Текст книги "Юный техник, 2012 № 12"

Автор книги: Юный техник Журнал

сообщить о нарушении

Текущая страница: 5 (всего у книги 5 страниц)

ЗАОЧНАЯ ШКОЛА РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ
Однопроводной «земляной» телеграф

В этой разработке, как в фокусе, сошлись несколько идей и конструкций, по отдельности уже давно известных, но собранные вместе, они, как представляется, дали что-то новое. Прежде всего, почему и зачем телеграф?

Это ведь что-то устаревшее, архаичное в наш современный век цифровой связи и интернета, как многие думают. Не торопитесь!

Примитивный телеграф с ручным ключом и наушниками остается уже более полутора веков непревзойденным по помехоустойчивости и дальности связи (как проводной, так и радио). Современные измерения показали, что для разборчивого приема речи необходимо, чтобы мощность звукового сигнала раз в 10 превосходила мощность шумов и помех.

Еще большее отношение сигнал/шум нужно для безошибочной работы цифровых модемов. А опытное ухо радиста разбирает тональный телеграфный сигнал даже при отношении сигнал/шум 0,5 и даже когда сигнал вдвое слабее шумов и помех!

Много лет назад американский радиолюбительский журнал опубликовал поучительную историю, как двое друзей арендовали легкий гидросамолет и полетели на север Канады половить рыбку в глухом лесном озере. После посадки напоролись поплавком на корягу и сразу оказались в безвыходном положении – ни взлететь, ни отремонтировать поплавок не было возможности. Из радиосредств была только портативная УКВ ЧМ-радиостанция, но что толку – они залетели далеко, и канадская береговая гвардия их не слышала. Тогда один из друзей вспомнил, что в юности изучал азбуку Морзе в скаутском отряде. Нажимая кнопку прием/передача, он стал передавать SOS в аварийном канале телеграфом. И этот сигнал услышали!

Оператор спросил координаты, которые были переданы тем же способом, и к ним прилетели спасатели. Рассказ заканчивается призывом: ребята, изучайте телеграфную азбуку!

Как же и когда возник телеграф? Мы не будем останавливаться на совсем уж древних способах передачи сигналов и сообщений с помощью семафоров, фонарей и костров.

Изобретателем электрического телеграфа считают Сэмюэла Морзе, но вот что интересно: он не был знаком с электричеством и вообще к технике имел самое отдаленное отношение! Он был художником и как-то, еще в 1830-х годах, возвращался с выставки картин в Париже к себе домой, в Америку.

Путешествие того времени на парусном корабле через Атлантику было долгим, но, по счастью, среди пассажиров оказался человек, сведущий в электротехнике. Он-то и рассказал Морзе, что с помощью электрического тока, текущего по проводам, принципиально можно сигнализировать на больших расстояниях. Сейчас бы мы сказали, что в разговорах на корабле возникла идея цифровой передачи сообщений: ток есть – единица, тока нет – ноль!

Идея моментальной электрической передачи сообщений, как альтернатива медленной и неудобной бумажной почте, настолько захватила Морзе, что, вернувшись в Америку, он бросил все прежние дела и стал искать лучшего электротехника в Соединенных Штатах, который бы помог ему осуществить задуманное. Ему указали на Джозефа Генри, простого преподавателя небольшого университета в глубинке страны.

Генри незаслуженно мало вспоминают в современной истории, хотя в его честь и названа единица индуктивности. В 1832 году он независимо от Майкла Фарадея и фактически одновременно с ним открыл закон электромагнитной индукции. Однако вся слава досталась Фарадею, поскольку к тому времени он уже был членом лондонского Королевского общества (английская Академия наук)и немедленно опубликовал свои результаты, а почтовые парусники того времени ходили из Америки в Европу медленно… Впрочем, Генри особенно и не претендовал на славу первооткрывателя.

Воспитанный в правилах старой доброй религиозной морали, он считал, что Господь Бог даровал всем людям Солнце, Землю, воду и воздух, причем совершенно бесплатно, а также разум, который тоже должен принадлежать всем.

Поэтому Генри никогда не делал никаких секретов из своих открытий и разработок, охотно сообщал о них всем заинтересованным.

Именно Генри создал всю технику первого примитивного телеграфа, включая самое главное его устройство – электромагнитное реле с обмоткой из тонкой медной проволоки, изолированной шелком.

Морзе до конца жизни был ему благодарен и непременно ссылался на Генри во всех публикациях. Любопытно, что в точности такая же история повторилась и тридцать лет спустя, с изобретателем телефона Александером Беллом. Он тоже считал Генри своим учителем и честно заявлял, что без Генри не создал бы никакого телефона!

Сэмюэл Морзе (1791–1872)

Повезло Морзе и с помощниками. Один из финансистов, м-р Вейль, согласился выделить кое-какие деньги на разработку телеграфа, но с непременным условием, что его сына примут в компанию и обеспечат работой. Вопреки ожиданиям, Альфред Вейль оказался вовсе не бездельником, сынком богатых родителей, а весьма одаренным и трудолюбивым молодым человеком.

Он быстро постиг «премудрости» электрического телеграфа, и даже говорят, что это он предложил использовать для передачи точки и тире, а также сконструировал телеграфный ключ. А чтобы оптимизировать азбуку, Вейль проштудировал несколько томов Британской энциклопедии и присвоил часто встречающимся буквам самые короткие сигналы (е – одна точка, i – две точки, t – одно тире), а редко встречающимся буквам – самые длинные (q – тире, тире, точка, тире).

Разработки электрического телеграфа велись не только в Америке – Уитстон в Англии предложил свою систему, Якоби и Шиллинг в России – другую. Но рассказ о них заслуживает отдельной статьи. Впрочем, о чем непременно следует упомянуть – это о предложенной в те же 1830-е годы в Германии однопроводной линии. Ее изобретатель, физик и астроном Карл Густав Штайнхайл, заменил второй провод телеграфной линии двумя заземлениями, используя, таким образом, землю как проводник. Впоследствии расчеты и эксперименты показали, что сопротивление между двумя заземлениями не зависит от расстояния между ними, как бы странно это ни казалось на первый взгляд!

Окончательная схема разработанной в 1837–1944 годах телеграфной линии Морзе выглядела примерно так, как это изображено на рисунке 1.

Попытка проложить линию под землей не привела к успеху из-за плохой изоляции провода, и первая линия между Вашингтоном и Балтимором длиной более 40 миль была протянута на столбах, с использованием стеклянных изоляторов (говорят, что сначала использовали горлышки от бутылок).

Принцип действия телеграфа ясен из рисунка: когда замыкали ключ на передающей стороне, ток от батареи поступал в линию, реле на приемной стороне притягивало якорь, и перышко оставляло след на бумажной ленте, протягиваемой часовым механизмом.

К якорю реле можно приделать контакты, служащие ключом для следующего участка линии, и так наращивать расстояние, на которое передается сигнал, хоть до бесконечности! Собственно, само слово «реле» (relay) в старом английском языке означало станцию для замены лошадей на почтовых трактах. В последующие годы вся Америка покрылась сетью телеграфных линий.

Американские телеграфисты очень скоро научились распознавать телеграфные сигналы на слух, по клацанью якоря реле.

Клик – якорь притянут, клак – якорь отпущен. Клик-клак – передана точка, клик… клак – передано тире. А запись текста (если нужно) вели вручную. Стали выпускать даже реле безо всяких перьев с легкой (обычно алюминиевой) арматурой, громко клацающей по ограничительным винтам. Такое реле назвали саундером (от sound – звук) и стали объединять с телеграфным ключом в одну приемопередающую станцию.

Лишь впоследствии поняли, что, если прерывать телеграфные посылки постоянного тока с частотой 400… 1000 Гц, получается тональный телеграфный сигнал, принимаемый на слух и легче, и надежнее.

Прерыватель тока можно сделать по-разному, например, использовать зубчатое колесико с контактом, вращаемое часовой пружиной, но самый оригинальный прерыватель (зуммер, chopper, buzzer) создали на основе того же реле.

Когда подавался ток через нормально замкнутые контакты (рис. 2), реле притягивало якорь и размыкало цепь своей же собственной катушки. Якорь отпускался, контакты снова замыкались, заставляя якорь вибрировать. До сих пор на этом принципе работают дверные звонки и автомобильные сигналы.

Якорь для усиления звука заменили мембраной, и оставался один шаг до изобретения телефонной трубки, в которой контакты уже оказались не нужны.

Но мы слишком увлеклись историей, пора вернуться к теме статьи.

В наш век электроники вряд ли имеет смысл делать чувствительный электромеханический прерыватель – его с успехом заменит генератор прямоугольных импульсов, описанный в предыдущем номере журнала. Два транзистора в нем открываются и закрываются одновременно, и ток питания пульсирует со звуковой частотой. Остается включить в цепь питания ключ и наушник – генератор тонального телеграфного сигнала готов.

Третья используемая в нашем телеграфе разработка называется «земляная батарея». Если воткнуть в сырую землю два электрода из разных металлов, то образуется гальванический элемент, где электролитом служит влага с растворенными в ней солями, всегда имеющаяся в земле. Это было подмечено радиолюбителями еще более полувека назад, и в старых журналах можно даже найти описания простых радиоприемников с питанием от земляной батареи.

Лучшей парой оказываются медь и цинк, можно попробовать также цинк – уголь (графит), медь железо или медь – алюминий. Автор подобрал медный пруток диаметром около 5 мм и длиной сантиметров 20 и стальной оцинкованный пруток потоньше, но зато и немного длиннее. Концы прутков следует заточить напильником, чтобы легче было воткнуть их в землю.

Верхние концы прутков желательно оснастить ручками, клеммами для проводов или хотя бы согнуть колечками, чтобы за них вытаскивать из земли. Нелишне вспомнить и про колышки для палаток.

Мой элемент в сухую погоду развил напряжение 0,8 В при токе короткого замыкания (все измерено обыкновенным тестером в режиме вольтметра и амперметра) всего 0,2 мА, но этого оказалось вполне достаточно для питания генератора. Зато наутро, после ночного дождя, он отдавал уже 0,9 В при токе 1,1 мА. Увеличение расстояния между штырями до 4…5 м не привело к заметному изменению параметров элемента.

Схема предлагаемого телеграфа показана на рисунке 3.

Батарей питания в нем нет – источником тока служит земляной элемент, образованный двумя заземлениями. При этом на медном заземляющем штыре будет плюс, а на стальном (оцинкованном) минус. Генераторы на обеих приемопередающих станциях очень похожи, почти одинаковы, но обратите внимание на полярность включения р-n-р и n-p-n транзисторов – она разная, поскольку генераторы правой и левой станций питаются напряжением разной полярности. Не перепутайте заземляющие штыри, медный должен соединяться только с генератором, собранным по схеме справа!

Ключи должны иметь по два контакта – один нормально замкнутый – на схеме он зачернен. Когда нажимают ключ, этот контакт размыкается, зато замыкается другой, находящийся около ручки ключа.

Когда ключи не нажаты, в линию включены только два заземления и два наушника. По цепи течет небольшой постоянный ток, но он не создает никаких звуков. Это режим ожидания. Когда оператор одной из станций нажимает ключ, в работу включается его генератор, и в обоих наушниках слышен звуковой тон. То, что звучат оба наушника, вовсе не недостаток, а скорее достоинство, потому что начинающим телеграфистам обязательно нужен самоконтроль своей передачи.

Теперь о деталях: германиевые транзисторы выбраны потому, что их напряжение открывания (0,15 В) значительно ниже, чем у широко распространенных кремниевых (0,5 В). Попытка собрать подобные генераторы на широко распространенных кремниевых транзисторах КТ315 и КТ361 показала, что они начинают устойчиво работать лишь при напряжении питания более 1,1 В, а земляной элемент такого напряжения зачастую не обеспечивает.

Подойдут германиевые транзисторы любого типа и с любой буквой. От емкости конденсаторов С1 и С2 зависит частота колебаний, то есть тон сигнала. Даже хорошо, если он будет немного разным – легче отличать свою передачу от сигналов корреспондента. Подстроечные резисторы R2 и R6 позволяют улучшить форму колебаний и сделать сигнал мягче и приятнее на слух. Однако слишком большое сопротивление этих резисторов может привести к срыву колебаний.

Высокоомные наушники в этой системе не работают, поскольку на их большом сопротивлении падает большая часть напряжения. Зато годятся наушники от старых телефонных аппаратов, от плееров и подобных приборов. Можно включить в цепь последовательно и четыре низкоомных наушника – по паре каждому оператору.

Но что же делать, если собрать телеграфные аппараты хочется, а германиевых транзисторов нет и взять их негде (поговаривают, что они уже сняты с производства). Придется вернуться к схеме симметричного мультивибратора (см. предыдущий номер журнала), где кремниевые транзисторы включены по отношению к источнику питания параллельно и начинают работать при напряжении от 0,5 В и выше.

Но в мультивибраторе транзисторы открываются поочередно, и ток в линии останется постоянным – это нам не годится. Пришлось доработать мультивибратор, взяв второй транзистор обратной проводимости и «перевернув» его в схеме «кверху ногами». То, что получилось, показано на рисунке 4.

Схема стала немного сложнее, зато оба транзистора стали открываться одновременно, обеспечивая пульсирующий ток в линии. В этом варианте телеграфа можно использовать любые кремниевые транзисторы нужной проводимости.

Форма сигнала у этого генератора несколько хуже – длительность импульсов короче паузы между ними. Объяснить это просто: конденсаторы заряжаются при открытых транзисторах, быстро, а разряжаются при закрытых, а значит, дольше.

Поэтому и тон звука в наушниках менее музыкален, чем у предыдущего генератора.

В заключение – о конструкции. Генераторы вполне можно собрать в подставке телеграфного ключа или в любой подходящей коробочке, на которой установлен ключ.

Монтаж и расположение деталей значения не имеют. Детали можно закрепить хоть на картонке, проткнув в ней отверстия для выводов и соединив их с обратной стороны в соответствии со схемой. Получится этакая «картонная» печатная плата. Если будете работать в полевых условиях, пропитайте картонку парафином – от влаги. Из корпуса каждого аппарата будут выходить всего два провода: один к заземляющему штырю, другой – к наушнику и линии.

Для линии подойдет любой изолированный провод. Его диаметр определяется лишь механической прочностью, все равно сопротивление заземлений больше сопротивления провода. Если изоляция пластиковая, провод можно тянуть прямо по земле (как это делали военные связисты), если же изоляция эмалевая (провод из старых трансформаторов), то она легко повреждается, и провод лучше поднять на ветки кустов и деревьев.

В. ПОЛЯКОВ,

профессор

ЧИТАТЕЛЬСКИЙ КЛУБ

Вопрос – ответ

Вы писали несколько лет назад об эксперименте, который должны были выполнить многие люди, синхронно подпрыгнув на месте в строго определенное время. Но из этого ничего не получилось – то ли прыгунов было мало, то ли человечество весит не так уж много по сравнению с массой Земли. Интересно, а известно ли, сколько весит вместе все человечество?

Олег Кругликов,

г. Санкт-Петербург

Все население планеты весит порядка 420 млн. т, если считать, что среднестатистический человек имеет массу 60 кг. Таково мнение экспертов Лондонской школы гигиены и тропической медицины, использовавших для подсчетов данные Всемирной организации здравоохранения.

Причем расчеты были сделаны вовсе не из простого любопытства. «Когда мы говорим об экологических проблемах, то сразу вспоминаем о росте населения Земли, причем дело тут не в количестве едоков, а в их избыточной массе, – считает один из руководителей исследования, профессор Ян Роберте. – Все мы становимся полнее…»

Список толстяков уверенно возглавляют США. Там среднестатистический взрослый житель весит 80,7 кг, в то время как в Азии, к примеру, этот усредненный показатель равен 57,7 кг. Всего же на людей с избыточным весом приходится 15 млн. т от общей «человеческой массы», 3,5 млн. т весят люди, страдающие ожирением.

Учитывая, что общая масса нашей планеты составляет 5976∙10¹⁸ т, выходит, что перемещения человечества, в частности его прыжки, что слону дробинка. Земля более-менее спокойно перенесла даже ядерные и термоядерные взрывы, создававшие во время испытаний куда более ощутимые толчки.

Стоит отметить, кстати, что суммарная масса насекомых, населяющих нашу планету, в 30, а то и в 40 раз превышает массу живущих на Земле людей.

По радио услышала, что матрешка – не наша игрушка, а заграничная. Так ли это?

Вероника Круглова,

г. Салехард

Конечно, в привычном виде матрешка – это наш сувенир и символ, известный во всем мире. Вот только появилась матрешка в России сравнительно недавно, в последнем десятилетии XIX века. Владелец московской мастерской «Детское воспитание» А.И. Мамонтов привез с японского острова Хонсю талисман – фигурку буддийского мудреца Фукуруму. В одном старичке скрывался другой старичок, в том – третий…

Этот талисман и стал прообразом первой матрешки, которую выточил токарь В.П. Звёздочкин, а расписал художник С.В. Малютин. Тогда же у игрушки появилось имя: по легенде Матреной звали жену токаря…

Стоили матрешки недешево, и чем больше было вкладышей (число их доходило до 24), тем были дороже. Сказывалось на цене и качество росписи.

В 1900 году матрешек привезли на Всемирную выставку в Париже, где они произвели настоящий фурор, и вскоре их уже экспортировали в 14 стран.

Слышал по радио, будто в Москве начала работать система телепортации. Неужто теперь можно в мгновенье ока переправиться куда угодно, хоть на другую сторону земного шара?

Игорь Нестеренко,

г. Калуга

Нет, речь идет всего лишь о создании своеобразного аттракциона. Желающих прокатиться помещают в капсулу, где перед ними транслируют панорамы Титана, Эн цел ада, Марса и Луны, куда как будто совершается путешествие.

– Мы просто в игровой форме хотели обратить внимание юного поколения на проблемы межпланетных путешествий, – пояснил директор компании «Зона телепортации» Алексей Платонов. – В основу аттракциона положен авиационный тренажер. Сейчас мы готовим для путешестиий новые фильмы.

ДАВНЫМ-ДАВНО

С тех пор как некоторые представители человечества завели обычай хоть изредка бриться – а это, по мнению некоторых исследователей, случилось еще в каменном веке, – лучшие умы прилагали немало усилий, чтобы изобрести для бритья наилучший инструмент.

В разные времена брились ножами из обсидиана – вулканического стекла, охотничьими ножами и боевыми кинжалами, плотницкими топорами и хирургическими скальпелями… В конце концов, в Средние века цирюльники, которые в те времена соединяли в одном лице профессии брадобрея и хирурга, пришли к выводу, что брить клиентов лучше всего бритвами – тщательно заточенными лезвиями особой формы из хорошей стали.

Но такие бритвы вовсе не случайно были названы опасными. Одно неловкое движение, и брадобрей мог не только порезать, но и серьезно поранить клиента.

Это коммивояжер Кинг Жиллетт, с 17 лет колесивший по городам и весям США, хорошо познал на собственном опыте. Отдаваться в руки незнакомого брадобрея в чужом городе было небезопасно. А бриться самому тоже далеко не всегда бывало сподручно, особенно если это приходилось делать, например, в движущемся поезде.

Возможно, тогда и зародилась у него идея создать безопасную бритву. Но лишь в 1895 году 40-летнему Жиллетту пришла в голову мысль заменить лезвие, которое нужно постоянно затачивать, на тонкие полоски стали, края которых хорошо заточены еще на заводе.

А чтобы бриться было удобно и безопасно, такую стальную полоску надо помещать в специальный станок, из которого режущие кромки должны выступать ровно настолько, чтобы можно было побриться, но нельзя было серьезно порезаться.

The Gillette Company, которую основал изобретатель к 1903 году, начала серийное производство. В первый год было продано всего 168 станков и 51 лезвие, но в следующем году было продано уже 90 000 станков и 123 000 лезвий.

ПРИЗ НОМЕРА

Наши традиционные три вопроса:

1. Электростатические генераторы вырабатывают напряжение в миллионы вольт, а какова их мощность?

2. Почему вертолетный ротор при вращении создает не только подъемную силу, но и заставляет машину лететь в определенном направлении?

3. Есть ли у бритвы предел остроты и чем он определяется?

ПРАВИЛЬНЫЕ ОТВЕТЫ НА ВОПРОСЫ

«ЮТ» № 8 – 2012 г.

1. Сложнее построить двуногого робота, поскольку ему необходима специальная система, следящая за равновесием.

2. Радиосвязь с подлодок надо вести через спутник, выстреливая информацию в сжатом виде с помощью узконаправленной антенны.

3. Нельзя крепить полки и стеллажи на внутренних перегородках в квартире, поскольку, как правило, они не очень прочные и крепления (например, дюбели) в такой стене держаться не будут.

* * *

Поздравляем с победой Виктора АСТАШКИНА из г. Хабаровска.

Близок был к победе Михаил Адамцевич из п. Пивовариха Иркутской обл.

* * *