Текст книги "Радио?.. Это очень просто!"

Автор книги: Евгений Айсберг

сообщить о нарушении

Текущая страница: 4 (всего у книги 19 страниц)

Беседа девятая

В этой беседе, целиком посвященной радиотелефонной передаче, Любознайкин излагает принцип работы лампового генератора и процесс модуляции, служащий для передачи низкой частоты на высокой частоте.

СТРАННЫЕ ПУТЕШЕСТВИЯ НИЗКОЙ ЧАСТОТЫ

Незнайкин. – Извини, что я возвращаюсь к своим горестям, но ты обещал объяснить, почему собранная мною схема не могла работать.

Любознайкин. – Чтобы это понять, надо знать, какова форма тока, который электромагнитные волны наводят в твоей антенне. А для этого мне необходимо объяснить действие радиотелефонного передатчика.

Н. – Я знаю, что существует студия, а в ней микрофон.

Л. – Отлично. Я вижу, что ты «основательно» изучил вопрос. Однако знаешь ли ты, что такое микрофон?

Н. – Конечно. Один из них имеется в нашем телефонном аппарате. На днях я вскрыл микрофон и нашел там маленькие крупинки угля. Именно с этого дня наш телефон стал так плохо работать…

Л. – Итак, ты знаешь, что микрофон служит для улавливания звуков и для…

Н. – …преобразования их в электрический ток.

Л. – Это еще не все. Микрофон состоит из тонкой металлической мембраны и металлической чашечки, наполненной угольным порошком (рис. 35). Мембрана изолирована от металлической коробочки и соединяется с нею только через угольный порошок. Ток от батареи идет от мембраны к металлической чашечке через угольный порошок. Величина этого тока зависит, очевидно, от сопротивления угольного порошка. Сопротивление порошка может изменяться в зависимости от давления, производимого на него мембраной.

Рис. 35. Микрофон.

_{1 – мембрана; 2 – изолятор; 3 – угольный порошок; 4 – чашечка.}

Н. – Я понимаю: при сжатии порошка мембраной крупинки имеют большую поверхность соприкосновения и ток проходит легче. Но что может изменить давление мембраны на порошок?

Л. – Звуковые волны, которые заставляют ее вибрировать. Не учил ли ты, мой дорогой, в курсе физики, что звук – это не что иное, как колебания молекул воздуха, распространяющиеся в направлении звуковой волны. Звуковые колебания имеют частоту от 16 колебаний в секунду (герц) для самого низкого слышимого тона до 16 000 для самого высокого. Впрочем, некоторые ученые полагают, что особо чувствительные уши ощущают звуки с частотой колебаний 40 000 гц. Собаки, например, воспринимают эти звуки.

Н. – Значит, если я хорошо понял, звуковые волны ударяются о мембрану микрофона и, заставляя ее колебаться, сжимают больше или меньше угольный порошок и изменяют проходящий через него ток.

Л. – Это правильно. Таким путем микрофонный ток точно повторяет все колебания звука. Впрочем, в радио мы имеем дело со звуком только на концах передающей цепи: вначале – перед микрофоном, а в конце – после громкоговорителя. Между ними звук будет представлен микрофонным током, который называют током низкой частоты, так как его частота много меньше частоты токов, служащих для образования электромагнитных волн и называемых токами высокой частоты.

Н. – Какое несчастье! Еще одна мысль, которая потеряла смысл прежде, чем я ее изложил!.. Я только что собирался предложить послать микрофонный ток прямо в антенну передатчика так, чтобы он создал радиоволны…. и я вижу, что для этого следует использовать токи высокой частоты.

Л. – Видишь ли, Незнайка, микрофонный ток можно уподобить пассажиру, который использует поезд токов высокой частоты, чтобы добраться до отдаленного места назначения. Он садится на станции отправления (передатчик) и сходит на станции назначения (приемник). Таким образом, высокая частота играет вспомогательную роль средства передвижения для тока низкой частоты.

Н. – То, что ты объясняешь, очень просто, но в действительности это должно быть дьявольски сложно, потому что я совсем не представляю себе, как низкая частота «садится» на высокую, переносится ею, а затем оставляет ее.

Л. – Однако все это очень просто и ты это поймешь, когда я объясню тебе действие генератора, который в некоторых случаях применения называется гетеродином.

КАК ПОЛУЧИТЬ ВЫСОКУЮ ЧАСТОТУ

Н. – Я читал в объявлениях о продаже «супергетеродинов», но никогда не слыхал просто о гетеродинах. Не рекламное ли это преувеличение?

Л. – Нет, успокойся. Супергетеродин – приемная схема, о которой я тебе позже расскажу. А просто гетеродин – это устройство, служащее для создания переменных токов высокой или низкой частоты. Генератор, производящий мощные токи высокой частоты, которые направляются в антенну, называется радиопередатчиком. Если, кроме того, микрофонный ток воздействует на ток высокой частоты или, как говорят, он его модулирует, мы имеем дело с радиотелефонным передатчиком.

Н. – Но я бы очень хотел узнать, как устроен генератор. Не похож ли он на генераторы переменного тока, которые установлены на центральных электростанциях?

Л. – Нет, дружище. Так же, как искусный повар знает тысячи способов приготовления яиц, так и радиотехники умеют приспособить лампу для различных применений. Очень простая схема генератора изображена на рис. 36,а. Что ты на ней видишь?

Н. – Я вижу колебательный контур LC, включенный между сеткой и катодом лампы. С правой стороны изображена катушка L₁, включенная в анодную цепь лампы. Наконец, имеется батарея Б_с, создающая отрицательное напряжение на сетке лампы относительно ее катода.

Л. – Заметь также, что катушки L и L₁ располагаются так, что между ними существует индуктивная связь, а обмотки их идут в одном направлении, т.е. ток от катода к сетке в катушке L идет в том же направлении, что и в катушке L₁ (от анода к положительному полюсу батареи высокого напряжения Б_а).

Н. – Все это ясно из рисунка, но для чего все это?

Л. – Подумай. Что произойдет в момент включения схемы?

Н. – Ничего особенного… Излученные катодом электроны притянутся анодом через сетку; затем они пройдут по катушке L₁ слева направо и через батарею Б_а снова вернутся на катод. Больше я ничего не вижу.

Л. – Не забудь, что между катушками L и L₁ имеется индуктивная связь, поэтому произойдет еще что-то…

Н. – Это верно… Значит, когда через катушку L₁ пойдет ток слева направо, в катушке L наведется по закону индукции ток противоположного направления.

Л. – Правильно. Так как ток в катушке L₁ увеличивается, то индуктированный ток в катушке L будет иметь противоположное направление, чтобы оказать сопротивление возрастанию индуктирующего тока.

Н. – Теперь этот ток, идущий через катушку L справа налево, увлечет электроны сетки и правой пластины конденсатора С и соберет их на катоде и левой пластине (рис. 36,б).

Л. – Ты видишь, что сетка станет более положительной.

Рис. 36. Четыре фазы колебаний тока в генераторе.

_{1 – кривая изменения тока в анодной катушке L1; 2 – то же в сеточной катушке L.}

_{Обратите внимание на распределение электронов на пластинах конденсатора С.}

Н. – Но тогда она будет способствовать увеличению тока анода, который наведет в катушке L еще более сильный ток, сделающий сетку еще более положительной, и…

Л. – Стой!.. Если ты будешь продолжать в том же духе, то договоришься вскоре до миллиона ампер. Не забудь, однако, что анодный ток не может бесконечно возрастать.

Н. – Действительно, он ограничен величиной тока насыщения. Стало быть, когда сетка будет достаточно положительной, чтобы анодный ток достиг насыщения, он больше не будет увеличиваться. А так как он больше не будет изменяться, никакого тока в катушке L не будет.

Л. – Какое заблуждение! Конечно, не будет больше тока, индуктированного катушкой L₁. Однако разве ты не видишь, что тогда конденсатор С будет заряжен?

Н. – В самом деле. И он начнет, следовательно, разряжаться, причем потенциал сетки лампы окажется более отрицательным. Но мне кажется, что в этих условиях анодный ток начнет убывать.

Л. – Конечно. И это новое изменение тока в катушке L₁ вызовет в катушке L новый индуктированный ток; но в каком направлении он пойдет теперь?

Н. – Несомненно, слева направо. Прежде всего потому, что ты спрашиваешь таким тоном…, а затем и потому, что ток в катушке L₁ уменьшается, а ток в катушке L с его духом противоречия пойдет в том же направлении, т. е. слева направо, чтобы оказать сопротивление этому уменьшению.

Л. – Вот это логично! И, таким образом, когда конденсатор С будет разряжен (рис. 36, в), процесс на этом не закончится. Ток в катушке L₁ будет продолжать индуктировать ток в катушке L, в результате чего потенциал сетки лампы будет становиться все более и более отрицательным и анодный ток в конце концов совсем прекратится.

…И ВСЕ НАЧИНАЕТСЯ СНАЧАЛА!

Н. – Однако, как я вижу (рис. 36,г), конденсатор будет в этот момент снова заряжен. Следовательно, он начнет разряжаться. Потенциал сетки лампы станет менее отрицательным. Снова появится анодный ток, который начнет возрастать…

Л. – И все начнется сначала! Разве ты не видишь, что мы вернулись к исходной точке наших рассуждений?

Н. – Это правда. Но это ведь дьявольски сложно!

Л. – Не настолько, как тебе кажется. Рассмотрим токи в сеточной и анодной цепях. Ты видишь, что в сеточной цепи ток идет сначала в одном направлении, увеличивается и уменьшается, затем меняет направление и снова увеличивается…

Н. – Следовательно, это переменный ток?

Л. – Да. А какова его частота?

Н. – Конечно, его частота равна собственной частоте колебательного контура LC, находящегося в сеточной цепи лампы. Ведь в этом контуре, как ты мне раньше объяснял, конденсатор С попеременно заряжается и разряжается на катушку индуктивности L.

Л. – Это правильно. Только эти колебания не затухают и не прекращаются после нескольких колебаний, а поддерживаются путем постоянного добавления энергии, которую поставляет анодная батарея Б_а через катушку L₁, связанную индуктивно с катушкой контура L.

Н. – Мне кажется, что я понял. Итак, движение электронов в колебательном контуре похоже, как мы уже отмечали, на движение маятника стенных часов. Точно так же, как маятник останавливается после определенного количества колебаний, если ничто не поддерживает это движение, так и электроны колебательного контура не будут постоянно двигаться через катушку индуктивности попеременно с одной пластины конденсатора на другую. Чтобы поддерживать движение маятника, имеющаяся в часах натянутая пружина должна сообщать каждому колебанию маятника совсем небольшой толчок. В генераторе роль пружины играет батарея Б_а.

Л. – А что же играет роль спускового устройства?

Н. – Сетка.

Л. – Незнайкин, я тебя поздравляю и предсказываю блестящую карьеру в радио.

Н. – Спасибо! Но теперь, когда я знаю, как генератор вырабатывает незатухающие колебания высокой частоты, можешь ты мне объяснить, как происходит излучение колебаний?

Л. – Это очень просто. Вырабатываемый переменный ток высокой частоты необходимо направить в антенну. Это можно сделать, связав индуктивно катушку L с катушкой L₂, включенной между проводом антенны и землей (рис. 37). Поместив в анодную цепь манипулятор К (ключ Морзе), мы сможем подавать короткие или длинные сигналы, соответствующие точкам и тире азбуки Морзе. Таким образом происходит радиотелеграфная передача.

Рис. 37. Простейшие схемы радиопередатчиков.

_{а – радиотелеграфный с ключом К; б – радиотелефонный с микрофоном М.}

Н. – Но меня интересует радиотелефонная передача. И ты мне обещал объяснить, как усаживаются пассажиры низкой частоты в поезд тока высокой частоты.

Л. – Ты прав. Это очень легко сделать. Мы можем, например, включить микрофон в цепь антенны. Так как сопротивление микрофона меняется под действием звуковых волн, ток в антенне будет меняться в свою очередь. Иначе говоря, вместо незатухающих колебаний с постоянной амплитудой (рис. 38, а) мы будем иметь колебания с изменяющейся амплитудой (рис. 38, в), или модулированный ток высокой частоты.

Рис. 38. Диаграммы токов в радиопередатчике.

_{а – немодулированный ток высокой частоты; б – модулирующие низкочастотные колебания; в – модулированный высокочастотный ток.}

Н. – Я понимаю. Когда сопротивление микрофона увеличивается, амплитуда высокочастотных колебаний уменьшается. Именно в этом изменении амплитуд высокой частоты и заложен низкочастотный ток.

Беседа десятая

В простейшем приемнике необходимы три элемента: приемная антенна, детектор и телефонные наушники. В этой беседе два наших друга обсуждают назначение и механизм детектирования. Само собой разумеется, что сначала они рассмотрят простейший метод – диодное детектирование. Не забудут они и о кристаллическом детекторе, который до сих пор имеет горячих сторонников. Затем Любознайкин расскажет об анодном детектировании.

ПРИБЫТИЕ ПОЕЗДА НА ВОКЗАЛ

Незнайкин. – Я очень сержусь, что ты меня бросил для сдачи своих экзаменов в самый захватывающий момент. Мы остановились на том, что посадив пассажира (низкую частоту) в поезд (высокую частоту), мы дали сигнал отправления… и наш поезд высокой частоты все еще движется.

Любознайкин. – В самом деле, наступило время его остановить. Ты знаешь, конечно, что волны остановятся на станции назначения, которую называют приемной антенной. В антенне эти волны возбуждают модулированный ток высокой частоты, который является точным, хотя и более слабым повторением тока, текущего в передающей антенне.

Н. – Я вспоминаю даже, что для получения определенной избирательности мы включаем в приемную антенну (или связываем с нею индуктивно) колебательный контур, на зажимах которого образуется переменное напряжение. Я хотел подать это напряжение на телефонные наушники, но ты сказал, что я ничего не услышу. И, действительно, я ничего не мог обнаружить.

Л. – Сегодня ты легко поймешь причины неудачи. Не забывай, что на наушники ты хотел подать модулированное напряжение высокой частоты. Мембрана наушников слишком «тяжела», чтобы колебаться на высокой модулированной частоте. Этому препятствует инерция мембраны.

Н. – Но если бы сумели изготовить тонкую и легкую мембрану, которая могла бы вибрировать при высокой частоте….

Л. – …то и тогда бы ты ничего не услышал, так как твое ухо не воспринимает звука столь высокой частоты. Мало того, ток такой частоты не пройдет через обмотки наушников, индуктивность которых представляет для него трудно преодолимое препятствие.

Н. – Но ведь в действительности ток высокой частоты нас совсем не интересует. Мы хотим сделать слышимой модулирующую низкую частоту. Что касается высокой частоты, то ее роль поезда сыграна. Нам ничего не остается, как заставить выйти пассажира низкой частоты.

Л. – Ты совершенно прав. Операция, целью которой является извлечение низкой частоты из модулированного тока высокой частоты, называется детектированием.

Н. – Если я хорошо понял, процесс детектирования противоположен процессу модуляции.

Л. – Это так. В модулированном токе низкая частота присутствует в виде изменения амплитуд тока высокой частоты. Выпрямив этот ток, мы вызовем появление низкой частоты.

Н. – Я не знаю, как это сделать.

Л. – Однако это просто. Чтобы выпрямить ток, достаточно поместить на его пути проводник с односторонней проводимостью, т.е. проводник, который позволяет току легко протекать в одном направлении и не пропускает его, когда он течет в противоположном направлении.

Н. – Я совсем не представляю себе, как можно изготовить такой проводник-выпрямитель.

Л. – Но ты уже знаком с одним из них; это диод – лампа, в которой электроны могут идти от катода к аноду, но не наоборот.

Н. – Это верно… Об этом я не подумал.

ВОТ КАК ДЕТЕКТИРУЮТ…

Л. – Итак, вместо того, чтобы соединить с зажимами колебательного контура непосредственно наушники, мы включим последовательно с ними диод (рис. 39).

Рис. 39. Диод Д выпрямляет высокочастотные модулированные колебания, благодаря чему они слышны в наушниках Т.

В этом случае модулированное напряжение высокой частоты (рис. 40,а) создаст в цепи диода Д и телефонных наушников Т ток только одного направления (рис. 40,б). Без диода мы имели бы импульсы высокой частоты, идущие поочередно в противоположных направлениях. Благодаря выпрямительному действию диода все эти импульсы будут действовать уже в одном направлении.

Рис. 40. Графическое изображение процесса детектирования.

_{а – модулированные колебания высокой частоты; б – выпрямленные высокочастотные импульсы, в – ток низкой частоты.}

Н. – Эврика! Я понял!.. Так как импульсы идут в одном направлении, они окажут на мембрану наушников совместные действия, которые будут в бóльшей или меньшей степени притягивать ее. Я говорю больше или меньше, так как амплитуды этих импульсов неодинаковы: они изменяются в соответствии с низкой частотой, которая заставит вибрировать в такт мембрану наушников.

РЕЗЕРВУАР, ЯВЛЯЮЩИЙСЯ АККУМУЛЯТОРОМ-РАСПРЕДЕЛИТЕЛЕМ ЭЛЕКТРОНОВ

Л. – В основном ты правильно догадался о сущности явления. Однако в наших рассуждениях мы не приняли во внимание тот факт, что импульсы высокой частоты, даже односторонние (рис. 40,б), не могут пройти через обмотки наушников из-за их большого индуктивного сопротивления.

Н. – И что же?… Опять мы ничего не услышим?

Л. – Услышим, но при условии сглаживания этих импульсов перед подачей их на наушники. Для этого параллельно наушникам мы присоединяем конденсатор С небольшой емкости (см. рис. 39), который будет заряжаться в бóльшей или меньшей степени импульсами модулированного тока и разряжаться через обмотку наушников. Заряд будет больше или меньше в зависимости от амплитуды импульсов. Отсюда следует также и то, что разрядный ток (рис. 40,в), который пройдет через наушники, и будет настоящим током низкой частоты

Н. – Словом, конденсатор С играет роль резервуара, который накапливает стремительно следующие один за другим заряды импульсов, а затем непрерывно отдает их телефонным наушникам.

Л. – Твое сравнение великолепно. Видимо, ты это хорошо понял Продолжая аналогию дальше, ты можешь сравнить конденсатор С с резервуаром, предназначенным для сбора дождевых капель, из крана которого потечет непрерывная струя, более или менее сильная в зависимости от силы дождя.

НЕЗНАЙКИН ПОНЯЛ, ЧТО ТАКОЕ ДЕТЕКТИРОВАНИЕ

Н. – Теперь я попытаюсь сам вкратце изложить все, что ты рассказал о детектировании. Модулированное напряжение высокой частоты выпрямляется диодом. В этом случае образуется серия высокочастотных импульсов одного направления, имеющих различную амплитуду. Эти импульсы непрерывно заряжают конденсатор С, который отдает ток низкой частоты в телефонные наушники… и мы слышим музыку… Ах, если бы у меня был диод, я бы не тянул с постройкой приемника!

Л. – Подожди! Диод необходим тогда, когда речь идет о выпрямлении довольно значительных напряжений. Для слабых же напряжений лучше применить контактный детектор Д (рис. 41).

Рис. 41. Детектор Д, позволяющий детектировать слабые сигналы.

Н. – Вероятно, ты имеешь в виду старинный кристаллический детектор, состоящий из галенового кристалла и металлической спиральки, которая слегка упирается острием в поверхность кристалле.

Л. – Необязательно. Контактный детектор может быть изготовлен разными способами. Как только мы приводим в соприкосновение два проводника, различающихся в каком-либо отношении (химическим составом или температурой), проводимость становится неодинаковой в двух направлениях И так как не существует двух тел абсолютно идентичных, можно сказать, что все контакты являются выпрямителями! Однако одни контакты обладают выпрямительными свойствами, выраженными более отчетливо, чем другие. Например, контакт из свинцового блеска (галена) с металлом представляет собой хороший детектор, хотя он очень неустойчив в работе и может детектировать только очень слабые токи.

Н. – О, да, я знаю Впрочем, ведь это увлекательная игра – искать «чувствительную точку» на галеновом кристалле.

Л. – Существуют детекторы с контактами, не имеющими этих недостатков, например медь и закись меди, а также германий или кремний со стальным острием. Последние детектируют токи очень высокой частоты.

Н. – Как бы там ни было, я вижу, что детектор всегда является выпрямителем.

Л. – Да. Однако выпрямление можно произвести также и другим способом, чем тот, с которым мы только что познакомились. Для этого можно использовать усилительную лампу, сетка которой находится под постоянным отрицательным напряжением от батареи Б_с, (рис. 42), при котором анодный ток лампы равен почти нулю (точка М на нижнем изгибе характеристики лампы на рис. 43).

Рис. 42. Схема анодного детектирования.

Рис. 43. В рабочей точке М переменные напряжения на сетке лампы создают выпрямленный ток в цепи анода.

Модулированное напряжение высокой частоты подается между сеткой и катодом лампы. В этом случае положительные полупериоды переменного тока вызывают появление анодного тока переменной величины. Наоборот, отрицательные полупериоды переменного тока увеличивают отрицательный потенциал сетки и ток в анодной цепи прекращается.

Н. – Я очень хорошо представляю себе, что происходит! В анодной цепи появляется серия импульсов тока одного направления, которые следуют друг за другом с высокой частотой и изменяющейся по величине амплитудой. Конденсатор С малой емкости, заряжаясь, суммирует отдельные импульсы и питает затем напряжением низкой частоты телефонные наушники точно так же, как и в случае с диодным детектором.

Л. – Действительно, ты хорошо понял детектирование. Метод, представленный на рис. 42, называется анодным детектированием. Твои друзья, вероятно, скажут тебе, что имеется также и «сеточное детектирование». Но ты им не верь. Этот термин употребляют только горе-техники, не понимающие техники[1]1
  См. сноску в двенадцатой беседе (стр. 69).


[Закрыть]. К этому так называемому детектированию мы еще вернемся.