Теперь, когда мы установили пределы действия автоматического регулятора усиления, мы можем изложить основной принцип его работы.
Этот принцип заключается в том, что в регуляторе используется напряжение, развиваемое средним значением детектированного тока, для воздействия на электроды ламп, предшествующих детектору, так, чтобы уменьшать усиление при увеличении сигнала.
Очень простая гидравлическая аналогия поможет нам разобраться в смысле этой формулировки. Интенсивность сигналов на входе приемника изображается уровнем жидкости в сосуде А (рис. 153).
Рис. 153. Гидравлическое устройство, аналогичное автоматическому регулятору усиления.
Уровень жидкости в сосуде Б соответствует напряжению, поданному на детектор. На рисунке видны труба, соединяющая оба сосуда, и кран К, через который жидкость может вытекать из сосуда Б. Если бы установка состояла только из описанных устройств, то изменение уровня в сосуде А вызывало бы соответствующее изменение уровня в сосуде Б (явление замираний). Но в установке предусмотрен регулятор, который должен поддерживать постоянство уровня в сосуде Б. Он состоит из поплавка Р, прочно соединенного с рычагом на шарнире Ш, несущем пробку П. Когда в результате повышения уровня в сосуде А повышается уровень в сосуде Б, поплавок Р, всплывая, поднимает пробку П, так что количество поступающей жидкости уменьшается и уровень в сосуде Б сразу же понижается. Понятно, что практически уровень жидкости в сосуде Б остается неизменным.
Точно так же в приемнике с автоматическим регулятором громкости повышение интенсивности сигнала на входе вызывает повышение среднего значения детектированного тока. Этот ток создает на сопротивлении падение напряжения, которое в форме смещения подается на электроды одной или нескольких предшествующих ламп и снижает их коэффициент усиления.
Нас в конечном итоге интересует скорость поступления жидкости или, если мы говорим о радио, результирующая громкость звука. В гидравлике поступление жидкости зависит не только от уровня, но и от характера жидкости, в основном от ее удельного веса. Если мы будем иметь дело только с одной жидкостью, то количество жидкости, пропускаемое в секунду краном К, останется неизменным, какой бы уровень ни был в сосуде А. Если же мы будем пропускать то ртуть, то растительное масло, скорость поступления этих жидкостей не будет одинаковой. Именно тогда с пользой для дела вступает кран К, который в конечном итоге определяет расход каждой жидкости.
Вернемся к области радио: внимательный читатель, очевидно, уже догадался, что характер жидкости соответствует глубине модуляции, а кран К играет роль ручной регулировки громкости звука, стоящей в низкочастотной части приемника.
Отметим также, что гидравлический регулятор позволяет снижать скорость поступления жидкости, препятствуя таким образом повышению уровня в сосуде Б. Если по какой-либо причине уровень в сосуде А станет слишком низким, то уровень в сосуде Б также упадет и регулятор не сможет восполнить это снижение. Такое же явление наблюдается и в радио. Автоматический регулятор усиления лишь в большей или меньшей степени снижает чувствительность приемника.
Таким образом, автоматический регулятор усиления осуществляет «нивелировку по наинизшему уровню». Он может применяться лишь в приемниках с достаточным резервом по чувствительности.
Следует подчеркнуть, что само напряжение, развиваемое усиливаемыми сигналами на выходе детектора, служит для автоматической регулировки усиления. Это напряжение должно оставаться постоянным. Как только появляется тенденция изменения напряжения в сторону повышения или понижения, оно воздействует на предшествующие лампы, изменяя их усиление и компенсируя тем самым эффект колебания величины сигнала в антенне.
Лампы с переменной крутизной
Изменение усиления в лампах, предшествующих детектору, осуществляется путем изменения их крутизны. Крутизна, как мы это видели при изучении характеристик ламп, постоянна лишь на линейном участке характеристики. Как только смещение достигает нижнего изгиба характеристики, крутизна снижается и может в конечном итоге стать равной нулю (когда анодный ток исчезает при сильном смещении).
Все лампы, охваченные системой АРУ, имеют специальную характеристику — это лампы с переменной крутизной. Крутизна у них весьма постепенно изменяется в зависимости от изменения смещения. Характеристика не имеет резких изгибов и на всех ее участках небольшой отрезок кривой легко может быть приравнен прямой. Таким образом, где бы ни находилась рабочая точка, искажения, вносимые нелинейностью, будут незначительными, если мы имеем дело с малыми амплитудами сеточного напряжения.
Чем большую абсолютную величину имеет отрицательное смещение, тем меньше крутизна, а следовательно, и усиление лампы. Так, изменяя в известных пределах смещение лампы с переменной крутизной, мы можем изменять ее усиление от максимального значения до такой малой величины, что это будет скорее ослаблением, чем усилением.
Работа АРУ
Регулировка усиления перед детектором (которая по сути дела является ничем иным, как регулировкой чувствительности приемника) могла бы производиться вручную, например путем регулировки потенциала сетки или, что эквивалентно, потенциала катода лампы с помощью потенциометра. Но в автоматическом регуляторе необходимое напряжение смещения снимается с детектора.
Действительно, напряжение низкой частоты в точке X (см. рис. 106) диодного детектора в каждый момент пропорционально средней интенсивности принимаемых сигналов. Это отрицательное напряжение используется в качестве смещения в цепях сеток предшествующих ламп, которые включаются, таким образом, в цепь АРУ (рис. 154).
Рис. 154. Блок-схема радиоприемника с АРУ.
1 — усилитель высокой частоты; 2 — детектор; 3 — усилитель низкой частоты; 4 — цепь АРУ.
Следует отметить, что начальное смещение ламп получается обычным способом в результате падения напряжения на сопротивлении, включенном между катодом и минусом высокого напряжения. Напряжение АРУ добавляется к нему, создавая увеличение смещения, с тем чтобы в бóльшей или меньшей степени ослабить усиление каждой лампы.
Когда вследствие замираний интенсивность принимаемых антенной сигналов снижается, падает также и детектированное напряжение в точке X; в результате этого дополнительное смещение уменьшается и усиление ламп возрастает, нейтрализуя тем самым эффект замираний.
Постоянная времени
Значение автоматического регулятора усиления заключается в стабилизации громкости воспроизведения. Речь, конечно, идет не о том, чтобы свести мощность всех звуков к одной и той же величине, лишая музыку всех ее нюансов.
Наоборот, контраст между пианиссимо и фортиссимо по мере возможности должен полностью сохраняться. Стабилизироваться должна только средняя громкость звучания.
Для достижения этого нужно сделать так, чтобы при кратковременных изменениях интенсивности сигналов (например, при громких аккордах) АРУ не срабатывало. Быстрые изменения интенсивности нейтрализуют с помощью специальной цепи, например из резистора R1 и конденсатора C1 (рис. 107). Эта цепь отводит переменные составляющие напряжения к какой-либо точке с постоянным потенциалом (например, к минусу высокого напряжения) и имеет большую постоянную времени.
Постоянная времени выражается в секундах и численно равна произведению R в омах на С в фарадах. Так, например, сопротивление 500 000 ом и конденсатор 0,1 миф (или 0,0000001 ф) будут иметь постоянную времени 500 000·0, 0000001 = 0,05 сек (или 1/20 сек). В результате все изменения, имеющие длительность менее 1/20 сек, не будут переданы этим устройством. Звуковые частоты, принимаемые радиоприемниками, выше 20 гц, т. е. длительность их меньше 1/20 сек, замирания же, за редкими исключениями, протекают значительно медленнее. Поэтому мгновенные изменения напряжения, вызываемые даже самыми низкими звуковыми частотами, не окажут никакого влияния на усиление до детектора; однако колебания интенсивности, обусловленные замираниями, пройдут через систему с такой постоянной времени и усиление ламп и изменится соответствующим образом.
Задержанная АРУ
В настоящее время для детектирования применяют, как правило, двойные диоды с общим катодом. Это позволяет разделить функции детектирования и автоматической регулировки усиления. Как было показано на рис. 108, верхний диод выполняет роль детектора, на нижний же напряжение высокой частоты подается через конденсатор C1 малой емкости, и падение напряжения на резисторе R1, обусловленное детектированным током, используется как напряжение АРУ. Однако использование двойного диода в таком виде не дает существенного преимущества. Его применение представляет действительный интерес при устройстве задержанной АРУ.
