В прошлом занятии мы в общих чертах познакомились с принципом действия и устройством волномера. Сейчас мы разберем более подробно эти вопросы и выясним, какими качествами должен обладать волномер для того, чтобы он хорошо выполнял те задачи, которые на него возложены.
Та основная задача, которую должен выполнять волномер, т. е. определение длины волны колебательного контура, практически может быть осуществлена двумя разными способами. Первый случай — это тот, когда в контуре, частоту которого нужно определить, нет собственных колебаний, и, значит, явление резонанса можно наблюдать между теми колебаниями, которые создаются в волномере, и частотой того колебательного контура, который мы хотим исследовать. Второй случай — это тот, когда колебательный контур, который мы должны исследовать, сам создает электрические колебания. В этом случае мы наблюдаем в волномере резонанс между колебаниями в контуре и собственной частотой волномера. Таким образом в первом случае волномер должен сам создавать электрические колебания, во втором же мы пользуемся электрическими колебаниями, созданными в испытуемом контуре.
Но и в этом и другом случаях задача в конечном счете сводится к одному и тому же. Изменяя настройку контура волномера, мы должны установить момент, когда частота контура волномера совпадает с частотой испытуемого контура. Ясно, что наиболее точно произвести такого рода измерения можно тогда, когда явление резонанса наблюдается очень резко, то есть когда волномер обладает острой кривой резонанса.
В одном из предыдущих занятий, которое было посвящено разбору свойств колебательных контуров, мы уже указывали на ту тесную связь, которая существует между потерями в колебательном контуре (или его затуханием), с одной стороны, и остротой кривой резонанса — с другой. Мы выяснили, что кривая резонанса будет тем острее, чем меньше потери в контуре. Отсюда следует, что хороший волномер должен быть устроен таким образом, чтобы потери в нем были по возможности малы.
Мы уже знаем также, какими причинами вызываются потери в колебательных контурах. Прежде всего это потери омические — потери энергии в проводниках, обладающих омическим сопротивлением. Затем это потери диэлектрические, т. е. потери в изоляции и в диэлектрике конденсатора, вызванные тем, что диэлектрик, примененный для изоляции или в качестве прокладок конденсатора, не является идеальным, и часть энергии электрического поля высокой частоты расходуется на нагревание этого диэлектрика. Поэтому, прежде всего, нужно обратить внимание на то, чтобы омическое сопротивление контура волномера было по возможности мало; для этого нужно делать катушку волномера из достаточно толстого провода и не вводить в схему никаких тонких или вообще обладающих большим сопротивлением проводников. Во-вторых, нужно применять при постройке волномера такие диэлектрики, которые обладают минимальными потерями. Лучший в этом отношении диэлектрик — это воздух, и везде, где можно, следует применять воздушную изоляцию и непременно пользоваться воздушным конденсатором для колебательного контура волномера. Соблюдая эти правила, можно построить колебательный контур, обладающий очень малым сопротивлением.
Однако потери энергии могут быть обусловлены не только потерями в самом контуре, но и расходом энергии в добавочных цепях, которые к этому контуру присоединены. Поэтому качества волномера будут зависеть не только от качеств самого колебательного контура, но и от свойств тех электрических цепей, которые с этим контуром в том или другом случае должны быть связаны.
Электрические цепи, которые приходится связывать с волномером, бывают различны в тех двух случаях, которые мы разобрали выше. В первом случае к волномеру должен быть присоединен прибор, возбуждающий в контуре волномера электрические колебания. Во втором случае возбуждать электрических колебаний в волномере не приходится, но зато с волномером должен быть связан прибор, с помощью которого можно было бы обнаружить момент резонанса, т. е. положение, при котором колебания, возбужденные в волномере исследуемым контуром, имели бы наибольшую амплитуду. В первом случае мы имеем таким образом дело с волномером-возбудителем, а во втором — с волномером-индикатором. Рассмотрение свойств электрических цепей, связанных с волномером, и их влияние на качество волномера мы начнем со второго случая.
Простейшая схема волномера-индикатора изображена на рис. 1. Контур волномера LC непосредственно связан с цепью детектора и телефона. Если в контуре волномера возникают колебания, то в том случае, когда эти колебания затухающие или модулированные, они будут создавать звук в телефоне. Очевидно, что чем больше будет амплитуда колебаний в контуре волномера, тем сильнее будет звук в телефоне.
Однако при таком включении индикатора (которым в этом случае является детектор с телефоном), значительная часть энергии будет переходить из колебательного контура в цепь детектора и расходоваться в ней. Следствием этого будет повышение затухания во всей системе волномера. Присоединяя к колебательному контуру детектор с телефоном непосредственно, т. е. так, как указано на рис. 1, никогда не удастся получить достаточно малого затухания в контуре. Только в том случае, когда детекторная цепь будет слабо связана с колебательным контуром, расход энергии в ней будет невелик, и значит она не будет заметно повышать затухание колебательного контура.
Вопрос о малом затухании является существенным не только для волномера, но и для всякого детекторного приемника. Поэтому в детекторных приемниках обычно применяется переменная связь с детекторным контуром, которая позволяет по желанию увеличивать или уменьшать количество энергии, отсасываемой детектором из колебательного контура. Осуществляется эта переменная связь обычно или изменением числа витков колебательного контура, входящих в детекторную цепь (рис. 2), или изменением расстояния между катушкой колебательного и детекторного контуров (рис. 3).
Но такие способы изменения связи между колебательным контуром и цепью детектора являются мало пригодными для волномера, так как изменение связи неизбежно влияет на настройку волномера. В волномере удобнее применять постоянную, но достаточно слабую связь между колебательным и детекторным контурами. Ее можно осуществить так, как указано на рис. 2 или 3, но тогда придется или делать отвод от катушки, или ставить пару катушек. И то и другое, по соображениям конструктивным, оказывается неудобным.
Наиболее удобным способом для осуществления слабой, постоянной связи между колебательным и детекторным контурами в волномере нужно признать схему, приведенную на рис. 4. Одной из особенностей этой схемы является то, что детектор и телефон включены не последовательно, а параллельно. Смысл такого включения будет полностью выяснен позднее, когда мы будем заниматься вопросом о действии детектора. Сейчас укажем только, что принципиально такое включение вполне возможно, так как если детектор создает на своих концах некоторые постоянные или переменные напряжения, то они так же, как и в случае последовательного включения, будут в разбираемом нами случае действовать на телефон. Таким образом включенные детектор с телефоном в сущности будут работать так же, как и при обычном включении.
При таком включении постоянные токи или токи низкой частоты, создаваемые детектором под действием электрических колебаний, не должны будут проходить через провода, соединяющие детектор с колебательным контуром, и будут замыкаться с детектора прямо на телефон. Поэтому в провод, связывающий детектор и телефон с колебательным контуром, мы можем включить конденсатор С2. Для токов высокой частоты, которые должны попадать из колебательного контура в детектор, этот конденсатор будет представлять малое сопротивление, причем, как известно, сопротивление его будет тем больше, чем больше емкость конденсатора. Таким образом, изменяя емкость этого конденсатора, мы можем изменять сопротивление детекторной цепи току высокой частоты, и тем самым регулировать количество энергии, отдаваемой колебательным контуром детектору. Чем больше будет сопротивление этой цепи (т. е. чем меньше емкость конденсатора С2), тем меньше энергии будет переходить из колебательного контура в детекторный и, следовательно, тем меньше будет затухание нашего волномера.
Для того чтобы затухание волномера было достаточно мало, емкость конденсатора С2 для волн радиовещательного диапазона должна составлять от 100 до 200 см. Конечно выгоднее было бы взять емкость еще меньше, но тогда слышимость в телефоне волномера может оказаться чересчур слабой, поэтому следует выбирать эту емкость так, чтобы слышимость в телефоне была достаточно велика, но вместе с тем затухание волномера достаточно мало. В одном из ближайших занятий мы расскажем, как определить затухание волномера, и таким образом наши читатели смогут практически подобрать такую емкость конденсатора С2 которая обеспечивала бы достаточно малое затухание.
Вместо телефона, в качестве индикатора, может быть применен достаточно чувствительный прибор постоянного тока, включаемый вместе с детектором. Как известно, детектор под действием электрических колебаний высокой частоты создает постоянное напряжение, величина которого зависит от амплитуды действующих на детектор колебаний. Таким образом, если мы в схему рис. 1 или рис. 4 вместо телефона включим измерительный прибор постоянного тока, то постоянный ток, создаваемый детектором, вызовет отклонение прибора. В схеме рис. 1 этот ток замкнется через детектор, измерительный прибор и катушку самоиндукции, а в случае рис. 4 — непосредственно с детектора на измерительный прибор. Ясно, что отклонения прибора будут тем больше, чем больше амплитуда колебаний в контуре, и поэтому, наблюдая за показанием прибора, мы сможем установить момент резонанса. Этому моменту будет соответствовать наибольшее отклонение прибора.
Преимущества измерительного прибора перед телефоном совершенно ясны. Прежде всего мы заменяем субъективные наблюдения объективными — вместо того, чтобы определять, когда звук кажется наиболее громким, можно прямо отсчитывать отклонения прибора и определять наибольшее отклонение.
Но есть и еще одно преимущество у измерительного прибора по сравнению с телефоном. Дело в том, что телефон не будет отзываться на постоянный ток, протекающий в его цепи, и значит для того, чтобы в телефоне было что-нибудь слышно, необходимо, чтобы на колебательный контур волномера действовали колебания или затухающие, или модулированные. В случае же измерительного прибора род колебаний не играет никакой роли. Детектор одинаково создает постоянные напряжения как под действием затухающих и модулированных колебаний, так и под действием незатухающих и немодулированных. Поэтому, пользуясь измерительным прибором, мы можем производить измерения при любом типе действующих на волномер колебаний.
Вместо кристаллического детектора, в случае применения телефона в качестве индикатора, можно, конечно, пользоваться ламповым детектором (рис. 5). Замена детектора лампой представляет также большие преимущества. Прежде всего, лампа чувствительнее кристаллического детектора, и поэтому звук в телефоне, при тех же амплитудах, получится гораздо более громкий. Затем, для работы лампы требуется гораздо меньшее количество энергии, чем для работы детектора. Поэтому, применяя лампу, мы можем еще больше уменьшить затухание волномера. Однако в случае замены кристаллического детектора лампой применение измерительного прибора связано с некоторыми трудностями. Поэтому в случае лампового детектора мы рекомендуем, для того чтобы не усложнить задачу, в качестве индикатора применять телефон и, значит, пользоваться только затухающими или модулированными колебаниями.
Мы перечислили все те важнейшие соображения, которые необходимо иметь в виду при пользовании волномером-индикатором. Вопрос о том, как собрать волномер-индикатор и как производить с ним измерения, мы разберем в одном из следующих занятий.
Как мы уже говорили, волномер-возбудитель должен сам создавать электрические колебания. Поэтому он должен быть снабжен каким-либо прибором для этой цели. Простейший способ возбуждения колебаний нашим читателям уже знаком. Это способ возбуждения колебаний при помощи искрового разряда. В случае волномера для возбуждения колебаний вместо искрового разряда обычно пользуются очень похожим методом, применяя возбуждение зуммером по схеме, изображенной на рис. 6. К волномеру присоединяется последовательно батарея Б, напряжением от 2 до 4 вольт, и зуммер. Устройство зуммера, вероятно, знакомо нашим читателям, и мы не будем поэтому подробно останавливаться на нем. Укажем лишь вкратце принцип его действия.
Зуммер представляет собой катушку из тонкой проволоки, намотанную на железный сердечник. Против сердечника расположена упругая стальная пластинка, так называемый якорь. Пластинка в спокойном состоянии прикасается к контакту К (рис. 7). Если мы в клеммы А и Б включим батарею, то по катушке зуммера потечет постоянный ток. Под действием этого тока сердечник зуммера намагнитится и притянет якорь. Контакт между якорем и винтом К разорвется. Ток в цепи прекратится, и сердечник потеряет свои магнитные свойства. Вследствие своей упругости якорь оторвется от сердечника и снова прикоснется к контакту К. Цепь снова будет замкнута, и по ней снова потечет ток. Таким образом зуммер под действием постоянного напряжения батареи создает в цепи резкие электрические толчки, так называемый прерывистый электрический ток. Частота этого прерывистого тока будет равна частоте колебаний якоря, которая в свою очередь зависит от размеров якоря, его упругих свойств и т. д. Обычно зуммер дает число колебаний, соответствующее довольно высокому музыкальному тону (от 500 до 1 000 колебаний в секунду).
Включив зуммер последовательно с катушкой, мы достигнем того, что при размыкании зуммера в катушке самоиндукции будет возникать эдс, вызывающая так называемый «экстраток размыкания» 1), которым и зарядится конденсатор. В следующий момент, когда цепь зуммера разорвется, начнется разряд конденсатора через самоиндукцию, а такой разряд, как мы знаем уже, будет колебательным, и следовательно в колебательном контуре волномера возникнут затухающие электрические колебания с частотой, которая определяется величиной емкости и самоиндукции в контуре. Колебания эти через некоторое время затухнут, но к этому моменту, или несколько позднее, якорь снова замкнет цепь, сердечник зуммера намагнитится, произойдет новое размыкание и все явление повторится опять. Таким образом в контуре волномера мы получим группы затухающих колебаний, следующих одна за другой с частотой, равной частоте колебания якоря.
Словом, все будет происходить так, как при возбуждении колебаний при помощи искрового разряда. Существенная разница между колебаниями, возбуждаемыми зуммером, и колебаниями в контуре с искровым промежутком будет заключаться в том, что во втором случае в колебательный контур искровой промежуток включен последовательно. Большое сопротивление искры вызывает сильное затухание колебаний. Поэтому только что описанный нами способ позволяет получить колебания затухающие гораздо слабее, чем в случае искрового возбуждения.
Однако этот способ возбуждения затухающих колебаний обладает некоторыми недостатками. Прежде всего заряд на обкладках конденсатора колебательного контура получается небольшой, и поэтому энергия колебания в волномере с зуммером очень невелика. Кроме того, применение затухающих колебаний хотя и представляет некоторые преимущества, так как позволяет употреблять телефон, но для точных измерений гораздо выгоднее пользоваться незатухающими колебаниями. Для возбуждения в контуре волномера незатухающих колебаний можно воспользоваться в качестве возбудителя колебаний обычной трехэлектродной лампой.
Простейшая схема лампового волномера изображена на рис. 8. Эта схема представляет собой обычный регенератор. Однако в таком виде ламповым волномером пользоваться неудобно потому, что изменение обратной связи вызывает заметные изменения в частоте колебаний волномера. Поэтому в качестве возбудителя колебаний удобнее пользоваться какой-либо из специальных схем, в которых изменение обратной связи не вызывает заметного изменения частоты колебаний, создаваемых генератором.
Особенно удобной является схема волномера Нумана, описанная в №№ 5 и 6 журнала «Радио всем» за этот год. Мы не будем здесь приводить описания этого волномера, так как все нужные теоретические и конструктивные указания читатель найдет в упомянутых №№ журнала. Удобство волномера Нумана заключается в том, что он, представляя собой в сущности волномер-возбудитель, может быть использован и в качестве волномера-индикатора резонанса и поэтому специального индикатора для обнаружения момента резонанса при работе с волномером Нумана применять не нужно. В качестве практической работы к этим занятиям мы рекомендуем нашим читателям построить упомянутый волномер Нумана. Этот волномер является весьма удобным и наиболее подходящим для радиолюбительских измерений прибором. Построивши этот волномер, ячейка будет располагать волномером-возбудителем. Однако для многих измерений необходим не только волномер-возбудитель, но и волномер-индикатор. Какими свойствами должен обладать волномер-индикатор, мы уже знаем. В следующий раз мы дадим практические указания, как такой волномер-индикатор собрать, и вместе с тем опишем способы градуировки волномеров и те измерения, которые с ними могут быть произведены.
Мы обращаем особое внимание наших читателей на вопросы работы волномера и измерений с ним и в наших занятиях уделяем им много места потому, что измерения с волномером являются в сущности основными радиоизмерениями, играющими в радиолюбительской практике важнейшую роль.
1) В тексте заметки, вероятно ошибочно, напечатано: "... будет возникать эдс, вызывающая так называемый «экстратон размыкания»". (прим. составителя). (стр. 666.)