Lampa próżniowa jako wzmacniacz
(Uwaga: starałem się zachować oryginalne słownictwo)
B.F. McNamee
Radio (USA) Lipiec, 1922
Typ lampy próżniowej używanej w charakterze elementu wzmacniającego to lampa o wysokiej próżni zwana potocznie lampą "twardą". Próżnia jest prawie tak idealna, że nie ma zauważalnego wpływu cząsteczek gazu; w rzeczywistości ze względów praktycznych można to uznać za idealną próżnię. „Miękka” lampa elektronowa, czyli zawierająca pewne niewielkie ciśnienie gazu i przeznaczona do stosowania jako detektor, może być w pewnym stopniu wykorzystana do celów wzmacniających. Jednak prawie zawsze skutkuje to zniekształceniami, które uniemożliwiłyby jej użycie jako wzmacniacza w radiotelefonie, a jej użycie jest również ograniczone, ponieważ nie będzie działać przy wysokim napięciu anodowym, ograniczając w ten sposób poziom sygnałów, które można uzyskać..
Rys. 1 i Rys. 2
Dlatego lampa elektronowa wysokopróżniowa jest jedyną, która zostanie omówiona w tym artykule..
W "miękkiej" lampie elektronowej (lampie o "miękkiej/niedoskonałej" próżni) mamy zarówno elektrony, jak i cząsteczki gazu, które działają jako nośniki elektryczności, ale w "twardej" lampie elektrony są jedynymi nośnikami, dzięki czemu jej działanie jest uproszczone. Kiedy włókno staje się elementem żarowym, wyrzuca ujemne elektrony. Bateria B jest połączona dodatnim końcem w kierunku anody, a ten dodatni ładunek na anodzie przyciąga ujemne elektrony. Istnieje zatem przepływ elektronów przez lampę od żarnika do anody i powrót do żarnika przez miernik i baterię B pokazaną na rys. 1. Dopóki na siatce nie zostanie umieszczony żaden ładunek, prąd ten pozostanie na stałym poziomie o wartości np. około jednego lub dwóch miliamperów przy zwykłym napięciu baterii B.
Siatka jest rodzajem ekranu umieszczonego pomiędzy żarzeniem a anodą. Elektrony przemieszczające się z włókna żarzenia do anody przechodzą przez otwory w tym ekranie. Kiedy napięcie elektryczne jest podłączone do siatki, działa ona jak kran w rurze wodociągowej, ponieważ kontroluje przepływ prądu przez lampę. Ujemny napięcie na siatce odpycha elektrony pochodzące z żarzenia i mniejsza ich liczba dociera do anody. Jeśli to ujemne napięcie jest wystarczająco duże, wszystkie elektrony z żarnika zostaną odepchnięte i przeniesione z powrotem do żarnika, a miernik, który pokazuje prąd anodowy, wskaże zero. Jeśli natomiast do siatki zostanie podłączone napięcie dodatnie, przyspieszy ono elektrony i większa ich liczba dotrze do anody. Zwiększy to prąd przepływający przez miernik.
Siatkę polaryzuje się dodatnio lub ujemnie, podłączając baterię między punktami X i Y na rys. 1. Jeśli punkty X i Y są połączone przewodem, a Y jest podłączony do ujemnego końca żarnika, mówi się, że siatka ma zerowy potencjał. Zmieniając napięcie akumulatora podłączonego między X i Y i zaznaczając odpowiednie wartości prądu wskazywanego przez miernik, otrzymujemy krzywą z rys. 2. Zauważmy, że gdy X i Y są połączone przewodem, czyli gdy na siatce jest zerowy potencjał, w obwodzie anodowym płynie prąd o natężeniu 0,8 miliampera. Ta wartość prądu jest odpowiednia tylko dla jednej konkretnej regulacji żarnika i baterii B na jednej konkretnej lampie; możemy zrobić z tym prądem prawie wszystko, co nam się podoba.
Należy zauważyć, że gdy napięcie wzrasta w kierunku ujemnym, prąd w obwodzie anodowym bardzo gwałtownie spada, aż do osiągnięcia ujemnego potencjału na siatce o wartości 4 woltów, odpowiadającego punktowi M na krzywej. Gdy napięcie wzrasta w kierunku ujemnym poza ten punkt, prąd anodowy spada bardzo stopniowo do zera przy około 10 woltach.
Z drugiej strony, jeśli napięcie anodowe zostanie zwiększone w kierunku dodatnim, prąd anodowy początkowo gwałtownie wzrośnie, aż do osiągnięcia około 4 woltów dodatnich, co odpowiada prądowi anodowemu 1,5 miliampera. Jeśli zwiększymy dodatni potencjał siatki poza ten punkt, prawie nie będzie odpowiedniego wzrostu prądu anodowego. Dzieje się tak, ponieważ wszystkie elektrony emitowane przez włókno docierają teraz do anody, w związku z czym nie może nastąpić dalszy wzrost prądu anodowego, chyba że włókno stanie się cieplejsze. Jest to znane jako nasycona część krzywej.
Załóżmy, że między punktami X i Y na rys. 1 podłączono małe napięcie zmienne. Jeśli napięcie na siatce będzie się wahać od 2 woltów dodatnich do 2 woltów ujemnych, to wskazówka miliamperomierza wskaże, że prąd anodowy wzrasta i opada w zakresie od 1,2 do 0,6 miliampera.
Zwykłą metodą dostarczania napięcia przemiennego do siatki lampy próżniowej jest użycie transformatora, jak pokazano na rys. 3. Uzwojenie pierwotne transformatora można podłączyć do linii telefonicznej, a prąd przemienny w nim będzie w takim przypadku składał się z prądów "głosowych". Transformator jest zwykle typu podwyższającego, aby zapewnić jak największą zmianę napięcia w obwodzie siatki, jak jest to praktycznie możliwe. Ponieważ siatka wymaga niewielkiego lub zerowego prądu, możemy mieć duże napięcia ze źródła dostarczającego bardzo małą moc. Dzieje się tak w przypadku długich linii telefonicznych, w których prawie cała moc jest zużywana na pokonanie strat rezystancyjnych w linii.
Rys. 3 i Rys. 4
Przy takim sterowanym głosem napięciu przyłożonym do siatki, prąd w obwodzie anodowym lampy będzie się odpowiednio wahał, a jeśli zamiast miliamperomierza na rys. 1 zostanie użyta para słuchawek telefonicznych, sygnał linii telefonicznej będzie wyraźnie słyszalny. Rezultat będzie znacznie silniejszy, niż gdyby słuchawki telefoniczne były podłączone bezpośrednio do linii telefonicznej, ponieważ energia wykorzystywana obecnie do wytwarzania fal dźwiękowych pochodzi z baterii B i jest po prostu kontrolowana przez znikomą ilość energii w linii telefonicznej. Obwód siatki lampy próżniowej jest z tego powodu nazywany obwodem sterującym lub obwodem wejściowym, a obwód anodowy jest znany jako obwód wyjściowy. Bardzo mała ilość energii w obwodzie sterującym uwolni w obwodzie wyjściowym stosunkowo dużą ilość energii z akumulatora B.
W linii telefonicznej zamiast telefonów można podłączony inny transformator, który dostarczałby energię w ramach kontynuacji linii telefonicznej. Oczywiście zapewniałoby to komunikację tylko w jedną stronę, ale opracowano dość skomplikowane podłączenie, zwykle przy użyciu dwóch lamp, które zapewnia wzmocnienie w obu kierunkach i jest obecnie używane we wszystkich telefonach międzymiastowych.
Rys. 4 przedstawia krzywą uzyskaną z niektórych typów lamp wzmacniacza z pewnymi regulacjami żarnika i baterii B. Gdyby ta lampa została użyta z połączeniami pokazanymi na rys. 3, wzmocnione dźwięki byłyby zniekształcone, ponieważ dodatni potencjał rzędu dwóch woltów zwiększyłby prąd anodowy, ale bardzo nieznacznie, podczas gdy potencjał ujemny o tej samej wartości spowodowałby stosunkowo duży spadek. Aby wzmocnić bez zniekształceń, konieczne byłoby, aby wzrost w tym przypadku był równy zmniejszeniu. Można to osiągnąć, podłączając baterię o napięciu około trzech woltów między żarnikiem a uzwojeniem wtórnym transformatora, tak aby jego ujemny koniec był skierowany w stronę tego ostatniego. Spowodowałoby to przesunięcie prądu anody do punktu L na krzywej z rys. 4. Jeśli napięcie siatki waha się teraz o dwa lub trzy wolty w dowolnym kierunku, odpowiedni wzrost i spadek prądu anodowego będzie równy i nie wystąpią zniekształcenia. Taka bateria włączona w obwód siatki nazywana jest baterią „C” lub baterią „bias”. Ponieważ dostarcza mało prądu lub nie dostarcza go wcale, może składać się z najmniejszego rozmiaru baterii od latarki.
Jeśli wymagane jest większe wzmocnienie niż zapewniane przez jedną lampę, telefony z rys. 3 można wyjąć, a na ich miejsce podłączyć uzwojenie pierwotne innego transformatora. Uzwojenie wtórne tego transformatora jest podłączone do siatki i żarnika innej lampy, co wzmocni sygnał pierwszej lampy. To działanie może być kontynuowane przez cztery lub pięć kolejnych laamp i jest znane jako amplifikacja kaskadowa. W takich wielostopniowych wzmacniaczach konieczna jest bardzo staranna konstrukcja, aby zapobiec zniekształceniom.
Zjawisko „wycia” (wzbudzania się) w obwodach wzmacniacza można całkowicie wyeliminować. Temat ten zostanie podjęty w następnym artykule z tej serii, który będzie dotyczył lampy próżniowej jako oscylatora.
