"CQ-SKW", №9, май, 1930 год, стр. 67-72
Инж. З. Б. Гинзбург
В истории развития советского коротковолнового движения был такой период, когда в течение одного-двух месяцев советский эфир наполнился десятками радиотелефонных любительских станций. К сожалению, это продолжалось недолго, и любительский радиофон тем же темпом, каким вырос, начал пропадать; в скором времени от десятков телефонов остались лишь единицы, которые однако с успехом работают и до сих пор.
Почему это произошло? Если кто-либо следил за работой таких станций, то он наверное помнит, что большинство их обладало скверной, искаженной и, подчас, совершенно неразборчивой передачей. А это, в свою очередь, говорит за то, что для конструирования и постройки телефонных передатчиков у любителей, которые этим занимались, было недостаточно знаний; и вместо того, чтобы недостатки своих передатчиков изучить и ликвидировать, любители разочаровывались и прекращали работу в области телефона.
Но вопросы сегодняшнего дня, вопросы культурной связи и вопросы обороноспособности страны заставляют нас уже не довольствоваться одной лишь радиотелеграфной коротковолновой сетью; они заставляют нас подумать также и о создании хорошо работающей, надежной любительской сети радиотелефона.
Любой передатчик, работающий телеграфом и имеющий питание анода от постоянного тока, легко может быть превращен в передатчик телефонный. Но всегда ли такой передатчик будет чисто работать и обладать достаточной дальностью действия? Нет, хорошая работа передатчика будет иметь место лишь в том случае, когда правильно выбрано и хорошо сконструировало модуляционное устройство.
Что же такое модуляция и какими путями она осуществляется?
Представим себе цепь, составленную из угольного микрофона М, батареи элементов Е и трансформатора Тр, во вторичную обмотку которого включен телефон Т. Пока мембрана микрофона не будет подвергаться воздействию звука, по цепи будет течь некоторый ток, не меняющийся по своей величине; поэтому во вторичной обмотке трансформатора Тр никакого напряжения индуктироваться не будет, и, следовательно, величина тока, протекающего в данный момент через телефон Т, будет равна нулю (рис. 2, левая часть).
Но картина тотчас же изменится, если мы подвергнем микрофон воздействию звуковых колебаний. Мембрана микрофона станет колебаться в такт и с частотой звуковых колебаний и будет при этом сжимать или разжимать слой угольного порошка, заключенного в капсюле микрофона. Благодаря этому сопротивление микрофона будет изменяться: при сжатии угольного порошка оно уменьшится, при уменьшении давления — увеличится. Соответственно с этим будет изменяться ток, протекающий через микрофон (рис. 2, правая часть). Он будет изменяться с той же частотой, которой обладают звуковые колебания, действующие на микрофон. Рассматривая рис. 2, мы заметим, что ток из постоянного обратился в пульсирующий; в некоторые моменты он увеличился по сравнению с прежним, а в другие, наоборот, стал меньше. Получаются как бы два тока: один, прежний, постоянный по величине и направлению, и второй переменный и по величине и по направлению, с частотой, равной частоте колебаний звука, наложенный на первый. Когда эти токи имеют одинаковое направление, они складываются, и суммарный ток получается больше, чем ток покоя микрофона; когда же эти токи имеют разное направление, они вычитаются друг из друга, и общий ток будет меньше тока покоя.
Ток покоя называется постоянной слагающей микрофонного тока, а накладывающийся на него переменный ток — переменной слагающей или разговорным током. Частота разговорного тока зависит от высоты звука и заключается в пределах от 16 до 10 000—15 000 колебаний (периодов) в секунду.
Обратимся теперь к воспроизведению звука в телефоне Т (рис. 2—II). Пока микрофон молчит, через трансформатор Тр проходит только одна постоянная слагающая; во вторичной обмотке трансформатора она не возбуждает ЭДС и поэтому никакого тока в телефоне нет. Когда же микрофон начинает работать и через трансформатор проходит уже не постоянный, а пульсирующий ток, во вторичной обмотке индуктируется некоторая ЭДС и через телефон проходит переменный ток, той же частоты, что и разговорный ток микрофона; он заставляет колебаться мембрану и воспроизводить в телефоне тот же звук, который был произнесен перед микрофоном. Как только микрофон кончит работать, замолчит и телефон, потому что ток, проходивший через него, прекратится.
Мы видим, что передача звука от микрофона к телефону осуществляется только при помощи переменной слагающей; она порождается в микрофоне звуком, и она же вызывает тот же звук в телефоне. Постоянная слагающая в получении звука участия не принимает в служит лишь для того, чтобы дать возможность получить переменную слагающую. Так осуществляется обычная телефонная передача по проволоке.
Когда мы имеем дело с радиопередачей, то задача усложняется тем, что ни постоянный ток, ни переменный ток низкой частоты в своем «чистом» виде по эфиру переданы быть не могут. Нужна какая-то постоянная переносящая, которой являются незатухающие колебания высокой частоты, вырабатываемые ламповым генератором и излучаемые в пространство через антенное устройство. И так же, как в прошлом случае на постоянный ток микрофона накладывались электрические колебания звуковой частоты, звуковая частота, подлежащая передаче через эфир, накладывается на излучаемые колебания высокой частоты, изменяя ток, протекающий в антенне.
При приеме высокая частота «отцеживается», а низкая, звуковая частота оказывает свое действие на мембрану телефона, заставляя последнюю колебаться и создавать звук.
Генератор создает незатухающие колебания высокой частоты. Незатухающими будут называться такие колебания, у которых амплитуда во все время работы остается постоянной. Такие колебания показаны на рис. 3а, где по горизонтальной оси отложено время, а по вертикальной — величина тока. Амплитуда колебаний в данном случае будет равна I0. Когда микрофон молчит, ток звуковых колебаний (рис. 3b) отсутствует, и поэтому он никаких изменений в антенном токе не вызовет. Ток в антенне изображен на рис. 3с с левой стороны. Его амплитуды всюду одинаковы и равны I0.
Если теперь на микрофон действует какой-либо звук, то он, как было сказано выше, вызовет колебания тока со звуковой частотой и с амплитудой I1 (рис. 3b — правая часть), которые одним из способов, описываемых ниже, накладываются на основные колебания и изменяют их вид (см. рис. 3с). При накладывании положительной части, колебания звуковой частоты увеличивают размах колебаний с I0 до I0 + I1, а при накладывании отрицательной части, наоборот, уменьшают колебания тока в антенне до I0 — I1.
Вместо прежних чисто-незатухающих колебаний мы имеем уже другие, измененные и напоминающие затухающие колебания, с амплитудой, изменяющейся в пределах от I0 + I1 до I0 — I1, т. е. на 2I1.
Такие измененные колебания генератора называются модулированными колебаниями, а сам процесс превращения незатухающих колебаний в модулированные носит название модуляции.
Ясно, что такие изменения амплитуд незатухающих колебаний будут зависеть от величины амплитуд разговорного тока; чем последние будут больше, тем большие изменения вносятся в незатухающие колебания и тем глубже, как говорят, будет модуляция. В том случае, когда I1 будет равно I0, т. е. когда амплитуда изменений тока будет равна амплитуде колебаний, при отсутствии разговора, модуляция тока будет доходить до наибольшей своей величины (рис. 4). Отношение амплитуд токов I1 к I0 называется коэффициентом модуляции; оно обозначается обычно буквой М и выражается в процентах:
| M = | J1 | · 100. |
| J0 |
Чем больше будет М, тем глубже будет модуляция. Для случая, изображенного на рис. 4, когда I1 = I0, и коэффициент модуляции М = 100%.
Коэффициент модуляции показывает, насколько полно использована высокая частота в качестве «переносчика» электрических колебаний звуковой частоты. Так как на мембрану телефона приемного устройства оказывают влияние лишь, как было сказано выше, колебания этих звуковых частот, то ясно, что сила звука, воспроизводимого телефоном, будет тем больше, чем глубже была модуляция.
Но в погоне за увеличением слышимости нельзя увлекаться глубиной модуляции. На рис. 5 показан случай, когда величина разговорного тока I1 больше I0. Нетрудно заметить, что такая «глубокая» модуляция или, вернее, «перемодуляция» приводит к искажениям, так как местами колебания уничтожаются, получаются провалы, а форма тока звуковой частоты изменяется.
Хотя теоретически неискаженная передача получается при М, доходящем до 100%, но при столь глубокой модуляции неизбежны искажения в приемнике и на практике, поэтому такой глубокой модуляцией не пользуются, доводя коэффициент модуляции лишь до 60 или до 70%.
Форма кривой модулированного тока будет меняться в зависимости от того, какие звуки воспроизводятся перед микрофоном. При простых колебаниях, когда модулирующий ток синусоидален, амплитуда модулированного тока будет также меняться синусоидально, как мы это имели на рис. 3, 4 и 5. В действительности же с такими чисто синусоидальными колебаниями приходится иметь дело весьма редко. Обычно встречающиеся колебания состоят из большого числа синусоид разной частоты, соответствующих звуковым колебаниям разной высоты или какому-либо звуку и его обертонам. Эти синусоиды, складываясь вместе, создают разговорный ток весьма сложной формы. Модулированные таким током незатухающие колебания также приобретают сложную форму. Рис. 6 изображает кривую модулирующего тока, полученного от звука скрипки, и кривую незатухающих колебаний, модулированных этим током.
Кривые токов, полученных в микрофоне от человеческого голоса, еще сложнее, так как голос человека состоит из сочетания многих звуков с самыми различными частотами.
Перейдем теперь к способам практического осуществления модуляции.
Все методы модуляции, основанные на изменении амплитуды антенного тока, можно разбить на три группы:
1. метод абсорбции (поглощения) энергии;
2. метод изменения напряжения на сетке генераторной лампы и
3. метод изменения анодного напряжения генераторной лампы.
Каждый из этих методов может быть разбит на ряд схем.
В качестве генератора высокой частоты служит любой генератор незатухающих колебаний.
Метод абсорбции. Простейшим случаем осуществления этого метода является непосредственное включение микрофона в цепь антенны или колебательного контура (рис. 7). Так как сила тока в антенном контуре будет зависеть от сопротивления его, то, внося в цепь антенны сопротивление микрофона, меняющееся при разговоре, мы будем изменять силу тока в антенне. Микрофон, таким образом, поглощает часть мощности антенны на себя и тем самым модулирует излучаемую энергию.
На рис. 8 показана эквивалентная схема такой модуляции. Здесь G — генератор высокой частоты, RA — сопротивление антенного контура и RM — сопротивление микрофона. Так так сопротивление микрофона при разговоре будет меняться, будет изменяться сопротивление всей цепи, и, следовательно, будет меняться сила тока, протекающего через эту цепь. Но так как источником тока здесь служит генератор высокой частоты, то изменение сопротивления цепи будет влиять на величину амплитуд тока, соответствующим образом их изменяя.
Наибольший эффект такая схема модуляции даст в том случае, когда сопротивление микрофона равно сопротивлению антенного контура. В тех случаях, когда сопротивление микрофона велико, а сопротивление антенны мало, микрофон может быть включен с помощью автотрансформаторной или трансформаторной связи (рис. 9а и b). Наилучшая работа микрофона получится тогда, когда коэффициент связи
| К = | √ | RM | . |
| RA |
В тех случаях, когда нет возможности произвести соответствующий подсчет, связь контура с микрофоном регулируется подбором числа витков, включенных в микрофонную цепь, или же изменением связи этих цепей.
Описанные способы модуляции помощью поглощения энергии из контура антенны передатчика имеют ряд существенных недостатков. Главный из них тот, что в микрофоне непроизводительно теряется значительная часть мощности; поглощая мощность из антенны, микрофон уменьшает излучение и уменьшает радиус действия. Далее, такой способ модуляции может быть применен лишь в передатчиках с незначительными мощностями, так как для того, чтобы смодулировать мало-мальски большие мощности, микрофон должен быть сам рассчитан на большую мощность. Обычный угольный микрофон пропускает через себя ток до 4,05 А 1), обладая сопротивлением в 20 ом, и рассчитан следовательно на мощность 5 ватт. При наивыгоднейших условиях и наибольшем возможном здесь коэффициенте модуляции М = 50% им можно смодулировать мощность не более чем 40 ватт. На деле коэффициент модуляции ниже и не превышает 30—35%.
Для использования метода абсорбции при повышенных мощностях может быть применена схема, показанная на рис. 10. Здесь колебания, полученные от микрофона, предварительно усиливаются лампой, которая питается мощностью, поглощаемой из цепи антенны. Эта схема является более совершенной и с помощью ее можно получать более глубокую модуляцию.
Третий большой недостаток, делающий почти неприемлемым применение метода абсорбции в любительских условиях — это неустойчивость излучаемой антенной волны, что в особенности сказывается при работе на коротких волнах.
Преимущество данного метода — простота и легкость переделки телеграфного передатчика в телефонный — не искупает все же перечисленных выше недостатков.
Метод изменения напряжения на сетке генераторной лампы (сеточная модуляция).
Этот метод модуляции значительно совершеннее описанного выше метода модуляции абсорбцией и основан на изменении среднего сеточного напряжения лампы, когда она работает в качестве генератора. Ток в контуре анода и антенны такой лампы зависит от смещающего напряжения на ее сетке; первоначальное смещающее напряжение задается с помощью специальной смещающей батареи или гридлика, включенного в цепь сетки. Если теперь в цепь сетки (рис. 11) включить через трансформатор микрофон, то получающееся при разговоре во вторичной обмотке его переменное напряжение налагается на сетку генераторной лампы и изменяет смещение в ту или другую сторону, в такт с разговорными колебаниями. Изменение потенциала сетки будет изменять амплитуду колебаний анодного тока и тем самым ток в антенне передатчика сообразно с производимыми перед микрофоном звуками.
Трансформатор Тр представляет собой повышающий трансформатор с большим коэффициентом трансформации, доходящим до 1:100. Выбор трансформатора зависит от характеристики генераторной лампы. Микрофон включается в первичную обмотку; вторичная включается в цепь сетки. Так как обмотка трансформатора является большим сопротивлением для токов высокой частоты, протекающих в цепи сетки, она шунтируется конденсатором емкостью в 1 000—2 000 см.
Не следует думать, что применение трансформаторов с очень высоким коэффициентом трансформации увеличивает эффект. Это может быть верно лишь до известного предела, за которым появляется перемодуляция и вносятся искажения. Чтобы не появлялись искажения, колебания на сетке не должны выходить за пределы прямолинейной части характеристики лампы.
Для получения хорошей радиотелефонной передачи необходимо, кроме того, избегать появления сеточного тока. Это достигается соответствующим повышением анодного напряжения и подбором напряжения смещающей батареи; этим вся характеристика сдвигается влево в область, отрицательных потенциалов сетки.
Включение модуляторной части может быть осуществлено и другим путем (рис. 12). Вторичная обмотка трансформатора Тр включается непосредственно между сеткой и нитью; чтобы предупредить прохождение через емкость вторичной обмотки колебаний высокой частоты, последовательно с трансформатором вводится дроссель высокой частоты Др.
В схемах с сеточной модуляцией возможно получение более глубокой модуляции, чем в схемах с поглощением; коэффициент модуляции может доходить до 100%, хотя обычно берется не более 70% во избежание могущих появиться искажений. Данная схема применяется при мощностях до 50 ватт.
Интересная разновидность этой схемы носит название модуляции помощью гридлика, и считается одной из лучших схем модуляции (рис. 13). Принцип ее действия основан на том, что находящееся в цепи сетки сопротивление утечки не остается все время постоянным, а изменяется в зависимости от колебаний разговорного тока, вследствие чего изменяется напряжение на сетке генераторной лампы, а следовательно и ток в аноде и антенне передатчика.
В качестве такого переменного сопротивления берется электронная лампа, вернее ее сопротивление анод—нить. Это сопротивление зависит от напряжения на сетке лампы. Включая между сеткой и нитью этой модуляторной лампы микрофонный трансформатор, мы меняем при разговоре задаваемое на сетку напряжение, что в свою очередь меняет сопротивление нить—анод. Последнее, работая в качестве утечки сетки, вызывает изменения потенциала на сетке генераторной лампы и тем самым осуществляет модуляцию. В цепь сетки включается батарея для задания на сетку добавочного потенциала, величина которого зависит от характеристики лампы.
Этот метод является наиболее совершенным и пользуется поэтому весьма широким распространением.
При выборе модуляторной лампы к ней предъявляют требование, чтобы ее ток при нуле на сетке был не меньше максимального тока сетки генераторной лампы.
Некоторое изменение представляет собой схема, в которой утечка сетки (модулятор) включена между нитью и сеткой генераторной лампы, аналогично включению микрофонного трансформатора по рис. 11.
По методу гридлика могут быть смодулированы любые мощности.
Метод изменения анодного напряжения генераторной лампы (анодная модуляция).
При модуляции на сетку, анодное напряжение генераторной лампы все время остается постоянным, благодаря чему мы имеем возможность модулировать лишь в пределах мощности самого генератора.
Схемы анодной модуляции отличаются от всех других радиотелефонных схем тем, что в них модуляторная система добавляет мощность в цепь питания генераторного устройства. Это получается потому, что при анодной модуляции изменяется напряжение на аноде и одновременно изменяется сила тока генераторной лампы, что влечет за собой увеличение мощности во время модуляции.
Изменение напряжения на аноде генераторной лампы может достигаться двумя способами.
1. Последовательное включение ламп (рис. 14). Схема представляет собой последовательное соединение двух ламп — модуляторной М и генераторной S. В правой части схемы находится колебательный контур, связанный с антенной. Обе лампы имеют один общий источник анодного напряжения. В сетку модуляторной лампы включен микрофонный трансформатор.
Рассмотрим цепь, состоящую из двух соединенных последовательно одинаковых ламп М и S и источника питания. Когда сопротивление этих ламп одинаково, то напряжение батареи ЕA распределится равномерно, и на зажимах «анод—нить» каждой лампы будет напряжение равное
| EA |
| 2 |
Но как только сопротивление модуляторной лампы увеличится, распределение анодного напряжения изменится, и напряжение между анодом и нитью лампы М возрастет, а лампы S уменьшится. Наоборот, при уменьшении сопротивления лампы М на нее придется меньшее напряжение, в то время как напряжение на аноде лампы S станет больше. Сопротивление лампы М изменяется, когда мы изменяем напряжение на ее сетке. Микрофон через свой трансформатор дает сетке изменяющееся напряжение, которое вызывает изменение внутреннего сопротивления модуляторной лампы, а следовательно и изменение распределения напряжения батареи ЕA в цепи. Тогда анод генераторной лампы будет получать меняющееся напряжение, что в свою очередь вызовет изменения тока в колебательном и антенном контурах.
Недостатком такой схемы является необходимость иметь источник питания с удвоенным напряжением по сравнению с нормальным анодным напряжением ламп, а также отдельные источники накала генераторной и модуляторной ламп. При этом некоторые части схемы будут находиться под высоким напряжением, что не совсем удобно для обслуживания установки.
2. Параллельное включение ламп (рис. 15). Схема может быта разбита на две части: левая часть — модулятор состоит из микрофона с трансформатором и модуляторной лампы, питаемой через дроссель батарей, и может рассматриваться как дроссельный усилитель низкой частоты. Правая часть схемы — это генератор с самовозбуждением. Анодная батарея шунтируется конденсатором большой емкости, порядка 2—4 мф. При разговоре изменяется напряжение на сетке модуляторной лампы и меняется величина ее анодного тока, который, проходя через дроссель, своими изменениями вызывает на зажимах его переменное напряжение. Это переменное напряжение, складываясь c напряжением батареи, периодически увеличивает и уменьшает его, почему на анод генераторной лампы подается уже не постоянное, а переменное напряжение, измененное в соответствии со звуковыми колебаниями, действующими на микрофон, вследствие чего ток в колебательном контуре и антенне также будет меняться. Дроссель Др2 преграждает путь колебаниям высокой частоты в левую часть схемы.
Обе схемы модуляции на анод работают весьма устойчиво и с успехом применяются как в маломощных, так и мощных передатчиках. Некоторым кажущимся недостатком является необходимость иметь обе лампы одинаковой мощности; недостаток этот является кажущимся потому, что при модуляции модулятор увеличивает мощность генератора.
Относительно модуляторного дросселя Др можно сказать, что самоиндукция его порядка десятков генри и его сопротивление должно быть достаточным для наименьшей из звуковых частот, которые мы хотим передавать. Точный выбор дросселя зависит от типа применяемых ламп; в любительских условиях величину дросселя лучше всего определять опытным путем.
Рамки настоящей статьи не позволяют нам подробно остановиться на всех процессах, происходящих в приведенных схемах, и дать основания для самостоятельных расчетов радиотелефонных передатчиков. Поэтому тем, кто желает более подробно и глубоко ознакомиться с этим, мы рекомендуем следующие книги: Шмаков, П. В. — Принципы радиотелефонии, изд. 1930 г., Минц, А. и Кляцкин И. — Основания для расчета модуляции на аноде, изд. 1926 г., те же — Основания для расчета модуляции на сетке, изд. 1928 г.
1) Так в тексте заметки. Если проверить расчетом, то ток составляет не 4,05 A, а 0,5 A. Тогда по формуле P = I2R при сопротивлении 20 ом и получится мощность 5 Вт. (прим. составителя).
(стр. 70.)