Для понимания устройства передающей и в особенности приемной станции знакомство с катодной ламной и ее действием являются неизбежными.
Катодная трубка — прототип современной катодной лампы — состоит из закрытого стеклянного сосуда, наполненного разреженным газом, напр., воздухом и снабженного двумя независимыми одна от другой проволоками — так-называемыми электродами, вплавленными в стеклянный сосуд так, что они выступают внутри его, не касаясь друг друга. Лучше это можно себе представить, если вообразить сосуд в виде стеклянной трубки, на обоих концах которой выступают электроды.
Один из этих электродов, соединенный с отрицательным полюсом батареи, называется катодом, а другой, соединенный с положительным полюсом — анодом. Давление воздуха в такой катодной трубке измеряется обычно в миллиметрах ртутного столба (высота ртутного столба в барометре при нормальном атмосферном давлении равна 760 мм.). Если соединить оба выходящие снаружи стеклянного сосуда конца электрической проволоки с обоими полюсами искрового индуктора или другого какого-либо источника тока, то при газовом давлении около 50 мм. между обоими электродами легко проскакивают электрические искры. При дальнейшем разрежении газа, приблизательно около 1 мм. давления, искры расширяются и собираются в один светящийся пучек, как в Гейслеровской трубке, этой старинной и известной форме катодной трубки. Если же разрежение газа продолжается еще дальше, так что давление опускается до ¹/100 мм., то свечение газа исчезает и наступает на сосуде, противоположной катоду, флюоресценция, т.-е. свечение, по большей части светло-зеленого цвета. Катод излучает при уменьшенном давлении так-называемые катодные лучи, которые обладают особенными свойствами. Между прочим, они могут быть отклоняемы магнитом и могут оказывать тепломеханические воздействия на легко подвижные тела, подобно тому, как действует теплота в так-называемом радиометре.
Катодные лучи также способны вызвать известные Рентгеновы лучи. Ближайшее исследование катодных лучей показало, что они состоят из так-называемых электронов, о значении которых надо сказать несколько слов.
Предполагают, что атомы всякого тела состоят из чрезвычайно малых, отрицательно заряженных частиц, которые в большом количестве группируются вокруг положительно заряженного ядра атома — иона (слово взято с греческого языка и означает «блуждающий»). Отрицательные частицы называются электронами. Если теперь, вследствие какой-либо причины, наступает внутри катодной трубки разделение ионов и электронов находящегося в ней остатка газа, которое называется ионизацией, то под влиянием взаимного притяжения противоположно заряженных тел, отрицательные электроны стремятся к аноду (положительному электроду), а положительные ионы к катоду (отрицательному электроду). Если разрежение газа достигает своей крайней границы, то ионизация и количество притягиваемых анодом электронов будет невелико. Количество это сильно возрастает, если катоды приготовляются из тонкой металлической проволоки, накаливаемой, как в обычной электрической лампе, электрическим током до белого каления. Это об'ясняется тем, что накаленные тела обладают свойством испускать электроны.
Катодная лампа, о которой будет итти речь, имеет в общем форму обычной электрической лампы (рис. 11 дает вид катодной лампы — Аудиона, изготовляемой обществом беспроволочного телеграфирования). Эта катодная лампа-усилитель служит для обнаружения приходящих волн и для их усиления. Обозначенный буквою А анод состоит из изогнутой в цилиндр металлической пластинки. Через ось цилиндра свободно проходит накаливаемая нить К катода. Между катодом К и анодом А есть еще третий электрод, так-называемая «сетка», состоящий из металлической решетки, образующей также цилиндр. Вместо обыкновенного патрона электрической лампы имеются здесь у цоколя штепселя, которые служат для соединения электродов с приемной цепью а накаливаемого катода с требуемым для нагревания приволоки источником тока, так-называемой батареей накала. Эти штепселя вставляются в соответствующие штепсельные гнезда приемника. Применяемые в радиотехнике катодные лампы содержат, таким образом, как это показано на рис. 12, три электрода.
Рис. 13 показывает основное включение трех цепей тока электродов. Цепь тока катода К содержит накаливаемую нить К и батарея накала, состоящую обычно из двух или трех элементов по 2 V напряжения. В анодной цепи находится, кроме анода А, анодная батарея ВА, около 100 V напряжения. С отрицательного полюса батареи ВА во время действия трубки анодный ток протекает к нити и отсюда, через пространство между нитью и анодом, к аноду. Так как нить как раз накаливается, то она посылает электроны, которые будут притягиваться положительно заряженным батареей ВА анодом. Следовательно, получается «поток электронов», который стремится от катода к аноду и в то же время образует мостик для протекающего из батареи ВА анодного тока внутри трубки. Таким образом цепь анодного тока замыкается чрез электронный поток. Цепь тока сетки содержит сетку G, которая при такой чисто теоретической схеме получает отрицательный потенциал от батареи ВG. Ток в цепи сетки подобно тому, как в цепи анода, идет через катод и поток электронов к сетке. Следовательно, и здесь ток сетки будет замыкаться через поток электронов. Так как сетка имеет отрицательный потенциал и, следовательно, одноименные ей отрицательные электроны отталкивает, то она действует на поток электронов затормаживающе, в то время как положительный анод действует ускоряюще. Чем больше поэтому отрицательный потенциал сетки, тем слабее будет поток электронов и вместе с тем и анодный ток, носителем которого он является. Пункт Х есть общий для всех трех цепей тока.
Если потенциал на сетку накладывается не так, как это показано на рис. 13, т.-е. не посредством батареи, а при помощи электрических колебаний, которые получаются из приемной антенны, то этот потенциал будет изменяться в такт с этими колебаниями. Эти колебания потенциала сетки дают в результате соответственно то усиление, то ослабление потока электронов, и вместе с тем также и анодного тока; даже незначительные колебания потенциала сетки вызывают очень сильные колебания в силе анодного тока. Эти колебания тока могут быть в несколько тысяч раз сильнее колебаний потенциала сетки. На этом свойстве лампы усиливать и передавать получающиеся колебания с цепи сетки на цепь анода основано многостороннее применение ее в радиотехнике.
Сначала катодная лампа нашла себе применение в качестве усилителя и детектора, т.-е. в качестве приемника. В этой фирме, известной в Америке под именем Аудиона De Forest'a она употребляется с большим успехом во всех странах. Рис. 14 показывает схему включения Аудиона, наружный вид которого нами был рассмотрен на рис. 11.
Способ действия катодной лампы, как Аудиона, в этой схеме следующий:
Сетка G, заряжаемая отрицательно при продолжительном действии потока электронов с катода, присоединяется к антенне индуктивно через конденсатор С. Последний будет заряжаться попеременно, то положительно, то отрицательно, соответственно поступающему от антенны потоку волн высокой частоты или затухающего колебания. Если допустить, что левосторонняя обкладка конденсатора С получает на момент положительный заряд, то, вследствие электрического влияния правосторонняя обкладка зарядится отрицательно, а сетка G получит положительный заряд. От этого потенциал сетки (отрицательный) упадет и сетка пропустит на анод большее количество электронов, так что анодный ток будет сильнее, но при этом сама сетка вновь зарядится до прежнего отрицательного потенциала. По окончании этого положительного, как его называют, полупериода колебаний, конденсатор С будет обладать снова напряжением равным нулю, а если правая обкладка конденсатора получает снова напряжение равное нулю, то это значит, что наведенный перед этим на сетку положительный заряд исчез, и отрицательные электроны на сетке снова с той же силой препятствуют протеканию анодного тока.
Теперь наступает отрицательный полупериод колебания, когда левосторонняя обкладка конденсатора получает отрицательный заряд, вследствие чего правая обкладка принимает положительный заряд, в то время как отрицательный наводится на сетку. Вследствие усиления отрицательного заряда сетки еще больше ослабляется анодный ток. Когда же после этого, через четверть периода, на левой обкладке конденсатора снова будет потенциал нуль, то отрицательное электричество с сетки снова вернется к правой обкладке и ее потенциал будет тоже нуль.
Отрицательный заряд сетки теперь будет тот же самый, как и после окончания первого полупериода колебаний.
Цепь сетки замыкается через большое электрическое сопротивление W, через которое стекает с сетки отрицательный заряд, накапливающийся на ней между двумя полупериодами, так что по окончании двух полупериодов анодный ток снова достигает своей нормальной величины.
Анодный ток, следовательно, испытывает колебания в ритм с колебаниями, получаемыми антенной от передатчика. Телефонная трубка Т, вследствие инерции телефонной мембраны передает только целые сигналы, но не отдельные, происходящие с высокой частотой колебания анодного тока, которые следуют очень быстро и не могут быть восприняты ухом. Телефонная же мембрана реагирует только на начало и на конец каждого колебательного удара.
Если бы на приемник непрерывно действовали незатухающие колебания большой частоты, то они никоим образом не сделались бы заметными в телефонной трубке анодной цепи.
Раньше мы видели преимущество приемника посредством музыкального тона при затухающих колебаниях. Чтобы достигнуть того же преимущества при незатухающих колебаниях, пользуются катодной лампой, как «налагателем», следующим образом: пусть, напр., получающаяся волна имеет высокую частоту — примем 30.000 колебаний в секунду, так что мембрана телефонной трубки не может следовать за отдельными колебаниями. Пусть на это колебание высокой частоты будет наложено другое колебание частоты немного большей или немного меньшей. Напр., пусть накладываемое колебание будет иметь 29.000 колебаний в секунду. При накладывании двух колебаний, как известно, возникнут новые колебания («биения») с частотою, равною разности частот обоих колебаний 30.000 — 29.000 = 1.000; действуя теперь на приемную трубку, эти «биения» вызовут в ней известный музыкальный тон, который соответствует этой частоте (1.000 в сек.).
Это накладывание колебаний может быть осуществлено простым способом при помощи Аудиона с обратной связью, представленного на рис. 15. Как видно из сравнения с рис. 14, здесь присоединяется в цепь анодного тока катушка обратной связи S3. Через эту индукционную катушку будут обратно передаваться на сетку полученные из антенны в анодную цепь колебания; при этом, с одной стороны, они будут еще более усилены, с другой — если катушка S будет поставлена близко от контура сетки и, следовательно, связь будет велика — в лампе возникнут новые колебания, которые наложатся на поступающие из антенны и дадут «биения». Конденсатор С настраивают так, чтобы возникающие в лампе колебания только на немного отличались (по частоте) от колебаний, получаемых из антенны. Разность обоих колебаний действует тогда на соединенную с катодной лампой приемную телефонную трубку. Катушка S будет установлена) следовательно, так, что получается хороший приемный тон. Ясно, что при приеме разговорной речи, где надобности в накладывании колебаний нет, надо катушку S ставить так, чтобы в Аудионе самостоятельных колебаний не возникало, иначе при приеме подобных станций были бы неизбежны мешающие приему явления, так-называемые «завывания».
Приемники с обратной связью, позволяющие осуществлять «накладывание» и принимать биениями, известны в Америке под именем «регенеративных приемников».
Указанное важное свойство катодной лампы, благодаря которому незначительные колебания на сетке вызывают сильные колебания анодного тока, послужило для всеобщего применения ее в качестве усилителя колебаний. Она действует при этом как релэ в общем употребительном смысле: подводимая к лампе энергия заимствует новую энергию из анодной батареи и таким образом увеличивается.
Эти усилители воспринимают приходящие колебания таким образом, что они подводятся к сетке усилительной лампы. Усилители употребляются, как мы это еще увидим, при передатчике и приемнике. При этом необходимо различать усилителей высокой и низкой частоты. Усилитель высокой частоты включается к антенне до Аудиона или какого-либо другого детектора, переводящего выпрямлением получаемые колебания в колебания низкой частоты. Усилитель низкой частоты, напротив, усиливает колебание после того, как оно перешло в колебание с низкой частотой; он будет, таким образом, включен за детектором. При передатчике он служит, напр., для усиления звуковых колебаний низкой частоты микрофона. При приемнике употребляют оба вида усилителя, но можно также пользоваться и одним из них. При незначительном расстоянии от передающей станции в усилителе нет вообще необходимости. В общем, усилитель состоит из одной или нескольких катодных ламп, которые между собой так соединены, что колебание, усиленное в первой лампе, усиливается еще раз во второй, так же действует третья лампа и т. д. Такое включение, которое известно также под именем каскадного включения, для четырехлампового усилителя высокой частоты показано на рис. 16.
Поступающие из антенны (слева) колебания передаются через индукцию на цепь сетки первой лампы, так что усиленные колебания происходят в анодной цепи этой лампы (анод, катод, отрицательный полюс анодной батареи, положительный полюс батареи, дроссель, анод).
Дроссель, который лежит одновременно в цепи сетки второй лампы, передает на нее из первой лампы получающиеся усиленные колебания и т. д. Последняя лампа, как показывает рис. 17, включена в виде Аудиона, ее анодная цепь соединена непосредственно с телефонным приемником, которому она, таким образом, доставляет колебания низкой частоты. На рисунке видны только штепсельные гнезда телефонной трубки.
При волнах меньше 2.000 м. для избежания потери в передаче, которая затрудняла бы усиления, необходимо усилитель настроить на приемную волну, это производят посредством настройки цепи, состоящей из конденсатора и индукционной катушки, которая в случае необходимости включается параллельно первому дросселю (см. рис. 17).
Между последней, действующей как «Аудион» лампой и приемной телефонной трубкой, можно включить теперь еще усилитель низкой частоты, который усилит получающееся из аудионной лампы колебание низкой частоты, прежде чем оно поступит в телефонную трубку. Включение усилителя низкой частоты, как это показано на рис. 17, для одной лампы отличается от такового усилителя высокой частоты тем, что приходящие колебания низкой частоты, проходя по катушке I—V (так-называемой первичной обмотке трансформатора V), возбуждают в находящейся на том же железном основании катушке II—V переменный ток) который проходит через цепь сетки лампы и, следовательно, получается изменение тока анода, в цепь которого включена катушка I—N. В этой катушке ток будет уже усилен, а потому к катушке N—II можно присоединить телефон. Если нужно еще усиление, то можно концы катушки N—II подать на нить-сетку следующей лампы, в цепь анода которой будет уже включен телефон. Усилитель низкой частоты употребляется для частот до 2.000 в сек.
Описанное нами выше включеине с обратной связью играет большую роль при ее употреблении в качестве генератора колебаний в собственном смысле, т.-е. для непосредственных целей передачи. Основная схема включения катодной лампы, как генератора, показана на рис. 18.
В анодной цепи включена катушка L, которая образует вместе с конденсатором С одну замкнутую колебательную цепь. С ней связана цепь сетки через катушку сетки «Gsp».
Как только вследствие какого-либо толчка, напр., удара тока, при включении анодной батареи ВА, цепь CL будет приведена в колебания, тотчас же, вследствие связи, эти колебания будут переданы в цепь сетки.
Вследствие указанного выше свойства цепи сетки усиливать и передавать колебания на анодную цепь, полученные ею колебания снова будут переданы в усиленной форме цепи CL и т. д. Через это первоначальные затухающие колебания обратятся в незатухающие. При этом надо только предположить, что величина связи между L и катушкой сетки Gsp будет так выбрана, что первоначальное колебание при передаче будет усиливаться, но не уменьшаться.
Размах колебаний в цепи CL увеличится до достижения некоторого состояния равновесия, которое определяется напряжением на аноде и анодным током. Это явление известно под именем самовозбуждения лампы.
Передаточная лампа генерирует незатухающие колебания высокого постоянства по частоте. Частота может
быть изменена разобранным выше способом с помощью конденсатора С и катушки L
(
).
Рис. 18 показывает основную схему включения передающей лампы. Если ее необходимо применить для передачи в так-называемом ламповом передатчике, то надо антенну соединить обыкновенным способом с анодной цепью, о чем мы будем говорить в следующей главе.
Передающие лампы, смотря по желаемой энергии, строятся различных размеров. Внутреннее их устройство также бывает различно, но всегда заключает в себе три основных электрода.
