Рис. 118.Схема, аналогичная схеме на рис. 117, поясняющая процесс возникновения удвоенного обратного напряжения.
Н. — Изображенная таким образом схема напоминает мне немного схемы разверток: слева видна зарядная цепь, где напряжение вторичной обмотки создает ток, который после выпрямления кенотроном заряжает конденсатор С; последний разряжается затем по цепи, расположенной справа.
Л. — Такое толкование не лишено интереса и может, в частности, помочь тебе лучше разобраться в механизме фильтрации. Но пока что я хотел бы осветить некоторые другие явления. Для этого будем действовать нашим обычным методом.
Н. — Ты хочешь рассмотреть, что происходит за каждый полупериод? Это нетрудно. Возьмем прежде тот, когда ток проходит через кенотрон. Это полупериод, когда электроны выталкиваются к верху вторичной обмотки, т. е. когда из-за наличия электродвижущей силы верхний конец вторичной обмотки становится отрицательным по отношению к нижнему.
Л. — Прекрасно, Незнайкин. Можно подумать, что ты угадываешь, как я поведу рассуждение.
Н. — По правде говоря, нет. Но я вижу, что электроны свободно проходят от катода к аноду кенотрона и заряжают конденсатор до амплитудного значения напряжения С, развиваемого вторичной обмоткой, причем потенциал нижней обкладки отрицателен по отношению к верхней.
Л. — Посмотри теперь, что произойдет во время следующего полупериода, изобразив это на схеме.
Н. — По моему мнению, не произойдет ничего, потому что теперь электродвижущая сила на вторичной обмотке изменила полярность и разность потенциалов между верхним и нижним концами положительна и равна U. Поэтому электроны не могут идти от анода к катоду. Значит, ток в цепи будет отсутствовать.
Л. — Очевидно. Но что происходит в это время на конденсаторе С?
Н. — Он очень медленно разряжается через нагрузку. Практически же напряжение на его обкладках продолжает оставаться равным U.
Л. — Ну, что же, посмотри, как это все выглядит на схеме. Ты имеешь два напряжения U, включенных последовательно: на конденсаторе и на вторичной высоковольтной обмотке. Таким образом, «максимальное обратное напряжение» — его так называют, приложенное между катодом и анодом кенотрона, равно 2U. При напряжении 12 000 в это составляет во время не пропускаемых кенотроном полупериодов максимумы 24 000 в. Чтобы внутри кенотрона не возникало искр или даже дуги, это должна быть специальная лампа, выдерживающая такие напряжения между электродами. Кроме того, должна быть предусмотрена специальная изоляция в монтаже и трансформаторе. Ты можешь, в частности, заметить, что обратное напряжение полностью прикладывается между накальной обмоткой и магнитным сердечником, соединенным с шасси.
Н. — В общем наше устройство так же опасно для людей, как и для оборудования. Что же делать?
Л. — Можно несколько улучшить это положение, применяя полупроводниковые выпрямители (селеновые или даже германиевые). Так как катод отсутствует, можно использовать схему (рис. 119), которую я опять-таки изображаю не вполне ортодоксально. Выпрямитель изображается в виде стрелы, острие которой указывает направление прохождения электронов.
Рис. 119.Схема полупроводникового выпрямителя позволяет вдвое уменьшить напряжение между обмоткой и сердечником трансформатора.
Выпрямитель и в этой схеме должен выдерживать обратное пиковое напряжение 2U. Но между концом вторичной обмотки и сердечником максимальное напряжение не превышает U.
Н. — Все это далеко не утешительно. Когда речь идет о таких высоких напряжениях, должны возникнуть настоящие китайские головоломки в отношении изоляции!
Л. — Тогда предпочтительнее прибегнуть к умножителю напряжения.
Н. — Это еще что такое? Ты мне никогда о нем не говорил.
Л. — Принцип работы удвоителя напряжения понять нетрудно (рис. 120). Я тебе предоставляю возможность рассуждений, как мы это обычно делаем, по нашему методу.
Рис. 120.Схема удвоителя напряжения, изображенная не совсем обычным образом с целью пояснения принципа ее работы.
Н. — Спасибо за честь! Я полагаю, что, например, во время первого полупериода электроны во вторичной обмотке выталкиваются слева направо. Они смогут тогда пройти через верхний выпрямитель и зарядят до напряжения U верхний конденсатор, через нижний же выпрямитель им вход воспрещен.
В следующий полупериод электроны во вторичной обмотке выталкиваются справа налево. Теперь им прегражден путь через верхний выпрямитель. Они смогут тогда пройти через нижний выпрямитель и будут заряжать до напряжения U нижний конденсатор. Но, честное слово, Любознайкин, ты прав! Напряжения обоих конденсаторов складываются, и на выходе получается напряжение 2U. Это поистине гениально!
Л. — Можно применить несколько иную схему (рис. 121), где во время первого полупериода ток проходит через верхний выпрямитель и заряжает до напряжения U конденсатор, включенный последовательно со вторичной обмоткой. Во время следующего полупериода напряжение конденсатора добавляется к напряжению вторичной обмотки, так что выходной конденсатор заряжается через нижний выпрямитель, до 2U вольт.
Рис. 121.Схема удвоителя, состоящая из тех же элементов, что и схема на рис. 120, но несколько иначе включенных.
Н. — Все это похоже на какое-то колдовство.
Л. — Соединив каскадом ряд умножителей напряжения в современных устройствах для расщепления атомов, имена которых кончаются на «трон», достигают миллионов вольт.
Н. — Я уже слышал об этих циклотронах и прочих бетатронах. Но вернемся к нашим скромным кинескопам, честолюбие которых измеряется не мегавольтами, а простыми киловольтами.
Л. — Чтобы покончить с классической схемой из трансформатора и выпрямителя, можно отметить, что она далеко не безопасна и практически уже не встречается, по крайней мере в тех случаях, когда речь идет о кинескопах с повышенными напряжениями. Но зато она вполне пригодна для питания кинескопов с электростатическими фокусировкой и отклонением.
Вот, например (рис. 122), схема такого питания, где, начиная с высокого напряжения, выпрямленного и отфильтрованного фильтрующей ячейкой с резистором (С1, R1, C2), все необходимые напряжения получают с помощью делителя напряжения.
Рис. 122.Схема питания кинескопа с электростатическими фокусировкой и отклонением.
Н. — Да, я вижу катод, которому задается положительный потенциал по отношению к шасси при помощи переменного резистора R2, включенного последовательно с постоянным резистором R3.Модулятор кинескопа благодаря резистору утечки R10 имеет потенциал шасси и поэтому отрицателен по отношению к аноду. Резистор R2 служит для регулировки средней яркости. Возрастающие потенциалы трех анодов снимаются с цепочки резисторов R4 — R7, благодаря потенциометру R5 можно изменять потенциал второго анода, чтобы регулировать фокусировку пятна. Но я что-то не пойму, для чего служат потенциометры R8 и R9.
Л. — Средние точки этих потенциометров имеют тот же потенциал, что и третий анод (потому что R6 = R7). С помощью движков потенциометров средний потенциал отклоняющих пластин (одной из каждой пары) может быть установлен немного ниже или выше потенциала последнего анода (другой пластины каждой пары). Таким образом, можно регулировать среднее положение пятна как в горизонтальном, так и в вертикальном направлениях, т. е. осуществить центрирование изображения путем перемещения его влево и вправо или вверх и вниз.
Н. — Это то же кадрирование, что и в кино, где стараются, чтобы изображение не перерезалось посредине, что вызывает свистки зрителей… Но скажи, Любознайкин, разве нельзя использовать такую же схему смещения на модуляторе для кинескопов с электромагнитными фокусировкой и отклонением?
Л. — Конечно, можно. Каков бы ни был способ получения высокого напряжения, всегда можно установить делитель напряжения (рис. 123), позволяющий подавать на модулятор кинескопа отрицательное по отношению к катоду регулирующею напряжение и регулировать с его помощью яркость изображения.
Рис. 123.Схема делителя напряжения, обеспечивающая на катоде регулируемое положительное напряжение.
Н. — Ты мне дал совершенно ясно понять, что, кроме классической схемы получения высокого напряжения, которая тебе, по-видимому, абсолютно не нравится, существуют и другие. Так ли это?
Л. — Конечно. Основным недостатком классической схемы является слишком низкая частота выпрямленного тока, вследствие чего необходимо прибегать к конденсаторам фильтра со сравнительно большой емкостью. Заряд, накопленный на одной четверти микрофарады десятком киловольт, может оказаться смертельным, как я уже говорил. Но если выпрямить ток с частотой, например, 10 000 гц, то достаточно будет емкости, уменьшенной в 200 раз. А заряд такого конденсатора, кроме неприятных ощущений, не будет представлять никакой опасности, особенно при ограниченном зарядном токе.
Н. — Это выглядит более привлекательным. Но не думаю, что по твоему простому телефонному звонку инженеры электростанции ускорят вращение генераторов, чтобы снабдить тебя частотой 10 000 гц.
Л. — Я не создаю себе никаких иллюзий на этот счет. Потому-то я сам себя и обеспечу переменным током.