"Радио Всем", №16, август 1928 год, стр. 432-434

О СВЕТОВОМ МИКРОФОНЕ.
(Фотоэлемент)

В. Э. Делакроа.

Одним из особенно характерных вопросов передачи изображений, как сказано в нашей предыдущей статье (см. «Р. В.», № 7 и 8), является преобразование световой энергии в электрическую, или, образно выражаясь, — перепечатка изображения на электрический ток.

Вообще говоря, известны две системы управления электрическим током под действием света. Первая из них с использованием элемента селена, включаемого последовательно в электрическую цепь: сопротивление селена изменяется с изменением его освещенности в относительно широких пределах.

Вторая — с использованием калия или ряда других металлов, которые под воздействием света испускают электронный поток, т. е. сами являются источниками тока.

В системе Телефункен-Каролус, первой в Европе, давшей вполне удовлетворительные результаты передачи изображений на дальние расстояния и, в частности, и у нас (Москва-Берлин), использован эффект выделения электронов с поверхности калия.

Самый фото-эффект, т. е. эффект появления тока (электронов) под воздействием света впервые наблюдался еще Герцем в 1870 году; он заметил, что заряженный шарик терял часть своих зарядов, когда на него попадали лучи света.

Более обстоятельно это было обследовано Эльстером и Гейтелем, причем они использовали для опытов наиболее активный металл — калий, проамальгамировав его с поверхности (чтобы она не окислялась¹⁾).

Остается еще неясным до сих пор механизм появления фото-тока, но уже в 1899 году Дж. Дж. Томсон ввел этот эффект в полное согласие с так называемой «электронной теорией», доказав таким образом, что световые колебания вырывают из металла электроны, и что эти электроны могут образовывать токи в соответствующих электрических цепях. Эти токи названы «фототоками».

Рис. 1. Фотоэлемент.

По закону проф. Столетова оказывается, что число выбрасываемых электронов пропорционально величине освещаемой поверхности и энергии света и, кроме того, — что все электроны с освещаемой поверхности вылетают с некоторой одинаковой постоянной для всех электронов скоростью.

Таким образом, история вопроса о фототоках показывает, что уже 58 лет известно явление фотоэффекта, причем за последнее время получен снова большой проверочный материал в связи с бурным развитием техники передачи изображений на расстояние (по проводам и без проводов).

Фотоэлемент общества Телефункен, т. е. элемент, превращающий световые явления в электрические, построен по типу фотоэлемента Эльстера и Гейтеля, с той лишь разницей, что вместо амальгамирования в последнее время применено оводороживание: при обработке калия водород, очевидно, разрыхляет поверхность калия, сообщает ей «губчатую» структуру, вследствие чего увеличивается площадь образования (вылета) электронов. И в то время как амальгамированный (обработанный с поверхности ртутью) калий имеет чисто серебристый оттенок, оводороженный принимает блестящий, ярко синий оттенок, по богатству «игры» несколько напоминающий перламутр.

Внешний вид и размеры фотоэлемента, сконструированного д-ром Шрифером (Телефункен), показаны на рис. 1 и 2. Общая поверхность излучения электронов — 9 кв. см.

Рис. 2.

Нужно заметить, что в общем фотоэлементы в теперешней конструкции еще не вполне однородны; в среднем для этих фотоэлементов при полном освещении плотность тока (т. е. сила тока с 1 кв. см поверхности калия) достигает порядка 0,044 ма/см². Эти данные относятся к анодному напряжению 120 вольт. Ясно, что это напряжение в сильной степени влияет на величину фототока; на рис. 3 приведена «характеристика» фотоэлемента, т. е. зависимость его тока от анодного напряжения, из которой видно, как быстро ток растет при увеличении напряжения.

Рис. 3.

На рис. 4 приводятся кривые тока фотоэлемента в зависимости от освещенности.

В конструкции д-ра Шрифера для получения устойчивости в работе калиевой поверхности введено небольшое количество (инертного) газа (неона).

Рис. 4.

Сама схема работы фотоэлемента показана на рис. 5: с сопротивления 0,5 мегома «снимается» напряжение («падение напряжения») на сетку первой лампы усилителя: при силе тока в цепи фотоэлемента (при полной освещенности) порядка 5,25 м/а падение напряжения достигает 0,125 вольт²⁾, т. е. на сетке первой лампы усилителя напряжение колеблется в пределах от нуля (темнота) до 0,125 вольт — полный свет; полутени дадут, следовательно, различные другие дробные значения напряжении, лежащие в указанных пределах.

Рис. 5.

Может показаться странным применение сравнительно малого сопротивления 0,5 МΩ последовательно с фотоэлементом внутреннее сопротивление которого, как оказывается, равно порядка 450 миллионов ом³⁾.

Известно из электротехники, что максимальное значение тока источник даст тогда, когда внешнее сопротивление становится равным внутреннему. Отсюда казалось бы, вытекает, что в цепи фотоэлемента следовало бы для подачи на сетку первой лампы напряжения ставить не R_g = 0,5 МΩ, а много больше, порядка 450 МΩ.

Как оказывается, применение особенно малого сопротивления (0,5 МΩ) объясняется особенностью схемы, в которой заставляют работать фотоэлемент. Рассмотрим эту особенность. Мы сейчас подсчитывали, что напряжение на сетке первой лампы весьма мало, — порядка 0,125 вольт, поэтому его приходится значительно усиливать; в свою очередь, для получения большего усиления удобней всего пользоваться трансформаторами и дросселями между отдельными каскадами (лампами), т. е. усиливать переменный ток. Усиление постоянного (пульсирующего) тока, который, как правило, дает фотоэлемент, трудней потому, что требуются лишние батареи, большее количество каскадов усиления и, кроме того, оно обнаруживает некоторую неустойчивость, дает часто лишнее усиление ламповых шорохов, шумов и пр.

Между тем, получение с фотоэлемента переменного тока вместо постоянного — весьма несложная задача: достаточно подавать для этого не постоянный, а прерывистый свет от источника.

Практически так и делается: как сказано в «Р. В.», №7, свет дробится (прерывается) особым перфорированным (снабженным небольшими окошечками по окружности) диском возле самого источника: у диафрагмы источника, заслоняющей его боковые лучи света и пропускающей один лишь центральный пучек (к фотоэлементу), вращается этот диск от особого моторчика, который может, по желанию, менять число оборотов от 0 до 3 000.

Этот моторчик в комбинации с набором перфорированных шайб (с числом окошечек по окружности — 180, 120, 60 и 30) и 3-мя сменными шкивами дает возможность устанавливать от 0 до 18 000 перерывов света в секунду. Практически обычно пользуются следующей шкалой перерывов света:

Скорость передачи изображения в кв. децим/мин.	2	1	½
Число перерывов света в 1 секунду.	7500	5600	3750

Эта табличка (приведенная для ходовых практических скоростей) составлена из того расчета, чтобы при работе установки самая тонкая поперечная линия толщиной в световое пятно, т. е. 0,2 мм, передавалась минимум одним световым импульсом.

Нельзя не заметить, что введение перфорации (прерывания) света имеет один существенный недочет: уменьшается общая экспозиция передачи изображения, уменьшается время действия света ровно вдвое — половина света проходит к изображению через окошечки перфоратора, а половина задерживается, так как расстояния между окошечками диска-прерывателя равны в точности ширине самих окошечек. Но вполне очевидно, что этот недостаток с лихвой компенсируется выгодами упрощений, которые приэтом получаются, а именно: получая прерывистый ток от фотоэлемента (вместо постоянного) и усилив его затем на одной ступени усиления с сопротивлением, можно дальше ставить дросселя и трансформаторы, обеспечивающие, как известно, гораздо большее усиление, т. е. возможность применения меньшего количества каскадов, меньших анодных напряжений и пр.

Схема усилителя о-ва Телефункен приведена на рис. 6.

Рис. 6.

Разобрав вопрос о выгодах применения переменных (пульсирующих) токов, мы можем, наконец, ответить и на вопрос: почему применяется в цепи фотоэлемента такое маленькое последовательное сопротивление, как 0,5 МΩ; объясняется это тем, что усилитель нельзя располагать в непосредственной близости от фотоэлемента: приходится тянуть к нему провода длиной до 1½—2 метров. Те, в свою очередь, образуют между собой (металлическими жилами) общую емкость порядка 300—500 см. И при тех частотах тока, какими пользуются на практике, эта емкость представляет уж очень малое (емкостное) сопротивление, шунтирующее фотоэлемент⁴⁾.

Таким образом не имеет никакого смысла ставить R_g (рис. 5) весьма большим, более того — даже вредно выбирать его большим, если емкостное сопротивление линии так незначительно.

Как явствует из описания установки передачи изображений опытной радиостанции НКПиТ («Р. В.», №№7 и 8), на приемной станции получается негативное изображение, так как в тот момент, когда cвет на передающей стороне падает на черное поле (черное пятно, линия, буква и т. д.), ток отсутствует (на передатчике), а это равносильно тому, что луч не проникает на приемную фильму; т. е. черному месту при передаче будет соответствовать белое (прозрачное) место на приеме.

Рис. 7.

Существует целый ряд способов, позволяющих перевести прием на позитивный. О-во Телефункен, например, предлагает применять комбинацию из двух фотоэлементов, включенных по особой схеме, так наз. схеме «мостика». Из рис. 7 видно, что фотоэлементы распределены таким образом, что один из них — вспомогательный — освещается непрерывно и непосредственно от источника света, а второй — рабочий, — как все фотоэлементы, нормально—отраженным светом от изображения. В первом фотоэлементе течет, следовательно, неизменно максимальный ток, во втором — меняющийся от минимума до максимума. Включенные, как показано по схеме 7 (по схеме мостика), они дают в диагонали R_g, т. е. в так называемом «мостике», наличие тока в те моменты, когда существует неравенство токов в цепях обоих фотоэлементов: мы будем иметь, следовательно, в диагонали (мостике) ток тогда, когда черное пятно изображения проходит под световым пятном второго (рабочего) фотоэлемента. И, наоборот, при белом поле против светового пятна ток в диагонали будет равен нулю.

Поставив, далее, действующий усилитель не на ток фотоэлемента, а на усиление тока диагонали, можно получить сразу же на приемной станции позитивное изображение.

Другой способ получения позитивного изображения был разработан и испробован на опытной радиостанции НКПиТ, о нем будет сообщено в одном из следующих номеров журнала.

Опытная радиостанция НКПТ.

R_c = 1 / (2 π f C) = (9 * 10¹¹) / (6,28 * 7500 * 500) = 40 000 Ω.