К. С.
Когда, мы говорим об электрических колебаниях, возникающих в каком-нибудь контуре, то обычно мы считаем, что этот контур должен обладать емкостью и самоиндукцией. Казалось бы, что только при наличии емкости и самоиндукции электрический контур является колебательным и, следовательно, в нем могут возникать электрические колебания. В большинстве случаев так оно и есть — почти всегда электрические колебания возникают только в колебательных контурах, обладающих емкостью и самоиндукцией. Однако возможны такие случаи, когда электрические колебания возникают в контуре, не обладающем и емкостью и самоиндукцией, а состоящем из одной емкости и сопротивления или одной самоиндукции и сопротивления. Первый из этих случаев, именно колебания в контурах, состоящих из емкости и сопротивления, нередко приходится наблюдать и радиолюбителям в своей практике. Поэтому с колебаниями подобного типа, существенно отличающимися от обычно применяемых в радиотехнике колебаний, мы хотим познакомить наших читателей.
Радиолюбителям, работающим с усилителями низкой частоты на сопротивлениях, вероятно нередко приходилось наблюдать в этих усилителях колебания низкой частоты, сказывающиеся в виде какого-либо определенного свиста или тона в телефоне или репродукторе, присоединенном к усилителю. Иногда, в случае очень медленных колебаний, в телефоне слышен даже не тон, а частая «дробь». Это и есть те колебания, о которых мы только что говорили и которые мы будем в дальнейшем называть «прерывистыми колебаниями» 1.
Прежде всего, конечно, возникает вопрос, каким образом могут появляться колебания в контурах, не обладающих самоиндукцией, и какими обстоятельствами определяется период (частота) этих колебаний. Обычные колебания, с которыми приходится иметь дело в радиотехнике (мы их для краткости будем называть не совсем точно «гармоническими колебаниями»), как мы уже сказали, могут возникать только в контурах, обладающих емкостью и самоиндукцией. Емкость и самоиндукция в этом случае необходимы потому, что гармонические колебания представляют собою периодический переход электрической энергии из энергии заряда конденсатора в энергию магнитного поля катушки самоиндукции и обратно. Поэтому, если бы в контуре не было емкости или самоиндукции, то вообще говоря, в нем не могли бы существовать гармонические колебания. Если вместо емкости или самоиндукции контур обладал бы сопротивлением, т. е. состоял бы из емкости и сопротивления (рис. 1) или самоиндукции и сопротивления (рис. 2), то все равно гармонические колебания не могли бы в том существовать. Это станет ясным, если мы обратим внимание на то обстоятельство, что в сопротивлении не может накапливаться электрическая энергия. Вся энергия, выделяемая электрическим током в сопротивлении, превращается в тепло и идет на нагревание проводника. Поэтому для электрической цепи энергия, выделившаяся в сопротивление, потеряна уже безвозвратно.
Итак, в контуре, состоящем из емкости и сопротивления (рис. 1) (мы в дальнейшем будем говорить только о таких контурах и не будем рассматривать контуров с самоиндукцией и сопротивлением, в которых происходит по существу то же самое), есть только один резервуар, в котором может накапливаться электрическая энергия. Этот резервуар — емкость контура. Ясно поэтому, что в таком контуре уже не может происходить перекачивание энергии из одного резервуара в другой и обратно 2.
И, действительно, мы знаем, что, если в конденсаторе С (рис. 1) содержится некоторый запас электрической энергии (т. е. конденсатор заряжен до определенной разности потенциалов), то если мы замкнем этот конденсатор на сопротивление R, никаких колебаний в контуре не возникнет. Конденсатор постепенно разрядится, причем запасенная в конденсаторе энергия израсходуется на нагревание проводника, через который он разряжается. Мы получим таким образом «апериодический разряд» конденсатора через сопротивление. Графически этот разряд изображен на рис. 3.
Представим себе теперь, что в нашем распоряжении есть какой-то прерыватель П (рис.4), который включает конденсатор С попеременно то на батарею Б, от которой он заряжается, то на сопротивление R, через которое он разряжается. Ясно, что в этом случае мы получим апериодические разряды, следующие один за другим, с частотой, которая определяется скоростью действия переключателя. Если мы так подберем эту скорость, чтобы в тот момент, когда конденсатор уже почти полностью разрядился, он переключался бы на зарядку, а затем, когда он зарядился до определенного потенциала, вновь переключался бы на разряд, то мы получим ряд апериодических разрядов, следующих «вплотную» один за другим. Такой ряд апериодических разрядов (рис. 5) представляет собой уже в сущности электрические колебания, однако существенно отличающиеся от обычных гармонических колебаний. Отличие это заключается, главным образом, в форме колебаний.
Наиболее удобным прерывателем, при помощи которого можно получить периодически повторяющийся апериодический разряд, является неоновая лампа, т. е. двухэлектродная лампа, наполненная благородным газом — неоном. Свойства неоновой лампы, которые позволяют применить ее в качестве такого прерывателя, заключаются в следующем. Неоновая лампа загорается только при определенном напряжении. Пока напряжение, подводимое к лампе, не достигает напряжения зажигания, лампа не горит и не проводит тока. После того как напряжение, подводимое к лампе, достигло напряжения зажигания Vз, лампа вспыхивает и через нее начинает течь ток, причем при увеличении напряжения, подводимого к лампе, сила тока увеличивается. Если же мы начнем уменьшать напряжение, подводимое к лампе, то при напряжении зажигания лампа еще не погаснет и будет гореть. Только при некотором меньшем напряжении гашения Vг (обычно на 10—15% меньше, чем напряжение зажигания) лампа гаснет, при этом ток в лампе сразу скачком падает до нуля, и лампа слова перестает быть проводником. Графически эти свойства неоновой лампы можно изобразить так, как указанно на рис 6. Поэтому, если мы включим неоновую лампу N в схему, приведенную на рис. 7, то она будет себя вести как раз так, как тот прерыватель, о котором мы говорили. Если мы включим батарею Б, то конденсатор С начнет заряжаться через сопротивление R. Благодаря присутствию сопротивления напряжение на зажимах конденсатора будет повышаться не сразу, а постепенно. Когда это напряжение достигнет величины напряжения зажигания, лампа вспыхнет и, если сопротивление R достаточно велико (по сравнению с внутренним сопротивлением лампы), то конденсатор начнет разряжаться (так как в этом случае через лампу будет протекать больший ток, разряжающий конденсатор, чем через сопротивление R ток его заряжающий). Следовательно, напряжение на конденсаторе будет постепенно уменьшаться, пока оно не достигнет того напряжения Vг, при котором лампа гаснет (напряжение гашения). В тот момент, когда лампа погаснет, она перестает быть проводником, и разряд конденсатора прекращается. Снова возобновляется заряд конденсатора через сопротивление R, и напряжение снова начинает повышаться. Когда оно достигнет напряжения зажигания, лампа снова вспыхнет, и вся картина повторится еще раз. Таким образом мы получим периодически повторяющийся апериодический разряд, т. е., как мы их назвали, прерывистые колебания.
Период колебаний, возникающих в цепи с неоновой лампой, определяется очевидно тем, как скоро происходит заряд и разряд конденсатора. Очевидно, что чем больше будет сопротивление, тем медленнее будет заряжаться и разряжаться конденсатор, и чем больше будет его емкость, тем больше будет продолжаться заряд до напряжения Vз и разряд до напряжения Vг. Следовательно, период колебаний будет тем больше, чем больше емкость и сопротивление контура. Таким образом, вместо емкости и самоиндукции, которые определяют период колебаний в случае обычных гармонических колебаний, в нашем случае период колебаний будет определяться величиной емкости и сопротивления. Конечно, до некоторой степени период будет зависеть и от свойств неоновой лампы, именно от того, при каких напряжениях она зажигается и гаснет. Но в основном период все же будет определяться величиной емкости и сопротивления и зависеть главным образом от них. Произведение из емкости на сопротивление, от которого именно зависит период колебаний, и которое вообще характеризует скорость процесса заряда и разряда конденсатора в цепи, называется временной постоянной этой цепи. Чем больше будет временная постоянная, тем медленнее, следовательно, будут происходить колебания, причем порядок периода колебаний будет такой же, как величина временной постоянной. Например, если мы будем иметь в цепи неоновой лампы емкость в 1 микрофараду (10—6 фарада) и сопротивление в 1 миллион (106) ом, то временная постоянная будет равна единице (10—6 × 106 = 1). Следовательно, колебания в контуре будут иметь период порядка одной секунды.
Но колебания подобного типа могут быть получены не только с неоновой лампой. Электронную лампу можно заставить также выполнять роль клапана, как и неоновую лампу. Например, прерывистые электрические колебания могут быть получены при помощи так называемого мультивибратора Абрагана-Блоха, схема которого приведена на рис. 8. Схема эта напоминает обычную схему так называемого двухтактного генератора, широко применяемого для возбуждения гармонических колебаний, главным образом, в случае коротких волн. Отличие мультивибратора от двухтактного лампового генератора заключается главным образом только в том, что в мультивибраторе совершенно отсутствуют катушки самоиндукции. Посмотрим, каким образом могут возникать колебания в таком мультивибраторе. Представим себе, что в какой-то момент по какой-либо причине анодный ток в лампе Л1 немного увеличился. Вследствие этого увеличится падение напряжения в сопротивлении R1, т. е. напряжение на аноде лампы понизится. Это изменение напряжения на аноде лампы Л2 передается через конденсатор С1 на сетку ламцы Л2, и напряжение на сетке лампы Л2 уменьшится. Вследствие этого уменьшится и адодный ток в цепи лампы Л2, а вместе c тем уменьшится и падение напряжения в сопротивлении R2. В результате напряжение на аноде лампы Л2 возрастет и через конденсатор С2 это повышение напряжения передастся на сетку лампы Л1. Повышение напряжения на сетке лампы Л1 вызовет в свою очередь новое возрастание анодного тока в лампе Л1. Таким образом всякое увеличение анодного тока в лампе Л1 действует так, что оно вызывает дальнейшее увеличение этого анодного тока.
Следовательно, при всяком малейшем толчке, который может появиться в электрическом контуре (а такие толчки всегда бывают в электрических цепях), анодный ток в одной из ламп начнет возрастать, а в другой убывать. Это изменение анодного тока в лампах прекратится тогда, когда один из токов обратится в нуль, а другой достигнет величины тока насыщения. Но однако в таком состоянии схема не может остаться, так как конденсаторы С1 и С2 все время заряжались, и в тот момент, когда изменения тока прекратились, они будут заряжены до определенного напряжения (помимо постоянной разности потенциалов, даваемой анодной батареей). Легко сообразить, каковы будут в этот момент заряды конденсатора. Так как при увеличении анодного тока в Л1 напряжение на аноде лампы Л1 уменьшается, то и заряд на конденсаторе С1 будет уменьшаться. Иначе мы можем себе представлять дело так, что, помимо постоянного напряжения, до которого заряжен конденсатор анодной батареей, он получает еще новый заряд, противоположного знака, т. е. та его обкладка, которая соединена с анодом лампы Л1, заряжается отрицательно, а та, которая соединена с сеткой лампы Л2, заряжается положительно. Наоборот, на конденсаторе С2 (вследствие того, что напряжение на аноде лампы Л2 возрастает) мы получим повышение напряжения, т. е. конденсатор С2 будет заряжаться таким образом, что его обкладка, соединенная с анодом лампы Л2, будет заряжаться положительно, а соединенная с сеткой Л1 — отрицательно.
Следовательно, в тот момент, когда изменение анодного тока в лампах прекратится, мы будем иметь в анодной цепи лампы Л1 анодный ток, равный току насыщения, а в цепи лампы Л2 равный нулю. Заряды на обкладках конденсаторов при этом будут расположены так, как указано выше (знаки этих зарядов указаны на нашем рисунке). Ясно, что в таком положении схема оставаться не может. Ведь как раз на сетку той лампы Л1, анодный ток которой равен току насыщения, попадает большое отрицательное напряжение от конденсатора С2 и, наоборот, на сетку лампы Л2, анодный ток которой равен нулю, попадает положительное напряжение. Вследствие этого в тот момент, когда прекратится повышение анодного тока в лампе Л1 и спадет до нуля ток в лампе Л2, произойдет резкое изменение величины анодного тока и в обеих лампах. Вследствие действия отрицательного напряжения на сетке Л1 ток в лампе Л1 сразу заметно упадет, а в лампе Л2 под действием положительного напряжения на сетке Л2 сразу заметно повысится. Но, как мы уже знаем, эти изменения не прекратятся до тех пор, пока в одной лампе ток не достигнет тока насыщения, а в другой не прекратится вовсе. Но сейчас изменение величины анодного тока будет происходить в обратном порядке. Анодный ток в лампе Л2 будет падать до нуля, а в лампе Л1 возрастать до тока насыщения. Когда это положение будет достигнуто, снова произойдет резкое изменение величины анодного тока и в той и в другой лампе и весь процесс повторится опять.
Однако для того, чтобы колебания в мультивибраторе Абрагама—Блоха возникли, необходимо, чтобы сопротивления, входящие в схему, превышали определенную величину. Если эти сопротивления будут очень малы (по сравнению с внутренним сопротивлением лампы), то колебания в схеме не возникнут.
Таким образом в схеме мультивибратора существуют определенные условия возбуждения, подобные тем, которые существуют в схеме обычного регенератора. Разница заключается лишь в том, что в схеме регенератора для возбуждения колебаний нужно, чтобы обратная связь достигала определенной величины. В схеме же мультивибратора необходимо, чтобы определенной величины достигали сопротивления, включенные в схему.
Таким образом, в схеме мультивибратора Абрагама—Блоха мы получаем электрические колебания примерно такого же характера, как и в цепи с неоновой лампой. Эти прерывистые колебания своей формой будут отличаться от гармонических тем, что они будут иметь острые углы и резкие изменения. Период колебаний, получающихся в схеме мультивибратора, будет, также как и в случае в цепи с неоновой лампой, зависеть главным образом от величин емкостей и сопротивлений, входящих в схему. Чем больше будут емкости и сопротивления, входящие в схему, тем медленнее будут происходить изменения напряжения на обкладках конденсатора и, следовательно, тем больше будет период колебаний. Приблизительно порядок периода колебаний, которые получаются в схеме мультивибратора, можно также определить по временной постоянной контура, состоящего из емкости и сопротивления, которая, как сказано, выражается просто как произведение емкости на сопротивление. Для подсчета и то и другое надо выразить в практических единицах, т. е. в омах в фарадах. И если мы имеем в контуре сопротивления порядка 1 миллиона (106) ом и емкости порядка 1 000 сантиметров, т. е. одной миллиардной доли (10—9) фарада, то временная постоянная контура будет равна одной тысячной секунды (l06 × 10—9 = 10—3 = ¹/₁ ₀₀₀). Следовательно, при таких емкостях и сопротивлениях мультивибратор будет генерировать колебания звуковой частоты.
Рассмотренная нами схема мультивибратора в сущности очень немногим отличается от обычной схемы двухлампового усилителя низкой частоты, приведенной на рис. 9. Отличие их заключается только в отсутствии емкости С2, указанной на рис. 9 пунктиром (сравнив обе схемы, читатель легко убедится в этом). В случае если эта емкость включена так, как указано на рис. 9, усилитель низкой частоты на сопротивлениях превращается в рассмотренный нами мультивибратор. Следовательно, при наличии емкостной связи между анодом второй лампы и сеткой первой лампы в двухламповом усилителе низкой частоты в нем возможно возникновение колебаний точно так же, как и в схеме мультивибратора Абрагама—Блоха. Но, как и в схеме мультивибратора, для этого необходимо, чтобы сопротивления в цепях анодов и сеток ламп имели достаточную величину. Если, условия возбуждения мультивибратора будут соблюдены, то в нашей схеме возникнут прерывистые колебания, частота которых будет определяться величиной емкостей и сопротивлений, входящих в схему усилителя низкой частоты. При тех емкостях и сопротивлениях, которые применяются обычно в усилителях низкой частоты, прерывистые колебания легко могут попасть в область звуковых частот и вызвать появление свистов или даже более низких звуков в телефоне, включенном в усилитель.
После того, что было сказано об условиях возникновения прерывистых колебаний в схемах с емкостями и сопротивлениями, совершенно ясно, какие следует принимать меры для того, чтобы эти колебания устранить. Необходимо, устранить емкости между анодом второй лампы и сеткой первой, т. е. расположить цепи усилителя при монтаже таким образом, чтобы емкостная связь между анодом второй лампы и сеткой первой была по возможности мала. Можно также для устранения колебаний уменьшить величины сопротивлений, входящих в цепи усилителя, и тем самым нарушить условия возникновения колебаний. Тем или другим из этих способов всегда удастся устранить прерывистые колебания в усилителях низкой частоты на сопротивлениях и избавиться от свистов, которыми нередко сопровождается работа таких усилителей. Уменьшение сопротивлений в цепях усилителя (конечно, в разумных пределах, так, чтобы не понизилось усиление, даваемое схемой) выгодно еще потому, что если оно и не нарушает условий возникновения колебаний, то во всяком случае значительно повышает частоту этих прерывистых колебаний и выводит их из пределов слышимости.
Мы рассмотрели одну из схем, с емкостями и сопротивлениями, в которых могут возникать электрические колебания, только в качестве примера для того, чтобы объяснить, каким образом эти колебания могут возникнуть и как можно их возникновению воспрепятствовать. Вообще же существует целый ряд различных схем с емкостями и сопротивлениями, в которых могут возникать электрические колебания. Мы однако на них останавливаться не будем.
В заключение необходимо отметить, что прерывистые колебания, возникающие в схемах с емкостями и сопротивлениями, далеко не всегда представляют собой нежелательное явление. Схема мультивибратора в последнее время нашла себе широкое применение в радиотехнике, именно в области точного измерения частоты (или длины волны) колебательных контуров. Применение схемы мультивибратора для измерения длины волны контура основано на том, что мультивибратор дает колебания, очень богатые высокими обертонами. Присутствие высоких обертонов обусловлено именно неправильной формой даваемых колебаний, наличием в этих колебаниях острых углов и крутых перегибов. Насыщенность обертонами колебаний мультивибратора настолько велика, что в этих колебаниях легко могут быть обнаружены сотые и даже тысячные обертоны, т. е. колебания с частотой в тысячу раз большей, чем основная частота мультивибратора. Таким образом, если возбудить в мультивибраторе сравнительно медленные колебания, частота которых может определяться, например, при помощи камертона (колебания в несколько сот периодов в секунду), то, выделяя из этих колебаний высокий обертон (например, пятисотый), мы получим колебания высокой частоты, лежащие уже в области радиочастот. Следовательно, определяя точно основной период колебаний мультивибратора и зная порядок обертона, который нами выделен, мы будем иметь в этом обертоне эталон частоты, число колебаний которого известно с большой точностью. Этим методом сейчас широко пользуются для точной градуировки контуров высокой частоты, и ему мы обязаны главным образом всеми достигнутыми за последнее время успехами в области точного определения частоты колебательных контуров высокой частоты.
1 С одним из типов подобных прерывистых, или, как называют их правильнее, релаксационных колебаний и их применением наши читатели уже знакомы по статье «Электрическое сердце» в № 1 «РВ» за 1929 г.
(стр. 359.)
2 При некоторых специальных условиях, в схемах, состоящих из емкостей и сопротивлений, или самоиндукций и сопротивлений, возможно возникновение гармонических колебаний. К этому вопросу мы еще когда-нибудь вернемся.
(стр. 360.)