуществляется каскадное усиление (фиг. 25). На фигуре справа приведены сильно упрощённые схемы трехкаскадных усилителей: наверху — на сопротивлениях, а внизу — на трансформаторах.
Фиг. 25. Как работают усилители
На фиг. 26 показана такая же характеристика лампы, как и на фиг. 24, только без верхнего и нижнего плавных сгибов. Это — идеализированная характеристика. Сравните между собой фиг. 24 и 26 и вы увидите, к чему приводит наличие сгибов на реальной характеристике. Они вызывают искажения в анодной цепи формы кривой усиливаемых колебаний, а эти искажения недопустимы, в особенности, когда они большие. Громкоговоритель, присоединённый к усилителю, работающему с искажениями, воспроизводит хриплые звуки, речь становится неразборчивой, пение — неестественным и т. п. Такие искажения, обусловленные нелинейностью ламповой характеристики, называются нелинейными. Их совершенно не будет, если характеристика строго линейна: здесь график колебаний анодного тока в точности повторяет график колебаний напряжения на сетке.
Фиг. 26. Характеристика лампы, работающей без искажений
Характеристики большинства усилительных ламп в своей средней части прямолинейны. Напрашивается вывод: использовать не всю характеристику лампы вместе со сгибами, а только прямолинейный средний участок её (фиг. 27). Это избавит усиление от нелинейных искажений. Чтобы это осуществить, напряжение на сетке не должно превышать в сторону отрицательных значений -Ug1, а в сторону положительных значений +Ug2. Величина анодного тока при этом будет меняться в суженных пределах: не от ia = 0 до ia =is (фиг. 23), а от ia1 до ia2. В этих пределах ламповая характеристика совершенно линейна, искажений не получится, но зато лампа будет использована не до пределов своих возможностей, её коэффициент полезного действия (к. п .д.) окажется низким. В тех случаях, когда необходимо получить неискажённое усиление, с этим обстоятельством приходится мириться.
Фиг. 27. Как устранить искажения при усилении
К сожалению, нелинейными искажениями дело не ограничивается. В моменты, когда сетка заряжена положительно, она притягивает к себе электроны, отнимая некоторое их количество от общего потока, направленного к аноду. Благодаря этому в цепи сетки возникает сеточный ток. Анодный ток уменьшается на величину сеточного тока, причём это уменьшение получается тем более резко выраженным, чем больше положительное напряжение на сетке. Вследствие этого при положительных импульсах сеточного напряжения опять появляются искажения формы анодного тока. Избавиться от этих искажений можно: в процессе усиления напряжение на сетке никогда не должно быть положительным и даже лучше, если оно вообще не доходит до нуля (фиг. 28). Его надо всегда поддерживать отрицательным, и тогда сеточного тока не будет совершенно. Это требование ведёт к ещё большему сокращению длины используемой части характеристики: правее линии ВГ — токи сетки, левее линии АБ — нелинейные искажения. МН — вот участок характеристики, при использовании которого можно полностью избавиться от искажений в лампе; к. п. д. при этом становится ещё меньше.
Фиг. 28. Как устранить искажения, вносимые наличием сеточного тока
Но как использовать участок МН? Если к сетке подвести лишь напряжение возбуждения Umg, как на фиг. 24 и 26, то неизбежен заход в правую область, в область сеточных токов. Подведём сначала к сетке постоянное отрицательное напряжение Ug0 такой величины, чтобы рабочая точка а сместилась влево по характеристике и оказалась как раз посредине участка МН (фиг. 29). Затем подадим к сетке напряжение возбуждения Umg. Заход в правую область будет устранён, если величина Umg не превысит Ug0, т.е. если Umg<Ug0. Работая при таких условиях, лампа не будет вносить искажений. Этот режим работы лампы получил название режима А. Батарея, напряжение которой смещает по характеристике рабочую точку, называется батареей смещения, а её напряжение Ug0 — напряжением смещения.
Фиг. 29. Работа лампы в режиме А
Среди других режимов низкочастотного усиления режим А — самый неэкономичный: только в отдельных случаях к. п .д. достигает 30–35%, вообще же он поддерживается на уровне 15–20%. Но зато этот режим — самый «чистый», режим с наименьшими искажениями. Его применяют довольно часто, причём, главным образом, в маломощных (до 10–20 Вт) усилительных каскадах, в которых к. п. д. не имеет особо важного значения. У усилительных ламп с круто обрывающейся характеристикой нижний сгиб сравнительно короткий. Пренебрегая внесением незначительных нелинейных искажений (совершенно, кстати, не обнаруживаемых при прослушивании звуковой программы), можно допустить более экономичное использование лампы и включить нижний изгиб в рабочий участок МН характеристики (фиг. 30). Такой режим лампы ещё сохраняет за собой название режима А.
Фиг. 30. Работа лампы в режиме А с использованием нижнего изгиба характеристики
В учебниках встречается такое определение режима усиления класса А: это — режим, при котором лампа работает без отсечки анодного тока. На фиг. 31 мы показываем, что такое отсечка. Напряжение возбуждения Umg настолько велико, что в течение некоторой части периода Umg лампа совершенно ”запирается”, ток через лампу прекращается. Нижние части кривой анодного тока не воспроизводятся и как бы отсекаются — отсюда и название ”отсечка”. Отсечка может быть не только снизу, но и сверху (”верхняя отсечка”, см. фиг. 38), когда импульс анодного тока превышает ток насыщения лампы. Итак, режим А — режим усиления без отсечки. Руководствуясь этим определением, мы могли бы отнести к этому режиму и процессы, графически представленные на фиг. 24 (при Umg2), фиг. 26 (то же при Umg2), фиг. 29 и 30. Но, повторяем, режим А — режим без искажений: такому условию удовлетворяет в полной мере лишь процесс, представленный на фиг. 29.
Фиг. 31. Лампа работает с отсечкой
Широкое распространение получила двухтактная схема усилителя, работающего в режиме А, иначе называемая пушпульной схемой (от английских слов «пуш» — толкать и «пул» — тянуть). В этой схеме использована не одна, а две одинаковые лампы. Напряжение возбуждения подаётся так, что когда одна сетка заряжается положительно, другая заряжается отрицательно. Благодаря этому возрастание анодного тока одной лампы сопровождается одновременным уменьшением тока другой лампы. Но импульсы токов в анодной цепи складываются и в ней получается результирующий переменный ток, равный удвоенной величине тока одной лампы, т. е.