Инж. Л. Б. Слепян.
Содержание: Три способа усиления помощью катодной лампы. Дуга и возможные ея применения. Как работает кристадин. Значение кристадина для радиолюбителей.
1. Каждый радиолюбитель, начинающий с приема на детектор, через некоторое время чувствует себя неудовлетворенным: у него является желание слушать лучше, громче, слушать более удаленные радиостанции, вообще усовершенствовать свою установку.
Естественный путь дальнейшего улучшения для него — перейти к приемнику с катодными лампами. У него может также явиться желание построить себе приобревший столь большую известность в последнее время «кристадин».
Сообразно нашей цели — дать оценку значения кристадина для радиолюбителя — мы не даем в настоящей статье рецепта построения самодельного кристадина. Мы коснемся главным образом его сущности, постараемся об'яснить, как действует кристадин, и сравним его с простейшими ламповыми приемниками. Мы считаем, что если любитель раньше, чем приступить к построению кристадина или лампового приемника, уяснит себе сущность действия обоих и те результаты, какие он может ожидать от них, то он легко разберется в том, какой прибор больше подходит к поставленной им цели. Я заранее оговариваюсь, что если любитель главным образом стремится слушать ближние или дальние радиостанции или хочет ознакомиться с основами построения современных радиоприемников, то ему достаточно уяснить себе принцип действия кристадина и незачем тратить усилий на его построение. Строить кристадин ему следует лишь при желании испробовать свои силы в изучении интересного физического явления, к которому талантливые работы О. В. Лосева привлекли широкое внимание, но практическая ценность которого ограничена. Такую задачу может ставить себе любитель, чувствующий достаточную подготовку и желающий на такой работе пройти подготовительную школу исследования и опытов в радио-деле.
Начнем с катодной лампы. Этот прибор, хотя и появился в радиотехнике позже других аппаратов, но в настоящее время знаком каждому любителю больше всяких других приборов, быть может и более простых в действии. Все знают, что катодная лампа выполняет теперь самые различные обязанности: она применяется и для усиления, и для детектирования, и для получения радиоволн, как генератор не затухающих колебаний. И все эти функции она выполняет наиболее надежным и постоянным образом. Мы не будем останавливаться на том, как лампа может детектировать и каким образом она обычно усиливает. Напомним лишь, что лампа усиливает благодаря наличности трех электродов: напряжение, приложенное к сетке, дает усиленный ток в цепи анода.
Но это — простейший способ усиления помощью катодной лампы. Существуют еще два других способа усиления: автодинный (или регенеративный) и гетеродинный. Нередко одна и та же лампа дает усиление сразу двух родов, как, напр., в обыкновенном регенеративном приемнике (приемнике с обратной связью). Два последних указанных способа усиления помощью катодной лампы связаны с возможностью ее использования для получения (генерирования) не затухающих колебаний. Рассмотрим поэтому, как работает катодная лампа в качестве генератора.
Простейшая схема катодного генератора представлена в фиг. 1. Она включает колебательную цепь из конденсатора С1 и самоиндукции L1, присоединенных к сетке лампы. Кроме того, в цепи анода включена катушка L2, помещенная вблизи L1, индуктивно связанная с ней. L2 — есть катушка обратной связи.
Допустим, что мы замкнули ключ. В цепи сетки пойдет слабый ток, который зарядит конденсатор С1. Это вызовет ток в цепи анода через катушку L2. Появление тока в L2 вызовет индуктированный ток в катушке L1. L2 и L1 расположены таким образом, чтобы этот ток, воздействуя на сетку, в свою очередь усиливая ток в цепи анода и, следовательно, в катушке L2. Последнее вызывает новое усиление тока в L1 и т.д. Таким образом происходит нарастание тока в цепи, которое идет до возможного предела. Этот предел обычно определяется тем наибольшим током, какой может пройти в лампе, то есть током насыщения. Последний соответствует полному числу электронов, излучаемых нитью, в зависимости от ея размеров и температуры.
После того, как ток достиг наибольшей величины, начинается обратный процесс его уменьшения. При уменьшении тока действие катушки обратной связи L2 обратно предыдущему и будет индуктировать в L1 напряжение, действие которого на сетку будет еще более ослаблять анодный ток. Обратная связь и в этом случае будет углублять процесс уменьшения тока и быстро сводить его к нулю. После этого ток снова начнет нарастать и т.д. В результате получатся колебания тока от нуля до максимума и обратно. Скорость или частота этих колебаний регулируются колебательной цепью.
Если раздвинуть катушки L2 и L1, то связь между ними может оказаться недоста- точной для возбуждения колебаний. Обратное действие L2 хотя и будет усиливать возбуждаемые колебания, но не будет покрывать потерь, имеющихся в цепи, естественного затухания колебаний в ней. Поэтому при слабой связи колебания не могут поддерживаться сами, — не будет собственного генерирования. Но колебания, приходяшие в цепь извне, все же будут усилены благодаря обратной связи L2. Чем ближе эта катушка, тем больше будут усиливаться приходящие колебания. Обратная связь действует обратно потерям в цепи, частью возмещая их действие, т. е. как бы уменьшает сопротивление и затухание цепи. При дальнейшем усилении связи, т. е. сближении катушек L2 и L1, настанет момент, когда усиление будет покрывать потери в цепи, превзойдет затухание ее, и тогда снова возникнут собственные колебания. При этом если цепь будет принимать и посторонние внешние колебания, то они будут усиливаться тем же действием обратной связи, поскольку собственные колебания не слишком изменят самый характер работы лампы.
Мы видим, что обратная связь дает особого рода усиление, связанное с возможностью появления собственных колебаний в цепи с лампой. Такое усиление, как и все описанное действие, применяется в так назыв. регенеративных приемниках; эти приемники называют иначе автодинные. Последнее обозначает «самосильные», т. е. дающие от себя добавочную силу, энергию. Обычно лампу заставляют при этом также и детектировать, так что она сразу может выполнять три функции: детектировать (выпрямлять), генерировать (давать собственные колебания) и усиливать. Усиление в этом случае двоякое: обычное от цепи сетки к аноду и за счет обратного действия.
Ламповым генератором можно пользоваться для усиления еще иным способом, гетеродинным, особенно при приеме телеграфной работы не затухающих радиостанций.
В этом случае приемник и генератор местных колебаний (гетеродин) — отдельные приборы. (См. фиг. 2).
Приемник может иметь кристаллический или ламповый детектор. Для гетеродина пользуются обыкновенной усилительной лампочкой.
Местные колебаний своего генератора — гетеродина — складываются с приходящими. При сложении получаются биения, соответствующие разности частот гетеродина и приходящих колебаний. Эту разность подбирают так, чтобы получался слышимый тон. Помимо того, что мы таким образом получаем возможность слышать не затухающие колебания, которые без этого и после детектирования не были бы слышны, гетеродин дает еще значительное усиление. Это происходит в силу того, что местные колебания действуют на детектор подобно тому, как магнит телефона на мембрану. Постоянный магнит сообщает мембране телефона некоторое сильное натяжение, так что слабые токи в катушке магнита действуют на упругую пластинку. Это дает гораздо больший результат, чем если бы эти токи изменяли состояние вялой, не натянутой мембраны. Точно также местные колебания гетеродина дают как бы сильное напряжение в детекторе, и приходящие колебания работают при лучших условиях, в более выгодной точке характеристики детектора.
Тем же гетеродинным методом усиления можно пользоваться и при приеме затухающих (искровых) радио-станций, а также и радио-телефонной передачи. В первом случае вместо обычно звучащего тона искровой передачи получается шипящий тон значительно менее приятный и ясный для слуха. Несмотря на это, благодаря большому усилению этим способом все же нередко пользуются в практике.
При приеме радио-телефонной передачи местные колебания, складываясь с приходящими, дают тон — звук, который будет мешать слушанию. К тому же этот тон несколько меняется благодаря самой телефонной модуляции приходящих колебаний; поэтому получается также не один тон, а изменяющийся, сильно искажающий прием. Лишь при полном совпадении волны гетеродина и основной волны приходящих колебаний и при слабой связи с гетеродином можно получить еще удовлетворительный по чистоте прием. При этом действие гетеродина даст значительное усиление.
Мы в общих чертах пояснили возможные усилительные действия, какие получаются при пользовании катодной лампой, для того, чтобы при рассмотрении кристадина лучше разобраться в сущности его работы.
Прежде чем перейти к кристадину, мы должны еще остановиться на других способах получения радио-колебаний. Токи высокой частоты, кроме лампового генератора, могут быть получены еще помощью машин высокой частоты, при посредстве искры и помощью вольтовой дуги. Мы не будем описывать первых двух способов и рассмотрим лишь последний.
При получении колебаний помощью вольтовой дуги колебательная цепь составляется так, как показано на фиг. 3. Сама дуга входит в цепь высокой частоты и изменениями своего сопротивления поддерживает возникающие колебания. При разведенных электродах дуги конденсатор С заряжается; при сближении электродов он будет разряжаться через них. При этом возникает дуга, которая раздвижением электродов растягивается до некоторой длины.
При разряде конденсатора ток нарастает лишь постепенно благодаря тормозящему действию самоиндукции L. С другой стороны дуга обладает особыми свойствами. При нарастающем токе ее сопротивление падает, при убывающем — возрастает, так что ток, через нее проходящий, получает как бы свою инерцию, углубляющую происходящие колебания. Это углубление колебаний действием дуги возмещает то погасание колебаний, их затухание, которое обусловлено сопротивлениями в цепи и которое должно было бы привести к их исчезновению, если бы механизм дуги не поддерживал эти колебания. Источником энергии колебаний будет, однако, не дуга, а машина, подзаряжающая каждый раз конденсатор С и поддерживающая нарастающий ток в дуге.
Что же является причиной углубления колебаний, которое вызывает дуга? Это не какой-либо добавочный «управляющий» и углубляющий электрод, действующий помощью особой катушки, как в автодинном ламповом приемнике. Это сама инерция процессов в дуге. Эта инерция имеет главным образом тепловой характер.
Работающая дуга имеет раскаленный катод, что существенно необходимо для ее действия. Такой катод излучает электроны, также как это происходит с нитью катодной лампы. Но в то время как в лампе этот чистый электронный поток притягивается зарядом анода и управляется промежуточным электродом (сеткой), через который он проходит, явление в дуге имеет другой характер. Электроны, притягиваемые анодом, в своем движении к нему сталкиваются с частицами воздуха (или газа) и расщепляют их на ионы, т. е. положительно и отрицательно заряженные частицы. Положительные ионы увлекаются к катоду и, сталкиваясь с ним, нагревают его, поддерживая в накаленном состоянии, отрывают от него твердые частицы и поддерживают излучение электронов. Отрицательные ионы в свою очередь нагревают анод. Вся область между анодом и катодом находится в чрезвычайно нагретом состоянии, а газовые частицы в особом состоянии ионизации. Чем больше ток, тем выше это состояние и тем больше облегчается прохождение тока; чем слабее ток, тем меньше область, им охваченная, тем слабее ионизация и тем труднее его прохождение. Кроме того, теплота не сразу меняет свое состояние и тепловая инерция сильно сказывается на дуге. Самое получение колебаний выше известной частоты невозможно в силу этого помощью дуги, и получение даже длинных радио-волн дуговым генератором стало возможным лишь с того времени, когда Паульсен применил для более быстрого охлаждения дуги атмосферу вадора2) и магниты, быстро растягивающие и выдувающие дугу.
Процессы, происходящие в дуге, связанные с нагреванием и охлаждением электродов и с ионизацией газа вокруг них, не могут обладать полной устойчивостью и одинаковостью. Каждый раз дуга возникает в новом участке, несколько изменяется нагревание, форма ее и т.д. Дуга, хотя и дает непрерывные колебания, но в них происходят постоянные и неопределенные изменения в размахе.
Эти неопределенные изменения в режиме дуги вынудили радиотехнику отказаться от пользования дугой для целей радио-телефонии, так как они приводят к сильному искажению речи. Кроме того, модудяция сама производит слишком сильные изменения в работе дуги, что еще более отражается на ее устойчивости. В настоящее время дуга для радио-телефонии совершенно не применяется.
Для приемных целей дугой практически также не пользовались. Теоретически, однако, дугу можно применять как для приема гетеродиного, так и автодинного. Легко понять, каким образом можно пользоваться дугой для гетеродинного приема. Гетеродином может быть всякий источник не затухающих колебаний: лампа, дуга, машина и т. д. Мы фактически пользуемся лишь лампой, так как это наиболее удобный метод, который к тому же дает колебания чрезвычайно постоянные, что весьма важно в данном случае. Но принципиально возможно применять также и всякий другой метод, в частности небольшую дугу.
Несколько труднее понять автодинное усиление при пользовании дугой. Фиг. 4 дает принципиальную схему приема для этого случая. Мы применяем здесь еще и детектор для выпрямления, дуга служит лишь для автодинного усиления, в то время как в катодном автодинная лампа сама также обычно и детектирует. Отличие этой схемы от лампового автодина однако не только в этом, но еще и в отсутствии обратной связи в дуге. Обратная связь обусловливает очевидное и понятное усиление, так как она заставляет усиленный ток снова воздействовать на первоначальную цепь и в свою очередь снова давать добавочное усиление. Обратная связь противодействует затуханию цепи, уменьшает его. При достаточной силе обратная связь даже покрывает затухание и приводит к постепенному нарастанию колебаний, т. е. к генерированию.
Такого же рода процесс может происходить в в цепи, представленной в фиг. 4. Действие дуги, также как и обратной связи, дает углубление, затягивание колебаний и действует обратно собственному затуханию цепи. Регулируя работу дуги, можно или только подходить к режиму, вызывающему колебания, или возбуждать самые колебания. В первом случае мы будем уменьшать действующее затухание цепи и иметь усиление за счет этого, во втором пользоваться дугой, как гетеродином.
Мы видим, таким образом, что при применении для целей усиления дуги или вообще генератора колебаний, мы пользуемся не методом прямого усиления, как в трехэлектродной лампе, а одним из двух особых методов, которые мы назвали автодиннным (регенеративным) и гетеродинным. Методы эти, заметим, могут иногда давать весьма большие и эффектные результаты3).
1) Настоящая статья выражает личное мнение автора, но не редакции в целом. Прим. ред.
2) Так в тексте журнала. (примечание составителя).
3) Означенная статья инж. Слепяна по техническим причинам в №5-6 полностью не могла быть помещена.