"Радиофронт", №25, сентябрь, 1930 год, стр. 568-570
Как мы выяснили в прошлом занятии, при приеме телефонных станций на регенератор нужно тщательно избегать возникновения собственных колебаний в регенераторе, то есть не доводить связь до того положения, при котором возникают колебания, или, как говорят иначе, не доходить до порога генерации. Но, с другой стороны, для получения максимального эффекта обратной связи нужно, очевидно, эту связь брать возможно большей. Таким образом, задача приема на регенератор сводится к маневрированию между этими двумя требованиями. С одной стороны, связь должна быть взята достаточно сильной для того, чтобы приемник давал достаточную чувствительность. С другой стороны, она не должна быть настолько сильной, чтобы в приемнике возникли собственные колебания. Чем больше мы возьмем обратную связь, не переступая, однако, порога генерации, тем больше будет чувствительность приемника и тем более слабые сигналы на него смогут быть приняты.
Теоретически можно, конечно, довести обратную связь как угодно близко до порога генерации. Однако, практическое выполнение этой задачи связано с большими трудностями. Дело в том, что подводя приемник близко к порогу генерации, мы тем самым облегчаем возможность возникновения в нем собственных колебаний. В этом случае достаточно даже незначительного изменения режима лампы, который лишь немного изменит крутизну ее характеристики, для того чтобы в приемнике возникли собственные колебания, которые могут начать наростать и приемник таким образом станет генерировать колебания.
Для того, чтобы возможные в приемнике случайные изменения режима и толчки не вывели его из устойчивого состояния и не вызвали бы в нем возникновения собственных колебаний, нужно не доводить обратную связь вплотную до порога генерации. Поэтому задача приема на ренегератор в сущности сводится к настройке на принимаемую волну и очень точной установке величины обратной связи. При этом необходимо иметь в виду, что величина обратной связи должна быть возможно больше только для случая очень слабых сигналов. При приеме же сильных сигналов не всегда бывает целесообразно доводить обратную связь почти до порога генерации, так как вызываемое этой обратной связью увеличение амплитуды приходящих сигналов может привести к появлению искажений. Если амплитуды приходящих сигналов будут настолько усилены, что напряжения на сетке начнут заходить далеко в области криволинейных частей характеристики, то искажения будут неизбежны.
Таким образом, при приеме сильных сигналов, большая обратная связь не требуется и поэтому отсутствует и опасность возникновения собственных колебаний. Но чем слабее приходящие сигналы, тем больше должна быть обратная связь для получения нормальной громкости и тем ближе должен быть подведен приемник к порогу генерации.
Когда мы говорили о пороге генерации, мы предполагали, что ему соответствует некоторое вполне определенное значение величины обратной связи, т. е. при некотором вполне определенном положении катушки обратной связи колебания возникают и исчезают. Однако в действительности это не всегда так. Именно, величина обратной связи, при которой возникают колебания, т. е. порог возникновения колебаний, не всегда совпадает с той величиной обратной связи, при которой прекращаются уже ранее возникшие колебания, т. е. порог исчезновения колебаний. Это обстоятельство наверно известно всем радиолюбителям, работавшим хотя бы немного с регенератором. Сейчас мы выясним, чем это явление «затягивания» в обратной связи вызывается.
Мы уже выяснили, что в тех случаях, когда до возникновения колебаний лампа находилась не на средней точке анодной характеристики, возникновение колебаний неизбежно связано с изменением величины среднего анодного тока, а, следовательно, с перемещением рабочей точки на характеристике. В то время как для случая, приведенного на рис. 1, рабочая точка как до, так и после возникновения колебаний находится в точке «а», в случае же, изображенном на рис. 2 и 3 при возникновении колебаний происходит перемещение рабочей точки характеристики из точки «а» в точку «г». Это, конечно, связано с изменением крутизны анодной характеристики, и, следовательно, при наличии колебаний лампа работает в точке характеристики, обладающей большей крутизной, чем при отсутствии колебаний. Так как всякая характеристика лампы имеет наибольшую крутизну именно в средней части и так как, с другой стороны, при возникновении колебаний лампа с несимметричной точки перемещается на симметричную, то возникновение собственных колебаний всегда связано с увеличением крутизны в рабочей точке характеристики. Но при увеличении крутизны вместе с тем увеличивается и действие обратной связи, т. е. достигается тот же эффект при более слабой связи между анодной и сеточными катушками. Поэтому, если колебания в регенераторе уже возникли, то при уменьшении обратной связи колебания не прекратятся в той точке, в которой они возникли. Для того, чтобы колебания прекратились, нужно еще больше уменьшить обратную связь. Колебания исчезнут тогда, когда величина обратной связи уже при новой большей крутизне окажется недостаточной для поддержания колебаний.
Таким образом явление «затягивания» в обратной связи свидетельствует о том, что лампа находилась в несимметричной точке анодной характеристики. С другой стороны, отсутствие «затягивания» доказывает, что до возникновения колебаний лампа находилась точно в симметричной точке анодной характеристики. Правда, явление «затягивания» может быть вызвано еще и тем, что при возникновении колебаний изменяется величина среднего тока в цепи сетки, т. е. оно может быть вызвано несимметричностью сеточной характеристики. Особенно сильно заметно влияние сеточных токов на явление «затягивания» в обратной связи при наличии гридлика в цепи сетки. Поэтому в обычном регенераторе явление «затягивания» почти неизбежно. Однако в том случае, когда лампа находится в симметричной точке анодной характеристики, явление это мало заметно — разница между порогом возникновения колебаний и порогом исчезновения бывает очень незначительна. Для установки лампы в симметричную точку анодной характеристики (а это, как мы знаем, при детектировании током сетки желательно) можно пользоваться обоими приведенными нами признаками — подбирать режим лампы так, чтобы при возникновении колебаний щелчок в телефоне был слаб или чтобы явление «затягивания» в обратной связи было бы возможно слабее выражено.
Собственные колебания в регенераторе являются нежелательными только при приеме радиотелефонных станций. При приеме незатухающих сигналов радиотелеграфных станций эти колебания не только не являются вредными, но, наоборот, позволяют осуществить прием незатухающих сигналов.
Как мы уже указывали в занятии, посвященном вопросу о детектировании, незатухающие сигналы вызывают изменения смещающего напряжения на сетке лампы, которое остается постоянным во все время действия сигнала. Следовательно, незатухающий сигнал вызовет в анодной цепи лампового детектора, а вместе с тем и в телефоне, включенном в анод, только некоторое изменение средней величины анодного тока, т. е. не создаст звука в телефоне. Поэтому прием незатухающих колебаний на телефон с помощью только лампового детектора невозможен. Совсем другое дело будет, если для приема незатухающих колебаний воспользоваться возбужденным регенератором, создающим собственные колебания. Настроив этот регенератор так, чтобы частота колебаний, им создаваемых, на звуковую частоту отличалась бы от частоты принимаемых сигналов, мы услышим в телефоне тон биений, и, следовательно, благодаря присутствию собственных колебаний, незатухающие сигналы станут слышимыми. Такой метод приема незатухающих колебаний называется «автодинным приемом».
Для «проявления» незатухающих сигналов не обязательно, конечно, пользоваться теми колебаниями, которые создаются в самом принимающем регенераторе. Можно не доводить регенеративный приемник до возникновения собственных колебаний и для того, чтобы незатухающие сигналы сделать слышимыми, применить отдельный вспомогательный регенератор, создающий колебания, близкие по частоте к принимаемым. Этот вспомогательный регенератор называется гетеродином и самый метод приема незатухающих колебаний при помощи вспомогательного регенератора называется «гетеродинным приемом». На практике для приема незатухающих сигналов пользуются первым из указанных нами методов, именно автодинным, так как он обладает целым рядом преимуществ. Помимо того, что автодинный прием не требует отдельного вспомогательного регенератора, он обладает еще одним большим преимуществом, именно большой чувствительностью благодаря тому, что при слабом перевозбуждении, т. е. сразу после порога генерации всякий регенератор обладает наибольшей чувствительностью. Автодинный прием обладает такой большой чувствительностью, что надежный прием незатухающих сигналов возможен при подводимых к сетке напряжениях в десятки раз меньших, чем те, которые необходимы для получения даже очень слабого приема телефонных сигналов без биений. Поэтому легче всего принимаемую радиотелефонную станцию «поймать» на биениях, ибо это есть не что иное, как автодинный прием несущей частоты принимаемой радиотелефонной станции. Однако при ловле станции на биениях необходимо помнить все то, что было сказано выше относительно помех, создаваемых регенератором, в котором существуют собственные колебания, и злоупотреблять этим методом приема не следует. «Ловить» станцию на биениях следует только в крайних случаях и возможно быстрее, чтобы возможно меньшее время мешать соседям.
Радиолюбитель, принимающий на регенератор и стремящийся добиться от него наибольшей чувствительноети, находится в сущности на краю пропасти. И чем больше он увеличивает чувствительность приемника, тем ближе он подходит к краю пропасти — к порогу генерации. Поэтому совершенно естественно стремление как-нибудь себя обезопасить в этом рискованном положении и принять такие меры, которые воспрепятствовали бы возникновению собственных колебаний в регенераторе. Однако полностью эта задача не может быть решена, ибо увеличение чувствительности приемника это и есть уменьшение его затухания, а значит приближение к краю пропасти. Некоторым выходом из этого положения является принцип сверхрегенерации, который заключается в следующем.
Как мы уже говорили, колебания, возникающие в контуре с отрицательным сопротивлением, наростают не мгновенно, а постепенно. Следовательно, вначале амплитуды этих собственных колебаний очень малы и никаких неприятностей причинить не могут. Только когда эти амплитуды возросли до достаточно большой величины, собственные колебания вызывают те искажения, о которых мы говорили выше. Поэтому, если периодически изменять обратную связь так, чтобы затухание регенератора становилось то положительным, то отрицательным и если эти периодические изменения будут происходить достаточно быстро, то те собственные колебания, которые возникают в регенераторе при отрицательных значениях затухания, не успеют достигнуть сколько-нибудь значительной величины и внести заметные искажения в прием. Правда, за то время, пока контур будет обладать положительным затуханием, его чувствительность будет меньше. Но зато в то время, когда затухания будут отрицательны, она будет очень велика. Если период, с которым происходит изменение эффекта обратной связи, выбрать достаточно малым, то чувствительность приемника будет представлять собою среднее между чувствительностью за оба промежутка времени, когда затухание было положительным и отрицательным. Так как в обычном регенераторе при приеме телефонных станций затухание всегда должно оставаться положительным, то очевидно, что путем периодического изменения эффекта обратной связи, при котором затухание становится то положительным, то отрицательным, можно достигнуть большей чувствительности, чем в обычном регенеративном приемнике. Задача заключается лишь в том, чтобы суметь осуществить периодические изменения обратной связи с достаточной скоростью.
Конечно, нечего пытаться осуществить периодические изменения обратной связи каким-либо механическим способом. Но можно достигнуть той же цели, изменяя не самую величину обратной связи, а эффект, ею даваемый, который как мы знаем, зависит от крутизны анодной характеристики. Следовательно, если мы будем периодически изменять крутизну анодной характеристики в таких пределах, чтобы при данной обратной связи и малой крутизне затухание контура было положительным, а при наибольшей крутизне оно было бы отрицательным, то мы добьемся эффекта повышения чувствительности регенератора. В этом именно и заключается принцип сверхрегенерации.
Легко сообразить, каким образом можно достигнуть периодического изменения крутизны анодной характеристики. Так как крутизна характеристики различна в разных точках, то достаточно в соответствующих пределах изменять добавочные напряжения на сетке лампы регенератора. Достигнуть этого можно, применяя отдельный вспомогательный гетеродин, подающий переменное напряжение на сетку лампы регенератора (рис. 4). Это основная схемах сверхрегенератора, предложенная Армстронгом. Можно, однако, съэкономитъ одну лампу и включить колебательный контур вспомогательной частоты в цепь сетки лампы регенератора, так, чтобы вспомогательная частота создавалась бы в самом регенераторе. Можно также применить и несколько иной метод сверхрегенерации, именно включить в цепь сетки контур, состоящий из емкости и сопротивления R1, (рис. 5) c соответствующими величинами того и другого. Тогда вспомогательная частота, т. е. периодические изменения напряжений на сетке лампы будут определяться временной постоянной этого контура. Этот контур представляет собой по существу гридлик только с необычными размерами емкости и сопротивления. Благодаря присутствию гридлика, как мы знаем, при возникновении колебаний появляется смещающее напряжение на сетке и если величина гридлика подобрана соответствующим образом, то можно достигнуть того, чтобы лампа смещалась благодаря собственным колебаниям в область с меньшей крутизной характеристики и колебания прекращались до того, как они достигли амплитуд, вызывающих заметные искажения приема.
Совершенно ясно, что при осуществлении сверхрегенерации вспомогательная частота, вызывающая периодические изменения напряжения на сетке, вызывает соответствующие колебания и в силе анодного тока. Поэтому, если вспомогательная частота лежит в пределах слышимых частот, то в телефоне сверхрегенератора будет слышен соответствующий тон. Чтобы устранить этот тон, нужно выбрать вспомогательную частоту так, чтобы она лежала выше предела слышимости звуковых частот, т. е. имела бы частоту более 10—15 тысяч колебаний в секунду. Можно однако помириться на том, что в телефоне сверхрегенератора будет слышен очень высокий и поэтому слабо действующий на ухо тон (ухо мало чувствительно к очень высоким тонам). Так обычно и поступают в сверхрегенераторах. Вспомогательную частоту выбирают таким образом, что ей соответствует очень слабо слышимый высокий свист в телефоне.
При помощи сверхрегенерации можно достигнуть очень большой чувствительности приемника. Однако почти неизбежный свист регенерации и некоторые другие искажения, которых избежать очень трудно, делают затруднительным получение вполне художественного приема на сверхрегенератор. Помимо того обращение с сверхрегенератором и управление им требуют довольно большого умения и навыков. Все это препятствует широкому распространению сверхрегенераторов. Сверхрегенератор применяется только в тех случаях, когда необходима очень высокая чувствительность приемника, например, при приеме дальних станций на рамку, и когда художественности приема не предьявляется высоких требований. В нормальных же условиях радиовещательного приема сверхрегенератор обычно не применяется.
Демонстрация явления «затягивания» в обратной связи. Демонстрация приема на биениях и работы сверхрегенератора.