Инж. С. И. ЗИЛИТИНКЕВИЧА.
Настоящая статья предназначена лишь для подготовленного читателя, и редакция предполагает и в следующих номерах отводить некоторое место для таких статей, приобщающих читателя к научной работе по радио. Инж. С. И. Зилитинкевич детально разбирает действие детектора и производит для примера полный подсчет всех величин для одного случая. Такой исчерпывающий анализ детекторного действия никем не был сделан до настоящего времени, и читатель, проштудировавший настоящую статью, разберется в самой сущности явления.
В первой половине настоящей статьи было установлено, что все так называемые радиотелеграфные волноуказатели дают резко криволинейную зависимость между приложенной к ним разностью потенциалов (V) и силой протекающего через них тока (J) (фиг. 2, 3 и 4).
Следовательно, сопротивление каждого из них не остается величиной постоянной, независимой от их электрического режима, как у омических проводников, а меняется в зависимости от этого режима, или, как говорят, является функцией режима.
Иллюстрацией этого могут служить фиг. 5 и фиг. 6.
На фиг. 5 показана зависимость сопротивления карборундового детектора, при давлении в контакте в 3 kg от приложенного к его зажимам напряжения. Эта зависимость получена из соответствующей характеристики фиг. 3 простым делением абсциссы (вольт) на ординату (амперы) каждой точки характеристики детектора.
Аналогичным образом, фиг. 6 представляет собою зависимость сопротивления трехэлектродной электронной лампы (триода) французского типа от приложенного к ее сетке напряжения. Кривая получена из соответствующей характеристики лампы, снятой при 40 вольтах на аноде (приведенной на фиг. 4).
В этом случае для нахождения сопротивления лампы при каждом значении потенциала сетки — необходимо постоянное напряжение анода (40 вольт) делить на протекающий в его цепи ток, взятый из соответствующей характеристики триода.
Сравнение фигур 5 и 6 показывает полную идентичность в характере изменения сопротивления обоих волноуказателей. На каждой из этих кривых имеются точки особенно резкого их сгиба, которые, как это ясно будет из дальнейшего, являются точками наиболее интенсивного детекторного действия.
Для карборундового детектора такая точка имеет место при разности потенциалов на его зажимах около +1 вольта (фиг. 5), а для триода около —5 вольт на сетке (фиг. 6).
Таким образом, для того, чтобы детектор работал наилучшим образом, ему должен быть сообщен некоторый "дополнительный" (постоянный) потенциал, различный для разных детекторов, но имеющий всегда одно и то же назначение — заставить детектор работать на точке сгиба его характеристики.
Для выяснения внутренней картины детекторного действия — рассмотрим случай карборундового детектора, которому сообщен дополнительный потенциал в +1 вольт и к зажимам которого подводится переменное напряжение с амплитудой в 1 вольт, меняющееся с частотой 100.000 периодов в секунду (что соответствует длине волны в 3.000 метров).
Этот случай изображен на фиг. 7, которая представляет собою две связанных системы координат. В верхней части фигуры, в системе координат R—V (омы—вольты), показана характеристика карборундового детектора, та же, что и на фиг. 5. В нижней же части фиг. 7, в системе координат V—Т (вольты—секунды) показано приложенное к зажимам детектора напряжение, которое в каждый отдельный момент слагается из двух величин:
1) из постоянного ("дополнительного") напряжения, равного, по условию, +1 вольту,
и 2) из переменного синусоидального напряжения с амплитудой в 1 вольт и периодом ¹/₁₀₀.₀₀₀ секунды.
Таким образом, фактическая величина потенциала на детекторе в каждый отдельный момент равна длине перпендикуляра, восстановленного из данной точки оси OT до пересечения с синусоидальной кривой O' a1 a2 a3 a4...
Но каждому значению потенциала, как выяснилось детально выше, соответствует свое сопротивление детектора. Так, напряжению a1, a1' и т. д. соответствует сопротивление Ω1. Напряжению a2, a2', a2'' и т. д. — соответствует сопротивление Ω2 и т. д...
Для того, чтобы теперь найти тот ток, который в этих условиях будет проходить через детектор и который должен оказать свое действие на телефон, сделаем следующие упрощения.
Прежде всего нам совершенно нет нужды рассматривать в дальнейшем ту часть тока, которая будет проходить через детектор, благодаря действию первого слагаемого в сумме напряжений на его зажимах, т. е. благодаря постоянному "дополнительному" напряжению, так как этот ток, в виду своего постоянства, не окажет никакого действия на телефон.
Итак в дальнейшем мы будем рассматривать только переменную составляющую детекторного напряжения, что в нашем графическом методе соответствует переходу от оси OT к оси O't, а в математическом отношении эквивалентно общему уменьшению фактического детекторного напряжения в каждый момент на 1 вольт, при сохранении прежних значений сопротивления детектора.
Кроме того, для каждой полуволны приложенного к детектору переменного напряжения найдем среднее значение сопротивления детектора, т.-е. такое значение сопротивления, которое в среднем дает тот же ток в детекторной цепи, что и фактическое переменное сопротивление.
Согласно фиг. 7, сопротивление детектора для положительной полуволны меняется от 220 омов до 50 омов, что соответствует ординатам заштрихованной площади, находящейся вправо от оси О''t, при чем среднее значение для этих ординат равно около 100 омов.
Это значение сопротивления приблизительно совпадает с сопротивлением детектора при напряжении на его зажимах, соответствующем половине максимального, — т.-е. оно равно сопротивлению ω2, отвечающему напряжению a2.
Аналогично получаем для отрицательной полуволны в качестве среднего сопротивления величину в 3000 омов, равную ω4 и соответствующую напряжению a4.
Таким образом, характерной особенностью детектора по отношению к переменному напряжению, приложенному к его зажимам, является значительная разница в его сопротивлении для обеих полуволн напряжения.
Для рассматриваемого случая с карборундовым детектором мы получаем увеличение среднего сопротиаления со 100 Ω при положительной полуволне до 3000 Ω при отрицательной полуволне, т.-е. увеличение в 30 раз.
Собственно говоря, в этих изменениях сопротивления и заключается вся сущность детекторного действия.
Замена же действительных переменных сопротивлений детектора некоторыми средними постоянными — является тем более обоснованной, что:
1) практически имеющие место переменные напряжения в приемном аппарате очень незначительны, выражаясь весьма малыми долями вольта (обычно не более десятых и сотых вольта).
и 2) отклонение для каждой полуволны мгновенного фактического сопротивления от среднего сказывается не на детекторном эффекте в собственном смысле этого слова, а на том искажающем действии, которое данный детектор вносит в протекающий через него ток высокой частоты.
Таким образом, оперирование со средними детекторными сопротивлениями является не только вполне законным, но и весьма целесообразным при рассмотрении чистого детекторного эффекта.
Теперь, на основании всех сделанных выше заключений, рассмотрим работу детектора для приведенных на фиг. 7 условий, которые могут быть формулированы следующим образом:
1) к зажимам детектора приложена переменная (синусоидальная) разность потенциалов с амплитудой в 1 вольт, (Фиг. 8. Система координат VD—t)
и 2) среднее сопротивление детектора для положительной полуволны — равно 100 омам, а для отрицательной полуволны 3000 Ω. (Фиг. 8. Система координат RD—t).
Делим теперь мгновенные значения напряжения VD на соответствующие значения RD (т.-е. на 100 омов или 3000 омов, соответственно полуволне) и получим значения переменного тока, протекающего через детектор. (Фиг. 8. Система координат JD—t).
Ясно, что этот ток тоже будет переменным и в каждом полупериоде синусоидальным, но амплитуда положительного полупериода будет в 30 раз больше амплитуды отрицательного полупериода. На этом, собственно говоря, и заканчивается роль детектора в приемном контуре, а дальнейшая трансформация тока создается уже другими элементами детекторной цепи.
Как известно, включение детектора в радиотелеграфный приемник производится так, как это показано на фиг. 9.
Здесь мы имеем приемный контур, настраиваемый в резонанс с приходящими колебаниями. К этому контуру, через так называемую "детекторную связь" (которая на фиг. 9 осуществляется автотрансформаторным способом), присоединен детекторный контур.
Последний состоит минимум из катушки связи (L), детектора (D) и телефона (T). — Обычно, для улучшения действия приемника, параллельно телефону включают блокировочный конденсатор (Kb), емкостью 2000—3000 сантиметров.
Но при рассмотрении явлений в детекторной цепи всегда необходимо иметь в виду и внутреннюю емкость самого телефона, являющуюся паразитной, но достигающую значительных размеров, особенно у высокоомных телефонов. Она может быть представлена как некоторая эквивалентная дополнительная емкость, приключенная параллельно телефону. — На фиг. 9 эта емкость обозначена буквами KT.
Кроме того, в детекторный контур включается источник "дополнительного" напряжения (E), если это необходимо для данного детектора. При чем, как это ясно из вышеизложенного, величина и знак этого напряжения диктуются свойствами примененного детектора. (Есть детектора, не требующие дополнительного напряжения).
Детекторный контур в увеличенном масштабе представлен на фиг. 9—а, где сохранены те же обозначения, что и в предыдущем случае. Вместе с тем здесь показаны и те разветвления токов, которые имеют место в детекторной цепи.
Основной ток, проходящий через детектор и обозначенный JD, в телефонной части цепи разветвляется на 2 тока JT и Jk, при чем, JT есть ток постоянного направления, проходящий через магнитную катушку (самоиндукцию) телефона. А Jk является переменным током, проходящим через блокировочный конденсатор K и паразитную емкость телефона KT.
Таким образом, мы всегда имеем равенство:
Если ток, проходящий через конденсатор Kb , обозначить через Jkb, а проходящий через емкость KT — через JkT, то будем иметь:
Следовательно,
Отсюда мы видим, что детекторный ток не целиком проходит через телефон, а только часть его, представленная суммой
А другая часть его, равная Jkb проходит через блокировочный конденсатор, вовсе минуя телефон.
Но и в телефонном токе не вся вышеуказанная сумма является полезной. Часть ее (JkT) представляет собою емкостный ток, то есть переменный ток высокой частоты. Такой ток, как мы знаем, совершенно не действует на мембрану телефона. Поэтому единственно полезной составляющей всего детекторного тока является величина JT, от размера которой и зависит сила звука в телефоне.
Таким образом, наиболее целесообразным при исследовании детекторного тока является разложение его на две составляющих:
1) на постоянную составляющую тока, проходящую через магнитные катушки телефона и равную JT, и 2) на переменную составляющую тока, проходящую через емкость (параллельную магнитным катушкам телефона) и равную Jk.
Другими словами, детекторный ток разлагается на полезную составляющую JT и бесполезную составляющую Jk.
Так как JT есть ток одного направления, то для случая фиг. 8 он за каждый период T составляется из разности количеств электричества, определяемых заштрихованными площадями S1 и S2.
Если мы эту разность, равную
разделим на время одного периода T (в данном случае T = 1/100.000 секунды) то получим интересующий нас полезный телефонный ток.
Для фиг. 8
Таким образом, при возникновении на зажимах карборундового детектора переменного напряжения с амплитудой в 1 вольт, через телефон пройдет ток постоянного направления силой в 2,4 миллиампера.
Полная картина распределения электрических токов, имеющих место в детекторном контуре в этом случае, представлена на фиг. 10.
Здесь в 1-ой системе координат (JD—t) показан полный ток, протекающий через детектор (JD).
В 3-ей же системе координат (JT—t) показан ток, протекающий через телефон J(T).
Так как в каждый данный момент должно иметь место равенство:
или
то для построения Jk, т.-е. полного емкостного тока, проходящего через параллельные телефонной самоиндукции конденсаторы, необходимо из мгновенных значений тока JD вычесть величину тока JT.
Результаты этого вычитания представлены во второй системе координат (Jk—t). Ток Jk в данном случае оказывается во всем подобным току JD, но с соответственно передвинутой осью абсцисс. — Это и должно было ожидать в виду постоянства тока JT в течение всего импульса.
Заштрихованные на чертеже поверхности Sa и Sb взаимно равны, что и должно всегда иметь место, так как полные количества электричества, протекающие через емкость в обе стороны, взаимно равны.
Более сложную — но основанную совершенно на тех же взаимоотношениях — картину представляют собой токи в различных частях детекторного контура при затухающих колебаниях.
Взаимоотношения, имеющие место в этом случае, показаны на фиг. 11.
Построение здесь произведено для детектора с сопротивлением 1000 омов при положительном полупериоде и 20.000 омов при отрицательном полупериоде напряжения.
Как и в предыдущем случае, полный детекторный ток (JD) разложен на ток, протекающий через телефон (JT), и быстропеременный ток, протекающий через параллельную телефону емкость (Jk).
Как видно из чертежа 11, ток Jk в этом случае уже довольно значительно отличается от детекторного тока (JD).
Что касается токов, отдельно протекающих через блокировочный конденсатор Kb (ток Jkb) и паразитную емкость телефона KT (ток JkT), то в первом приближении их можно считать подобными как друг другу, так и суммарному емкостному току Lk (фиг. 11).
Величины же токов Jkb, и JkT — прямо пропорциональны размерам соответствующих емкостей (Kb и KT).
Таким образом, мы видим, что роль детектора в радиоприемнике сводится к выпрямлению быстропеременных токов, создаваемых в нем электромагнитным полем отправительной станции, при чем выпрямленный ток остается все же током высокой частоты.
Только наличие в детекторном контуре значительной самоиндукции (электромагнитная обмотка телефона) дает возможность превратить этот ток в ток звуковой частоты, способный действовать на наши регистрирующие приборы, в частности на мембрану телефона (черт 11, система координат JT—t).
Следовательно, резюмируя настоящую статью, мы с полным правом можем сказать, что
детектор это выпрямитель быстропеременных токов малой силы, а детекторный контур это система, преобразующая токи высокой частоты в пульсирующие токи звукового периода.
