Приключения радиолуча
Шрифт:
Но диод не мог усиливать возбуждаемых радиоволнами в антенне приемника высокочастотных электрических токов. Он мог их лишь выпрямлять: пропускать ток только в одном направлении, когда на аноде напряжение станет «положительнее», чем на катоде. Если мы представим себе высокочастотные колебания электрического тока в виде синусоиды, то диод пропустит только верхнюю ее часть и отсечет нижнюю.
Такое преобразование сигнала называется нелинейным. Вообще любая нелинейность так или иначе изменяет форму сигнала. А это не проходит бесследно для его частотного спектра: он «обогащается», в нем появляются новые частотные составляющие. Не всегда такое обогащение благо. Иногда новые частоты рассматривают как помехи, которые вызывают так называемые нелинейные искажения. Кстати, их наличие, а это сличается в некачественных усилителях низкой, звуковой частоты,
За несколько лет, прошедших со дня открытия радио, оно многого достигло. Но его возможности, особенно в части приемных устройств, были практически исчерпаны. Специалистам стало ясно: без электронных усилителей электрических сигналов не обойтись. Почему именно электронных? Да потому, что ток в проводнике есть движение электронов, а в большинстве случаев лучше иметь дело с самим первоисточником.
Если первый шаг на пути к электронному усилителю, можно сказать, сделал Эдисон, второй — Флеминг, то решающий, третий шаг был за американским инженером Ли де Форестом. 25 октября 1906 года он подал заявку на выдачу патента. Предметом изобретения была трехэлектродная лампа, названная Форестом аудионом от латинского слова «аудире» (что значит в переводе на русский «слушать»). Такое звучное имя она получила потому, что стала главной деталью усилителя электрических сигналов звуковой частоты. Единой терминологии в то время не было. Наряду с аудионом, электронные лампы называли «вакуумными трубками», а в России — «катодными реле». Но потом для трехэлектродной лампы прижилось короткое слово «триод», которым мы и поныне пользуемся. Правда, вакуумные триоды теперь уже в подавляющем большинстве уступили свои места полупроводниковым.
Новую лампу называли в печати «чудесным маленьким гигантом» и даже «величайшим изобретением со времен огня, рычага и колеса».
Что же такое особенное сделал Ли де Форест, что привело к революции в области радио? Изобретатель всего лишь поместил в ламповый диод еще один электрод, названный им сеткой. (Недаром говорят: до гениального просто.) Изменяя напряжение на вновь введенном электроде, можно было изменять текущий через лампу ток, замыкать или прерывать его. Инженер заметил, что очень малые изменения напряжения на сетке приводят к заметным изменениям тока лампы, а это и есть эффект столь долгожданного электронного усилителя…
Правда, революция в радио совершилась не сразу. Первые аудионы Фореста имели настолько низкое усиление, что были не намного лучше диодов. Потребовались еще годы усилий многих ученых, чтобы из аудиона выпестовалась усилительная лампа, которую уже имело смысл широко применять на практике. С 1913—1916 годов и началась по-настоящему эпоха радио. Открытия следовали одно за другим. Ламповая радиотехника набирала силу.
Наиболее заметные перемены произошли в технике радиоприема. Что содержал приемник доламповой поры? Резонансный контур, кристаллический детектор да наушники. Даже вакуумный диод Флеминга мало что изменил. Лампа-детектор нуждалась в источнике питания для разогревания нити накала, а срок ее службы был существенно меньше долговечности кристаллических детекторов.
И триоды тоже прибавили забот: для их работы нужна была не только батарея для подогрева нити накала, но еще и анодная батарея. Помню, в 50-х годах на витринах магазинов лежали анодные батареи для батарейных радиоприемников напряжением вольт под сто. Обычная батарейка для карманного фонаря казалась на их фоне миниатюрной. Но все эти неудобства с лихвой компенсировались возможностью многократного усиления сигналов.
«ЭТО ОСКОРБЛЕНИЕ СМОЕТ ТОЛЬКО КРОВЬ!»
В опытах с ламповыми усилителями «выплыла» одна из важнейших для радиотехники проблем — проблема обратной связи. Она касается не только радиотехники, а имеет довольно общий характер. Суть ее в том, что результат какого-либо процесса из-за определенных связей влияет на его ход или, как говорят специалисты, выход влияет на вход. Если процесс усиливается, то обратная связь называется положительной, если ослабевает, стабилизируется, то отрицательной.
Врезалось мне
Многие скачкообразные и лавинные процессы, такие, как, например, взрыв — следствие положительной обратной связи. В разного рода автоколебаниях — незатухающих колебаниях, — возникших от внешнего толчка, тоже работает положительная обратная связь. Известные шимми и флатеры в авиации — пример автоколебаний.
На принципе положительной обратной связи зиждется и явление вынужденного излучения, на котором основана работа лазеров и мазеров. Химические и ядерные цепные реакции, смычковые инструменты и орган, депрессии и кризисы в экономике — вот только некоторые примеры, где работает принцип положительной обратной связи. Перечисленные проявления — следствие так называемой внутренней обратной связи, свойственной самому процессу, взаимосвязям между его элементарными актами. Внешняя же обратная связь, как положительная, так и отрицательная, вводится специальной электрической цепью или каким-либо регулятором.
В системах автоматического регулирования обратная связь, как правило, отрицательная, ибо ее задача уменьшить отклонения от заданного режима работы. Автопилоты, системы наведения ракет на цель, радиолокаторы слежения за целью — лишь крошечная толика устройств, где используется отрицательная обратная связь.
Интересно, что и сам-то термин «обратная связь» возник при исследовании ламповых усилителей. Сейчас трудно точно сказать, кому первому пришла счастливая мысль электрически связать выход усилителя с его входом, или, иначе, как говорят радиоинженеры, охватить усилитель обратной связью. Да такой, чтобы сигнал на его выходе резко возрос, то есть положительной связью, что возможно в том случае, если сигнал, поступающий на вход усилителя с его выхода, по фазе совпадает с входным. Если сигнал будет в противофазе, то обратная связь будет отрицательной и усиление уменьшится.
Исследования велись одновременно и независимо в разных странах. В результате в 1912—1913 годах появились достаточно чувствительные радиоприемники регенеративного типа, которые широко применялись в первую мировую войну.
Положительная обратная связь достигалась в приемниках довольно просто. Надо было только подать часть сигнала с анода триода, который служил одновременно и детектором и усилителем, на его вход, то есть на сетку лампы. Усиление триода сразу же возрастало. Чем больше сигнал с выхода триода на его вход, тем чувствительнее становился приемник. Но было замечено: если переборщить с величиной сигнала обратной связи, Подать его чуть больше некоторого, вполне определенного для данной схемы значения, то регенератор перестает усиливать принимаемые сигналы и сам начинает генерировать свои собственные колебания. Так был открыт ламповый генератор незатухающих колебаний. В 1913 году А. Мейсснер в Германии подал на него заявку на изобретение. Правда, опубликован патент был лишь после окончания войны — в 1919 году. В Германии многие материалы по радиотехнике засекречивались. Тем не менее открытие уже вызрело само по себе, и никакими ограничениями на публикации его нельзя было отменить. Позже, в 1914 году, и в других странах появились сообщения о триодном генераторе, в частности, публикация все того же Фореста.
Интересно, что даже тогда выяснить, кто первым сказал А, оказалось непросто. Например, между двумя американскими компаниями судебная тяжба о приоритете на регенеративный приемник длилась весьма долго. С одной из компаний сотрудничал Ли де Форест, с другой — молодой способный инженер, оставивший след в радиотехнике, Эдвин Армстронг.
В 1913 году Армстронг опубликовал несколько схем регенеративных приемников, которые позднее широко использовали радиолюбители США. Одну из подобных схем запатентовал и де Форест. В результате 20-летнего судебного разбирательства право первенства было признано за де Форестом. Но решение суда убедило далеко не всех. И по сей день изобретение регенератора многие связывают с именем Армстронга.