Во второй части занятия мы рассмотрели случай детектирования незатухающих колебаний и вывели условия наивыгоднейшего детектировалия сигналов и зависимость детекторного эффекта от величины утечки сетки и смещающего напряжения. При этом мы считали, что лампа работает в криволинейной части сеточной характеристики (рис. 1). Однако в области больших сеточных токов характеристика тока сетки становится прямолинейной. Поэтому если приходящие сигналы достаточно сильны, то лампа работает и в прямолинейной части характеристики и вследствие этого детекторный эффект для сильных и слабых сигналов будет различный. Поэтому процесс детектирования слабых и сильных сигналов нужно рассматривать отдельно. В первую очередь мы рассмотрим процесс детектирования слабых сигналов.
Как мы уже указывали, в области слабых сигналов мы можем рассматриватъ характеристику тока сетки как криволинейную и считать, что токи не заходят в область прямолинейной части характеристики. При таком условии подробное рассмотрение показывает, что детекторный эффект в сильной степени зависит от крутизны сеточной характеристики в криволинейной ее части, так как в этой части как раз происходит работа лампы. Таким образом, для получения большего детекторного эффекта следует выбирать лампы с более крутой сеточной характеристикой. Поэтому необходимо выяснить, чем определяется крутизна сеточной характеристики в криволинейной ее части.
Мы уже знаем, что именно в криволинейной части характеристики существенную роль играет скорость вылета электронов. Но скорость вылета и распределение скоростей между отдельными электронами зависит от температуры накала нити. Поэтому вполне естественно, что крутизна сеточной характеристики в криволинейной части должна зависеть от температуры накала нити. Действительно между температурой нити и крутизной криволинейной части сеточной характеристики существует вполне определенная зависимость. Легко сообразить, какого характера должна быть эта зависимость. В прямолинейной части сеточной характеристики, т. е. в области значительных положительных напряжений на сетке скорость вылета электронов уже очевидно не может играть существенной роли, поэтому в прямолинейной части крутизна характеристики зависит только от геометрических свойств нити, сетки и анода, но не от температуры накала нити. Это значит, что если мы возьмем две совершенно одинаковых лампы с совершенно одинаковыми геометрическими свойствами, то в прямолинейной части характеристики токи сетки этих ламп должны совпадать. С другой стороны, если одна из нитей имеет более низкую температуру, чем другая, то и скорость вылета электронов из нее будет соответственно меньше. Вследствие этого для лампы с более низкой температурой нити характеристика тока сетки раньше при меньших отрицательных напряжениях дойдет до нуля (кривая 1 на рис. 1). В другой лампе, температура нити которой выше и скорость вылета электронов больше, ток прекратится при несколько больших отрицательных напряжениях, т. е. характеристика будет медленнее спадать до нуля (кривал 2 на рис. 1). Из этого ясно, что чем ниже температура нити накала, тем круче будет подыматься характеристика в своей криволинейной части.
Таким образом мы можем сделать следующий весьма существенный вывод. Для того, чтобы получить лучший детекторный эффект, следует применять лампы с возможно более низкой температурой накала. В первый момент могло бы показаться, что достигнуть этого чрезвычайно легко, достаточно для этого просто понизить ток накала нити. Однако в действительности это не так, и сейчас мы увидим, почему.
Температура накала нити никогда не бывает одинакова вдоль всей нити. В средней части нити отдача тепла происходит главным образом только вследствие теплового излучения. На краях же нити, помимо теплового излучения, происходит непрерывный переход тепла в ножки, на которых: укреплена нить. Поэтому на краях нити температура всегда будет заметно ниже, чем в середине. Самые края нити будут находиться при такой низкой температуре, что они почти вовсе не будут выделять электронов и, следовательно, работать будет только средняя, сильно накаленная, часть нити.
Если мы будем понижать ток накала, т. е. понижать количество тепла, выделяемого этим током в нити, то произойдет следующее. Температура в средней части нити почти не уменьшится, так как выделяемого в средней части количества тепла будет все же достаточно для поддержания нормальной температуры накала. Но ближе к краям, вследствие отдачи тепла в ножки, температура понизится, и те участки нити, которые находятся при температуре ниже нормальной, станут длиннее. Другими словами, при уменьшении тока накала не изменится заметно температура в средней части, а лишь сократится длина достаточно сильно накаленной и поэтому выделяющей электроны части нити. При дальнейшем понижении тока накала температура середины нити будет оставаться почти прежней, но длина рабочей части нити будет становиться все меньше и меньше. В конечном счете она станет так мала, что выделяемого ею числа электронов окажется недостаточно для нормальной работы лампы. Таким образом, понижая ток накала нити, мы заметно уменьшаем число электронов выделяемых нитью, но почти не понижаем температуры рабочей части нити, и хотя число выделяемых нитью электронов уменьшается, но скорость вылета электронов остается примерно прежней. Следовательно, вопрос о получении большего детекторного эффекта путем уменьшения тока накала нити не может быть разрешен.
Совсем другое дело будет если мы будем применять в качестве детектора такую лампу, для нити которой слабый накал является нормальным, т. е. если мы будем применять лампы с торированными, а еще лучше с оксидированными нитями. И действительно, как показали специальные исследования, лампы с оксидированными нитями в случае слабых сигналов дают значительно больший детекторный эффект, чем торированные, а эти, в свою очередь, больший, чем чистые вольфрамовые. Результаты сравнения детекторного эффекта, даваемого лампами с различными нитями, при разных положительных смещающих напряжениях на сетке, приведены на рис. 2. Из графиков этого рисунка, легко видеть, что при отсугствии положительного смещения все нити дают примерно одинаковый, но очень слабый детекторный эффект и даже оксидированная лампа (кривая О) дает меньший детекторный эффект, чем вольфрамовая (кривая В) и чем торированная (кривая Т), но при увеличении положительного смещения на сетке картина существенно изменяется. Детекторный эффект вольфрамовой лампы почти не изменяется, а торированной и оксидированной быстро растет. При смещении около 0,8 вольта, детекторный эффект торированной лампы начинает уменьшаться, а оксидированной продолжает возрастатъ до напряжения порядка 1,5 вольта, при которых он достигает значения почти в два раза большего, чем максимальный детекторный эффект торированной лампы.
Из всего сказанного выше легко сделать практические выводы. Для получения наибольшего детекторного эффекта следует применять лампы с оксидированными нитями и подбирать наивыгоднейшее положительное напряжение на сетке, которое имеет величину от 1 до 2 вольт. Таким путем при приеме слабых сигналов можно достигнуть значительного усиления детекторного эффекта, а значит и увеличения слышимости. Так как у нас в продаже сейчас уже появляются оксидированные лампы, то рекомендуемый нами способ увеличения детекторного эффекта, является вполне доступным для радиолюбителя.
Теперь нам предстоит рассмотреть вопрос о детектировании сильных сигналов. В этом случае мы приходим к совершенно другим результатам. При сильных сигналах, т. е. при больших напряжениях на сетке работа происходит в области прямолинейной части характеристики. Тот небольшой криволинейный участок, который существует в самом начале сеточной характеристики, перестает играть существенную роль, и чем сильнее сигналы, тем меньше роль прямолинейной части сеточной характеристики 1). Поэтому для сильных сигналов вопрос о температуре накала нити перестает играть роль, и лампы с различными нитями одинаково пригодны для детектирования сильных сигналов.
Очевидно, что в прямолинейной части сеточной характеристики детекторный эффект также должен быть прмолинейным. Это значит что те смещающие напряжения, которые получалются на конденсаторе гридлика вследствие действия напряжений высокой частоты, растут пропорционально амплитуде этих напряжений. Другими словами, это значит, что то расстояние, на которое опускается ниже горизонтальной оси кривая напряжений высокой частоты, растет пропорционально амплитуде напряжений. Над горизонтальной осью будут оставаться «выступы» колебаний высокой частоты, величина которых уже не будет зависеть от силы сигналов и будет определяться только величиной сопротивления утечки. Эти рассуждения можно иллюстрировать кривой, приведенной на рис. 3, которая изображает зависимость между амплитудой приходящих сигналов и величиной смещающего напряжения, получающегося на конденсаторе гридлика под действием приходящих напряжений. Если бы смещающие напряжения на конденсаторе гридлика были в точности равны амплитуде напряжений приходящих сигналов, то очевидно, что зависимость должна была бы выражаться прямой линией, проведенной под углом в 45° к осям (пунктирная прямая на нашем рисунке). Однако, как мы знаем, такого положения быть не может. Кривая напряжений, подводимых к сетке, всегда немного выступает над осью и, следовательно, смещающие напряжения на конденсаторе гридлика всегда меньше, чем амплитуда подводимых напряжений высокой частоты. В случае слабых сигналов зависимость между амплитудой подводимых напряжений и смещающим напряжением на конденсаторе будет, как мы уже знаем, не прямолинейной. Но при переходе к сильным сигналам зависимость эта становится прямолинейной и величина выступов кривой подводимых напряжений над горизонтальной осью становится постоянной, не зависит от напряжения подводимых сигналов. Поэтому кривая, изображающая зависимость смещающего напряжения на конденсаторе гридлика от амплитуды подводимых напряжений сначала подымается криволинейно, а потом становится прямолинейной и идет параллельно пунктирной прямой. Область прямолинейной зависимости начинается примерно от напряжения около 0,5 вольта. Таким образом, к числу слабых сигналов надо относить сигналы, детектирование которых происходит в криволинейной части, т. е. сигналы, напряжение которых менее 0,5 вольта. Только к таким сигналам относятся наши указания о выгодах применения оксидированных ламп. При напряжениях свыше 0,5 вольта, мы имеем уже случай сильных сигналов, при которых температура накала нити перестает играть роль и лампы с разными нитями одинаково пригодны для детектирования.
Мы рассмотрели вопрос о детектировании незатухающих колебаний высокой частоты. Но те же выводы, которые были нами сделаны для этого случая, в основном могут быть применены и для случая модулированных колебаний, и вот почему.
Как известно, модулированные колебания мы можем рассматривать с двух точек зрения. Можно считать, что они состоят из группы незатухающих колебаний различной частоты (несущая частота, и боковые полосы). Но можно также рассматривать модулированные колебания как одно колебание с одной определенной частотой, но зато с медленно меняющейся амплитудой (медленно по сравнению с колебаниями высокой частоты, так как эти изменения происходят с звуковой частотой). В таком случае, если напряжение на обкладках конденсатора гридлика будет устанавливаться достаточно быстро по сравнению с звуковой частотой, то на конденсаторе гридлика напряжения будут все время следовать за изменениями амплитуды напряжений модулированных сигналов. Это значит, что смещающее напряжение на конденсаторе будет изменяться с частотой модуляции и вместе с нею будет изменяться и анодный ток детекторной лампы. Таким образом в аноде детекторной лампы появится частота модуляции, т. е. будут повторяться те звуковые колебания, которые модулировали колебания передатчика. Следовательно, детектирование модулированных колебаний происходит так же, как и детектирование немодулированных, с тою лишь разницей, что смещающие напряжения, получающиеся на конденсаторе гридлика, не остаются постоянными на все время действия сигнала, а изменяются в такт с изменениями амплитуды приходящих колебаний, т. е. с частотой модуляции. Следовательно, все те условия, которые были выведены для получения максимального детекторного эффекта в случае незатухающих колебаний, остаются в силе и при приеме модулированных колебаний.
Но в начале нашего рассмотрения мы предположили, что напряжения на обкладках конденсатора гридлика устанавливаются достаточно быстро по сравнению с частотой модуляции. Если бы этого не было, то смещающие напряжения не могли бы точно следовать за изменением амплитуд и это привело бы к искажениям приема. Скорость установления напряжений на обкладках конденсатора, замкнутого на сопротивление, характеризуется временной постоянной этого контура, т. е. произведением емкости и сопротивления контура. Следовательно, наше требование, чтобы смещающие напряжения на обкладках конденсатора успевали устанавливаться достаточно быстро, можно сформулировать таким образом. Временная постоянная гридлика не должна быть велика по сравнению с самыми малыми периодами, которые должны передаваться при телефонии. Этими малыми периодами принято обычно считать одну десятитысячную долю секунды. Следовательно, временная постоянная гридлика должна быть не более десятитысячных долей секунды. Этим ставится граница величины сопротивления утечки. Если мы возьмем емкость конденсатора гридлика в 270 см, т.-е. 3·10—10 фарад (для подсчета временной постоянной емкость и сопротивления должны быть взяты в одних и тех же — практических — единицах), то при сопротивлении утечки в 600 000 ом мы получим временную постоянную примерно в 2×10—4 секунды. Эта временная постоянная находится уже на пределе допустимого. При бо́льших временных постоянных искажения приема телефонных станций будут уже неизбежны. Таким образом при приеме модулированных колебаний не следует увлекаться чересчур большими сопротивлениями утечки. Это имеет смысл делать только при приеме очень слабых сигналов и при том условии, что любитель заинтересован больше в самой возможности приема, чем в отсутствии искажений. Для неискаженного же приема сопротивления утечки свыше одного миллиона ом применять не следует. Правда, в случае положительных напряжений на сетке лампы сам участок сетка—нить лампы обладает определенной проводимостью, и сопротивление этого участка включено параллельно сопротивлению утечки. Тем самым при наличии положительных напряжений на сетке уменьшается временная постоянная контура и частично устраняется опасность искажений.
Для уменьшения временной постоянной можно также уменьшать емкость конденсатора гридлика. Однако для того, чтобы на сетку лампы попадали достаточно большие напряжения высокой частоты, нужно, чтобы конденсатор гридлика представлял бы малое сопротивление для этой частоты. Поэтому при волнах радиовещательного диапазона нельзя брать слишком малым конденсатор гридлика. Уменьшение его емкости ниже 150 или 100 см уже невыгодно, потому что оно связано с уже заметным уменьшением напряжения на сетке и с ухудшением условий детектирования.
Таким образом выбор постоянных гридлика для приема телефонных станций сводится к маневрированию между двумя опасностями — опасностью искажений при больших емкостях и сопротивлениях, с одной стороны, и опасностью ослабления слышимости при малых емкостях и сопротивлениях, с другой стороны. С этой точки зрения весьма удобным является переменный мегом, который позволяет подобрать подходящее сопротивление утечки для каждого данного случая и для тех требований, которые в данный момент предъявляются к приему
Читатель может быть уже обратил внимание на то, что в наших рассуждениях об условии детектирования мы совершенно не принимали во внимание величины анодного напряжения. Сделали мы это сознательно. Дело в том, что в лампе, которая обладает высокой пустотностью, т. е. в которой остались очень малые следы газа, анодные напряжения действительно не играют никакой роли в процессе детектирования. Выбор анодного напряжения в этом случае определяется следующими соображениями. Так как детектирование уже произведено током сетки, то анодный ток не должен вносить никаких искажений в форму полученной кривой, так как это будет связано с искажениями приема. Поэтому анодное напряжение должно быть подобрано так, чтобы лампа находилась в средней части анодной характеристики.
Однако на опыте многие радиолюбители вероятно убедились в том, что анодное напряжение, особенно в некоторых лампах, играет весьма существенную роль в процессе детектирования. Объясняется это плохой пустотностью лампы и присутствием в ней значительных количеств газа. Как известно, электроны, сталкиваясь с частицами газа, ионизируют их — вызывают в них появление положительного электрического заряда. Вследствие этого ионизированные частицы газа движутся по направлению к нити и тем самым в той или другой степени компенсируют сеточный ток. Так как количество образовавшихся ионов газа зависит от скорости электронов, т. е. от величины анодного напряжения, понятно, что детекторный эффект в лампе с плохим вакуумом с недостаточной пустотностью может сильно зависеть от величины анодного напряжения. В радиотехнике делались даже попытки специально применять для целей детектирования лампы с заметными остатками газа. Однако попытки эти не дали сколько-нибудь интересных результатов.
Практически в отношении подбора анодного напряжения следует поступать таким образом. Изменив анодное напряжение сразу в довольно заметных пределах (примерно на 10 вольт), можно убедиться в том, отзывается ли это как-нибудь на детектировании. Если заметного влияния не будет обнаружено, то это будет значить, что лампа обладает достаточной пустотностью и, следовательно, дальнейшие попытки в направлении подбора анодных напряжений не принесут никакой пользы. Если же эти опыты покажут, что эффект сильно зависит от величины анодного напряжения, то это будет значить, что в лампе остались заметные признаки газа, и тогда следует тщательно подобрать наивыгоднейшее для детектирования анодное напряжение, именно для данной лампы.
В заключение необходимо отметить следующее. Мы рассматривали вопрос детектирования в обычном ламповом детекторе без обратной связи. В дальнейшем мы перейдем к рассмотрению действия и роли обратной связи. Но все то, что мы сказали о детекторе без обратной связи, может быть отнесено и к детектору с регенерацией. Ибо регенеративный детектор выполняет в сущности две задачи: усиления сигналов при помощи обратной связи и их детектирование. Успешное выполнение этой второй задачи регенеративным детектором связано с удовлетворением тех же условий, которые мы приводили для детектора без обратной связи.
Демонстрации к 21-му занятию. Демонстрации роли различных нитей ламп при детектировании и роли различных величин гридлика при телефонном приеме.
Практическая работа к 21-му занятию специально нами не описывается. Мы считаем, что того материала о действии детектора, который мы изложили, будет вполне достаточно ячейке и любителю для того, чтобы предпринять целый ряд практических работ по усовершенствованию и улучшению качеств лампового детектора в имеющихся приемниках. Работа эта не представляет никаких практических трудностей и требует только отчетливого понимания тех процессов, которые происходят в ламповом детекторе. Поэтому мы всему 21-му занятию целиком придали такой чисто «теоретический» характер.
1) Так в тексте статьи. Скорее всего, должно быть напечатано: "Тот небольшой криволинейный участок, который существует в самом начале сеточной характеристики, перестает играть существенную роль, и чем сильнее сигналы, тем меньше роль криволинейной части сеточной характеристики". (прим. составителя).
(стр. 506.)