Давыдов Сергей Львович, Жеребцов Иван Петрович, Левинзон-Александров Федор Львович Радиотехника Учебное пособие для сержантов войск связи -------------------------------------------------------------------------------- Издание: Давыдов С. Л., Жеребцов И. П., Левинзон-Александров Ф. Л. Радиотехника. Учебное пособие для сержантов войск связи. — М.: Воениздат, 1963. — 344 с. / Издание третье, переработанное и дополненное. // Тираж 150 000 экз. Цена 86 коп. Scan: Андрей Мятишкин (amyatishkin@mail.ru) Аннотация издательства: В книге излагаются основные сведения о радиосвязи, законы распространения радиоволн, объясняется роль антенны в образовании и приеме радиоволн. Рассматриваются физические процессы в элементах передающих и приемных радиоустройств. Книга одобрена Начальником войск связи Советской Армии в качестве учебного пособия для сержантов войск связи. Кроме того, она может быть полезной для сержантов-радиоспециалистов всех родов войск Советской Армии и при подготовке радистов ДОСААФ. ОГЛАВЛЕНИЕ Предисловие (стр. 3) Глава 1. Наша страна — Родина радио (стр. 5) А. С. Попов — изобретатель радио (стр. 5) Развитие советского радио (стр. 7) Глава 2. Общие понятия о линии радиосвязи (стр. 13) Глава 3. Колебательные системы (стр. 20) Свободные колебания в контуре (стр. 20) Вынужденные колебания в контуре (стр. 25) Резонанс (стр. 26) Виды связи контуров (стр. 34) Детали колебательных контуров (стр. 38) Пьезоэлектрический эффект (стр. 46) Кварцевые фильтры (стр. 49) Электромеханические фильтры (стр. 51) Глава 4. Антенны (стр. 53) Свободные колебания в антенне (стр. 54) Вынужденные колебания в антенне (стр. 56) Способы настройки антенн в резонанс (стр. 57) Излучение электромагнитной энергии (стр. 59) Характеристики излучения антенны (стр. 60) Влияние земли на характеристику излучения (стр. 62) Влияние земли на величину излучаемой мощности (стр. 62) Антенны коротких радиоволн (стр. 63) Антенны метровых волн (стр. 68) Приемные антенны 72% Рамочные антенны (стр. 74) Магнитная (ферритовая) антенна (стр. 75) Глава 5. Распространение радиоволн (стр. 77) Образование радиоволн (стр. 77) Ослабление радиоволн (стр. 78) Строение атмосферы (стр. 80) Строение ионосферы (стр. 81) Распространение радиоволн вдоль поверхности Земли (стр. 83) Распространение поверхностных радиоволн (стр. 84) Волна, отраженная от поверхности Земли (стр. 89) Пространственная волна (стр. 91) Дальнее распространение УКВ (стр. 96) Глава 6. Электронные лампы (стр. 99) Принцип работы и устройство двухэлектродной лампы (стр. 99) Схема включения и основные свойства диода (стр. 101) Типы катодов (стр. 104) Характеристика диода (стр. 106) Выпрямители (стр. 108) Типы и конструкции диодов (стр. 114) Устройство и работа триода (стр. 116) Характеристики триода (стр. 119) Параметры триода (стр. 122) Мощность потерь на аноде (стр. 124) Типы и конструкции триодов (стр. 125) Недостатки триода (стр. 127) Устройство и работа тетрода (стр. 127) Характеристики и параметры тетрода (стр. 129) Ток вторичной эмиссии в тетроде (стр. 130) Устройство и работа пентода (стр. 132) Характеристики пентодов (стр. 133) Лучевые тетроды (стр. 135) Пентоды с удлиненной характеристикой (стр. 136) Типы тетродов и пентодов (стр. 136) Гептоды и комбинированные лампы (стр. 138) Стержневые лампы (стр. 139) Электронные лампы для сверхвысоких частот (стр. 140) Простейшие способы испытания ламп (стр. 141) Неоновая лампа (стр. 142) Стабилитроны (ионные стабилизаторы напряжения) (стр. 143) Бареттеры (стабилизаторы) тока (стр. 145) Глава 7. Ламповые усилители (стр. 145) Работа простейшего усилительного каскада (стр. 145) Работа лампы в усилительном каскаде (стр. 150) Графическое изображение работы усилительного каскада (стр. 152) Тетроды и пентоды в усилительном каскаде (стр. 155) Усилители колебаний низкой частоты (стр. 157) Усилитель низкой частоты на сопротивлениях (стр. 161) Дроссельный усилитель (стр. 164) Трансформаторный усилитель (стр. 165) Способы получения напряжения смещения в усилителях (стр. 167) Выходной каскад' усилителя низкой частоты (стр. 171) Усилитель с катодной нагрузкой (катодный повторитель) (стр. 173) Многокаскадные усилители низкой частоты (стр. 174) Отрицательная обратная связь в усилителях (стр. 178) Двухтактные усилители (стр. 182) Усилители высокой частоты (стр. 183) Глава 8. Ламповые генераторы и передатчики (стр. 187) Назначение и устройство лампового генератора (стр. 187) Схемы генераторов с самовозбуждением (стр. 193) Усилитель мощности (стр. 196) Генератор с самовозбуждением на пентоде (стр. 198) Умножение частоты колебаний (стр. 199) Блокинг-генератор (стр. 200) Транзитронный генератор (стр. 202) Связь генератора с антенной (стр. 204) Схема двухкаскадного передатчика (стр. 205) Стабилизация частоты колебаний передатчика кварцем (стр. 206) Применение кварцевого генератора для стабилизации частоты колебаний в диапазоне частот (стр. 209) Применение кварцевого генератора для получения ряда стабилизированных частот (стр. 210) Управление колебаниями передатчика при телеграфной работе ключом (стр. 218) Телеграфирование с применением буквопечатающих аппаратов (стр. 221) Модуляция колебаний передатчика речью (стр. 225) Однополосная модуляция (стр. 229) Одновременная манипуляция и модуляция в передатчиках (стр. 231) Управление колебаниями передатчика по телефонно-телеграфной линии (стр. 231) Глава 9. Радиоприемные устройства (стр. 233) Общие сведения о радиоприемниках (стр. 233) Требования к приемникам (стр. 235) Детектирование (стр. 237) Диодный детектор (стр. 239) Сеточный детектор (стр. 241) Анодный и катодный детекторы (стр. 242) Входной контур и усилитель высокой частоты (стр. 244) Супергетеродинные приемники (стр. 246) Преобразователи частоты (стр. 253) Усилитель промежуточной частоты (стр. 258) Детектор и второй гетеродин (стр. 261) Регулировка громкости (стр. 263) Прием частотно-модулированных (ЧМ) сигналов (стр. 265) Автоматическая подстройка частоты (стр. 271) Регенеративный прием (стр. 272) Сверхрегенеративный прием (стр. 274) Прием однополосных радиотелефонных сигналов (стр. 279) Оконечные каскады радиоприемников (стр. 280) Схемы приемников (стр. 285) Глава 10. Основы радиорелейной связи (стр. 286) Общие сведения о радиорелейной связи (стр. 286) Принцип устройства радиорелейной линии (стр. 287) Основы многоканальной связи (стр. 293) Частотное разделение каналов (стр. 294) Временное разделение каналов (стр. 301) Импульсная модуляция (стр. 304) Глава 11. Полупроводниковые приборы (стр. 317) Свойства переходного слоя (стр. 318) Принцип работы полупроводниковых диодов (стр. 320) Работа выпрямителя с полупроводниковым диодом (стр. 325) Диодный полупроводниковый детектор (стр. 326) Принцип работы полупроводниковых триодов (стр. 327) Усилительные свойства полупроводниковых триодов (стр. 335) Типовые схемы усилителей с полупроводниковыми триодами (стр. 337) ПРЕДИСЛОВИЕ Большие успехи науки в последние годы неузнаваемо преобразили технику радиосвязи. Усовершенствовались методы генерирования, усиления и приема радиосигналов, подверглись коренным изменениям способы передачи радиосигналов и неизмеримо развилась техника антенных устройств. Впервые в истории человечества радиосвязь вышла за пределы земного шара в космическое пространство. Первые космонавты советские летчики Ю. А. Гагарин и Г. С. Титов блестяще провели двустороннюю связь космических кораблей с планетой Земля. Советские космонавты А. Г. Николаев и П. Р. Попович первые в мире в течение нескольких суток поддерживали двустороннюю связь между космическими кораблями. Предельно рекордной по дальности была радиосвязь с космической лабораторией, запущенной специалистами Советского Союза в сторону планеты Венера. Исторический XXII съезд Коммунистической партии Советского Союза, подводя итоги колоссальным достижениям советских людей во всех областях жизни, наметил грандиозную программу построения коммунистического общества в нашей стране. В Программе КПСС, принятой съездом, много внимания уделяется как всемерному расширению сети радиосвязи, так и техническому совершенствованию средств связи, разработке новых систем связи, наиболее полно отвечающих требованиям хозяйственной и культурной жизни страны и укрепления обороноспособности нашей Родины. Большого совершенства в настоящее время достигли и средства военной радиосвязи. Внедрение системы беспоисковой связи, повышение скоростей обмена, уплотнение радиоканалов обеспечивают решение задач, выдвигаемых перед войсками связи условиями современной войны. Настоящее учебное пособие содержит минимум теоретических сведений по основным вопросам радиотехники, знание которых необходимо младшим специалистам радиосвязи Советской Армии для обстоятельного освоения обслуживаемой радиоаппаратуры. Книга содержит описание только основных принципов работы главных узлов радиостанций. Изложение материала ведется, как правило, на упрощенных схемах, от которых сравнительно просто можно перейти к изучению практических схем обслуживаемой аппаратуры. Учитывая бурное развитие радиотехники, авторы перестроили книгу таким образом, чтобы наиболее близко подвести радиоспециалистов к усвоению новейших принципов радиосвязи. Авторы надеются, что работа, проделанная по подготовке третьего издания, поможет специалистам Советской Армии поднять их мастерство на еще более высокий уровень. Для первых двух изданий главы 3 и 8 написаны Давыдовым С. Л. и Левинзоном-Александровым Ф. Л., к третьему изданию обе главы переработаны Давыдовым С. Л. Главы 1, 2 и 10 настоящего издания написаны Левинзоном-Александровым Ф. Л., главы 4, 5 и 11- Давыдовым С. Л., главы 6, 7 и 9 — Жеребцовым И. П. Авторы ========================================== С. Л. ДАВЫДОВ, И. П. ЖЕРЕБЦОВ, Ф. Л. ЛЕВИНЗОН-АЛЕКСАНДРОВ РАДИОТЕХНИКА УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ ДЛЯ СЕРЖАНТОВ ВОЙСК СВЯЗИ Издание третье, переработанное и дополненное ВОЕННОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО МИНИСТЕРСТВА ОБОРОНЫ СССР МОСКВА-1963 С. Л. ДАВЫДОВ, И. П. ЖЕРЕБЦОВ, Ф. Л. ЛЕВИНЗОН-АЛЕКСАНДРОВ РАДИОТЕХНИКА Учебное пособие для сержантов войск связи Издание третье, переработанное и дополненное В книге излагаются основные сведения о радиосвязи, законы распространения радиоволн, объясняется роль антенны в образовании и приеме радиоволн. Рассматриваются физические процессы в элементах передающих и приемных радиоустройств. Книга одобрена Начальником войск связи Советской Армии в качестве учебного пособия для сержантов войск связи. Кроме того, она может быть полезной для сержантов-радиоспециалистов всех родов войск Советской Армии и при подготовке радистов ДОСААФ. . ПРЕДИСЛОВИЕ Большие успехи науки в последние годы неузнаваемо преобразили технику радиосвязи. Усовершенствовались методы генерирования, усиления и приема радиосигналов, подверглись коренным изменениям способы передачи радиосигналов и неизмеримо развилась техника антенных устройств. Впервые в истории человечества радиосвязь вышла за пределы земного шара в космическое пространство. Первые космонавты советские летчики Ю. А. Гагарин и Г. С. Титов блестяще провели двустороннюю связь космических кораблей с планетой Земля. Советские космонавты А. Г. Николаев и П. Р. Попович первые в мире в течение нескольких суток поддерживали двустороннюю связь между космическими кораблями. Предельно рекордной по дальности была радиосвязь с космической лабораторией, запущенной специалистами Советского Союза в сторону планеты Венера. Исторический XXII съезд Коммунистической партии Советского Союза, подводя итоги колоссальным достижениям советских людей во всех областях жизни, наметил грандиозную программу построения коммунистического общества в нашей стране. В Программе КПСС, принятой съездом, много внимания уделяется как всемерному расширению сети радиосвязи, так и техническому совершенствованию средств связи, разработке новых систем связи, наиболее полно отвечающих требованиям хозяйственной и культурной жизни страны и укрепления обороноспособности нашей Родины. Большого совершенства в настоящее время достигли и средства военной радиосвязи. Внедрение системы беспоисковой связи, повышение скоростей обмена, уплотнение радиоканалов обеспечивают решение задач, выдвигаемых перед войсками связи условиями современной войны. Настоящее учебное пособие содержит минимум теоретических сведений по основным вопросам радиотехники, знание которых необходимо младшим специалистам радиосвязи Советской Армии для обстоятельного освоения обслуживаемой радиоаппаратуры. Книга содержит описание только основных принципов работы главных узлов радиостанций. Изложение ма- териала ведется, как правило, на упрощенных схемах, от которых сравнительно просто можно перейти к изучению практических схем обслуживаемой аппаратуры. Учитывая бурное развитие радиотехники, авторы перестроили книгу таким образом, чтобы наиболее близко подвести радиоспециалистов к усвоению новейших принципов радиосвязи. Авторы надеются, что работа, проделанная по подготовке третьего издания, поможет специалистам Советской Армии поднять их мастерство на еще более высокий уровень. Для первых двух изданий главы 3 и 8 написаны Давыдовым С. Л. и Левинзоном-Александровым Ф. Л., к третьему изданию обе главы переработаны Давыдовым С. Л. Главы 1, 2 и 10 настоящего издания написаны Левинзоном-Александровым Ф. Л., главы 4, 5 и 11- Давыдовым С. Л., главы 6, 7 и 9 -Жеребцовым И. П. Авторы ГЛАВА 1 НАША СТРАНА -РОДИНА РАДИО А. С. ПОПОВ - ИЗОБРЕТАТЕЛЬ РАДИО Радио было изобретено в 1895 г. замечательным русским ученым Александром Степановичем Поповым (1859-1906 гг.). Датой изобретения радио считается 7 мая 1895 г., когда А. С. Попов на заседании физического отделения Русского физико-химического общества в Петербурге продемонстрировал изобретенный им первый в мире радиоприемник (рис. 1.1). Рис. 1.1. Первый радиоприемник А. С. Попова А. С. Попов сделал свое изобретение в результате многолетнего труда над решением задачи практического использования электромагнитных волн. Он пришел к выводу о возможности такого использования электрических колебаний после длительных кропотливых исследований и научного обобщения 5 достижений в области физики и электротехники, имевшихся к тому времени в разных странах мира. Выдающиеся работы таких ученых, как Фарадей, Максвелл, Герц, и наших русских ученых-электротехников Б. С. Якоби, П. Н. Яблочкова, А. Н. Лодыгина, В. В. Петрова, Д. А. Лачинова и др. во многом определили успех А. С. Попова. 24 марта 1896 г. А. С. Попов вместе со своим ближайшим помощником П. Н. Рыбкиным продемонстрировал в Петербургскомv университете на заседании Русского физико-химического общества первую радиотелеграфную передачу. Знаками теле'-графной азбуки с записью на ленту была передана на расстояние 250 м радиограмма, содержащая слова "Генрих Герц". А. С. Попов неустанно совершенствовал свое изобретение и в очень короткий срок добился больших успехов. Весной 1897 г. он осуществил связь с кораблями на Кронштадтском рейде. В 1899 г. во время маневров Черноморского флота дальность радиосвязи между кораблями достигала 22 км. Через два года А. С. Попов добился дальности радиосвязи уже на 150 км. В 1899 г. А. С. Попов вместе с П. Н. Рыбкиным сконструи-'ровал первый в мире приемник, позволяющий принимать радиосигналы на слух. В начале 1900 г. при организации работ по спасению потерпевшего аварию броненосца "Генерал-адмирал Апраксин" Попов установил радиосвязь между берегом Финского залива и островом Гогланд на расстояние 45 км. Это была первая в мире практическая линия радиосвязи. Со времени использования этой радиолинии радиосвязь получила признание в России и за границей и начала широко применяться на практике. Вскоре А. С. Попов с помощью своих учеников и группы первых русских военных радиоспециалистов провел успешные опыты по применению радиосвязи в сухопутных войсках русской армии. Сконструированные им первые в мире переносные армейские радиостанции были испытаны летом 1900 г. на маневрах Петербургского военного округа и показали отличные результаты. Эти станции выдержали испытание в боевой обстановке во время русско-японской войны. Заслуги А. С. Попова как изобретателя радио были признаны не только в России, но и далеко за ее пределами. Однако в условиях царской России изобретение А. С. Попова постигла судьба многих других важных открытий. Попову не было оказано .со стороны правительства требуемой поддержки. Ему ставились многочисленные бюрократические преграды, на его работы по дальнейшему развитию радио отпускались ничтожные средства. Царское правительство не заботилось о создании отечественной радиопромышленности, предпочитая добровольно отдать реализацию великого русского изобретения иностранному капиталу. Естественно, что в таких условиях радиотехника успешно развиваться не могла. Правда, в России нашлись специалисты- ученики и продолжатели дела А. С. Попова, которые после смерти великого изобретателя стремились к дальнейшему развитию отечественного радио. В 1908 г. их усилиями в Петербурге, в Гребном порту, было создано Радиотелеграфное депо морского ведомства, ставшее при Советской власти одним из 'самых крупных предприятий нашей радиопромышленности. В 1908-1.911 гг. В. П. Вологдин разработал конструкцию высокочастотного машинного генератора, который в годы Советской власти был использован для сооружения машинных передатчиков, впервые обеспечивших прямую радиосвязь через Атлантический океан. В 1911 г. у нас была впервые сконструирована и испытана самолетная радиостанция. В 1914 г. М. В. Шулейкин опубликовал свою работу о применении генератора высокой частоты для радиотелефона. Но все старания русских радиоспециалистов, лишенных государственной поддержки, разумеется, не могли дать больших практических результатов, поэтому до Великой Октябрьской социалистической революции наша страна, в сущности, не имела своей радиопромышленности. Доставшиеся нам в наследство от царской России радиостанции были в основном иностранного происхождения и очень несовершенны. Аппаратура была громоздкой. Так, даже наиболее совершенная из имевшихся тогда войсковых радиостанций Сименс и Гальске, перекрывавшая расстояния до 200-300 км и работавшая только телеграфом, перевозилась на яяти пароконных двуколках и имела обслуживающую команду из 40 человек. Антенна этой станции подвешивалась к металлической мачте высотой 25 м. Но и этих несовершенных радиосредств было крайне мало. Даже к концу первой мировой войны радиостанции имелись, как правило, только в корпусах, а число их достигало всего нескольких десятков на каждую действующую армию трехкор-пусного состава. Бурное развитие радио в нашей стране началось только после Великой Октябрьской социалистической революции. РАЗВИТИЕ СОВЕТСКОГО РАДИО Советская власть коренным образом изменила судьбу отечественного радио. Коммунистическая партия и Советское правительство с первых дней существования Советского государства проявляли огромную заботу о всемерном совершенствовании радиотехники, о создании условий, способствующих быстрому развитию радиотехники в нашей стране. В 1918-1920 гг. на заседаниях Совета Народных Комиссаров .под председательством Ленина неоднократно обсуждались вопросы радиофикации и был принят ряд важных решений о радио. Эти решения и подписанные Лениным декреты сыграли решающую роль в развитии отечественной радиотехники. В них намечалась программа мероприятий по развитию радиотехнического дела и объединению всех научно-технических сил страны, работающих в области радио. Так, например, постановлением Совета Труда и Обороны от 30 июля 1919 г. предписывалось "Установить в чрезвычайно срочном порядке в Москве радиостанцию, оборудованную приборами и машинами, наиболее совершенными". Во исполнение этого постановления в Москве на Шаболовке была вскоре построена 100-киловаттная дуговая радиостанция. Для антенны этой станции в качестве одной из опор была сооружена советским инженером В. Г. Шуховым оригинальная по своей конструкции 150-метровая башня, которая стала эмблемой советского радио. Сейчас эта башня служит мачтой для антенн Московского телевизионного передатчика. По указанию В. И. Ленина была создана Нижегородская радиолаборатория во главе с талантливым русским инженером профессором М. А. Бонч-Бруевичем. Она стала первым научно-исследовательским радиотехническим институтом в нашей стране. Заслуги ее огромны. В. И. Ленин всемерно помогал этой лаборатории. Ознакомившись с результатами опытов радиовещательных передач, успешно проведенных в лаборатории, В. И. Ленин писал 5 февраля 1920 г. М. А. Бонч-Бруевичу: "Пользуюсь случаем, что{5ы выразить Вам глубокую благодарность и сочувствие по поводу большой работы радиоизобретений, которую Вы делаете. Газета без бумаги и "без расстояний", которую Вы создаете, будет великим делом. Всяческое и всемерное содействие обещаю Вам оказывать этой и подобным работам". Когда в 1920 г. Нижегородской радиолаборатории было поручено изготовить в самом срочном порядке центральную радиотелефонную станцию, Ленин лично контролировал ход строительства станции, принимал начальника строительства, давал указания об отпуске дефицитных материалов, торопил с пуском станции. В. И. Ленин требовал, чтобы его регулярно информировали о работах в области радио, подчеркивая в письмах, что это "дело гигантски важное", что работы эти имеют для нас исключительное, значение. По предложению В. И. Ленина Политбюро ЦК партии 25 мая 1922 г. приняло специальное решение о финансировании Нижегородской радиолаборатории для "наибольшего ускорения разработки, усовершенствования и производства громкоговорящих телефонов и радиоприемников". В невиданно короткий срок советские радиоспециалисты добились выдающихся успехов в технике радио. Об этом свидетельствуют хотя бы такие примеры. 8 В 1919-1920 гг. у нас впервые началась передача по радио речи и музыки. Построенная для этой цели в Москве в 1920 г. радиотелефонная станция имела рекордную для того времени мощность. За границей таких станций еще не было. Когда проводилось испытание передатчика на дальность действия, немцы предоставили для связи самую лучшую берлинскую правительственную радиостанцию. Отлично услышав Москву, они, однако, не смогли ответить, так как не имели передатчика такой мощности, как московский. Центральная радиовещательная станция, открытая в Москве в 1922 г., была самой мощной в мире. Станции Америки, Франции, Германии и других стран, построенные после этого, имели в несколько раз меньшую мощность. Начиная с 1922 г. наша страна неизменно занимала по мощности своих передатчиков первое место в мире. Во время гражданской войны 1918-1919 гг. для разработки и производства новых типов военных радиостанций и подготовки армейских радистов были созданы специальные радиобазы во Владимире и Казани, а к концу гражданской войны была создана Центральная военная радиолаборатория. В период 1918-1920 гг. в нашей стране была сконструирована первая самолетная радиотелефонная станция. Тогда же у нас были проведены опыты радиотелефонной связи самолета с землей. В связи с появлением в заграничной печати сообщений об опытах радиотелефонирования с самолета между Лондоном и Брюсселем газета "Правда" писала 16 октября 1921 г.: "...подобные опыты начали производиться в Советской России несколько раньше, чем это сделано за границей. Опыты, производимые в настоящее время на одном из наших аэродромов, дали очень хорошие результаты при телефонировании с аэропланов на расстояние даже большее, чем расстояние между Лондоном и Брюсселем". Постоянную заботу Коммунистической партии и Советского правительства о развитии радио советские радиоспециалисты чувствовали всегда. Она вдохновляла их на смелые шаги в разработке и дальнейшем совершенствовании величайшего изобретения своего соотечественника. В годы довоенных пятилеток развитие советской радиотехники шло вперед быстрыми шагами. Вместо нескольких лабораторий и небольшой группы специалистов было создано много научных институтов и лабораторий, занимающихся вопросами радиотехники. Большое число высших и средних учебных заведений, как гражданских, так и военных, подготовило и продолжает готовить тысячи высококвалифицированных инженеров, техников, офицеров-радиоспециалистов. Была создана передовая отечественная радиопромышленность, способная производить все виды современной радиоаппаратуры. Основоположники советской радиотехники--М. А. Бонч- Бруевич, М. В. Шулейкин, Л. И. Мандельштам, Н. Д. Папа-лекси, В. П. Вологдин, Б. А. Введенский и др., а также молодые ученые-радисты своими трудами далеко двинули вперед отечественную радиотехнику. В ряде областей радиотехника нашей страны превзошла радиотехнику остальных стран. Например, на протяжении многих лет СССР удерживал мировое первенство по мощности радиовещательных станций, достигнутое еще в первые годы существования Советского государства. Советские ученые первыми разработали ряд основных научных вопросов, .необходимых для инженерного расчета элементов радиостанций, понимания природы электромагнитных волн и их распространения. По -своему уровню многие научные работы и исследования наших радиоспециалистов были выше аналогичных работ зарубежных ученых. < • Достижения в развитии советской радиотехники и создание мощной отечественной радиопромышленности способствовали успеху наших Вооруженных Сил в годы Великой Отечественной войны. К 1941 г. наша армия имела первоклассные средства радиосвязи. Несмотря на величайшие трудности, особенно в начале войны, когда значительное число заводов было эвакуировано в глубь страны, рабочие, техники и инженеры советской радиопромышленности своим .героическим трудом не только пополняли потери нашей армии в радиосредствах, но и обеспечивали фронт радиостанциями во все возрастающем количестве. В этом отношении мы имели преимущества перед немецкой радиопромышленностью, которая не справлялась с пополнением убыли радиостанций в своей армии. Наряду с ростом числа выпускаемых радиостанций непрерывно повышалось их качество и создавались новые, более совершенные образцы. В этом большая заслуга инженеров, техников и рабочих заводов советской радиопромышленности. Большую роль в усовершенствовании радиосредств сыграла также творческая инициатива солдат, сержантов и офицеров войск связи. Во время Великой Отечественной войны не было ни одного рода войск, где бы широко не использовалась радиосвязь. Особенно важную роль она сыграла в моторизованных подвижных войсках и авиации, где радио становилось зачастую единственным средством связи. Радиосвязь широко применялась во всех наступательных операциях Советской Армии, и для этой цели использовались тысячи радиостанций. Радистам Советской Армии приходилось преодолевать огромные трудности. Чтобы связь была безотказной при любых темпах наступления, надо было обеспечить высокую подвижность радиостанций, уметь быстро выбирать нужные волны, добиться бесперебойной работы радиостанций на ходу или на коротких 10 остановках, сохранять секретность передач. Советские радисты успешно справились с этими трудностями и обеспечили четкое взаимодействие войск и непрерывное управление ими. Ставка Верховного Главнокомандования неоднократно подчеркивала, что потеря связи есть потеря управления, а потеря управления войсками неизбежно ведет к поражению. Радисты, обеспечивая непрерывное управление войсками, тем самым внесли огромный вклад в общее дело разгрома фашистской Германии. В приказах Верховного Главнокомандующего, в которых отмечались боевые успехи соединений и частей Советской Армии, всегда упоминались части и подразделения связи. Тысячи военных радистов награждены орденами и медалями СССР. За проявленное геройство и боевые подвиги на фронтах Отечественной войны около ста радистов получило звание Героя Советского Союза. Все это свидетельствует о самоотверженной работе солдат, сержантов и офицеров войск связи, их беспредельной преданности нашей Великой Родине. Они на деле доказали верность воинскому долгу и военной присяге. После войны советское радио развивалось и совершенствовалось еще более бурными темпами. Достаточно сказать, что только за период 1948-1958 гг. радиоэлектронная промышленность Советского Союза выросла в 20 раз. Крупные успехи достигнуты в области электроники, в производстве новых типов электровакуумных приборов, малогабаритных радиодеталей, новых радиотехнических деталей. Освоено производство полупроводниковых приборов, которые способствуют резкому изменению техники радиосвязи. Развернуты большие работы по внедрению нового вида связи на ультракоротких волнах - радиорелейных линий связи. Ярким свидетельством успехов советской радиотехники является ее роль в обеспечении запуска искусственных спутников Земли и космических ракет, вывода их на заданную, орбиту с высокой степенью точности и возвращения контейнеров на Землю. Это огромная победа творческого гения советского человека. Большие задачи поставлены перед радиоспециалистами в директивах XXI съезда КПСС по развитию народного хозяйства СССР в 1959-1965 гг. По семилетнему плану намечена огромная программа работ по дальнейшему развитию радиотехники и электроники в нашей стране. Объем капиталовложений опреде-л^ется огромной суммой в 14-15 миллиардов рублей. Радиовакуумная промышленность возрастет в 4,5 раза. Радиоэлектронная промышленность выпустит в 1965 г. в 3 раза больше продукции, чем в 1958 г., выпуск. полупроводников увеличится примерно в 1,0 раз, электронно-лучевых трубок в 6 раз. Протяженность радиорелейных линий связи должна возрасти примерно в 8,4 раза. Предполагается выпустить в 1965 г. 3,5 миллиона телевизоров и 7 миллионов радиоприемников, количество 11 радиоприемных точек увеличится на 30 миллионов и составит свыше 66. миллионов. Намечено широкое внедрение ультракоротковолнового радиовещания. Количество ультракоротковолновых передатчиков возрастет примерно до 200. Это коренным образом улучшит слышимость радиовещательных станций, так как радиовещание на ультракоротких волнах мало подвержено влиянию различных индустриальных и атмосферных помех, особенно мешающих радиослушателям в промышленных районах. Бурное развитие получит телевидение. Число программных телевизионных станций к концу семилетки будет около 160 и телевизионная сеть будет иметь более 15 миллионов телевизоров. Получит развитие цветное телевидение. Большую роль сыграет радиоэлектроника в осуществлении намеченной семилетним планом автоматизации разнообразных производственных процессов. Новейшие достижения радиотехники будут все больше внедряться в различные отрасли науки и народного хозяйства и способствовать их дальнейшему быстрому развитию. Достижения нашей радиотехнической промышленности, разумеется, не могли не оказать влияния на повышение качества военной радиосвязи. В послевоенный период войска связи были оснащены новейшими типами радиостанций. Несравнимо повысилась стабильность частоты передатчиков, широкое применение получило буквопечата.ние по радио, намного увеличилась помехоустойчивость радиосвязи. Все большее применение находит радиорелейная связь. ГЛАВА 2 ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ О ЛИНИИ РАДИОСВЯЗИ Радиосвязь означает связь при помощи радиоволн.' Принципиальная схема линии радиосвязи показана на рис. 2.1. В пунктах Л и Б, расположенных на некотором расстоянии друг от друга, находятся радиостанции. Каждая из них имеет передатчик и приемник. Передатчик (например, пункта Л) излучает Антенна \1/ КЛЮЧ Радиостанция А Микрофон •^L Антенна V Передача Радиостанция Б Микрофон Передача -OI Ключ ^ Телефон Прием <Прием Телефон Рис. 2.1. Принципиальная схема линии радиосвязи в пространство радиоволны, которые, распространяясь над поверхностью земли, принимаются в пункте Б находящимся там приемником. Совершенно так же волны, излучаемые передатчиком радиостанции Б, принимаются приемником радиостанции Л. Таким образом, радиосвязь между двумя пунктами осуществляется при помощи радиоволн без всяких проводов. Радиоволна представляет собой сочетание электрического и магнитного полей, распространяющихся в пространстве. Поэтому радиоволны называют также электромагнитными волнами. Они распространяются над поверхностью земли на большие расстояния со скоростью света - приблизительно 300000 километров в секунду. Как происходит образование и распространение радиоволн, будет рассказано в гл. 5. Рассмотрим в общих чертах назначение элементов линии радиосвязи, принципиальная схема которой изображена на 13 рис. 2.1. Схема показывает принцип устройства линии двусторонней радиосвязи, т. е. такой, по которой можно и передавать, и принимать радиограммы. Для двусторонней радиосвязи применяются две радиостанции, каждая из которых имеет передатчик и приемник. В переносных радиостанциях передатчик и приемник обычно монтируются в общей упаковке; в более мощных станциях они являются отдельными устройствами. 1 Точка Тире " Время -*-Kj 7/0V- *• -*--A'./7rtW --- w - - - Ключ нажат ------------- S-. нажат отжат Рис. 2.2. Ток высокой частоты в антенне передатчика при телеграфной работе Антенна. Каждый передатчик и приемник должен иметь антенну. В передатчике она служит для излучения радиоволн, а в приемнике - для их улавливания. Антенна в большинстве случаев представляет собой провод (или несколько проводов), один конец которого подвешивается над землей при помощи мачты, а другой подключается к передатчику или приемнику. В переносных радиостанциях для этой цели используется одна и та же антенна, которая по мере надобности подключается к приемнику (когда станция работает на прием) или передатчику (когда станция работает на передачу). Когда станция производит прием радиосигналов, приходящие радиоволны пересекают провод антенны, в результате чего в нем заводится переменная э. д. с. высокой частоты, поступающая в приемник. Когда радиостанция работает на передачу, в антенне циркулирует переменный ток, подводимый к ней от передатчика. Вследствие этого вокруг вертикального провода .антенны образуется переменное электромагнитное поле, которое распространяется в пространстве. Таким образом, антенна пере-.датчика излучает электромагнитные волны (радиоволны). Передатчик. Основное назначение передатчика - создание (генерирование) токов высокой частоты для питания антенны. Передатчик получает энергию от источников постоянного или переменного тока и преобразует ее в энергию переменного тока высокой частоты с помощью электронных ламп и колебательных контуров. Передатчики можно настраивать на ту или иную частоту. В зависимости от этого антенна будет излучать в пространство радиоволны соответствующей частоты. При помощи радиостанций могут быть осуществлены раз- 14 Постоянный магнит Мембрана 'Катушка Рис. 2.3, Схематическое изображение устройства электродинамического микрофона личные виды передач: радиотелеграфная передача знаками Морзе или буквопечатанием, радиотелефонная передача речи, передача изображений. Для каждого из них требуются определенные дополнительные устройства, управляющие колебаниями токов высокой частоты в соответствии с данным видом передачи. Например, для передачи радиограмм по телеграфному коду этим дополнительным устройством является телеграфный ключ. Нажимая и отпуская ключ, включают и выключают передатчик на различные промежутки времени; переменный ток высокой частоты поступает в антенну, когда ключ нажат, и перестает поступать, когда ключ отпущен (рис. 2.2). В результате этого в пространство излучаются радиоволны сериями сигналов - в виде знаков телеграфной азбуки (Морзе). Управление передачей при помощи ключа называется манипуляцией. Для радиотелеграфной передачи буквопечатанием или для передачи изображений применяются более сложные специальные устройства. При передаче речи дополнительным устройством для управления колебаниями передатчика является микрофон. В этом случае переменный ток поступает в антенну непрерывно, но величина или частота его изменяется под действием звуковых колебаний на микрофон передатчика; соответственно изменяется амплитуда или частота радиоволн. Управление колебаниями передатчика при помощи микрофона называется модуляцией. 1 Устройство электродинамического микрофона показано на рис. 2.3. В микрофоне есть постоянный магнит, имеющий форму стакана с сердечником в средней части. В. зазоре между полюсами магнита создается сильное магнитное поле, в котором помещается легкая катушка, жестко скрепленная с алюминиевой мембраной. При действии на мембрану звуковых волн она -колеблется с частотой, равной частоте этих волн, и амплитудой, пропорциональной силе звука. Мембрана приводит в движение катушку, витки которой пересекают, магнитное поле. Вследствие этого в витках катушки индуктируется переменная э. д. с., по частоте совпадающая с частотой звука, а по амплитуде - пропорциональная его силе. Для увеличения индуктируемой э. д. с. служит специальный ламповый усилитель. Радиоприемник служит для приема радиоволн, излученных в пространство передающей системой. 15 Процесс радиоприема происходит следующим образом. Радиоволны, распространяясь в пространстве, пересекают встречающуюся на их пути антенну приемника. В антенне наводится переменная электродвижущая сила (э. д. с.) высокой частоты. Эта э. д. с. создает в приемнике ток, изменяющийся по тому же закону, что и ток в антенне передатчика. Так как к антенне приемника приходит только очень незначительная доля энергии электромагнитных волн, которую излучает передатчик, то наводимая в антенне приемника э. д. с. составляет всего миллионные доли вольта. Разумеется, такая э. д. с. недостаточна для того, чтобы заставить звучать телефоны или сработать другое устройство, при помощи которого могут быть услышаны посылаемые от передатчика сигналы. Поэтому в приемнике происходит прежде всего усиление приходящих сигналов. Оно осуществляется при помощи электронных ламп. Очень важным свойством приемника является его избирательность. Это свойство заключается в том, что приемник усиливает колебания только той передающей станции, частота которой совпадает с частотой, на которую настроен приемник. Избирательность приемника имеет весьма существенное значение, так как в антенне приемника наводятся э. д. с. от радиоволн очень многих радиостанций, и если бы приемник не обладал избирательностью, то одновременно были* бы слышны все эти радиостанции. Прием передачи корреспондента был бы практически невозможен из-за больших помех. Избирательность приемника1 достигается путем настройки колебательных цепей приемника в резонанс с колебаниями того передатчика, радиоволны которого подлежат приему. Благодаря такой настройке приемника слышимость корреспондента возрастает, а мешающие действия передатчиков, работающих на других волнах, ослабляются. Чтобы принятые сигналы высокой частоты могли быть услышаны в телефонах, нужно преобразовать их в колебания низкой частоты, соответствующие передаваемым телеграфным или телефонным с-игналам. Это необходимо потому, что человеческое ухо не воспринимает колебаний, частота .которых превышает 10-15 тысяч герц. Для преобразования энергии токов высокой частоты в энергию токов низкой (звуковой) частоты в приемнике имеется специальное устройство - детектор. Выделенные после детектирования токи звуковой частоты подвергаются дополнительному усилению и поступают в телефоны приемника или громкоговоритель, в которых слышны либо звуки телеграфной азбуки, либо передаваемая речь. Телефон и громкоговоритель. Рассмотрим устройство наиболее распространенного электромагнитного телефона. В корпусе /С (рис. 2.4, а) телефона, изготовленном из металла или пластмассы, находится постоянный стальной магнит М с полюсными наконечниками из мягкой стали, на кото- 16 рые насажены электромагнитные катушки ЭК, с большим числом витков тонкого провода. Сопротивление катушек бывает от нескольких сотен до нескольких тысяч ом. На корпусе /С лежит тонкая жестяная мембрана ЖМ. Между мембраной и полюсными наконечниками имеется небольшой воздушный зазор. Мембрана прижимается по краям к корпусу навинчивающейся крышкой А, имеющей в центре отверстие. Телефон преобразует энергию переменного ток*а в энергию звуковых волн. Если в катушках телефона нет тока, то под ЖМ *"t Рис. 2.4. Устройство телефона и принцип его работы влиянием постоянного магнита мембрана притягивается к полюсам и несколько прогибается (рис. 2.4,6). Когда в катушках проходит переменный ток, сила притяжения постоянного магнита все время меняется. Положительная полуволна переменного тока усиливает магнит, так как создает в полюсных наконечниках магнитное поле, складывающееся с полем постоянного магнита, и мембрана прогибается сильнее. Отрицательная полуволна переменного тока создает магнитное поле, противоположное по направлению полю постоянного магнита; получается ослабление магнита, и мембрана отходит. В результате мембрана колеблется в обе стороны от первоначального положения с частотой переменного тока, проходящего по катушкам телефона. В воздухе возникает звуковая волна, и ухо, к которому приложен телефон, слышит звук. Если бы в телефоне не было постоянного магнита, колебания мембраны были бы значительно слабее и, кроме, того, каждая полуволна переменного тока вызывала бы притяжение мембраны к электромагниту. Она отклонялась бы от положения равновесия только в одну сторону, и частота звука стала бы удвоенной. Постоянный магнит увеличивает чувствительность-телефона и устраняет удвоение частоты звука. Все же телефон создает значительные частотные и нелинейные искажения. Громкоговоритель, так же как и телефон, служит для преобразования энергии переменного тока низкой частоты в энергию звуковых волн. Телефон дает звук очень малой мощности, так как его мембрана может колебаться лишь с весьма небольшой амплитудой и, кроме того, сама мембрана имеет ма- 2-261 17 лые размеры. Если подвести к телефону значительное напряжение низкой частоты, то он будет сильно искажать звук и дребезжать. Необходимость получения более мощных звуковых колебаний заставляет применять громкоговорители, конструкции которых значительно отличаются от конструкции телефона. Хороший громкоговоритель должен не только давать звуковые колебания достаточной мощности, но и равномерно воспроизводить звуки различной частоты. Последнее качество в громкоговорителях а Рис. 2.5. Устройство электродинамического громкоговорителя и и его детали: а - разрез громкоговорителя; б - постоянный магнит М; в - центрирующая шайба ЦШ; г - диффузор Д со звуковой катушкой ЗК получить трудно. Все они воспроизводят звуки одних частот лучше, других хуже, а звуки некоторых частот совсем не воспроизводят. По устройству громкоговорители разделяются на диффу-зорные и рупорные. В диффузориых громкоговорителях звук передается в воздух диффузором, представляющим собой большую мембрану конической формы из бумаги. Механизм громкоговорителя соединен с диффузором и заставляет последний колебаться. В рупорных громкоговорителях, так же как и fi граммофонах или духовых музыкальных инструментах, звук передается от мембраны с помощью рупора. Рупорный громкоговоритель обладает сильно направленным действием и используется главным образом при радиофикации улиц, площадей, стадионов и в звуковом кино. В радиоприемниках применяются почти исключительно диффузорные громкоговорители. Наибольшее распространение получили электродинамические громкоговорители, называемые сокращенно динамиками. 18 На рис. 2.5 показано устройство электродинамического гром-кбговорителя. В динамике имеется сильный постоянный магнит М с магнитной цепью в виде буквы Ш. Около одного конца его центрального стержня имеется зазор, в котором помещена легкая звуковая катушка 3/С. В звуковую катушку поступает ток низкой частоты и благодаря взаимодействию переменного магнитного поля этой катушки с постоянным полем магнита возникают колебания катушки вдоль зазора. Чтобы звуковая катушка была расположена точно в середине зазора и не касалась стенок магнита, применяют специальную центрирующую шайбу ЦШ. Шайба изготовляется из гибкого материала и имеет фигурные вырезы, увеличивающие ее гибкость. Края шайбы приклеены к краям каркаса звуковой катушки, а своей серединой шайба укрепляется на центральном стержне магнита так, чтобы центры стержня и шайбы совпадали совершенно точно. К каркасу звуковой катушки приклеен конусный диффузор Д из бумаги, края которого имеют гибкое крепление к кольцевому корпусу динамика. Звуковая катушка имеет обычно малое сопротивление, и, таким образом, динамик является низкоомным громкоговорителем. Поэтому динамики всегда присоединяют к приемнику, усилителю или трансляционной сети через понижающий трансформатор с большим числом витков первичной обмотки. Тогда для токов звуковой частоты сопротивление первичной обмотки получается порядка нескольких тысяч ом. Трансформатор часто устанавливается на корпусе динамика. Существуют также динамики с подмагничиванием (возбуждением). Вместо постоянного магнита они имеют электромагнит. На его центральном стержне укреплена катушка подмаг-ничивания (возбуждения) г через которую пропускается постоянный ток. В приемниках с питанием от сети эта катушка питается от выпрямителя. Иногда обмотку возбуждения используют в качестве фильтрового дросселя выпрямителя приемника. 8* ГЛАВА 3 КОЛЕБАТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ СВОБОДНЫЕ КОЛЕБАНИЯ В КОНТУРЕ В радиотехнике колебательный контур является основным элементом, обеспечивающим получение электромагнитных колебаний высокой частоты. Колебательным контуром называется электрическая цепь, состоящая из катушки индуктивности и конденсатора и обладающая малым активным сопротивлением (рис. 3.1). Чтобы понять, как в таком контуре могут возникнуть колебания, поступим следующим образом: первоначально зарядим конденсатор от батареи, а'затем отключим батарею и вместо нее к обкладкам конденсатора присоеди-Рис. 3.1. Колебатель- ним концы катушки индуктивности. ' ный контур: При подключении конденсатора к бата- С - конденсатор; L- рее на его обкЛЗДКЗХ ПОД ДеЙСТВИбМ Э. Д. С. "а-^ктаивноедуксопротив: появляются электрические заряды, которые ление контура сТреМЯТСЯ ПрИТЯНуТЬСЯ Друг К Другу. Но так как между пластинами конденсатора находится диэлектрик и пластины не соединены между собой проводником, то заряды остаются неподвижными. Между пластинами конденсатора образуется напряжение (рис. 3.2,а), равное э. д. с. батареи. В это время конденсатор обладает некоторым запасом электрической энергии, заставляющим заряды притягиваться друг к другу. В момент присоединения к конденсатору катушки индуктивности пластины оказываются соединенными между собой проводом катушки. Поэтому под действием взаимного притяжения заряды начинают переходить с одной обкладки конденсатора на другую. В катушке появляется электрический ток, что сопровождается возникновением магнитного поля и образованием э. д. с. самоиндукции. Эта э. д. с. препятствует увеличению тока, разряжающего конденсатор. В результате ток разряда нарастает не мгновенно, конденсатор разряжается замедленно, напряжение на нем уменьшается постепенно. 20 Разряжаясь, конденсатор отдает запасенную ранее электрическую энергию движущимся зарядам. Заряды приобретают скорость движения тем большую, чем больше энергии отдает конденсатор. В момент, когда конденсатор разрядится полностью, т. е. напряжение на нем станет равным нулю, вся энергия будет отдана движущимся зарядам, скорость их движения бу- Рис. 3.2. Получение колебаний в контуре: а - конденсатор заряжен от батареи; б - конденсатор разрядился на катушку; в - конденсатор перезарядился до напряжения обратного знака; г - конденсатор вновь разрядился на катушку; д - конденсатор зарядился до напряжения того же знака, Что и в начале процесса; а\ - б\ и в\ - г\ - конденсатор разряжается на катушку; 6\ *- "1 и Si - д\ - ток в катушке контура, постепенно убывая, заряжает конденсатор: - - ток в контуре; t- время; Т - период колебаний дет наибольшей. Поэтому количество зарядов, движущихся через поперечное сечение провода катушки в одну секунду, т. е. электрический ток, достигнет в этот момент наибольшей величины. Электрическое поле конденсатора исчезнет, вместо него вокруг провода с током появится магнитное поле, энергия которого в этот момент станет равной энергии, содержавшейся в электрическом поле. Так как напряжение между пластинами конденсатора стало равным нулю (рис. 3.2,6), оно не может поддерживать тока в катушке. Тем не менее заряды не могут мгновенно прекратить движение. Происходит это потому, что уменьшение скорости движения зарядов приводит к уменьшению величины тока, а следовательно, к уменьшению магнитного потока и заключенной в магнитном поле энергии. Однако энергия исчезнуть не 21 может, поэтому уменьшение магнитного потока сопровождается появлением в проводе э. д. с. самоиндукции, которая теперь препятствует уменьшению тока и поддерживает его в прежнем направлении. Таким образом, после разряда конденсатора ток в контуре не исчезает мгновенно, а уменьшается постепенно, протекая в прежнем направлении и поэтому вновь заряжая конденсатор. Конденсатор заряжается до тех пор, пока вся энергия магнитного поля не израсходуется на поддержание .тока, т. е. пока ток в катушке контура не прекратится. На зажимах конденсатора снова появится напряжение, но уже противоположное по знаку напряжению, существовавшему в начале процесса (рис. 3.2,в), хотя и равное ему по величине. Образовавшееся на конденсаторе напряжение снова создает ток разряда, который еще раз перезарядит конденсатор до напряжения того же знака, что и в начале процесса (рис. 3.2, д). Этим завершается полный цикл изменения напряжения и тока в контуре; их величина и знак будут те же, что и первоначально. Говорят, что совершилось одно колебание напряжения ,и тока (или электрического и магнитного полей). Далее весь процесс колебаний будет повторяться. Таким образом, в контуре возникает переменный по величине и направлению электрический ток и происходят колебания энергии: энергия электрического поля конденсатора переходит в энергию магнитного поля катушки и обратно. Эти колебания происходят без воздействия внешней силы и поэтому являются свободными, или собственными, колебаниями контура. Следовательно, для получения переменного тока в контуре достаточно сообщить контуру некоторый запас энергии. Период и частота колебаний. Время, за которое совершается одно полное колебание, называется периодом колебаний. Оно обозначается буквой Т. Период измеряется секундами и долями секунды (миллисекунды, • микросекунды, наносекунды) 1. • . Число колебаний в секунду называется частотой колебаний. Она обозначается буквами F и / и измеряется герцами (периодами в секунду), . килогерцами, мегагерцами2. Большой буквой F обозначаются обычно низкие частоты, величина которых не превышает 20-30 кгц; малой буквой / обозначаются частоты выше 20-30 кгц. • Из объяснения процесса свободных колебаний в контуре следует, что длительность каждого колебания определяется быстротой разряда и заряда конденсатора. Поэтому, если индуктивность катушки контура большая, то возникающая в ней 1 сек=-103 мсек (миллисекунд) **1№~мксек (микросекунд) = 10- нсек (на" ею 2' 22 носекунд). 2 1 кгц (килогерц) 10-=3 гц (герц); 1 Шц (мегагерц) -103 кгц=№ щ. э. д. с. самоиндукции при разряде конденсатора окажется тоже большой, и конденсатор будет разряжаться медленно. Совершенно так же при заряде конденсатора большая э. д. с. самоиндукции будет препятствовать быстрому уменьшению тока и время заряда конденсатора будет большим. Таким образом, чем больше индуктивность катушки контура, тем больше период его собственных колебаний, а следовательно, меньше частота колебаний возникающего в контуре переменного тока. '-'-Увеличение емкости конденсатора также приводит к возрастанию периода и уменьшению частоты собственных колебаний. Происходит это потому, что при заряде конденсатора большой емкости для увеличения напряжения "а "ем на один вольт требуется гораздо большее число электрических зарядов, чем цри заряде конденсатора меньшей емкости. Величина заряда q, необходимая для увеличения напряжения на U вольт, пропорциональна емкости конденсатора С: ' q = CL/. Вследствие этого конденсатор большой емкости заряжается и разряжается медленнее, чем конденсатор малой емкости. Период колебаний переменного ^тока в контуре с конденсатором большой емкости будет поэтому всегда больше, а частота тока соответственно меньше, чем в контуре с конденсатором малой емкости. Зависимость частоты колебаний переменного тока свободных колебаний / от индуктивности катушки I и емкости конденсатора С выражается формулой f=-L- 7 6,28 J/ZC' в которой / получается в герцах, a L и С подставляются в генри и фарадах, соответственно. Из приведенной формулы следует, что катушки радиостанций, работающих на очень высоких частотах, должны иметь малую индуктивность, т. е. небольшое число витков. Емкость конденсаторов контуров этих радиостанций также должна быть малой. Наоборот, катушки радиостанций, работающих на более низких частотах, должны иметь большое число витков и большие размеры. Частота свободных колебаний, возникающих в контуре, ча-ето называется собственной частотой контура и обозначается /о- Добротность контура. Свободные электрические колебания, возникающие в контуре, существуют лишь до тех пор, пока в контуре сохраняется некоторый запас энергии, т. е. они постепенно прекращаются, затухают. Это объясняется тем, что протекающий в контуре ток нагревает провода катушки, материал 23 каркаса, сердечники катушки и материал изолятора между пластинами конденсатора. На это расходуется часть энергии движущихся зарядов. Поэтому количество энергии в контуре с каждым колебанием становится все меньше и меньше. Амплитуды тока и напряжения в контуре постепенно уменьшаются и в конце концов становятся равными нулю. Скорость затухания колебаний (убывания энергии) определяется потерями на нагревание деталей контура, которые учи- /Т\-- -Ж--. ! ^^-^' L. •--" * '^T^-~t т d Рис. 3.3. Зависимость скорости затухания колебаний от величины активного сопротивления контура: а - в контуре с малым активным сопротивлением (хороший контуру" б - в контуре с большим активным сопротивлением (плохой контур) тываются так называемым активным сопротивлением. Чем больше активное сопротивление, тем быстрее прекращаются колебания в контуре. Вид затухающих колебаний для двух контуров с разным активным сопротивлением показан на рис. 3.3. За три колебания в контуре с малым активным сопротивлением' (рис. 3.3, а) амплитуда осталась практически без изменений, в контуре же с большими потерями (рис. 3.3, б) за это же время она уменьшилась в несколько раз. Продолжительность существования свободных колебаний в контуре определяется его добротностью. Под добротностью контура понимают отношение реактивного (индуктивного XL или емкостного Хс) сопротивления контура на частоте собственных колебаний /0 к активному сопротивлению R на той же ча- 24 стоте. Добротность контура обозначается буквой Q и определяется по одной из формул: XL _ 6,28/0г ъ__хс_ 1 Ч - -R- -к или 4 - -R - 6,28/0СД' где /о выражается в герцах, L и С - в генри и фарадах, a R - в омах. Контур с высокой добротностью создает колебания, амплитуда которых убывает очень медленно (рис. 3,3а). Эти колебания существуют долго, и потому такой контур более пригоден для получения колебаний высокой частоты. Контур с низкой добротностью создает быстро затухающие колебания (рис. 3.3, б) и поэтому менее пригоден для указанных целей. Вот почему при изготовлении радиотехнических контуров всячески стремятся уменьшить потери энергии. Современные контуры хорошего качества имеют Q=100-7- 200. У контуров среднего качества Q равно нескольким десяткам. ВЫНУЖДЕННЫЕ КОЛЕБАНИЯ В КОНТУРЕ Для радиосвязи затухающие колебания, возникающие даже в контуре с очень большой добротностью, не годятся. Нужно, чтобы в контуре колебания не затухали в течение весьма продолжительного времени, определяемого длительностью передаваемого и принимаемого сообщения. Этого можно добиться, если периодически добавлять энергию в контур и тем самым компенсировать в нем потери энергии. Иначе говоря, колебания в контуре должны совершаться не за счет первоначального запаса энергии заряженного конденсатора, как это происходит при свободных колебаниях, а под непрерывным воздействием внешней силы, т. е. колебания должны быть вынужденными. Для получения вынужденных колебаний к ко"тур у необходимо подключить источник переменной э. д. с. высокой частоты. Источник подключается либо последовательно с катушкой и конденсатором контура (рис. 3.4,а), либо параллельно (рис, 3.4,6). * При включенном источнике конденсатор контура периодически заряжается и разряжается с частотой изменения э. д. с. источника. Совершенно так же под действием э. д. с. источника возникает и прекращается ток в катушке контура. В результате в контуре при каждом изменении заряда конденсатора или тока катушки возникает ток свободных колебаний. Частота его определяется только величинами индуктивности и емкости контура и поэтому не всегда равна частоте тока источника. Если эти частоты не равны друг другу, то возникающие свободные колебания не поддерживаются током источника и быстро затухают; в контуре получается лишь небольшой ток. Если эти 25 частоты равны, то ток свободных колебаний поддерживается и даже усиливается за счет тока источника э. д. с.; при этом ток в контуре достигает наибольшей величины. ^Таким образом, колебания, возникающие в контуре под действием источника переменного тока (вынужденные колебания), отличаются от свободных колебаний следующими свойствами: они не затухают; частота их определяется только ча- а Рис. 3.4. Способы создания вынужденных колебаний в в контуре: а - включение источника переменной э. д. с. внутрь контура последовательно с катушкой и конденсатором; б - включение источника переменной э. д. с. параллельно катушке и конденсатору стотой э. д. с. внешнего источника и совершенно не зависит от величин индуктивности и емкости контура; их амплитуда зависит не только от э. д. с. источника, но и от соотношения между частотой источника и собственной частотой контура. Чем ближе частота э. д, с. источника к собственной частоте контура, тем больще амплитуда вынужденных колебаний. РЕЗОНАНС Для радиотехники особый интерес представляет случай, когда частота э. д. с. источника и собственная частота контура равны между собой. В-этом случае амплитуда колебаний резко возрастает. Это явление называется резонансом. При резонансе ток в контуре достигает наибольшей величины, мощность колебаний во много раз превышает мощности^ отдаваемую источником внешней э. д. с. Частоту колебаний э. д. с. внешнего источника, при которой наступает резонанс, обычно называют резонансной частотой и обозначают /рез. Она, как следует из условия возникновения резонанса, всегда равна собственной частоте контура. Практически явление резонанса можно получить двумя способами: изменением частоты э. д. с. внешнего источника при неизменной частоте собственных колебаний контура и изменением частоты собственных колебаний контура при неизменной 26 частоте э. д. с. внешнего источника. В первом случае необходимо, подключив источник э. д. с. к контуру, плавно изменять частоту колебаний источника, следя за величиной тока в контуре. По мере приближения к резонансу ток в контуре будет увеличиваться, в момент резонанса он достигнет наибольшей величины, а при дальнейшем изменении частоты начнет уменьшаться. График изменения тока в контуре при перестройке источника э. д. с. показан на рис. 3.5. О Рис. 3.5. Резонансная кривая контура: /-амплитуда тока в контуре; /-частота переменной э. д. с. источника, включенного в контур; /раз- резонансная частота колебаний контура; А, /2> /-, /4 - значения амплитуд тока в контуре при различных частотах переменной э. д. с. источника Л" Л" /з> Л Для получения резонанса вторым способом придется изменять либо индуктивность, либо емкость контура, либо и то и другое вместе, чтобы собственная частота колебаний контура стала равной частоте э. д. с. внешнего источника. Как и в первом случае, по мере приближения к резонансу ток в контуре начнет увеличиваться, в момент резонанса достигнет наибольшей величины, а по мере удаления от резонанса будет уменьшаться. Показанный на рис. 3.5 график изменения тока в контуре вблизи резонанса носит название резонансной кривой. Из резонансной кривой видно, что, хотя величина э. д. с. источника остается неизменной при изменении частоты, величина тока, возникающего в контуре, получается различной для разных частот. Следовательно, при воздействии на контур одновременно нескольких переменных э. д. с. в нем появится большой ток лишь той э. д. с., частота которой равна частоте собственных колебаний контура. Токи других э. д. с., частоты которых отличаются от резонансной, будут очень малыми. Это 27 свойство контура называется избирательностью к колебаниям различных частот; из многих колебаний различных частот наибольшей силы в контуре достигают колебания только одной резонансной частоты. Чем выше добротность контура, тем более острый вид имеет его резонансная кривая. На рис. 3.6 показаны резонансные кривые контуров высокой и низкой добротности. Из рисунка видно, что при более острой резонансной кривой различие величин то- I 'рез Рис. 3.6. Резонансные кривые - контуров различного качества: / - контуры высокого качества; 2 - контуры низкого качества; /рез1 и /рез2 - амплитуды тока в контурэх при резонансе ков разных частот вблизи резонанса получается более сильным, поэтому такой контур обладает хорошей избирательностью. Если бы в приемнике был контур с тупой резонансной кривой, то наряду с сигналами от принимаемой радиостанции были бы-слышны сигналы и от других радиостанций. Поэтому в радиотехнике применяют, как правило, контуры с острой резонансной кривой.. , В зависимости от схемы подключения источника э. д. с. к контуру различают два вида резонанса: напряжений и токов. Резонанс напряжений. Резонанс напряжений получается в тех случаях, когда источник внешней э. д. с. включен внутрь контура (рис. 3.4,а),- т. е. соединен последовательно с катушкой индуктивности и конденсатором контура. Из электротехники известно, что при таком включении (напряжение источника уравновешивается суммой трех напряжений: э. д. с. самоиндукции, .возникающей между концами кату и! ки L, напряжением между пластинами конденсатора С и падением напряжения на активном сопротивлении R. Выше уже говорилось; что в контуре совершается преобразование электрической энергии, запасенной конденсатором, в энергию магнитного поля, охватывающего катушку, и обратно. Причем когда конденсатор оказывается заряженным, то его разряду через 28 катушку препятствует напряжение, существующее на концах катушки. Следовательно, напряжение на катушке оказывается в этом случае включенным навстречу напряжению на конденсаторе. Аналогичное явление происходит и при перезаряде конденсатора. Э. д. с. самоиндукции заставляет двигаться электрические заряды на пластины разряженного конденсатора, но возникающее на пластинах напряжение препятствует притоку зарядов на конденсатор. Таким образом, напряжения, образующиеся на катушке и конденсаторе колебательного контура, всегда действуют навстречу друг другу. При свободных колебаниях в контуре практически вся энергия из конденсатора переходит в катушку и обратно. Поэтому напряжения на конденсаторе и катушке всегда равны по величине друг другу. При вынужденных колебаниях катушка и конденсатор могут запасать разное количество энергии. Поэтому напряжения на них будут разной величины. В случае же резонанса эти напряжения, как и при свободных колебаниях, становятся одинаковыми. Так как напряжения на катушке и конденсаторе действуют навстречу друг другу, то в схеме (рис. 3.4, а) противодействовать э. д. с. источника будет только их разность. При резонансе напряжений напряжения на катушке и конденсаторе равны, а поэтому полностью компенсируют друг друга и не влияют на величину тока, создаваемого источником внешней э. д. с. Величина этого тока определяется лишь величиной активного сопротивления контура, т. е. оказывается очень большой. Вблизи резонанса (при частоте источника э. д. с., близкой к резонансной) напряжения на катушке и конденсаторе окажутся различной величины и уже не будут компенсировать полностью друг друга. Разность этих напряжений будет препятствовать протеканию тока от источника э. д. с., и ток в контуре будет меньше, чем при резонансе. При возрастании тока в контуре в момент резонанса напряжения на катушке и конденсаторе становятся наибольшими и в Q раз (Q - добротность контура) превышают напряжение внешнего источника. В этом заключается важнейшая особенность резонанса напряжений, благодаря которой он широко используется в радиотехнике. Так, например, используя резонанс напряжений во входных контурах приемника, получают усиление слабого сигнала, воздействующего на приемную антенну. Резонанс токов. Резонанс токов наблюдается в тех случаях, когда источник внешней э. д. с. подключен параллельно катушке индуктивности и конденсатору контура (рис. 3.4, б) и, таким образом, находится вне контура. Раньше уже было сказано, что при свободных колебаниях в контуре энергия конденсатора полностью переходит в энергию магнитного поля катушки и обратно. Если при этом нет потерь 29 энергии, то амплитуды напряжений на катушке и конденсаторе остаются неизменными. Если же потери есть, то амплитуда -напряжения с течением времени убывает. Когда параллельно контуру включен источник внешней э. д. с., имеющий частоту, равную частоте собственных колебаний контура, уменьшение амплитуды напряжения собственных колебаний вызывает появление тока в цепи от источника э. д. с. к контуру, компенсирующего потери энергии в контуре. Естественно, что если кон- Усточнцн з.д.с. и=е-{Д{ 'Рис. 3.7. Распределение напряжения между контуром и внутренним сопротивлением источника э. д. с. при резонансе токов: е - э. д. с. источника; /?^ - внутреннее сопротивленце источника э. д. с.; / - ток, потребляемый контуром от источника э. д. С.; U- напряжение на выводах источника, равное напряжению на контуре тур имеет высокую добротность, то ток источника будет небольшим; при контуре низкого качества ток увеличится. , Если к моменту подключения источника э. д. с. в контуре не было свободных колебаний, то под действием внешней э. д. с. они немедленно возникают. При этом, если частота внешней э. д. с. равна частоте собственных колебаний, возникающие в контуре колебания достигают постепенно очень большой величины. Величина тока в контуре будет намного больше тока, протекающего от источника э. д. с. Ток в контуре становится в Q раз больше, чем ток источника. Следовательно, если при резонансе напряжений ток источника наибольший, то при резонансе токов ток источника наименьший. Это равноценно тому, что при резонансе токов сопротивление контура току внешней э. д. с, становится в Q раз больше, чем сопротивление катушки (или конденсатора, так как при резонансе их сопротивления равны). Вблизи резонанса токов, когда частота источника внешней э. д. с. немного отличается от резонансной, энергия, запасаемая электрическим полем конденсатора, окажется больше или меньше энергии, запасаемой магнитным полем катушки. Поэтому при колебаниях в контуре часть этой энергии будет перио- 30 Приемный контур f дически to отдаваться источнику внешней э. д. с., то отбираться от него; ток, протекающий от источника, будет больше, чём при резонансе. Чем сильнее отличается частота внешней э. д. с. от резонансной, тем больше величина тока внешнего источника. Следовательно, резонанс токов можно обнаружить не только по увеличению тока в контуре, но и по уменьшению тока источника внешней э. д. с. В радиотехнических схемах, использующих в качестве источника внешней э. д. с. электронные лампы, резонанс токов сопровождается, как правило, и увеличением напря-•жения на контуре. Объясняется это тем, что электронная лампа (источник э. д. с.) обладает внутренним сопротивлением Ri, которое в десятки, а иногда и в сотни раз превышает сопротивление контура в момент резонанса токов. Вследствие этого происходит распределение напряжения источника между контуром и внутренним сопротивлением (рис. 3.7). Если ток источника имеет большую величину (резонанса нет), то и падение напряжения на внутреннем сопротивлении Rt будет большим и на контуре оказывается лишь небольшая часть э. д. с. источника. В момент же резонанса ток источника резко уменьшается. Падение напряжения на сопротивлении Ri также уменьшается, а" напряжение на контуре возрастает. Поэтому в таких схемах резонанс токов проявляется и в резком увеличении напряжения на контуре. Использование резонанса в радиотехнике. Резонансные свойства контура широко используются в радиотехнике. Рассмотрению способов использования резонанса фактически и посвящены основные главы настоящей книги. Здесь же рассмотрим в качестве примера использование резонанса для усиления и выделения радиосигнала входными контурами приемника. Обычно антенна радиоприемника включается по схеме, изображенной на рис. 3.8, а. Приходящие к антенне радиоволны создают в ней э. д. с. Е, которая вызывает переменный ток. Так как в антенну 31 Рис. 3.8. Связь антенны с приемным контуром: а - схема связи; б - устройство трансформатора высокой частоты включена катушка LA, то протекающий по ней ток антенны образует вокруг ее витков переменное магнитное поле, силовые линии которого пересекают витки катушки L приемного контура. Вследствие этого в катушке контура L индуктируется переменная э. д. с., имеющая частоту, равную частоте приходящего сигнала. В приемном контуре образуется переменный / Рис. 3.9. Резонансная кривая контура и параметры, характеризующие избирательность контура: полоса пропускания и полоса мешания ток и напряжение. Катушки LA и L обычно наматываются на одном каркасе (рис. 3.8,6). Если частоту собственных колебаний приемного контура сделать равной частоте принимаемого сигнала, то в контуре возникнет резонанс и ток в нем достигнет наибольшей величины, превысив величину тока в антенне. Поэтому напряжение на конденсаторе приемного контура окажется также наибольшим и будет во много раз превышать э. д. с., наведенную в антенне. Таким образом, получится усиление сигнала за счет резонанса напряжений. Одновременно все мешающие сигналы иных ~частот будут создавать в контуре весьма слабые колебания, так как для них не выполняется условие резонанса. Поэтому, настроив контур в резонанс, т. е. подобрав частоту собственных колебаний контура равной частоте принимаемых сигналов, получаем не только усиление нужного сигнала, но и выделение его -- отстройку от мешающих радиостанций. На качество отстройки влияет острота резонансной кривой 32 контура. Чем острее резонансная кривая, тем лучше получается отстройка, так как разность между током резонансной частоты и током мешающей станции будет большая. Поэтому для повышения избирательности приемников, как правило, применяют не один, а несколько контуров, связанных между собой. Резонансная характеристика такого устройства получается гораздо более острой, чем резонансная характеристика одного контура. Ж Ж 8< & о 1 "Is- |Г о 0 р 7 * '§ - g _г 7" 1 X 1 7 L -•-• ^ С,- ? С| о о . 1 '] i 9 , Г 1.1 i to 6jg\/LC -*1"лиЩ' f°2~6.Z8VL(C,+C,j ""'• ff^J С,С1 оХб vi -J-*. т г ' С,*С, ?>", ?> i ^~ -Л1" •с ч 3 О -• 0 /^^ LJ --С > о о \^*N гс > 8" о i - - i ^ __ _ i . с > 0 0 1^^ • р "с в 7 7 р*. т ", Г •" " С ""2 1 с > > > > ч. 1 т-^,.. г' f°~6.Z8VLC' [o2'6,ZSV(L^L3)t'fo) ? " 6,28\/ЦС /"' ' 6,Z8VL,(C+C,j ' f°z *6,гМ1.г(Мд Ж Ж J С% О1 L S1 / - 7 о V о !°t -i С / ^2 *•/ о -§ 7 i ??8 с 8 о о ^ or ;о __ ^ о /z = R- Тс, 7' "' J. i Т. Г . / п / ' ка источника внешней ?г э. д. с. (частоте усиливае-" мого сигнала). виды связи КОНТУРОВ Общее магнитное поле Рис. 3.11. Схема трансформаторной связи контуров Наиболее распространенным видом связи контуров является связь через '% общее для обоих контуров магнитное поле (рис. 3.11). Возникающий в первом контуре ток создает вокруг катушки L\ переменное магнитное поле, силовые линии которого охватывают и витки катушки L2 второго контура. Вслед-7 ствие этого в катушке L2 индуктируется переменная э. д. с. и во в'тором контуре возникает переменный ток. Такой вид связи через общее магнитное поле носит название трансформаторной связи. Величина связи контуров регулируется сближением или удалением катушек друг от друга. При приближении одной катушки к другой большая часть магнитного поля первой катушки охватывает большее число витков катушки второго контура. В результате э. д. с., индуктируемая в катушке второго контура, будет больше и связь контуров станет сильнее - большее количество энергии будет передаваться из первого контура во второй. Совершенно очевидно, что и. ток второго контура при этом будет индуктировать в катушке первого контура также большую э. д. с. Для уменьшения связи катушки друг от друга отодвигают. При этом силовые линии магнитного поля катушки одного контура будут пересекать меньшее число витков катушки другого контура, индуктируемые э. д. с. станут меньше и количество энергии, передаваемой из контура в контур, уменьшится. 34 Разновидностью трансформаторной связи является автотрансформаторная связь (рис. 3.12), при которой часть витков катушки первого контура служит и частью витков .катушки второго контура. Поэтому падение напряжения ?/св, создаваемое током первого контура на общей части витков ка- 1-и контур 2-й контур *•>? С2" gj сЯ fi. 0 1 <Э t- Ч>8 •• I. ° 0 1 с 1 ° '1 о о Uce *2 о 1 ~ ) ° 1 *^3 1-й контур jce НЬ 2-й контур Тон Рис. 3.12. Схема автотрансформаторной связи контуров Рис. 3.13. Схема емкостной / связи контуров 0 х- ч'С, 1 JC2 / --- 0 [ , ] LL . ---- fj р ' N т т г - N О 1 ° О 1 0 ! о §-" j_ 1 о СсвТ' ^{С8 Р - ; 1 J - i ° L2o 0 о тушки, вызывает появление тока во втором контуре. Следовательно, чем больше витков катушки первого контура будут общими и для второго, тем сильнее будет связь контуров и тем больше энергии переменного тока будет передаваться-из одного контура в другой. . > Кроме трансформаторнойх./-й контур 2-й контур и автотрансформаторной свя-х зи, применяется емкостная связь контуров, схема которой представлена на рис. 3.13. При этой связи переменное напряжение, существующее на первом контуре, вызывает ток через конденсатор связи Ссв и возбуждает колебания во втором контуре. При увеличении емкости конденсатора связи уменьшается его сопротивление и увеличивается протекающий во втором контуре ток. Связь между контурами усиливается. Уменьшение емкости конденсатора связи приводит к ослаблению связи. ; Другой вид схемы емкостной связи контуров - схема с конденсатором связи, включенным одновременно в оба контура (рис. 3.14). Ток первого контура, протекая через конденсатор связи Ссв, создает на нем падение напряжения UCB, под действием которого во втором контуре возникает ток. При увеличении емкости Сев в этом случае уменьшается величина емкостного сопротивления связи, уменьшается напряжение ?/св, а следовательно, и связь между контурами. При усилении связи между контурами количество энергии, передаваемой во второй контур, увеличивается, ток во втором 3* ,35 Рис. 3.14. Разновидность схемы .емкостной связи контуров (конденсатор связи включен одновременно в оба контура) контуре возрастает. Однако такая зависимость существует лишь до некоторого предела. При определенной величине связи ^получается наибольшая передача энергии и ток во втором контуре достигает максимального значения. Дальнейшее увеличе- 1-й нонтур 1-й нон/пур.. 3-й контур 4-й контур о , II Q 8*- Ссб ьв 0 0 S 8 = м mm •s Р о "г 7 ° с* S о о о о Г , j о Рис. 3.15. Схема четырехконтурного фильтра с трансформаторной и емкостной связью между контурами ние связи приводит к уменьшению тока во втором контуре. Величина связи, при которой осуществляется максимальная передача энергии во второй контур, называется оптимальной (наивыгоднейшей). Подбирать оптимальную связь радистам, как / Одиночный нонтир ДВухконМурный фильтр' ft "$ /- / Рис. 3.16. Резонансная кривая двухконтурного фильтра при настройке обоих контуров на одинаковую частоту правило, приходится при настройке передатчиков: настроив контуры передатчика и антенну, подбирают такую величину связи антенны с контуром передатчика, чтобы ток в антенне достиг наибольшей величины. Несколько связанных контуров образуют систему, которая называется фильтром. На рис. 3.15 показана схема четырех- 36 контурного фильтра, в котором применены трансформаторный и емкостный виды связи. Если два связанных контура, образующих фильтр, настроены на одну и ту же частоту, то резонансная характеристика фильтра (рис. 3.16) аналогична резонансной характеристике одиночного контура, только характеристика фильтра имеет более крутые склоны. Поясним это примером. Пусть в контуре индуктируются , одновременно э. д. с. трех частот: первой - резо- Фильтр 1-й контур 2-й митур fo, ^02 ,f Рис. 3.17. Резонансная кривая двухконтурного фильтра при настройке контуров на разные частоты ( . • нансной, второй - вблизи резонанса и третьей - далеко отстоящей от резонанса (рис. 3.16). Далее допустим, что э. д. с. второй частоты создает в контуре ток меньше резонансного в два раза, а третьей - в четыре раза. Таким образом, если второй контур фильтра имеет такую же резонансную характеристику, что и первый, то в нем также токи второй и третьей э. д. с. будут ослаблены по сравнению с первой в два и четыр.е раза соответственно. Таким образом, на выходе второго контура фильтра вторая э. д. с. будет уменьшена в четыре раза, а третья -• в 16 раз по сравнению с величиной э. д, с. резонансной частоты. Поэтому резонансная характеристика фильтра более крутая, чем характеристика одиночного контура. Если оба контура фильтра настроены на разные, но не сильно отличающиеся друг от друга частоты (рис, 3.17), то резонансная характеристика фильтра, наоборот, получается более тупой; полосы пропускаемых практически без ослабления колебаний получаются больше, чем у одиночного контура. Подбирая резонансные частоты контуров и величину связи между 37 ними, можно получить довольно хорошие характеристики фильтров, приближающиеся к показанной на рис. 3.18 идеальной П-образной характеристике. П-образная характеристика наиболее желательна в радиоприемных устройствах, так как фильтры, обладающие такой характеристикой, пропускают только небольшую полосу принимаемых частот и очень ослабляют сигналы таких частот, которые лежат за пределами полосы. _/?!?? ^ 0,7071 рез Полоса ,П-о6ра~зная характеристика идеального ооЬосоВого фильтра пропускания О,1! рез. Полосд мешаная .Характеристика много* контурного по по со -Во го фильтра 1оез 1 Рис. 3.18. Идеальная резонансная кривая полосового фильтра и резонансная кривая многоконтурного фильтра, приближающаяся к идеальной Фильтры, пропускающие сигналы только в определенной полосе частот, называются полосовыми. Настройка полосовых фильтров требует применения сложной радиотехнической аппаратуры, и поэтому перестраивать контуры в радиостанциях без такой аппаратуры не следует. ДЕТАЛИ КОЛЕБАТЕЛЬНЫХ КОНТУРОВ Катушки. Катушки колебательных контуров передатчиков конструктивно отличаются от катушек колебательных контуров радиоприемников. Отличие обусловлено различной мощностью колебаний. В передатчиках мощность колебаний измеряется единицами, десятками и сотнями ватт, в радиоприемниках она в большинстве случаев не превышает сотых, а то и тысячных долей ватта. Поэтому в колебательных контурах передатчиков протекают токи, измеряемые амперами и десятками ампер, а в контурах радиоприемников - токи, измеряемые тысячными долями ампера. Чтобы избежать значительных потерь энергии в контурах на нагревание проводов, катушки передатчиков изготавливают из проводов большого поперечного сечения. Катушки прием- 38 ников наматывают тонкими проводами, что позволяет уменьшить размеры радиоприемников. Применение проводов большого диаметра позволяет изготовлять катушки без каркаса или на ребристом каркасе. На рис. 3.19 показан внешний вид кадушек радиопередатчиков, которые применяются в радиостанциях небольшой мощности. Длинноволновые катушки имеют несколько десятков витков и со- Рис. 3.19. Катушки радиопередатчиков ответственно очень большие размеры, катушки коротких волн имеют всего несколько витков. В диапазоне ультракоротких волн катушка может быть образована даже одним неполным витком провода. Катушки радиоприемников (рис. 3.20) для уменьшения размеров аппаратуры изготовляют на каркасах малого диаметра. Поэтому количество вит- Спиральное ребро каркаса с осажденным ^таллом Рис. 3.20. Катушки радиоприемников (без сердечников): ,а - катушка диапазона коротких волн; б - катушка диапазона средних волн; в - катушка диапазона длинных волн; г - катушка диапазона коротких волн с обмоткой в виде металлического слоя, нанесенного на каркас из керамики ков у них, как правило, больше, чем у катушек передатчиков того же диапазона. Катушки длинных и средних волн делают чаще всего многослойными. От увеличения числа витков катушки возрастают потери энергии, а следовательно, снижается ее добротность. Катушки радиоприемников ультракоротких волн часто изготовляют без каркасов. На коротких волнах применяются, как правило, катушки на керамическом каркасе с однослойной намоткой витков или с покрытием поверхности каркаса посеребренной медью. Катушки с сердечником. Чтобы повысить добротность катушки радиоприемника, т. е. уменьшить число ее витков, сохранив величину индуктивности, применяют ферритовые сердечники с высоким коэффициентом магнитной проницаемости. Ферритами называются неметаллические магнитные материалы, обладающие малыми потерями на нагревание за счет токов Фуко даже на высоких частотах. Катушки с ферритовыми сердечниками показаны 39 на рис, 3.21. Они имеют добротность, равную 300-400, чем выгодно отличаются от катушек без сердечников. Для точной подгонки индуктивности катушек с ферритовым сердечником внутри них помещают подвижной стержень. Наибольшее распространение получили катушки с ферритовым сердечником броневого типа. Такой сердечник позволяет изготовлять катушки с наибольшей добротностью. Магнитное поле катушки с броневым сердечником практически не выходит за пределы сердечника и не оказывает влияния на соседние катушки; в то же время окружающие катушку магнитные поля также замыкаются через внешнюю часть сердечника и не индуктируют в проводах катушки э. Д. с. Чашка с внутренней резьбой для винта , Винт для подстройки Сердечник Чащна без резьбы ~06мотна 'Парнас ьОбмотлна Вид сверху - Отверстие -~ для выводов обмотки Шлиц для поворота винта с помощью .дт&ертнц 6 Рис. 3.21. Катушки радиоприемников с ферритовыми сердечниками: а - разрез катушки с подвижным сердечником; б - внешний вид и устройство катушки с ферритовым сердечником броневого типа Экранирование катушек. В катушках без сердечников приходится применять металлические экраны, устраняющие влияние как магнитных полей самой катушки на соседние с ней провода и катушки, так и окружающих магнитных полей на саму катушку. Экраном служит металлический стакан из алюминия или дюралюминия. Действие экрана заключается в том, что переменное магнитное поле катушки, пересекая' поверхность экрана, индуктирует в нем круговые электрические токи. Если экран изготовлен из материала с высокой проводимостью, то наведенные токи оказываются столь большими, что создаваемое ими магнитное поле по величине почти равняется магнитному полю, вызвавшему ток. Так как магнитное поле кругового тока имеет направление, противоположное направлению поля, пересекающего экран, то за пределами экрана суммарное поле почти полностью компенсируется. Таким образом, экран препятствует проникновению переменного магнитного поля наружу. Но экранирование увеличивает потери энергии за счет нагревания экрана круговыми токами. Поэтому для уменьшения потерь требуется, чтобы поле катушки, пересекающее поверхность экрана, было невелико, т. е. чтобы экран был достаточно далеко от витков катушки. Аналогичным образом экран защищает и саму катушку от влияния внешних переменных магнитных полей. Экраны описанного типа защищают катушки не только от переменных магнитных полей, но и от электрических. Между всем;и внешними предметами, окружающими катушку, и самой катушкой всегда существует электрическая- емкость. Поэтому если между двумя катушками' (рис. 3.22, а) возникает разность потенциалов, то через эту емкость течет электрический ток из одной катушки в другую. Если же поставлен экран (рис. 3.22,6), то между катушками емкости не образуются, они возникают между катушками и экраном. При возникновении разности потенциалов ток между катушками не 40 потечет. Он будет протекать только через поверхность экранирующего стакана. Вследствие этого дополнительной емкостной связи между катушками не появится. Конструкция фильтров. Конструктивное оформление нескольких типов фильтров, настроенных на определенную частоту, 'показано на рис. 3.23. У двухконтурного фильтра (рис. 3.23, а) катушки намотаны на общем каркасе. Связь между катушками индуктивная (трансформаторная). Для точной Той Экран а Ion нн- _ _--нк---_. S VX* --^ >Л Рис. 3.22. Влияние экрана на устранение емкостной связи между деталями, контуров подстройки Каждого контура внутрь катушек введен перемещающийся сердечник из феррита. На рис. 3.23,6 изображен фильтр, составленный из двух контуров с катушками, имеющими ферритовые сердечники броневого типа. Связь между контурами осуществляется за счет слабого магнитного поля, выходящего за пределы сердечника. На рис. 3.23, в показано устройство двухконтурного фильтра с ферритовыми сердечниками броневого типа, в котором для связи между контурами установлен специальный керамический под-строечный конденсатор. Фильтры (б и в) закрываются металлическим экраном из дюралюминия. Вариометры. Для настройки контуров в пределах одного поддиапозона радиостанции применяются катушки с плавно изменяющейся индуктивностью. Такие катушки называются вариометрами. Одна из конструкций вариометра представлена на рис. 3.24. Вариометр состоит из двух катушек, помещенных одна внутри другой. Внутреннюю катушку можно вращать при помощи специальной рукоятки, выведенной на панель радиостанции. Обмотки обеих катушек соединяются последовательно, и по ним протекает одинаковый ток. • При повороте внутренней катушки изменяется и ориентация ее магнитного поля относительно магнитного поля неподвижной катуийш. В двух крайних положениях поля катушек тбо совпадают, либо имеют противоположные направления. Поэтому общее "магнитное поле может быть или увеличено, или уменьшено и . соответственно индуктивность вариометра будет наибольшей или наименьшей. При постепенном поворачивании внутренней катушки из одного крайнего положения в другое индуктивность плавно изменяется, проходя все значения от самого малого до самого большого. Вариометры могут применяться и для плавной ресулировки связи между двумя контурами. При этом каждая катушка включается в свой контур и не имеет электрического соединения с другой катушкой. Вариометр, предназна- 41 . Вингп Сердечника ° ^ Конденсатор G 1\го контура Плата из изоляционного . материала. Экран Гц контур Е-и контур конденсаторы Конденсатор связи контуров. контуров, керамический Катушки фильтра Экрац Натушна в ферритовом стакане Винты -(сердечники) подстройки контуров Рис. 3.23. Двухконтурные фильтры: а - фильтр с трансформаторной связью между контурами; в каждом контуре применены секционированные катушки с подвижным ферритовым сердечником; б - фильтр с трансформаторной связью между контурами; катушки контуров снабжены ферритовыми сердечниками броневого типа; в - фильтр с емкостной связью между контурами •Направление , магнитного поля подвижной катушки РИС. 3.24. Устройство вариометра 42 ченный для регулирования связи между контурами, называется вариометром связи. Конденсаторы. В колебательных контурах применяются конденсаторы с весьма малыми потерями энергии. Диэлектриком в них служит воздух, керамика или слюда. Другие виды диэлектриков для контурных конденсаторов не годятся, так как потребляют много энергии на нагрев. Соответственно примененному диэлектрику конденсаторы разделяются на воздушные, керамические и слюдяные. По конструкции конденсаторы делятся на конденсаторы постоянной емкости, переменной емкости и полупеременные, или подстроечные. ? ^= •ЕгЗ Схематический разрез конденсатора Пластмасса ______._____ (корпус] ^о • • • ^ .л '. -'. ^ V- Металлические ±.. Диэлектрик [слюда! Рис. 3.25. Внешний вид и схематическое изображение устройства слюдяных конденсаторов постоянной емкости типа К.СО Конденсаторы постоянной емкости чаще всего делаются слюдяными и керамическими. Слюдяные конденсаторы представляют собой несколько слоев металлической фольги, разделенной тонкими пластинками слюды. Фольга играет роль обкладок конденсатора и разделена поэтому на две группы, как показано на "рис. 3.25. К фольге припаиваются выводы в виде металлических проволок, а весь конденсатор запрессовывается/в пластмассу или помещается в герметизированную металлическую коробку. Промышленностью выпускаются слюдяные конденсаторы емкостью от 47 до 10000 пф (пикофарад) -. Керамические конденсаторы изготавливаются в виде трубок или дисков из специальной керамики. Обкладками конденсаторов являются слои металла, нанесенные по обеим сторонам диэлектрика. Внешний вид -и устройство керамических конденсаторов показаны на рис. 3.26. Керамические конденсаторы имеют • емкость от 1 до 1000 пф. Конденсаторы переменной емкости изготавливаются, как правило, с воздушным диэлектриком и состоят из групп подвижных и неподвижных пластин. При повороте подвижных пластин конденсатора емкость его изменяется от единиц до сотен пикофарад. Величина емкости конденсатора определяется площадью, числом пластин и расстоянием между пластинами. Форма подвижных пластин делается такой, чтобы при повороте их на одинаковый угол в любом месте шкалы радиостанции получалось примерно одинаковое изменение частоты собственных колебаний контура. Поэтому приемники и передатчики имеют почти равномерную шкалу, что облегчает настройку и градуировку радиостанций. 1 фарада=106 микрофарад=1012 пикофарад. 43 4-> _Р* кдк-з Керамика Вывод Серебро ^Покрытие КТК-1 НТК-2 Выводы Серебро Рис. 3.26. Типы керамических конденсаторов (в натуральную величину): а - дисковые; б - трубчатые; в -- стеклокерамический плоского типа; г - пластинчатый скм< Выводы конденсатора Рис. 3.27. Блок конденсаторов переменной емкости - Отверстия для крепления ноноенсатора ^ .,",,-v/11/l^./I/ д Металлическое, понрытие k подвижного диена 'Подвижный керамический аисн Винт поворота диена \ Неподвижная керамическая пласта^ ,на с нанесенным металлическим покрытием на внутренней стороне Рис. 3.28. Устройство керамического конденсатора переменной емкости (подстроечный конденсатор) *-ел В радиостанциях чаще всего применяют не одиночные Конденсаторы переменной емкости, а целые блоки их, составленные из двух, трех и четырех конденсаторов. Внешний вид одного из блоков показан на рис. 3.27. Чтобы устранить различие в емкостях отдельных конденсаторов блока, крайние подвижные пластины каждого конденсатора делают разрезными. Отгибая в ту или иную сторону лепесток разрезанной пластины, добиваются равенства емкостей всех конденсаторов при любом повороте подвижных пластин блока. Подстроенные конденсаторы (конденсаторы полупеременной емкости) изготавливаются с воздушным или керамическим диэлектриком. Воздушный подстроечный конденсатор обычно очень небольшой по габаритам конденсатор переменной емкости. Чаще всего он имеет подвижные пластины полукруглой формы, а вместо ручки, закрепляемой на оси, - просто шлиц для отвертки. Емкость воздушных конденсаторов лежит в пределах от 15 до 100 пф. Керамические подстроенные конденсаторы (рис. 3.28) состоят из керами-, ческого основания и вращающегося керамического диска, установленного на основании. Обкладками -конденсатора служат посеребренные слои меди, нанесенные на основание и вращающийся диск. Емкость таких конденсаторов от единиц до сотен пикофарад. ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ Рассмотренные колебательные контуры, состоящие из катушки и конденсатора, сравнительно невысокого качества. Поэтому фильтры с такими контурами имеют слишком большую полосу пропускания, которая не обеспечивает хорошей отстройки приемника от мешающих радиостанций. Кроме того, частота собственных колебаний контура, составленного из катушки и конденсатора, довольно* сильно изменяется с изменением температуры, влажности и давления окружающего воздуха, так как при изменении- этих факторов происходит изменение геометрических размеров проводов катушек и пластин конденсаторов, а также электрических характеристик изоляционных материалов. Поэтому в радиостанциях наряду с обычными контурами применяются колебательные системы, обладающие высокой добротностью (качеством) и устойчивостью частоты собственных колебаний. К таким системам относятся кварцевые пластинки и металлические стержни. Кварц - это минерал, весьма распространенный в природе. Но кварц, пригодный для радиотехнических целей, встречается сравнительно редко. Применение кварца в радиотехнике возможно благодаря тому, что пластинки, вырезанные из кристалла вполне определенным образом, обладают пьезоэлектрическим эффектом. Пьезоэлектрическим эффектом называется явление, заключающееся в том, что при сжатии или растяжении кварцевой пластинки на ее поверхностях появляются электрические заряды. При сжатии эти заряды имеют один знак, при растяжении- противоположный (рис. 3.29). Величина зарядов пропорциональна величине приложенной механической силы давления или растяжения. Таким образом, при сжатии и растяжении 46 между поверхностями кварцевой пластинки образуется напряжение, величина которого пропорциональна силе, сжимающей или растягивающей пластинку. Если кварцевую пластинку сжать, а затем освободить, предоставив ей возможность совершать свободные колебания, то пластинка начнет попеременно растягиваться и сжиматься и + + + 4- + + + + + + + + + + а о Рис. 3.29. Появление электрических зарядов на поверхности кварцевой пластинки при сжатии (а) и растяжении (б) между ее поверхностями появится переменное напряжение. Так как колебания пластинки будут постепенно затухать, то и амплитуда переменного напряжения будет постепенно уменьшаться. Следовательно, кварцевая пластинка обладает способностью создавать свободные электрические колебания, как и + С 3 Г Рис. 3.30, Деформация кварцевой пластинки в электрическом поле разного знака колебательный контур. Но электрические колебания в кварцевой пластинке связаны с механическими и частота их зависит только от размеров пластинки, которые остаются неизменными даже при значительных колебаниях температуры окружающего воздуха. Благодаря этому кварцевая пластинка обладает очень высоким постоянством частоты колебаний. Кварцевая пластинка может совершать и вынужденные колебания; она обладает свойством сжиматься и растягиваться в зависимости от знака приложенного к ней напряжения (рис. 3.30). Поэтому если к пластинке кварца приложить переменное напряжение, то она будет совершать механические колебания с постоянной амплитудой. Амплитуда деформации 47 кварцевой пластинки увеличивается с увеличением приложенного напряжения. Когда частота переменного напряжения равна частоте собственных колебаний кварцевой пластинки, наступает резонанс и амплитуда колебаний становится наибольшей. Так как при колебаниях кварца на его обкладках возникают электрические заряды, то в цепи, составленной из источника переменной э. д. с. и кварцевой пластинки (рис. 3.31), появляется переменный электрический ток. Величина тока пропор- Тон Тон Нварц > Частота З.Д.С. Рис. 3.31. Схема для создания вынужденных колебаний кварцевой пластинки (а) "и изменение тока в схеме в зависимости от частоты колебаний э. д. с. источника (б) циональна величине образующегося на пластинке электрического заряда. Поэтому при резонансе ток в цепи достигает, как и в контуре, максимальной величины, а при изменении частоты источника переменной э. д. с. в ту или другую сторону от резонанса ток быстро уменьшается. Благодаря высоким электромеханическим свойствам кварцевых пластин затухание их колебаний происходит очень медленно. Добротность кварцевой пластинки в тысячи и десятки тысяч раз превышает добротность обычных контуров, достигая величины в несколько миллионов. Резонансная кривая кварцевой пластинки очень острая, а полоса пропускания кварцевой системы очень узкая. Кварц обладает значительно более высокими избирательными свойствами по частоте, чем обычные контуры. На свойства кварца как колебательной системы большое влияние оказывает способ крепления кварцевой пластинки. Если ее сильно зажать между металлическими обкладками, то она не сможет колебаться или колебания будут происходить с очень большим затуханием; кварцевая пластинка станет работать как обычный конденсатор, емкость которого - определяется площадью электродов, расстоянием между ними и диэлектрической проницаемостью кварца. Никаких избирательных (резонансных) свойств по частоте такая система иметь не будет. Поэтому кварцедержатель не должен препятствовать механическим колебаниям пластинок. Для соединения кварцевых пластинок со схемой их поверхности покрывают слоем серебра (металлизируют). Прямоугольные металлизированные кварцы обычно крепятся пружинными зажимами по торцу, отшлифованному наподобие клина. Зажимные пружины служат одновременно и контактами, соединяющими электроды кварца с ножками кварцедержателя. Типовая конструкция такого кварцедержателя схематически показана на рис. 3.32. -------------------- Металлизированные Металлизированные квар- . Корпус поверхности г-Л г" I Кварцевая i пластинна цевые также пластинки крепятся припаиванием к се- ребряному слою бронзовых нварц .^ Метаплизиро-^^ Ванный слой •Спаи, вывода с металлическим споем Штырьки Рис. 3.32. Кварцедержатель металлизированных пластинок Ш? Рис, 3.33. Кварцедержатель с подвеской кварцевой пластинки на нитях проволочек. Одна из конструкций такого кварцедержателя показана на рис. 3.33. Более высокой добротностью обладают не плоские кварцевые пластинки, а пластинки в виде двояковыпуклых линз, металлизированных слоем серебра. Закрепляются такие пластинки в трех точках по ребру линзы. КВАРЦЕВЫЕ ФИЛЬТРЫ Кварцевые пластинки довольно широко применяются для улучшения избирательных свойств полосовых фильтров, настроенных на одну вполне определенную частоту. Принципиаль- 1-й контур |~ >01 . 2-й тнгтур ' 1 1 1 |П, 1 ,1 о f ^НВарц а о . "Ч о р- о 1 о о о -J - -/, о о ?> о о - т" о 0 0 . о 0 0 о ч. Гон 0 о г. - - ----- ' -- --- ^ s Rbtxod Рис. 3.34. Схема двухконтурного кварцевого фильтра ная схема одного из простейших кварцевых фильтров показана на рис. 3.34. Здесь кварц используется в качестве элемента связи контуров. Напряжение, существующее на первом контуре, прикладывается через элементы второго контура к пла- 4-261 • .49 стинке кварца. Вследствие этого пластинка колеблется, 'и в цепи кварц - второй контур протекает переменный электрический ток. Во втором контуре возникают колебания, по частоте равные частоте колебаний, существующих в первом контуре. Если частота колебаний в первом контуре равна частоте собственных колебаний кварцевой пластинки, ток достигает наибольшей величины и колебания во втором контуре имеют i JpL_. 1-й контур [ | '* | [ . 2-й /Ш/77_ " ' 1 *~ 1 ifli f1 ^4 ' 1Ц" ---- ч 1 1 U> Кварц \ i рЦ _• mm и" mm •• * я 1 "> "" ! с ! ^ 4_k ' ----- ЙР ----- ' 1 ( --- f (" ! г ^ Тон компенсации . _ J 1 " .",.,. ,"- -, ........... . ........ _,- ., -.. J Гая через емкость С0 Рис. 3.35. Схема кварцевого контура с компенсацией емкостного тока наибольшую силу. Таким образом, кварцевая пластинка пропускает во второй контур колебания только одной частоты, равной частоте собственных колебаний кварцевой пластинки. Однако кварцевый фильтр, приведенный на рис. 3.34, будет пропускать колебания и других частот, так как, помимо тока, создаваемого за счет пьезоэффекта, через кварцевую пластинку протекает ток, проходящий через емкость кварца С0. А через эту емкость могут протекать токи самых различных частот, по-зтому избирательные свойства кварцевого фильтра резко ухудшаются. Чтобы устранить вредное влияние этой емкости, применяют схему компенсации емкостного тока. Одна из схем кварцевого фильтра с компенсацией емкостного тока показана на. рис. 3.35. Катушка первого контура разделена на две половины, и к кварцевой пластинке подводится напряжение только с верхней ее части. Под действием этого напряжения во втором контуре •и возбуждаются колебания. Вторая половина катушки используется для создания тока, компенсирующего емкостный ток кварцевой пластинки. Компенсация получается за счет того, что через емкость компенсирующего конденсатора Ск устанавливается ток, по величине равный току, протекающему через емкость С0, но противоположный ему по направлению, так как напряжение на нижней половине катушки всегда противоположно по знаку напряжению на верхней половине. Благодаря этому оба тока во втором контуре взаимно уничтожают друг друга и в нем 50 существуют колебания, созданные лишь током колебаний кварцевой пластинки. Применяются и другие кварцевые фильтры, отличающиеся как схемой компенсации емкостного тока, так и числом применяемых кварцев. ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ФИЛЬТРЫ Электромеханические фильтры состоят чаще всего из металлических круглых стержней. Одна * из простейших конструкций фильтра показана на рис. 3.36. Два контура связаны между собой при помощи металлического сердечника (никель, сплав железа с никелем или другими металлами, фер- Энран I '/////////'Постоянный магнит ''Щ // т • 1 f= -k i Г 1 ? je g IS = = = 1 ? IP, ' ^^r-r-*-"-^"-(tm)* •r •f im '/'I js ss as 'k Ш = шй Вход-**= \\- 1_. Л\ __________I/ ==• 2-й контур "Твыход "• 1-й контур =• -=г Ферритовый стержень Рис. 3.36. Электромеханический фильтр с одним магнитострик-ционным стержнем рит). Сердечник обладает эффектом магнитострикции: если1 его сжимать или растягивать, то в нем возникает продольное магнитное поле. Наоборот, если такой сердечник поместить в магнитное поле, то он будет либо удлиняться, либо укорачиваться в зависимости от материала. На рис. 3.36 левый конец сердечника помещен в катушку контура, питаемого током источника внешней э. д. с'.; поэтому под действием магнитного поля этого тока сердечник совершает механические колебания с частотой изменений тока. Однако, пока частота переменного тока отличается от частоты собственных механических колебаний 'сердечника, амплитуда изменений длины сердечника невелика. Она достигает заметной величины лишь при условии равенства частрты переменного тока частоте собственных механических колебаний сердечника - наступает резонанс. При этом сравнительно слабые электрические, колебания в первом контуре создадут большие по амплитуде колебания стержня. Частота собственных колебаний сердечника определяется лишь его геометрическими размерами и свойствами материала, из которого он изготовлен. Возникшие механические колебания вызовут в стержне появление магнитного поля, которое будет изменяться по величине в такт с механическими колебаниями пропорционально их амплитуде. Следует отметить, что изменение длины стержня не зависит от направления продольного магнитного поля. Поэтому за один период колебаний переменного тока стержень будет дважды испытывать растяжение или сжатие (в зависимости от материала стержня), т. е. колебаться с удвоенной частотой. Чтобы избежать удвоения частоты, стержень помещают в постоянное 4* 51 магнитное поле. В этом случае переменное магнитное поле, складываясь с постоянным, образует пульсирующее поле. Частота пульсаций совпадает с частотой переменного тока, поэтому и стержень колеблется с частотой тока. На рис. 3.36 показан постоянный магнит, создающий начальное продольное магнитное поле в стержне. Пульсирующее магнитное поле, возникшее вследствие механических колебаний стержня, вызывает в катушке второго контура переменную э. д. -с., частота которой равна частоте собственных колебаний стержня. Описанные магнитострикционные электромеханические фильтры обладают значительно более высокой добротностью, чем обьшные контуры. Для ____Постоянные магнитны________' .-- - • \ ____. Магнитострикционные преобразователи , , ^ Стальные сглержни, связывающие резонаторы ~^И Катушка входного контура Резонаторы (стальные стержни) Катушка выходного контура Рис. 3.37. Электромеханический фильтр из семи стержневых резонаторов I получения прямоугольной характеристики избирательности фильтры собирают из нескольких стержней. На рис. 3.37 показан фильтр, состоящий из семи стержней. Два крайних являются преобразователями электрических колебаний в механические (I) и механических в электрические (II). Промежуточные служат резонаторами, через которые распространяются механические колебания от первого стержня ко второму. Стержни-преобразователи и резонаторы одинакового размера, так как настраиваются на одну ..и ту же частоту собственных механических колебаний. Для устранения связей между контурами через электростатические поля оба конечных контура' помещают обычно в отдельные экраны. Конструктивно электромеханические фильтры имеют очень малые размеры, чем выгодно отличаются от многоконтурных полосовых фильтров с катушками. ГЛАВА 4 АНТЕННЫ Антенна является очень важным элементом радиостанции. С помощью передающей антенны осуществляется передача электромагнитной энергии от передатчика в пространство. Приемная антенна улавливает электромагнитную энергию проходящих радиоволн. /77ТТТ\ ftwepo- mop ,---, -ч&ГТс 1эр_Ф 3 / / ч \ •// \\ /// v\ II/ . II// alii ^ rt\l " itsyfe\h!i !ЯЮ° !! ! \\\ \\\\Н! \\ \\ \ \ я ij i'' ///и Ш /i /а п. // Рис. 4.1. Переход от замкнутого Колебательного контура к открытому (антенне) Антенна - это своеобразный колебательный контур, обладающий, как и обычный контур, индуктивностью и емкостью. Она отличается от обычного контура тем, что индуктивность и емкость не сосредоточены в катушке и конденсаторе, а распределены по длине всего провода. Поэтому в антенне магнитное и электрическое поля также не замкнуты в ограниченном объеме катушки и конденсатора, а простираются в пространстве вдоль всего провода антенны. Антенну можно получить путем деформации обычного замкнутого колебательного контура. На рис. 4.1 показан такой контур, состоящий из катушки и конденсатора. Там же показано, что, раздвигая пластины конденсатора все дальше и дальше 53 друг от друга и при этом увеличивая их поверхность для сохранения первоначальной величины емкости, мы получим в конце концов контур, в котором роль конденсатора играют два проводника. Совершенно так же катушка индуктивности может быть заменена прямым проводом соответствующей длины. В результате весь контур превратится в два прямолинейных провода. Индуктивность и емкость такого контура окажутся распределенными вдоль всей длины проводов. Получится "двухлучевая антенна, широко применяемая в переносных радиостанциях. Это преобразование позволяет утверждать, что всякая антенна может рассматриваться как некоторый открытый (в противоположность замкнутому) колебательный контур. Если один из проводов двухлучевой антенны заменить металлической поверхностью корпуса радиостанции, системой проводов (противовесом) или заземлить, то получится хорошо известная в практике штыревая антенна. СВОБОДНЫЕ КОЛЕБАНИЯ В АНТЕННЕ В антенне, как и в обычном контуре, при определенных условиях могут возникать свободные колебания. Зарядим оба провода антенны электричеством противоположных знаков, подключив один провод к плюсу, а другой к минусу батареи. После этого батарею отключим и провода соединим между собой (рис. 4.2). Заряды начнут притягиваться друг к другу, и по обоим проводам потечет ток разряда. Но так же, как и в обычном контуре, мгновенному разряду будет препятствовать э. д. с. самоиндукции, которая возникает в проводах антенны. Разряд проводов получается колебательным, т. е. провода антенны попеременно заряжаются зарядами противоположных знаков. Частота возникающих колебаний зависит только от величины индуктивности и емкости проводов, т. е. от их длины. Чем длиннее провода, тем больше их индуктивность и емкость и тем ниже частота собственных колебаний. Наоборот, чем короче провода, тем индуктивность и емкость меньше, а следовательно, частота колебаний выше. При разряде и перезаряде проводов антенны через различные точки провода по его длине протекает неодинаковое количество электричества. Как видно из рис. 4.2, через середину провода протекают все заряды, которое накопились на проводе, а через остальные точки провода - только та часть зарядов, которая находится между данной точкой и концом провода. Поэтому ток распределяется по длине провода неравномерно: величина ечго уменьшается по мере удаления от середины, достигая на концах провода нуля. Каждой точке провода соответствует вполне определенное максимальное значение тока; изменяясь во времени, ток в каждой точке никогда не превышает этого значе* ния. Такое распределение представляет собой как бы волну 54 тока, распределенную неподвижно вдоль провода (так называемая стоячая волна). Вдоль провода укладывается половина волны тока свободных колебаний. Поэтому можно считать, что длина волны собственных колебаний антенны равняется удвоенной длине провода /: X = 2/. В связи с этим антенны описанного типа называются полуволновыми. + •"• + + + ++++ + Hfc^ . tt 4 •*• + + •* + + + + + + + + t + * + + + "+ + Ч-+++ + + + -"--*--!- Рис. 4.2. Свободные колебания в антенне: а - заряд антенны от батареи; б - количество положительных и отрицательных зарядов, проходящих при разряде через различные точки провода; в - кривая распределения тока в, антенне Так как максимум тока находится в середине провода, то> для измерения тока в антенне индикаторную лампочку или амперметр следует включать в середину провода, а не на конец антенны, где ток всегда равен нулю. Напряжение в антенне достигает наибольшей величины на концах провода. Объясняется это тем, что напряжение представляет собой сумму электродвижущих сил, возникающих в каждой точке провода при протекании по нему переменного тока; чем дальше точка провода находится от середины, тем большая э. д. с. возникает на участке провода от середины до рассматриваемой точки, тем больше напряжение в данной точке. Так как конец провода - самая удаленная точка от середины, то напряжение на концах получается наибольшим. Поэтому при установке антенны следует обращать внимание на изоляцию концов антенны, применяя хорошие изоляторы, и следить за тем, чтобы антенна не касалась деревьев или других местных предметов. 55 Распределение напряжения вдоль антенны, как и распределение тока, не изменяется с течением времени, и поэтому напряжение, как и ток, образует стоячую волну. Если один провод антенны заменить противовесом, корпусом радиостанции или заземлением, то при свободных колебаниях вдоль провода такой антенны будет укладываться не половина, а только четверть волны тока и напряжения (рис. 4.3). В связи с-этим для вычисления длины волны X собственных колебаний антенны длину провода нужно умножить на четыре, т. е. А = 4#, а г h 11) Trrr/тг где h - высота антенны. Такие антенны называются четвертьволновыми. На практике во многих случаях четвертьволновые антенны имеют на конце разветвленную горизонтальную часть в виде металлической звездочки, метелки или просто ряда проводов. Благодаря этому емкость конца антенны относительно земли увеличивается. Ток на конце антенны уже становится не равным нулю (через конец антенны теперь 'протекают заряды, накапливающиеся на горизонтальной части). Распределение тока вдоль антенны получается более равномерным, а это увеличивает мощность излучаемых радиоволн. На практике считают, что применение горизонтальной части антенн коротковолновых радиостанций малой мощности повышает дальность связи приблизительно в полтора - два раза. ВЫНУЖДЕННЫЕ КОЛЕБАНИЯ В АНТЕННЕ Чтобы возбудить в антенне переменные токи и напряжения, необходимые для образования радиоволн, в нее включают источник переменного тока высокой частоты. Таким источником в передатчике служит ламповый генератор, соединенный с антен- 56 __, , .__ оси '^/ТППППП'ПР -б Рис. 4.3. Распределение тока и напряжения вдоль штыревой антенны (а) и распределение тока вдоль штыревой .антенны со "звездочкой" (б) ной при помощи включенной в нее'катушки связи. Создаваемой генератором э. д. с. в катушке связи является источником тока для антенны. Под действием э. д. с., -наведенной в катушке, в антенне возникает переменный ток, величина которого, как и в обычных контурах, зависит от точности настройки антенны на частоту колебаний генератора. "При равенстве частоты колебаний генератора частоте собственных колебаний антенны в последней возникает резонанс напряжений; ток в .антенне и напряжение достигают наибольшей величины. При работе антенны в качестве приемной в каждой точке провода под действием приходящих радиоволн индуктируется переменная э. д. с. Все эти э. д. с. создают в антенне переменные токи, величина которых, зависит от соотношения частоты собственных колебаний антенны и частоты приходящих радиоволн. Так как обычно на приемную антенну воздействуют радиоволны разных частот, то в антенне возникают переменные токи также разных частот. Даже если индуктируемые э. д. с. всех частот одинаковы, величины возникающих в антенне токов сбудут неодинаковы/Большей величины достигают токи, создаваемые радиоволнами, частота колебаний которых ближе к частоте собственных колебаний антенны. Самую же большую величину имеют токи, вызываемые радиоволнами, имеющими частоту колебаний, равную частоте собственных колебаний антенны, так как в этом случаез антенне возникает резонанс. СПОСОБЫ НАСТРОЙКИ АНТЕНН В РЕЗОНАНС Для настройки антенны в резонанс с колебаниями передатчика или сигналами принимаемой радиостанции необходимо длину волны свободных колебаний ее сделать равной длине волны своего передатчика (передающая антенна) или передатчика корреспондента (приемная антенна). С этой целью лучше всего было бы изменять длину самой антенны, но практически это сложно, поэтому для настройки антенны в нее включают катушку индуктивности или конденсатор, как показано на рис. 4.4. При включении в антенну катушки (рис. 4.4, а) общая индуктивность антенны, как и всякого колебательного контура, увеличивается, период свободных колебаний антенны удлиняется, длина волны свободных колебаний'становится больше. Для удобства настройки обычно в антенну включают не просто катушку постоянной индуктивности, а такую катушку, индуктивность которой можно было бы'регулировать. Поэтому в антенну чаще всего включают либо вариометр с плавной регулировкой индуктивности, либо секционированную катушку, а иногда и то и другое. Подбирая величину индуктивности, включенной в антенну, можно точно настроить антенну на заданную волну. 57 ,1- УфМф 'тфтЯ'Лфякщг/я а Так как включение катушки удлиняет волну свободных колебаний антенны, то оно должно применяться в тех случаях, когда собственная волна антенны меньше рабочей, т. е. когда размеры антенны меньше половины (для полуволновой антенны) или четверти длины волны (для заземленного штыря). Включение в антенну конденсатора уменьшает ее общую емкость, так как конденсатор оказывается соединенным последователь-/ но с емкостью провода антенны (рис. 4.4,6). Период свободных колебаний антенны укорачивается, длина волны становится меньше. Поэтому конденсатор включают в антенну лишь в тех случаях, когда собственная волна антенны длиннее рабочей волны, т. е. размеры полуволновой антенны превышают половину, а заземленной - четверть длины рабочей волны. Для плавной настройки антенны в антенный контур часто включают конденсатор переменной емкости. Большинство современных радиостанций работает в достаточно широком диапазоне частот, и для настройки антенны на различных участках диапазона приходится включать разные емкости и индуктивности. Поэтому в антенный контур таких радиостанций заранее включают и секционированную' катушку (или вариометр), и конденсатор переменной емкости. Момент резонанса устанавливают при работе на передачу по наиболее яркому свечению индикаторной (указательной) лампочки, включенной в антенну. Следует помнить, что лампочка, включенная в антенну, потребляет часть энергии передатчика, поэтому ее нужно выключать сразу же после настройки антенны. wy^/^/fyttm^////ff w/f. 'S^w, Рис. 4.4. Способы настройки антенны: а - включением катушки индуктивности; б - включением конденсатора 58 ИЗЛУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ЭНЕРГИИ Антенна как открытый колебательный контур отличается от замкнутого контура тем, что часть энергии переменного электромагнитного поля, создаваемого вокруг передающей антенны, передается в окружающее пространство, или, как говорят, излучается. Рассмотрим процесс излучения на примере настроенного полуволнового симметричного вибратора, в середину которого включен генератор переменного тока высокой частоты. В проводе антенны возникают переменные тохи, изменяющиеся с частотой колебаний генератора. В течение одной четверти периода ток в антенне возрастает от нуля до максимальной величины. В следующую четверть периода ток убывает до нуля. С избиением тока в антенне происходит и изменение электрического поля антенны: за первую четверть периода оно возрастает, за вторую - убывает. Как известно, силовые линии электрического поля начинаются на положительных и оканчиваются на отрицательных электрических зарядах, которые образуются на проводах антенны. Такие заряды не могут образоваться одновременно на всей длине провода. Первоначально они возникают около зажимов генератора, а затем все дальше и дальше от зажимов, как бы перемещаясь вдоль проводов к их концам. Вследствие этого и силовые линии электрического поля перемещаются как вдоль проводов, так и в перпендикулярном направлении. Так как увеличение тока происходит только в течение четверти периода колебаний, то и перемещение зарядов от генератора к концам провода продолжается только в течение такого же времени. В следующую четверть периода заряды перемещаются от концов провода к генератору, а силовые линий электрического поля стягиваются к середине антенны. Следовательно, заряды вдоль провода антенны и силовые линии электрического поля успеют отодвинуться от середины антенны только на такое расстояние,- которое они могут пройти за четверть периода. Так как силовые линии распространяются со скоростью света, то это расстояние равняется четверти длины волны колебаний генератора. Таким образом, вокруг передающей антенны образуется сфера радиусом, равным четверти длины волны, в которой происходят периодические изменения величины и направления электрического поля. Аналогичное явление происходит и с переменным магнитным, полем токов антенны. Так же как и электрическое, оно периодически то удаляется от середины антенны на расстояние четверти длины волны, то возвращается обратно. Появление в пространстве области, в которой периодически происходит то увеличение, то уменьшение электрического и магнитного полей, естественно, сопровождается передачей части 59 энергии окружающему пространству, в котором и образуются радиоволны (движущееся электромагнитное поле). Процесс излучения можно проиллюстрировать множеством примеров. Рассмотрим только один. Опустим камеру от обычного футбольного мяча в воду спокойного пруда. Затем начнем периодически то надувать камеру воздухом, то выпускать воздух наружу. Если мы будем делать это достаточно быстро, то увидим, что по поверхности воды побегут волны. Они будут существовать и тогда, когда мы перестанем раздувать камеру. В данном примере надуваемую камеру можно грубо уподобить четвертьволновой сфере, существующей вокруг антенны. Созданные же -на поверхности пруда волны, как и радиоволны, переносят часть энергии. Из объяснения следует, что для излучения электромагнитной энергии необходимо создать наиболее сильное электром^гнит-ное поле в сфере радиусом, равным четверти длины волны. Создать же такое поле можно лишь в том случае, если размеры антенны соизмеримы (близки по размерам) с этой сферой. Отсюда становится понятным, что для излучения энергии необходимо иметь не замкнутый колебательный контур, размеры полей которого малы по сравнению с длиной волны, а большую антенну. ХАРАКТЕРИСТИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ АНТЕННЫ На рис. 4.5 приведена схема электрического и магнитного полей, образующихся вокруг антенны в четвертьволновой зоне. Электромагнитная энергия всегда излучается и распростра-: няется в направлении, '' перпендикулярном силовым линиям электрического и магнитного полей. Величина излученной энергии пропорциональна произведению силы электрического Е и магнитного Н полей. А так как амплитуда электрического поля вдоль провода антенны практически почти постоянна, а магнитного имеет наибольшее значение у середины провода, где ток наибольший, и равна нулю на концах антенны, где ток равен нулю, то максимальное излучение энергии получается в направлении, перпендикулярном проводу антенны, а минимальное-• в направлении оси провода. Величина энергии, излучаемой антенной в том или ином направлении, изображается стрелкой, проведенной из середины антенны. Длина стрелки берется пропорциональной мощности излучаемой энергии в данном направлении. На рис. 4.6 показано распределение излучения в пространстве при помощи таких стрелок. На рис. 4.6, а показано распределение излучения в плоскости, проходящей через ось симметричного вибратора (вертикальная плоскость), а на рис. 4.6, б - в плоскости, перпендикулярной его оси (горизонтальная плоскость). Если кон" цы стрелок соединить сплошной линией, то получится кривая, характеризующая излучение антенны в любом направлении. 60 Такие кривые называются характеристиками излучения антенны. У полуволнового вибратора в плоскости, проходящей через ось провода, такая характеристика представляет собой две Наименьшее излучение Излучение Наибольшее излучени'е энергии Рис. 4.5. Схема электрического ? и магнитного Я полей четвертьволновой зоны передающей полуволновой антенны окружности, касательные к проводу в точке подключения генератора. В плоскости, перпендикулярной оси провода, характеристика излучения имеет вид окружности с центром в месте рас- Рис. 4.6. Характеристика, излучения полуволнового вибратора в вертикальной плоскости (а), горизонтальной (б) и в пространстве (в) положения антенны, т. е, энергия излучается во все стороны от провода одинаково. Таким образом, характеристика излучения полуволнового вибратора в пространстве представляет собой объемную фигуру (рис. 4.6,0), получающуюся при вращении характеристики излучения антенны в вертикальной плоскости вокруг провода антенны. 61 Большое влияние "а характеристику излучения оказывает поверхность земли. Это объясняется тем, что электромагнитные поля, создаваемые вокруг передающей антенны, вызывают в земле переменные электрические токи, которые в свою очередь излучают электромагнитную энергию в обратном направлении (отражают ее). Таким образом, за счет близости земли вверх излучается еще вторая волн"а, опаздывающая относительно волны, излучаемой антенной. Обе волны складываются и в зависимости от величины времени "отставания отраженной волны либо усиливают, либо ослабляют друг друга, и характеристика излучения изменяется (см., например, рис. 4.15). Это обстоятельство свидетельствует о необходимости точного соблюдения рекомендуемой для каждой антенны высоты подвеса. Близость земли изменяет характеристику излучения антенны и за счет образования дополнительных емкостей между проводами и землей, нарушающих обычное расположение силовых линий электрического поля. Близость передающей антенны к поверхности земли вызывает дополнительные потери энергии на нагрев почвы. Эти потери особенно велики, если емкость антенны относительно земли и : ' -" i i / -л \ \ i \ \ ч ч-\ •-- --->ч \ Л '• I 4 I ' / ;.''' / _.--•_ • ___ .^ 'F S* \ \L / __ - _ \ / *• -~ / , __ __ ч \ . / / , " ~" X N \ / 1 / Ч \ \ / 1 : ,- \ - х \ \ \ 1 1 i i , Л \ 1 1 i i * , - 1 1 1 ' ч- Y i / ' 1 \ \ . ! J / *w ^/g^sgg^^gyg^ Зр^Г?? _______.^Подставка . ifF''/FirF'fffi'F'F'f''FlF'Fr7!"'F//7 ^~----ХГок' Рис. 4.7. Размещение радиостанции - с металлическим корпусом на деревянной подставке для уменьшения потерь энергии. Рядом показано растекание тока в почве, если корпус не изолирован от земли удельное сопротивление почвы электрическому току имеют большую величину. В этом случае возникающие в земле вблизи передающей антенны то'ки оказываются значительными и на нагрев почвы затрачивается заметная доля энергии. Чтобы избежать лишних потерь энергии, применяют так называемые противовесы - ряд проводов, растянутых "ад поверхностью земли.и подключенных к одной из клемм антенного контура. Такой противовес как бы перехватывает силовые линии электрического поля и не дает им замыкаться через землю. Так как сопротивление проводов противовеса намного меньше со- 62 противления почвы, то потери энергии на их нагрев значительно меньше потерь на нагрев почвы. Противовес не может перехватить всех силовых линий. Часть из них все же достигает земли и вызывает потери в "ей. Чтобы количество таких линий было возможно меньше, "ужно располагать противовес на высоте не менее 1-2 м и делать его из достаточно большого числа проводов. Для уменьшения потерь в земле металлические корпуса радиостанций ии в коем случае не следует ставить прямо "а землю, так как в этом случае токи с корпуса растекаются по земле и потери энергии в ней увеличиваются. Поэтому при необходимости разместить радиостанцию на земле (если о>на не имеет изолирующегр основания) ее нужно ставить на деревянную или какую-либо другую подставку из изолирующего материала (рис. 4.7). АНТЕННЫ КОРОТКИХ РАДИОВОЛН Для связи в диапазоне коротких волн на малые расстояния применяются, как правило, антенны, создающие максимальное излучение вдоль поверхности земли. Связь на дальние расстояния осуществляется при помощи антенн, у которых максимальное излучение энергии происходит либо в зенит, либо под некоторым углом к горизонту. Первые антенны называются антеннами поверхностного излучения, вторые - антеннами зенитного излучения. а. Антенны поверхностного излучения Наиболее распространенными антеннами поверхностного излучения являются: вертикальная штыревая, Т-образная и "наклонный луч". Вертикальная штыревая антен-н а получила наибольшее распространение из-за своей портативности и пригодности для работы в движении. Современная штыревая антенна представляет собой складной металлический стержень высотой один - два метра. Конструктивно штырь выполняется из коротких дюралюминиевых трубок, нанизанных на трос. Когда трос натягивается при помощи специального пружинного замка, антенна приобретает необходимую жесткость. Штырь подключается к одному из выводов антенного контура радиостанции. Второй же вывод контура соединяется с ее металлическим корпусом. Внешний вид антенны и установка ее на радиостанции показаны на рис. 4.8. 63 Рис. 4.8. Внешний вид вертикальной штыревой антенны переносной радиостанции Вертикальная антенна "оказана на рис. 4.9. Излучающим элементом является провод, вертикально подвешенный на деревянной мачте высотой 10-12 м, и противовес в виде нескольких проводов, растянутых симметрично в стороны от мачты вдоль поверхности земли. Лучи противовеса и корпус радиостанции для уменьшения потерь энергии тщательно изолируются от земли. Звездочку 'Антенна Рис. 4.9. Вертикальная антенна с противовесом Длина вертикального провода антенны и лучей противовеса не должна превышать 0,45 наименьшей длины волны рабочего диапазона радиостанции. Разновидностью вертикальной антенны является так называемая Т-образная антенна, состоящая из горизонтального провода, подвешенного с помощью изоляторов на высоте 10-12 м, и вертикального снижения в виде провода, подпаянного к середине горизонтальной части. Как уже было сказано, благодаря горизонтальной части ток распределяется вдоль вертикального провода более равномерно и тем самым увеличивает излучаемую мощность. Антенна может работать как с противовесом в виде специально подвешиваемых проводов, так и без него. В этом случае роль противовеса играет металлический корпус радиостанции. Характеристики излучения вертикальных антенн показаны на рис. 4.10. Максимальная доля энергии излучается в направлении, перпендикулярном оси провода, преимущественно вдоль поверх- 64 излучения нет Слабое излучение ности земли. Излучения 6 зенитном направлении у вертикальных антенн, в том числе и штыревых, нет. Поэтому вертикальные антенны этого типа малопригодны для связи с самолетами, находящимися в воздухе вблизи радиостанции. В горизонтальной плоскости энергия излучается во все стороны одинаково. Характеристика излучения вертикальной антенны может изменяться за счет изменения расположения'противовеса. Если у вертикальной антенны противовес, развернут только в одну сторону, то наибольшая энергия излучается в сторону развертывания противовеса. Поэтому при использовании таких антенн противовес должен быть развернут в сторону корреспондента. Антенна "наклонный л у ч". Разновидностью вертикальной антенны является ан- Рис. 4.10. Диаграмма направленности вертикального штыря: а - в вертикальной плоскости (вид сбоку); б -в горизонтальной плоскости (вид сверху) тенна "наклонный луч". Устройство ее показано на рис. 4.11. Длина провода антенны берется равной 0,4-0,45 длины самой короткой рабочей волны. Противовес делается в виде одного провода такой же длины, что и антенна. ^tt^H0--0.?! наибольшее суммар-5-'"' ^^х нов излучение - -. -^радиоволн ^ \ \ ч /tftme/fflq излучает ^ ^радиоволны в шо* \рону противовеса1 \ \ \ i \ i i I i 1 Противовес \ Излучение ^противовеса •^З^^^е^^ Рис. 4.11. Антенна "наклонный луч" Характеристика излучения антенны обеспечивает несколько большее излучение энергии вдоль земли в сторону корреспондента, чем вертикальная антенна, подвешенная на мачте такой же высоты (10-12 м). 5-261 65 б. Антенны зенитного излучения К антеннам зенитного излучения относятся горизонтальные Полуволновые вибраторы. Конструктивно они .представляют собой горизонтально подвешенный провод длиной 0,475 длины рабочей волны. ОЛ75\ t •0,475К 1 FFrfT^F^n^FFFFFFF^F^ а Н передатчику 6 Рис. 4.12. Устройство горизонтального полуволнового вибратора с однопро-водным (а) и двухпроводным (б) питанием Полуволновые вибраторы могут подключаться к радиостанции как при помощи однопроводной питающей линии (рис. 4.12,а), так и при помощи двухпроводной (рис. 4.12,6). К питающим линиям предъявляются очень высокие требования, / \ / * / / У ,'* i /\ ,' V / / \' \ ' N / / / // ' / \ ^Tl ^^^^V^^^j^^^ "^WW^WW^ 'j№ - 300 ни - 1 - --------------- €00 им ------ -1 1- ------------------------- ЮОО км - • Рис. 4.13. Характеристика Рис. 4.14, Схема излучения радиоволн для излучения горизонталь- связи отраженной от ионосферы волной на раз- ного полуволнового виб- ные расстояния ратора в горизонтальной плоскости сводящиеся " тому, чтобы линия передавала энергию от передатчика в антенну с самыми малыми потерями. Это достигается правильным выбором точки подключения однопроводного фидера к антенне (на расстоянии 0,17 длины рабочей волны от одного из концов провода) и подбором соответствующего расстояния между проводами двухпроводного фидера. 66 В-ибратор с однопроводным питанием пригоден для работы только на одной рабочей волне. С переходом-на другую вол,ну размеры вибратора следует изменить. Вибратор же с двухпроводным фидером может быть использован в диапазоне длин волн от 1,6 . до 4 длин плеча. В вертикальной плоскости, проходящей через ось провода антенны, характеристика излучения горизонтальных вибраторов сильно зависит от высоты подвеса антенны. В этой же плоскости, но в перпендикулярном к оси провода направлении излучение равномерно. В горизонтальной плоскости излучение максимальное в направлении, перпендикулярном к оси провода, и минимальное- вдоль оси (рис. 4.13). Для связи на расстояния до 200-300 км высота подвеса антенны должна быть немного больше четверти длины рабочей волны. При связи на расстояния 50Q- 600 км высота подвеса должна быть равной одной трети длины волны, для дальности связи 1000 км- половине длины волны, а для связи на 1500 км - 0,65 длины рабочей волны. Изменение высоты подвеса антенны для увеличения дальности связи вызывается необходимостью изменять угол, под которым излучается наибольшая доля энергии. На рис. 4.14 показано, что при связи "а расстояния свыше 200-300 км радиоволны излучаются под некоторым углом к горизонту, достигают ионизированных слоев воздуха и отражаются обратно "а землю. Из-'рисунка видно, что при связи на большие расстояния точка отражения; волн должна находиться дальше от передатчика, а это возможно в том случае, когда радиоволны излучаются под меньшими углами к горизонту. При изменении же высоты подвеса антенны от четверти до 0,65 длины волны максимум излучения в вертикальной плоскости смещается в сторону меньших углов (рис. 4.15). 5* ., 67 H = 0,S5h Рис. 4.15. Изменение характеристики излучения горизонтального полуволнового вибратора при различной высоте его подвеса над поверхностью земли Z-образная антенна (рис. 4.16) состоит из вертикального провода с горизонтальной частью и одно-проводного противовеса. Длина провода антенны не должна превышать 0,40-0,45 длины самой короткой волны станции. Длина противовеса выбирается равной длине провода антенны. Антенна может применяться и без противовеса, в этом случае вместо противовеса используется металлический корпус радиостанции. корреспондент Антенна Оттяжка '^^W^^WW%?^ Рис. 4.16. Z-образная антенна Z-образная антенна излучает как вдоль поверхности земли, так и под большими углами к горизонту. В горизонтальной плоскости максимум излучения совпадает с направлением противовеса. Поэтому противовес всегда должен быть развернут в сторону корреспондента. Следовательно, Z-образная антенна является одновременно антенной как поверхностного, так и зенитного излучения. Поэтому она наиболее удобна при связи на расстояниях до 100 км при работе со станцией малой мощности. АНТЕННЫ МЕТРОВЫХ ВОЛН Для войсковой радиосвязи в диапазоне метровых волн применяются в основном те же типы антенн, что и на коротких волнах. Отличительной особенностью антенн метрового диапазона являются несколько меньшие размеры, так как рабочая волна в этом диапазоне короче, чем в коротковолновом. Благодаря этому в ряде случаев удается повысить эффективность таких антенн за счет некоторого их усложнения. Вертикальная штыревая а н т е н IH а, которая входит в состав большинства переносных радиостанций, конструктивно ничем не отличается от описанной выше штыревой антенны коротких волн. Но в связи с тем, что размеры штыревой антенны оказываются соизмеримыми с рабочей длиной волны, излучающая способность ее резко повышается/ Разновидностью вертикальной антенны является антенеа, представляющая собой металлический стержень (рис. 4.17) из хорошо проводящего металла (дюралюминия); длина стержня обычно берется на 0,1-0,2 меньше половины самюй короткой 68 * Противовес йиляторы -Антенне ^Изолятор Противовес волны рабочего диапазона радиостанции [/= (0,40-0,45)Xmin]. Когда антенна работает на одной волне или на очень близких по длине волнах, то длину штыря следует делать равной четверти рабочей длины волны. Антенна устанавливается "а высоте иесколЬких метров от поверхности земли. Желательно, чтобы высота установки составляла 10-15 м. Противовес выполняется в виде четырех проводов, растягиваемых симметрично вниз по четырем радиальным направлениям от основания антенны. Длина лучей противовеса должна быть равна длине антенны и никак не меньше 0,2-0,3 длины рабочей волны (самой короткой волны диапазона). Лучи противовеса соединяются между собой у основания антенны перемычкой и подключаются к клемме "Противовес" радиостанции. Антенна соединяется с радиостанцией при помощи фидера, изготовленного из коаксиального^ кабеля. Характеристика излучения антенны в горизонтальной плоскости представляет собой окружность, что свидетельствует о том, что излучение происходит во 'все стороны равномерно. В вертикальной плоскости (при подъеме антенны на 10-15 м) наибольшая часть энергии излучается в горизонтальном направлении, а меньшая-в зенит. Характеристика излучения в вертикальной плоскости является в этом случае типичной характеристикой вибратора, расположенного высоко над землей (см. рис, 4.6). Дискоконусная антенна (рис. 4.18) является разно-видностью вертикальной штыревой антенны. Как говорит самоназвание, антенна состоит из соединенных вместе металлических диска и конуса. Диск подключается к клемме "Антенна", а конус - к клемме "Противовес" радиостанции. Соединение антенны с радиостанцией осуществляется при помощи фидера, выполненного из коаксиального кабеля РК-3. Такая антенна применяется только в диапазоне самых коротких метровых радиоволн, так как длина образующей конуса антенны должна быть равна примерно четверти |рабочей -волны. Ноансиальный наоеяь РН-З Рис. 4.17. Вертикальная штыревая антенна УКВ диапазона Горизонтальный симметричный вибратор представлен на рис. 4.19; он отличается от коротковолнового ви- / Конус 'Коаксиальный woe/76 РК-3 Рис. 4.18. Дискоконусная антенна б.ратора своими размерами, применением нескольких параллельных проводов в вибраторе и использованием в качестве питающего фидера двухпроводного кабеля. "Характеристика излучения вибратора ультракоротких волн аналогична характеристике вибратора коротких волн (см. рис. 4.13). Антенна бегущей волны представляет собой провод, который в несколько раз длиннее самой длинной рабочей волны радиостанции. Провод подвешивается на высоте одного - двух метров (рис. 4.20), подключается к клемме "Антенна" радиостанции и растягивается от станции в сторону корреспондента. К концу провода через активное сопротивление 300-400 ом подключается противовес, состоящий из трех проводов длиной 2,5-3,0 м. Лучи противовеса делаются из изолированного провода и раскладываются веером по земле в сторону корреспондирующей станции. 70 Рис. 4.19. Горизонтальный полуволновый (симметричный) вибратор УКВ В ряде случаев у антенны бегущей волны средняя точка провода может быть поднята на высоту нескольких метров [(0,5-0,6)ХРаб]. Иногда на ту же высоту поднимают не среднюю точку провода, а точку, расположенную ближе к радиостанции. На корреспондента l=(3±S)h- R=300"4000M 1П--г.5?Зм ^'f'^^'p^^^ Рис. 4.20. Однопроводная антенна бегущей волны Рассматриваемые антенны называются антеннами бегущей волны потому, что вдоль их провода не образуется стоячей волны ни тока, ни напряжения. Через каждую точку провода пробегают все значения тока и напряжения- от нулевого до а мили- Рис. 4.21. Характеристика излучения антенны бегущей волны в вертикальной и горизонтальной плоскостях тудного. Волны тока и напряжения бегут вдоль провода от передатчика к концу антенны и там отдают часть своей энергии на нагревание сопротивления. Большая часть энергии при движении волны вдоль антенны излучается. Излучение направлено строго вперед -вдоль провода. Характеристика излучения такой антенны показана на рис. 4.21. Антенны бегущей волны обладают весьма хорошей направленностью. Поэтому их целесообразно применять при наличии помех от других радиостанций. 71 Антенна "волновой канал". Еще большую направленность характеристики излучения имеют антешш "волновой канал". Схема такой антенны показана на рис. 4.22. Антенна состоит Античный Вибратор Директора Рис. 4.22. Антенна "волновой канал" из полуволнового вибратора, питаемого переменным- током передатчика с помощью фидера в виде коаксиального кабеля. На определенных , расстояниях перед вибратором и сзади него рас- 444=^ полагаются вибраторы, которые не соединяются с передатчиком и потому не получают питания от него. Такие вибраторы называются пассивными. В них возникают токи за счет индукционного влияния поля активного вибратора. На рис. 4.23 приведена примерная характеристика излучения антенны "волновой канал". ПРИЕМНЫЕ АНТЕННЫ Описанные выше типы антенн в равной мере пригодны как для излучения, так и для приема радиоволн. Однако, когда антенна используется только для приема, нет необходимости предъявлять 'к ней столь высокие требования, как к передающей. Наиболее простыми приемными антеннами являются: "наклонный луч", Г-образная и Т-образная. Все эти антенны часто применяются без 'противовесов, но заземляются. Опасаться влия- Рис. 4.23. Характеристика излучения антенны "волновой канал": а - в плоскости вибраторов; б - в плоскости, перпендикулярной к плоскости вибраторов ния потерь в земле здесь не приходится, так как протекающие в приемной антенне токи имеют очень малую величину, измеряемую миллионными долями ампера. 'Прием радиосигналов антенной. На провод приемной антенны, как уже было сказано, воздействует электромагнитное поле приходящей радиоволны. Под действием этого поля в антенне возникают электродвижущая сила и переменный Г" --- - 1Ш1ИЯП---. *. -1 1 0 о о О о о ( \ ^/v-°/ 1 6 о о 0 0 о ( \ ь №2 \ \ О 0 о о о о ( \ * №3 ч -ч \ | о о о о о о ( ) * №-4 1 1 о о о о о о ( \ " №5 1 ^_^\ о о о о о о ( ) ^№-е !_.. м )__( ="--: )_( >_< ^-е )_( fc--! LJ 1 1 1 1 1 ! №1 НЧ №3 N4 N°5 №5 I Л Антенны Рис. 4.24. Схема антенного коммутатора ток. Чем лучше излучающие свойства антенны, тем больше энергии проходящих .радиоволн она отбирает. Но так как наилучшей излучающей способностью обладают антенны, специально предназначенные для работы с передатчиками, то они являются, как правило, и лучшими приемными антеннами. Отсюда же следует, что направление наибольшего излучения антенны соответствует направлению наилучшего приема сигналов. Поэтому характеристика излучения является и характеристикой приема. Антенный коммутатор. При работе радиоприемного центра со многими корреспондентами используется много разных антенн с характеристиками излучения, направленными на различных корреспондентов. Антенны обычно подключаются не непосредственно к приемникам, а через антенный коммутатор, к которому подключены и радиоприемники. Коммутатор позволяет соединять любую антенну с любым приемником. Схема антенного коммутатора (рис. 4.24) аналогична схеме обычного телефонного коммутатора. Однако в антенном коммутаторе приняты специальные меры для уменьшения связи между линиями. Антенный коммутатор представляет собой металлический кожух, на передней стороне которого размещено коммутационное поле. Антенные фидеры 73 расположены вертикально, а фидеры приемников - горизонтально. Фидер антенны соединяется с фидером приемника установкой соединительной вилки в соответствующее гнездо коммутационного поля. Коммутатор с антеннами и приемниками соединяется при помощи двухпроводных экранированных кабелей. На схеме показано, как антенна № , 2 соединяется с приемником № 3 (вилка включена в заштрихованное гнездо). РАМОЧНЫЕ АНТЕННЫ Во многих случаях в качестве 'приемных антенн используются так называемые рамочные антенны, сокращенно, называемые рамками. Конструктивно (рамочная антенна представляет собой Разрез трубы Металлическая труба Ш^иель к приемнику •s а Рис. 4.25. Устройство рамочной антенны каркас, "а котором уложены витки медного провода (рис. 4.25). Часто такие аитенны помещаются в металлический экран, выполненный в виде изогнутой трубы из дюралюминия. ? Принцип работы ра- мочной антенны иллюстрируется рис. 4.26. Когда плоскость рамки совпа- ШР7 утгггк _• Рис. 4.26. НапраВленае распространения Волны ^A"el~ е2 рамочной дает с направлением распространения волны, в вертикальных проводах индуцируются электродвижущие силы. Так как передняя и задняя стороны рамочной антенны находятся на различных расстояниях от передатчика, то поле у передней и задней сторон имеет всегда разную величину. Вследствие этого величина э. д. с., индуцируемая в витках передней стороны рамки, отличается от величины э. д. с., наведенной в витках задней стороны' рамки. В показанном на рис. 4.26 случае э. д. с. в проводах передней стороны получается меньше, чем в проводах задней стороны. Под действием разности этих э. д. с. в проводах рамки возникает 74 электрический ток. Из объяснений следует, что чем больше размеры рамки по сравцению с длиной волны, тем больше разница между э. д. с., наводимыми в проводах передней и задней сторон рамки. Следует отметить, что если плоскость рамки образует угол с направлением распространения волны, то разница в величинах э. д. с., наводимых в проводах передней и задней сторон, меньше, чем при совпадении плоскости рамки с направлением распространения волны. Когда плоскость рамки перпендикулярна к направлению распространения волны, э. д. с., наводимые в проводах обеих сторон рамки, одинаковы и ток в рамке равен нулю. Таким образом, рамочная антенна обладает избирательными свойствами в пространстве. Она хорошо принимает радиоволны, направление которых совпадает с плоскостью рамки. Наоборот, с направлений, перпендикулярных к 'плоскости рамки, приема нет. • Из-за малых размеров рамочных антенн наводимая в них э. д. с. получается меньше, чем в рассмотренных выше антеннах. Поэтому рамочные антенны малоэффективны. Однако направленные свойства рамочной антенны обусловили использование ее в качестве антенны многих пеленгаторных - устройств, предназначенных для определения направления на работающий передатчик. МАГНИТНАЯ (ФЕРРЙТОВАЯ) АНТЕННА В радиовещательных приемниках в последние годы стали применяться магнитные ферритовые антенны. Такие антенны представляют собой катушку контура, внутри которой поме- Ферритовыи 'Стержень п, " МП, ПНИ----------- . / иОМОТПКа |||м;; ,,;;;!,;;, ;tr.;-:;j|| QOMOWKQ Парного Рис. 4.27. Устройство приемной ферритовой антенны щается ферритовый стержень. Принцип работы антенны состоит в том, что ферритовый стержень, как всякий железный сердечник, концентрирует в себе силовые линии магнитного поля. Проходящая радиоволна намагничивает ферритовый сердечник, и внутри катушки появляется в несколько десятков раз больше магнитных силовых линий, чем без сердечника. Для повышения эффективности антенны ферритовый стержень делают длиной в 10-20 см. Внешний вид и устройство такой антенны показаны на рис. 4.27. 75 Магнитная антенна только тогда принимает сигналы радиостанции, когда ее стержень расположен вдоль магнитных силовых линий. Поэтому радиосигналы принимаются только с направления, перпендикулярного к оси антенны. Магнитная (ферритовая) антенна вследствие своих малых размеров, как и рамочная, обладает малой эффективностью. Наводимая в витках катушки антенны в. д. с. получается небольшой, и поэтому ферритовая антенна ftp иго дна лишь для приема либо близко расположенных, либо мощных радиостанций. ГЛАВА 5 РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН ОБРАЗОВАНИЕ РАДИОВОЛН В предыдущей главе говорилось, что антенны радиопередатчиков образуют радиоволны, которые представляют собой движущееся электромагнитное поле. При прохождении радиоволн в пространстве обнаруживаются электрические магнитные силы. Величина и направление этих сил изменяются с течением времени по такому же закону, как изменялись в антенне образовавшие поле напряжения и токи. Радиоволны распространяются в пустоте со скоростью 300000 километров в секунду (или 300 м в одну миллионную долю секунды - микросекунду). В воздухе скорость распростра* нения немного меньше, чем в пустоте, "о эту разницу- обычно не принимают во внимание. Скорость распространения электромагнитной волны в земле и воде зависит от диэлектрической и магнитной проницаемости почв и воды и всегда значительно меньше скорости в пустоте. Так, например, скорость распространения электромагнитной энергии в морской воде приблизительно в девять раз меньше скорости распространения ее в пустоте. Электромагнитные волны, длина которых в воздухе лежит в диапазоне от долей миллиметра до ста километров, называются радиоволнами. По своим свойствам они подразделяются на сверхдлинные, длинные; средние, короткие и ультракороткие. Сверхдлинными называются волны длиной свыше 10000 м (частота ниже 30 кгц), длинными - волны в диапазоне от 1000 до 10000 м (30-300 кгц), средними - волны от 100 до 1000 м (300-3000 кгц). Волны от 10 до 100 м называются короткими. Ультракороткие волны, волны "ороче 10 м, в свою очередь подразделяются на метровые - от 1 до 10 ж, дециметровые -- от ГО до 100 см, сантиметровые - от 1 до 10 см и миллиметровые--* от 1 до 10 мм. Сила электромагнитного поля оценивается числом вольт напряжения, образующегося между точками пространства вдоль 77 силовой линий, отстоящих друг от Друга на один метр. Величина эта называется- напряженностью поля. Как правило, напряженность поля в месте приема составляет от нескольких единиц до нескольких сотен микровольт "а метр. ОСЛАБЛЕНИЕ РАДИОВОЛН Излученные антенной радиоволны расходятся во всех направлениях. Поэтому по мере удаления от антенны энергия радиоволн распределяется все на большую и большую поверхность. Количество энергии,'приходящееся на один квадратный метр поверхности, убывает обратно пропорционально расстоянию от антенны во второй степени. Напряженность поля убывает обратно пропорционально расстоянию в первой степени и определяется по формуле р _ УЫР --я -т % " где Ет - амплитуда напряженности поля, в/ж; Р - мощность, излученная антенной, вт\ R - расстояние от антенны, м. Из формулы следует, что с увеличением мощности излучения в несколько раз напряженность поля также увеличивается, но в меньшее число раз. Например, если мощность возрастет в четыре раза, то напряженность поля увеличится всего в два раза, а следовательно, дальность радиосвязи лишь удвоится. Это обстоятельство следует помнить во всех случаях при необходимости увеличения дальности связи. Увеличивать мощность передатчика в большинстве случаев нежелательно, так как для этого нужно применять более громоздкие аппаратуру и источники питания. Гораздо выгоднее, не увеличивая мощности передатчика, применять антенны с направленной характеристикой излучения в сторону корреспондента. В этом случае энергия радиоволн распределяется не по всем направлениям одинаково, а излучается преимущественно в заданном направлении. В результате плотность энергии в направлении на корреспондента возрастает в несколько раз, что равноценно увеличению мощности в такое же число раз. В реальных условиях распространение радиоволн происходит не в пустоте, а либо в воздухе, либо в земле, либо в воде, т. е. в средах, содержащих громадное количество молекул, атомов, заряженных частиц (ионов, электронов). Поэтому когда в той или иной среде появляется электромагнитное поле, то частицы, обладающие электрическими зарядами или магнитными свойствами, приходят в колебание с частотой поля волны. Частицы вещества получают дополнительное количество энергии, увеличивают свои скорости движения, увеличивается частота их 78 столкновения с другими частицами, что проявляется в повышении температуры вещества. Таким образом, часть электромагнитной энергии радиоволн расходуется, на нагревание окружающего воздуха (земли, воды), а поэтому сила поля постепенно убывает. Ослабление поля при поглощении энергии в среде увеличивается по., мере увеличения пути, проходимого волной. На- ?т [мнВ/м] 500 1000 . [2000 3000 Удаление спутников от Земли, в км 4000 Рис. 5.1. Изменение напряженности поля радиоволн, принимавшихся в Москве, при полете 1-го и 2-го советских искусственных спутников Земли (точками отмечены данные, относящиеся к 1-му спутнику, крестиками - ко 2-му спутнику) пример, проникая все глубже в землю, волна становится слабее и на какой-то глубине будет такой слабой, что практически ее нельзя обнаружить. Ослабление поля за счет поглощения увеличивается с повышением частоты радиоволн, так как число столкновений частиц среды в одну секунду при этом возрастает. Поглощение в среде также увеличивается по мере увеличения числа заряженных частиц, содержащихся в той или иной среде, т. е. по мере увеличения электрической проводимости среды. Воздух для большинства применяемых в связи радиоволн практически не поглощает электромагнитной энергии. Поэтому для расчета напряженности поля радиоволн, распространяющихся в свободном пространстве, можно пользоваться приведенной выше формулой. Применим эту формулу для расчета напряженности поля радиоволн, излучавшихся передатчиками 1-го и 2-го советских искусственных спутников Земли. Расчет произведем для передатчика частоты 20 Мгц и предположим, 79 что излучаемая мощность составляла приблизительно 0,5 вт. Тогда при удалении спутника на 1600 км -амплитуда' напряженности поля на Земле будет Em- IQ\Q6 ~3,4-10~6 в/м, или 3,4 мкв/м. Это достаточно большая величина напряженности поля, вполне достаточная для того, чтобы обеспечить уверенный прием сигналов современными радиоприемными устройствами. Для сравнения укажем, что такой сигнал создает передвижная радиостанция средней мощности на расстоянии нескольких десятков километров. Для сопоставления рассчитанной величины напряженности поля с действительной на рис. 5.1 показаны измеренные значения напряженности поля при наблюдениях за полетом 1-го и 2-го советских искусственных спутников Земли. Сплошной линией показана величина напряженности поля при различных удалениях спутников от Земли, рассчитанная по формуле. Все рассчитанные величины получились в два - три раза больше измеренных, в особенности на расстояниях больше 1000 км. Это объясняется тем, что в нашем расчете не учтено поглощение, ^радиоволн верхними ионизированными слоями атмосферы, через которые должны были проходить радиоволны, посылаемые спутниками. Чтобы учесть влияние этих слоев, нужно познакомиться со строением атмосферы. СТРОЕНИЕ АТМОСФЕРЫ Атмосферой называется газообразная, (воздушная) обол-очка Земли, простирающаяся на высоту больше 1000 км. Атмосфера не имеет резко очерченной внешней границы. Следы воздуха встречаются даже на высоте нескольких тысяч километров. В настоящее время атмосферу подразделяют на три основных сферы (или слоя): тропосферу, стратосферу и ионосферу. Верхняя граница тропосферы лежит на высоте 10-12 км (.над экватором несколько выше). Стратосферой называется слой, лежащий над тропосферой и простирающийся до высоты 70-80 км. Выше стратосферы расположена ионосфера. Тропосфера существенно влияет на дальность распространения ультракоротких радиоволе. Стратосфера практически влияет на распространение лишь сверхдлинных радиоволн. Наиболее всеобъемлющим оказывается влияние ионосферы. Плотность газов (воздуха) в атмосфере быстро убывает с увеличением высоты и в ионосфере становится "ичтожно малой по сравнению с плотностью у поверхности земли. Исследования, проведенные с помощью метеорологических ракет, показали, что плотность воздуха на высоте 100 км в миллион раз меньше, чем у поверхности Земли, а на высоте 200 км в 10 миллиардов раз меньше. При столь малой 'Плотности атомы и молекулы газов находятся далеко друг от друга и сталкиваются между собой весьма редко. Ионосфера отличается от тропосферы и стратосферы наличием большого числа свободных электрических зарядов - положительно и отрицательно заряженных атомов и молекул. Объясняется это тем, что солнечные излучения (световые и космические лучи), проникая в атмосферу, расходуют часть своей энер- гии на отрывание электронов от атомов и молекул. Вследствие этого в атмосфере образуются отрицательно заряженные электроны и положительно заряженные остатки атомов и молекул. Оторванные электроны могут соединяться с нейтральными молекулами и образовывать более тяжелые отрицательные частицы. Отрицательно и положительно заряженные частицы называются ионами ("ион" в переводе на русский язык означает "блуждающий"), а процесс образования ионов из нейтральных атомов и молекул носит название ионизации. Если атмосфера имеет нормальную плотность (плотность, характерная для нижней части тропосферы), то раздельное существование в ней положительных и отрицательных ионов в течение длительного времени будет невозможно. Ионы часто сталкиваются друг с другом и с молекулами, поэтому скорости их движения постепенно уменьшаются. В конце концов положительные и-отрицательные ионы притягиваются друг к другу, а их заряды взаимно уравновешиваются. В тропосфере на высоте нескольких километров количество ионов не превышает нескольких сотен пар в одном кубическом сантиметре. Но в ионосфере, где. плотность молекул в миллионы и миллиарды раз меньше, чем в тропосфере, ионы сталкиваются редко и поэтому существуют длительное время. Вследствие этого ионосфера всегда содержит большое количество ионов, измеряемое сотнями тысяч пар в 1 см3. СТРОЕНИЕ ИОНОСФЕРЫ Распределение ионов по высоте атмосферы неравномерно (рис. 5.2). Наибольшая плотность ионов на высоте 300-400 км. Здесь образовался самый мощный ионизированный слой, который принято называть слоем F2. Он как раз и является основным виновником ослабления поля радиоволн, принимавшихся с искусственных спутников Земли. Выше слоя F2 плотность ионов медленно убывает. Ниже слоя FZ расположены менее мощные слои ионосферы (со значительно м-еньшей плотностью ионов) и гораздо менее протяженные по высоте. Они называются слоями FI и Е. Иногда можно наблюдать ионизированный слой и на высоте 60-80 км (слой D), но плотность ионов в нем не превышает нескольких тысяч пар в 1 см*. На рис. 5.2 показано примерное распределение ионов в летний полдень. Зимой и ночью, когда 'освещение атмосферы солнечными лучами уменьшается, плотность ионов становится меньше, максимумы плотности слоев перемещаются выше. Ионизированные слои в каждой точке земной поверхности с течением времени то поднимаются (ночью), то опускаются* (днем). Плотность ионов в них то увеличивается (днем), то уменьшается (ночью). Такие же 'изменения в ионосфере происходят и при-переходе от лета к зиме и обратно, 6-261 81 Так как в различных частях земного шара в один и тот же момент времени освещенность неодинаковая, то и распределение ионизированных слоев по земному шару неравномерно и непостоянно. Помимо суточных и сезонных изменений .состояния ионосферы, наблюдаются также изменения плотности ионов, совершаю- И(нн) 500' 450 400 300 250 да 150 4)0 50 200 400 600 800 Тысяч пар ионоВ 8 1см3 Воздуха 1000 Рис. 5.2. Распределение плотности ионов по высоте ионосферы щиеся с периодом длительностью 11 лет. Эти изменения связаны с периодическими изменениями активности излучения Солнца, проявляющимися в появлении на его поверхности большого числа темных пятен - очагов интенсивного излучения. Наличие ионов в ионосфере делает ее проводником электрического тока. Радиоволна, проникая в ионосферу, приводит в колебательное движение всю массу ионов, которые, сталкиваясь между собой и с неионизированными частицами, расходуют энергию, полученную от радиоволны, превращая ее в тепло. Поэтому энергия проходящей через ионосферу волны постепенно уменьшается, волна затухает. Но это 'затухание, как мы уви- дим ниже, значительно меньше, чем при распространении радиоволн вдоль поверхности Земли. Тем не менее ослабление радиоволн ионосферой при приеме сигналов искусственных спутников Земли стало заметным благодаря тому, что радиоволна в ионосфере проходила очень большие пути, измеряемые сотнями километров. Отметим, что влияние ионосферы свелось к ослаблению поля всего в несколько раз даже при удалении спутников на тысячи километров от Земли. Изменчивостью свойств ионосферы объясняются и те различные измеренные величины напряженности .поля, которые показаны на рис. 5.1. Каждое измерение, показанное на рисунке, отличалось от другого по времени на несколько дней или недель, не говоря уже о времени суток. При установлении радиосвязи между станциями, антенны которых [расположены вблизи от поверхности Земли, радиоволны не могут распространяться безгранично во все стороны, Ионосфера Рис. 5.3. Распространение радиоволн вдоль поверхности Земли: / - прямая волна, огибающая поверхность; 2 - волна, отраженная от поверхности Земли; 3 - волна, отраженная ионосферой (пространственная волна) как в космическом пространстве. Распространение радиоволн ограничивается, с одной стороны, поверхностью Земли, а с другой-.поверхностью ионосферы. Так как и поверхность Земли и ионосфера являются средами, проводящими электрический ток, то падающие на них радиоволны возбуждают в Земле и ионосфере переменные электрические токи, которые в свою очередь излучают электромагнитную энергию в обратном направлении. В результате поверхность Земли и поверхность ионосферы отражают от себя часть падающей на-них энергии радиоволн. Благодаря такому отражению радиоволны распространяются вдоль земной поверхности тремя путями: огибанием поверхности Земли (рис. 5.3, линия /), отражением от поверхности Земли 6* 83 (рис. 5.3, пунктирные линии 2) и отражением от ионосферы (рис. 5.3, линии 5). Рассмотрим законы распространения волн каждым из трех путей и постараемся сделать нужные для практики выводы. РАСПРОСТРАНЕНИЕ ПОВЕРХНОСТНЫХ РАДИОВОЛН Поверхностными называются- радиоволны, распространяющиеся вдоль земной поверхности. Эти волны состоят из прямой волны, огибающей поверхность земли, и волны, отраженной от Передатчик \ \ Вертикальная антенна / -~)tr Горизонтальная антенна Приемник Рис. 5.4. Влияние поверхности Земли на изменение направления распространения радиоволны. Стрелками показано направление движения волны. При движении волны от передатчика к приемнику фронт волны наклоняется и вертикальное электрическое поле становится наклонным земной поверхности. Как известно, воздух не вызывает ослабления радиоволн во всем диапазоне применяемых частот, поэтому прямая волна должна бы распространяться без поглощения. Однако это верно Л'ишь в том случае, если прямая волна проходит высоко над поверхностью земли, т. е. антенны передающей и приемной радиостанций находятся на высоте, равной нескольким длинам волн. Если же линия радиосвязи проходит вблизи от поверхности земли, то часть энергии прямой волны отклоняется в землю. Происходит это потому, что скорость распространения радиоволн в земле меньше, чем в воздухе, и при движении их вдоль ее поверхности нижний край волны отстает от верхнего .(:РИС- 5.4), фронт волны наклоняется и, помимо движения энергии вдоль поверхности земли, происходит ее распространение сверху вниз. Радиоволны, попавшие в землю, возбуждают в ней переменные электрические токи, которые часть своей энергии расходуют на нагрев почвы. Поэтому радиоволны, распространяющиеся вблизи от поверхности земли, сильно поглощаются почвой и по мере удаления от передатчика становятся все слабее. Рис. 5.4 интересен еще и тем, что из него вытекает практи" чески важный вывод. Оказывается, что наклон фронта распространяющейся волны делает возможным прием радиоволн, излу- 84 чённых вертикальными антеннами, на антенны, (расположенные вдоль поверхности земли (но в сторону корреспондента). На рис. 5.4 стрелкой показано направление силовых линий электрического поля; при распространении радиоволн вблизи от поверхности земли силовые линии наклонены под углом к горизонту и поэтому в горизонтальном проводе возникают электрические токи, но, конечно, меньшей величины, чем в вертикальном. Величина потерь энергии в земле очень сильно зависит от частоты проходящих радиоволн и сопротивления почвы электрическому току. В оочве с увеличением частоты радиоволн величина индуктируемой э. д. с. возрастает, а вместе с э. д. с. увеличиваются и токи в земле, которые создают электромагнитное поле обратного направления. В результате поле в земле сильно ослабляется, энергия проникает на небольшую глубину, токи протекают лишь в тонком поверхностном слое почвы. Величина тока, приходящаяся на 1 см3 почвы (плотность тока), с повышением частоты увеличивается. Увеличение плотности тока в земле, происходящее по мере роста частоты колебаний, сопровождается увеличением потерь энергии в земле, которое хорошо заметно на более коротких волнах. Если же частота радиоволн низкая, то возникающие в земле токи малы и потери энергии небольшие. На рис. 5.5 приведен график, показывающий изменение напряженности поля с изменением расстояния от передатчика для волн различной длины. Так как сила поля зависит от величины излучаемой мощности, то график построен для вертикальной антенны высотой 10 ж при мощности в антенне 1 вт. Если мощность в антенне будет другая, то все величины напряженности поля нужно умножить на квадратный корень из мощности. Например, если мощность в антенне будет 16 вт, то напряженности, приведенные на рис. 5.5, нужно умножить на 1^16 = 4. На графике горизонтальными линиями показаны уровни сигнала, необходимые для уверенной связи микрофоном днем и ночью. Точки пересечения каждой прямой с кривыми напряженности поля определяют дальность выбранного вида связи. Так, из графика следует, что дальность радиосвязи микрофоном днем на волне 300 м составляет примерно 120 км, а на,, волне 200 м - примерно 80 км. Ночью из-за увеличения уровня помех требуется большая напряженность поля, и дальность связи уменьшается. В связи с тем, что потеря мощности на нагрев земли растет с увеличением сопротивления почвы электрическому току, на затухание поверхностной волны большое влияние оказывает характер почвы. Еще изобретатель радио А. С. Попов заметил, что над поверхностью моря дальность радиосвязи увеличивается по сравнению с дальностью связи над сушей. А ведь сопротивление электрическому току соленой морской воды гораздо меньше, чем сопротивление даже влажной почвы, не говоря уже о сухой песчаной или гористой. Приведенные на рис. 5.5 величины напря- 85 женности поля относятся к случаю распространения радиоволн вдоль некоторой средней по влажности и среднепересеченной местности. Когда распространение радиоволн происходит вдоль каменистой или песчаной пустыни, напряженность поля примерно в три раза меньше. Наоборот, если радиоволны распро- 100 - 50 100 150 200 250 Расстояние ,8 НА 300 350 400 Рис. 5.5. Уменьшение силы поля радиостанции мощностью 1 вт при распространении над среднепересеченной местностью (антенна - штырь высотой 10 м). Пунктиром указаны уровни сигнала, необходимые для уверенной телефонной связи днем и ночью страняются вдоль равнины с влажной почвой, то напряженность поля увеличивается в два-три раза по сравнению с приведенной на рис. 5.5. Совершенно очевидно, что заводимые в земле токи достигают наибольшей величины вблизи от антенны передающей радиостанции, так как здесь поле имеет наибольшую силу. Поэтому на степень затухания волн оказывает влияние характер почвы не столько по всей трассе-, сколько вблизи от передатчика, на расстоянии нескольких сотен метров. Отсюда следует вывод, что располагать !радиостанцию (особенно УКВ диапазона) следует на местности с возможно лучшей проводимостью почвы, т. е. "е на сухой, а на влажной почве. Естественно, что на степень затухания радиоволн оказывает 86 влияние и характер местности. Так, если радиоволны распространяются летом вдоль лесного массива, то напряженность поля примерно в два раза меньше, чем приведенная на рис. 5.5 (если лесной массив составляет по крайней мере две трети всей трассы между корреспондентами). Зимой, наоборот, если лес лиственный, напряженность поля может даже увеличиться по сравнению с летней. Сильно затухают радиоволны при распространении над замерзшими пресными реками и озерами, хотя летом эти места наиболее благоприятны для распространения радиоволн. Летом кустарник на болотистой местности оказывает довольно значительное поглощающее действие, но зимой благодаря снежному покрову на такой местности дальность радиосвязи повышается. Вместе с тем следует помнить, что наличие очень большого слоя снега на местности приводит, как правило, к снижению силы поля и сокращению дальности уверенной радиосвязи. На распространение длинных и средних радиоволн характер местности практически никакого влияния не оказывает - волны этих диапазонов прекрасно огибают встречающиеся на их пути препятствия. На ослабление радиоволн существенное влияние оказывает удаление препятствия от передающей и приемной антенн. На рис. 5.6 показаны три случая размещения преграды на пути радиоволн. В первом случае передающая антенна расположена далеко от преграды, а приемная - за преградой в непосредственной близости от нее. Радиоволны, распространяясь в направлении преграды, перехватываются преградой лишь в-незначительной части; поэтому преграда не оказывает сильного поглощающего влияния, она просто загораживает приемник от волны. К приемнику приходит лишь очень малая доля энергии, и связь получается неустойчивой. Во втором случае передатчик находится очень близко к преграде, а приемник отнесен далеко от нее с противоположной стороны. Преграда перехватывает значительную часть энергии, излучаемой передатчиком, на другую сторону преграды попадает ослабленная волна. Сила сигнала у приемной антенны получается.ослабленной за счет поглощающего и загораживающего (экранирующего) влияния преграды. В третьем случае и передающая и приемная станции расположены далеко от преграды. В этом случае влияние ее минимально. Возможен еще четвертый случай, когда обе корреспондирующие станции оказываются вблизи от преграды с обеих ее сторон. Это самый худший случай, так как радиоволны наиболее ослаблены. Из приведенных примеров становится ясно, что не следует размещать радиостанции вблизи от преград и, в частности, в гуще леса. Бели невозможно найти открытое место, следует установить антенну на высоком дереве, над кронами остальных деревьев. , §7 В населенных пунктах следует располагать радиостанции либо на открытых больших площадях, либо на верхних этажах" высоких зданий. При размещении радиостанций в зданиях антенны должны быть либо установлены иа крыше, либо выпущены из окна, выходящего в сторону корреспондента. Часть поля, задерживаемая /" преградой ^^f^^^^f^^^^^|^^^^^^^^^^^^^^F/r^ Рис. 5.6. Схема распространения радиоволн при наличии преграды Устанавливая радиосвязь поверхностной волной, не следует забывать о характеристиках направленного излучения применяемых KoppecnoHAeHfaMH антенн. Антенны обеих корреспондирующих станций должны создавать наибольшее излучение вдоль поверхности земли в сторону корреспондента. При оценке дальности радиосвязи следует учитывать, что короткие штыревые антенны высотой 1-2 м излучают мощность примерно в 20 раз меньше, чем штыревая антенна высотой 10 м (при той же мощ- а§ кости б антенне). Поэтому дальность радиосвязи, определенная по графикам рис. 5.5 для радиостанций с малыми штыревыми антеннами, должна быть уменьшена в четыре - пять раз. ВОЛНА, ОТРАЖЕННАЯ ОТ ПОВЕРХНОСТИ ЗЕМЛИ Как уже было сказано, падающая "а поверхность земли электромагнитная волна возбуждаете почве переменные электрические токи. Часть энергии поля, затраченной на образование ^г;+г;>г,. -шшМ = (г^и Рис. 5.7. Сложение прямой и отраженной волн в месте приема " . токов, расходуется на нагрев почвы, а другая, как правило, брльшая часть, излучается обратно в воздух, где и распространяется в виде отраженной волны. Отраженная от земли волна складывается с прямой волной, проходящей вдоль поверхности земли, и на приемную антенну воздействует суммарное поле этих двух волн. Из рис. 5.7 видно, что отраженная волна проходит несколько больший путь, чем волна, распространяющаяся вдоль поверхности земли. Поэтому отраженная волна всегда запаздыв-ает по сравнению с прямой. Время запаздывания подсчитывается делением разности путей, проходимых отраженной и прямой волнами, и а скорость распространения волны (3-Ю8 м/сек). Запаздывание может быть различным, поэтому результирующее поле в месте приема будет равняться или сумме обоих, полей, или их разности, или принимать какие-то промежуточные значения между максимальной и минимальной величинами. Из рисунка также видно, что время запаздывания отраженной волны, или, что то же самое, разность путей обеих волн, определяется высотой расположения корреспондирующих радиостанций и расстоянием между ними. Чем выше расположены радиостанции, тем разность хода волн, а следовательно, и запаздывание отраженной волны больше; чем дальше радиостанции друг от друга, тем разность хода волн меньше. При удалении приемника от передатчика результирующее поле в точке приема ослабляется не постепенно, а периодически (то ослабляется, то усиливается). 89 Аналогичное изменение силы поля наблюдается и при изменении высоты подъема одного из корреспондентов. Совершенно очевидно, что наиболее сильное влияние запаздывания на результирующее поле должно быть на ультракоротких и коротких волнах. Длительность периода этих колебаний мала, и сравнительно небольшое изменение времени запаздывания оказывается соизмеримым с периодом. На длинных и средних волнах это влияние меньше, так как запаздывание, равное _^^ f <->^-^ ^^$>г$^~' v ^^^> * Связь за счет отражения от гор Рис. 5.8. Схема, показывающая, что если вдоль трассы имеется горный хребет (/), то преодолеть препятствие на пути радиоволн можно, используя отражение радиоволны от горного массива (2). На схеме показано направление лепестков характеристик излучения антенн - даже только четверти периода, должно составить несколько микросекунд, а значит, разность хода прямой и отраженной волн должна быть больше километра. Для получения такой разницы передатчик нужно поднять на высоту нескольких километров, что практически не делается. . На образование отраженных волн большое влияние оказывает рельеф местности. Если местность сильно пересеченная, а Тем более гористая, то каждая неровность может быть источником отраженной от земли волны, даже если радиостанции размещены на ее поверхности. Если гор, холмов и других местных предметов много, то и отраженных радиоволн будет много. Поэтому в различных точках данной местности сила поля будет различной, в одних местах поле усиливается, а в других ослабляется. Устанавливая радиосвязь с корреспондентом, особенно на УКВ, радист обязан найти такое место, на котором связь наиболее устойчивая. Для этого бывает достаточно изменить положение радиостанции всего на несколько метров в ту или иную сторону. При установлении связи в крупных городах нужно помнить, что радиоволны претерпевают многократные отражения от зданий. При этом по длине улицы будут чередоваться зоны хорошей и плохой слышимости. Такое же явление наблюдается и в горных районах. Отражаясь от отрогов гор, радиоволны могут хорошо распространяться вдоль узких и достаточно глубоких ущелий. Зная законы распространения радиоволн, радисты могут ис" пользовать особенности рельефа местности для повышения даль- 90 ности и надежности радиосвязи даже в самой сильно пересечен-"ой местности. Приведем два примера. На рис. 5.8 показан случай установления связи на УКВ между двумя корреспондентами, расположенными по обеим сторонам горного хребта. Очевидно, что совершенно бессмысленно направлять излучаемые волны в направлении хребта (-*), хребет их не пропустит. Но в стороне проходит другой горный массив и, если излучение пе- Рис. 5.9. Возможный способ преодоления преграды путем изменения направления излучения максимума энергии. По линии А-Б связь отсутствует, так как преграда задерживает основную часть энергии поля. Связь может пройти по линии А-В-Б, если антенны повернуть так, чтобы максимум излучения проходил вблизи вершины преграды редатчкков направить не в сторону корреспондента, а на этот массив (2), то отраженная волна обогнет горный хребет и достигнет радиостанции корреспондента. На рис. 5.9 приведен другой случай повышения устойчивости связи при наличии между корреспондентами непреодолимой преграды. Направив антенну радиостанции таким образом, чтобы максимум излучения попадал "а верхний конец преграды, можно рассчитывать на увеличение силы поля за счет огибания вершины. Можно было бы рекомендовать целый ряд других способов увеличения дальности связи. Но так как примеры на все случаи жизни перечислить невозможно, остается только порекомендовать хорошо разобраться в основных законах распространения радиоволн и правильно использовать их в практической работе. Помимо всего сказанногб, нужно учитывать нежелательность размещения радиостанций вблизи преград даже в том случае, когда преграда не мешает прохождению радиоволн. Дело в том, что преграда может вызвать увеличение помех за счет отражения радиоволн соседних радиостанций. ПРОСТРАНСТВЕННАЯ ВОЛНА Как уже говорилось, пространственной называется волна, отраженная от ионосферы. Отражаясь от ионосферы, волны возвращаются к поверхности земли. Но радиоволны различной длины отражаются с разных высот ионосферы. Сверхдлинные и 91 длинные (радиоволны отражаются самыми нижними слоями, находящимися на высоте 60-80 км, средние волны - слоями на высоте 150-250 км, короткие - верхними слоями на высоте 250- 400 км. Ультракороткие волны, как правило, ионосферой "е отражаются. Наблюдающиеся случаи отражения ультракоротких радиоволн объясняются особыми условиями распространения, и о них будет рассказано ниже. /L V *,/ /7 А / / Рис. 5.10. Схема, иллюстрирующая изменение траектории движения радиоволны в ионосфере за счет различия скорости распространения волны в ионосфере и тропосфере. Показаны четыре последовательных положения фронта волны в моменты времени t\, tz, ts, /4. За промежуток времени от t\ до tz волна в тропосфере распространяется на расстояние О-а, а в ионосфере - на О-а\; поэтому волна перестает двигаться в глубь ионосферы, а идет параллельно границе ионосферы. В следующий интервал времени t2-13 верхние точки фронта волны обгоняют нижние еще больше и волна поворачивает в сторону земли Процесс отражения радиоволн ионосферными слоями удобно' объяснять, исходя из представлений о скорости распространения волн в ионизированном газе. Скорость распространения в слоях, содержащих ионизированные газы, увеличивается по мере увеличения концентрации заряженных частиц. Поэтому скорость "перемещения фронта радиоволны в ионосфере больше, чем в тропосфере и стратосфере, а внутри каждого ионосферного слоя больше, чем на его нижней и верхней границах. Это объясняет то, что при падении волны на ионосферу под некоторым углом (рис. 5.10) часть фронта, достигшая ионосферы раньше, успевает пройти .большее расстояние и обгоняет остальные участки фронта. Вследствие этого фронт волны искривляется и волна распространяется сначала вдоль ионизированного слоя, а затем выходит из него обратно к поверхности земли. Необходимо отметить, что скорость распространения радиоволн в ионосфере зависит и от частоты распространяющихся электромагнитных колебаний. Она уменьшается с повышением частоты колебаний. Этим и объясняется тот факт, что радиоволны низких частот отражаются более низкими слоями ионосферы, имеющими сравнительно небольшую концентрацию ионов. Увеличение же скорости распространения радиоволн ультравысокой частоты даже в самых плотных слоях оказывается столь незначительным, что ультра-короткие волны не возвращаются из ионосферы, а уходят за ее пределы в космическое пространство. 92 Из приведенного объяснения следует также вывод о том,что условия отражения радиоволн от ионосферы в сильной степени зависят от того, под каким углом приходят к ней радиоволны. При скользящем падении радиоволн на ионосферу требуется лишь небольшое увеличение скорости их распространения, чтобы волны возвратились на поверхность земли. Поэтому, в частности, 'при скользящем падении происходит отражение даже ультракоротких радиоволн (длиннее 6 м), распространяющихся за счет высоте слоя ночью Высота слоя днем ' ^ \ ч N Рис. 5.11. Схема, иллюстрирующая необходимость применения в ночное время более длинных волн, чем днем такого отражения на расстояния не менее 2000 км. С другой стороны, даже короткие волны, излученные вертикально вверх, не всегда отражаются и самым мощным ионизированным слоем. Выше уже говорилось, что концентрация ионов в слоях ионосферы изменяется в течение суток: днем она больше, ночью меньше. Поэтому волна-, отражавшаяся от ионосферы днем на одной высоте, ночью будет отражаться на большей. А это может, как видно из рис. 5.11, нарушить связь. Чтобы в ночное 'время связь "е нарушалась и отражение произошло на той же высоте, что и днем, необходимо уменьшить рабочую частоту связи. По этой причине радиостанциям, работающим в течение круглых суток, выделяется не одна, а по крайней мере две рабочие волны - дневная и ночная. Кроме того, в некоторых случаях назначаются волны для связи в утренние и вечерние часы. Из рис. 5.11 видно, что за счет уменьшения концентрации ионов в ионосфере и увеличения высоты отражения радиоволн дальность радиосвязи ночью резко увеличивается. Это сопровождается повышением уровня помех за счет полей дальних радиостанций, что вызывает снижение фактической дальности радиосвязи в ночное время. Помня об этом, радисты должны всегда стремиться работать при минимально необходимой мощности, не увеличивая ее без достаточных оснований. 93 Отличительная особенность пространственной волны - весьма малое затухание ее при распространении на очень большие расстояния. Величина поглощения зависит от длины пути, проходимого волной в ионизированных слоях. Но даже при самых неблагоприятных условиях это затухание так мало, что не может идти "и в какое сравнение с затуханием поверхностных радиоволн. Так, если для связи пространственной волной на тысячу километров на коротких волнах достаточна мощность передатчика в несколько десятков ватт, то для связи "а это же расстояние поверхностной волной не хватит и нескольких сотен киловатт. Говоря о преимуществах пространственной волны, следует отметить, что на дальность радиосвязи пространственной волной не оказывает никакого влияния рельеф местности между корреспондентами. Кроме того, так как антенны с излучением в зенит обладают более острой характеристикой излучения, чем антенны с излучением вдоль поверхности земли, то уровень помех при связи пространственной волной оказывается значительно меньше. Но наряду с достоинствами пространственные волны обладают и серьезными недостатками. Наиболее существенным из них является сильная зависимость распространения этих волн от электромагнитных процессов, совершающихся в атмосфере земли. А как известно, характер этих процессов непостоянен и изменяется в течение суток, от одних суток к другим, от одного сезона к другому, от года к году и т. д. Магнитные бури, сопровождающиеся, как правило, появлением полярных сияний, приводят к катастрофическому прекращению коротковолновых связей "а весьма длительное время. Поэтому надежные коротковолновые связи пространственной волной можно установить лишь при непрерывном наблюдении за состоянием ионосферы, ее способностью отражать радиоволны и обеспечивать их распространение на необходимое расстояние. Такое наблюдение и прогнозирование условий распространения пространственных радио-, волн осуществляется единой ионосферной службой, станции которой размещены во многих точках Советского Союза и других стран мира. Ионосферные станции с помощью специальной аппаратуры определяют наивысшие (максимальные) частоты радиоволн, которые еще отражаются тем или иным слоем ионосферы. Эти частоты называются критическими, так как все остальные частоты, превышающие критические, от данного слоя не отражаются. Для каждого ионосферного слоя в каждый момент времени существует своя критическая частота. Критическая частота является наименьшей для волн, падающих на ионосферу перпендикулярно; для волн, падающих в ионосферу под меньшими углами, она увеличивается. При связи на коротких волнах, как правило, отражение происходит от верхних слоев ионосферы (слоя F2). Поэтому радио- 94 волны при своем распространении дважды проходят нижележащие слои ионосферы (слои Е и F\]. Если частота радиоволн оказывается значительно выше критической для нижележащих слоев,,то эти слои практически никакого влияния на прохождение волн не оказывают. Если же частота близка к критической частоте одного из слоев, то часть проходящей волны отклоняется CnouFo Слой FZ споем ? и потому не попаооющая к корреспонденту У Рис. 5.12. Схема, иллюстрирующая влияние нижних слоев ионосферы на силу сигнала. Если частота волны мало отличается от критической частоты нижнего слоя, то часть волны отклоняется от заданной трассы и поле становится слабее нижележащими слоями, путь ее в этих слоях удлиняется и волна оказывается сильно ослабленной (рис. 5.12). Чтобы уменьшить поглощение радиоволн в ионосфере, частоту связи выбирают на 1,0-1,5 Мгц выше критической частоты нижележащих слоев, но примерно на 0,5-1,0 Мгц ниже критической частоты слоя, отражение от которого используется. Большое влияние "а устойчивость связи оказывают сравнительно быстрые периодические изменения состояния ионосферы. Такие изменения приводят к тому, что сила принимаемого сигнала периодически меняется настолько, что сигнал либо совсем исчезает, либо становится очень большим. Это явление назы* вается замиранием. Для устранения вредного влияния замирания на устойчивость связи применяют специальные меры. К их числу относятся одновременный прием на антенны, разнесенные иа большие расстояния, повышение мощности излучения по сравнению со средней необходимой и др. Характер распространения пространственной волны свиде- 95 тельствует о том, что на поверхности земли она может быть обнаружена лишь с 'некоторого определенного расстояния от передатчика. Это наименьшее расстояние зависит от характеристики излучения передающей антенны, мощности передатчика, частоты связи и состояния ионосферы. Для войсковых радиостанций это расстояние обычно составляет несколько десятков километров. Поэтому, удаляясь от передатчика вдоль поверхности земли, мы будем первоначально наблюдать ослабление поля '- -• ...V-^-.-^'fM.Vt^eiffPV..:'-,--^ •-•.-..' . ••.'.'/ : '.••.••• \'.'. '•;•'•.• '. -.-\ ::'••:•••'•'•*.••••."••'"' у.'*.' AV'-.-j: •;•'••••' ч '-• . • • .. - . ..и", li•rf'rVii-.Vi'v1;''U-.'"v;-.;.';-.W•'••'.'.••• • •'•• ••'•'•'' 'JXX ......./-.:, -^-г \; • ••••:••...•:;•..,-,; v>,.;:л; Д| 30WC? поверхностной волны Зона молчания Зона пространственной волны Рис. 5.13. Схема распространения радиоволн вдоль поверхности земли и образования зоны молчания поверхностной вОлны. Это'поле на некотором расстоянии исчезает совершенно, и связи с корреспондентом не будет. Затем уже на большем расстоянии появляется поле пространственной волны, которое сохраняется до весьма больших расстояний. Механизм образования поля показан на рис. 5.13. Из рисунка видно, что непосредственно вокруг передатчика на поверхности земли образуется зона поверхностной волны. За внешней границей этой зоны существует зона молчания, в которой поле поверхностной волны так ослаблено, что прием сигналов практически невозможен, а пространственная волна не приходит. Зона молчания сменяется зоной пространственной волны, в которой связь возможна лишь за.счет отражения волн ионосферой. В отдельных случаях при достаточно большой мощности передатчика или удачном выборе типа антенны и волны связи зоны молчания может не быть. Успешное осуществление связи пространственной волной возможно лишь при правильном выборе типа антенн. Антенны обеих корреспондирующих станций должны обладать излучением в зенитном направлении. ДАЛЬНЕЕ РАСПРОСТРАНЕНИЕ УКВ В последние годы начала применяться связь на ультракоротких волнах (УКВ) на расстояния, значительно превышающие прямую видимость. Еще в 1953 г. было установлено, что на расстояниях до 700 км от передатчика во .Ёсем УКВ диапазоне постоянно существует слабое поле. Раньше это 96 поле не обнаруживали из-за малой чувствительности существовавшей в то время приемной аппаратуры и небольших мощностей передатчиков. Исследования показали, что причиной дальнего распространения УКВ являются условия, складывающиеся в ионосфере. Было установлено, что нижние слои ионосферы (слой ?) неоднородны, т е. концентрация ионов в различных частях слоя различна (рис. 5.14). Наличие неоднородностей приводит к тому, что волны длиннее 4 м рассеиваются на них в направлении распространения. '^ Рис. 5.14. Схема дальнего распространения УКВ длиннее 4 м за счет рассеяния на неоднородностях ионосферы Так как^высота слоя ? составляет обычно около 80 км, то рассеянные им волны обнаруживаются на расстояниях от 600 до 1800 км. При рассеянии к корреспонденту попадает лишь незначительная доля энергии, и поэтому для связи за счет такого рассеяния необходимо применять передатчики мощностью в несколько киловатт. Связь за счет рассеяния весьма устойчива. Правда, сила сигнала в течение суток испытывает непрерывные изменения. Объясняется это тем, что плотность ионизации слоя Е изменяется за счет дополнительной ионизации, создаваемой многочисленными метеоритами, врывающимися в атмосферу земли. Поэтому связь за счет рассеяния требует применения приемников повышенной чувствительности, передатчиков весьма большой мощности и антенн с острой направленностью излучения. Аналогичное рассеяние УКВ происходит и в тропосфере. Из-за неравномерного нагревания различных участков поверхности земли лучами солнца происходит непрерывное и беспорядочное движение воздуха. Образуются восходящие и нисходящие потоки воздуха, обладающие различными скоростями, возникают порывистые ветры. Такое движение воздуха приводит к тому, что плотность, температура и влажность его в тропосфере оказываются неодинаковыми. Появляются области, характеристики которых резко отличаются от характеристик окружающего воздуха. Распределение этих неоднородностей также изменяется с течением времени. Рассеяние радиоволн происходит именно на этих неоднородностях. Часть энергии рассеивается в сторону земли и попадает к корреспонденту. Связь за счет рассеяния в тропосфере, на УКВ может быть установлена на расстояниях примерно от 100 до 600 км. Во многих случаях связи на дециметровых волнах дальность действия увеличивается за счет образования в тропосфере волноводных каналов. Такие каналы появляются в том случае, когда неоднородности тропосферы имеют слоистый характер и границы слоев параллельны поверхности земли. Границы неоднородностей отражают радиоволны, которые и распространяются между двумя неоднородностями подобно волне, распространяющейся в горном ущелье, В заключение приведем схему, иллюстрирующую особенности распространения радиоволн различных диапазонов (рис. 5.15). 7-261 97 Длинные и средние волны распространяются в основном поверхностной волной. Короткие волны распространяются поверхностной и пространственной волнами; метровые волны на ближние расстояния распространяются поверхностной волной; при этом А А ^i^^^^^^^^^^^^^^^p^^^^^^^^^j^^^^^^^ Рис. 5.15. Пути распространения радиоволн различных диапазонов: а - длинные и средние волны; б - короткие волны; в - метровые волны; г - дециметровые волны необходимо учитывать отражение волн от поверхности земли. Возможно и дальнее распространение УКВ до 2000 км за счет рассеяния в ионосфере и тропосфере и еа расстояния свыше 2000 км за счет скользящего падения на ионосферу. Дециметровые волны распространяются в основном поверхностной волной, и при работе на них, как и на метровых волнах, необходимо учитывать отражение от поверхности земли и местных предметов. АноЭ ГЛАВА б ЭЛЕКТРОННЫЕ ЛАМПЫ Электронные лампы - важнейшие составные части радиопередатчиков и радиоприемников. С помощью электронных ламп осуществляются: усиление колебаний звуковой и высокой частот, генерация (возбуждение) незатухающих колебаний и выпрямление переменных, токов, т. е. превращение их в постоянный ток. ПРИНЦИП РАБОТЫ И УСТРОЙСТВО ДВУХЭЛЕКТРОДНОИ ЛАМПЫ Принцип работы электронных ламп. Работа большинства*электронных ламп основана на свойстве накаленных до высокой температуры проводников испускать в окружающее пространство электроны. Это свойство объясняется тем, что скорость беспорядочного движения электронов внутри проводника при нагревании увеличивается. При высокой температуре она так велика, что некоторые электроны вылетают наружу. Явление испускания элек- V тр.о нов накаленными тела- ^> ми называют термоэлектронной эмиссией. Диод. Простейшей электронной лампой является двухэлектродная лампа, или диод. Диод представляет собой стеклянный или металлический баллон, в котором находятся два электрода- нить накала, называемая катодом, и металлическая пластинка, называемая анодом (рис. 6.1). Назначение катода и его работа. Катод служит для испускания электронов. Количество электронов, испускаемых катодом за каждую секунду, называю т током эмиссии и выражают обычно в миллиамперах. 7" 99 Рис. ства 6.1. Принцип устрой-и схематическое изображение диода Чем сильнее накален катод, тем больше электронов он испускает. При малых температурах эмиссии совсем нет, но при увеличении температуры до сотен градусов и выше эмиссия появляется и растет сначала медленно, а затем все быстрее и быстрее. Чрезмерно повышать температуру для увеличения эмиссии нельзя, так как нить испаряется и в конце концов расплавляется, что обычно не совсем правильно называют перегоранием. Итак, чем больше температура катода, тем больше эмиссия. Эмиссия возрастает также при увеличении поверхности катода. Кроме того, эмиссия зависит от материала катода. Назначение анода и его работа. Анод служит для того, чтобы притягивать электроны, испускаемые катодом, и создавать поток свободных элек- Элекгпри ческое поле \ Рис. 6.2. Действие электрического поля анода на электроны Электроны тронов. Чтобы анод мог притягивать электроны, он должен быть заряжен положительно. Притяжение электронов к аноду - объясняется тем, что в пространстве между анодом и катодом образуется электрическое поле. Электроны, вылетевшие из катода под действием этого поля, движутся к аноду (рис. 6.2). Вакуум в лампе. Баллон электронной лампы служит для того, чтобы внутри лампы можно было создать вакуум, т. е. удалить, насколько это возможно, воздух. Для нормальной работы лампы вакуум должен быть очень высоким. При наличии воздуха в лампе накаленный катод сгорит, так как металл его вступит в химическое соединение с кислородом воздуха. Если вакуум недостаточен, то электроны при своем полете от катода к аноду, ударяясь о молекулы воздуха, будут ионизировать их. Из молекул будет выбиваться часть электронов, а сами молекулы превратятся в положительные ионы, которые нарушат правильную работу лампы. В хорошей лампе после откачки остается не более одной миллиардной доли того количества воздуха, которое было в баллоне до откачки. Процесс создания высокого вакуума проходит так: в баллон лампы помещают кусочек металла магния или бария; выкачивают воздух насосами, затем лампу разогревают; при этом магний или барий испаряется и при охлаждении оседает на стекле баллона, покрывая его с внутренней стороны зеркальным или коричневато-черным налетом. Этот слой металла (геттер) спосо- 100 Ано( Нитпь^ накала бен поглощать остатки воздуха и газы, выделяющиеся из электродов лампы во время работы, т. е. он поддерживает необходимый высокий вакуум. Устройство лампы. Для удобного включения лампы в схему обычно в стеклянный баллон впаивают металлические проволочки, к которым приваривают держатели (траверсы) электродов, а снаружи - либо выводные штырьки, либо специальные металлические колпачки, либо гибкие выводные проводники. Конструкция анодов может быть различной. В цилиндрической конструкции (рис. 6.3, а) анод сделан в виде цилиндра (трубочки), а катод прямой или согнутый в виде буквы Л. В прямоугольной конструкции (рис. 6.3,6) анод имеет форму коробки, а катод сделан в виде буквы Л или М. Материалом анода обычно служит тугоплавкий металл, например никель, молибден, тантал. ^ь г ' \ 1 / \ 1/ \ 1/ \ А-/• 1 __L 1, Рис. 6.3. Конструкция электродов диода Цець "| анода , I ! |б. Цепь накала. На рис. 6.4, а схематически изображены цепи диода. Батарея, накаливающая катод, называется батареей накала (Бн). Цепь, образованная этой батареей и катодом, является цепью накала. Ее обозначают буквой "н". Ток накала, проходящий через нить, обозначают /н, а напряжение накала, т. е. на- 1Н i"ui iVSr-----J I Д1Ч~Х пряжение между кон- цами катода, обозначают UK. Иногда величину /Ун контролируют вольтметром, а для регулировки накала последовательно включа-Рис. 6.4. Цепи диода ют реостат накала (рис. 6.4, б). Напряжение накала у маломощных ламп не превышает нескольких вольт, а ток "акала имеет величину в несколько десятков или сотен миллиампер. При использовании нескольких 101 ?- *\ Йвпв Шкц \ла\ 1 i 1 1 1 ' 1 '_[_ Н т 1 ~s i > h S//////M/ БН ламп их нити накала соединяют параллельно, если напряжение батареи накала примерно равно .нормальному напряжению накала, а если батарея накала дает значительно большее напряжение, то нити "акала соединяют последовательно или смешанно. Для поглощения избытка напряжения в цепь накала часто включают, помимо реостата или вместо него, некоторое постоянное сопротивление. Цепь анода. Батарея, включенная между катодом и анодом, называется батареей анода или анодной батареей (Ба). Цепь, составленная из этой батареи и пространства внутри лампы между анодом и катодом, называется анодной цепью и обозначается буквой "а". Источник постоянного напряжения включается в анодную цепь только для испытания диода. В рабочих схемах диод служит для выпрямления переменного тока, и в его анодную цепь включается источник переменного напряжения. Анодный ток и анодное напряжение. Ток, идущий в анодной цепи, называют анодным током и обозначают/а. Анодный ток - это поток_электронов, летящих от катода к аноду внутри лампы. Во внешней цепи электроны движутся в направлении от анода к плюсу анодной батареи, через сопротивление батареи к ее минусу и к катоду лампы. Общепринятое условное направление тока от плюса к минусу противоположно направлению движения электронов. На рис. 6.4, а, как и на последующих схемах, стрелками показано условное направление анодного тока. Этот ток может существовать только при условии, если катод имеет достаточный накал, анод имеет положительное напряжение по отношению к катоду и анодная цепь замкнута. Напряжение между анодом и катодом называют анодным напряжением, или напряжением нааноде, и обозначают i/a. Именно анодное напряжение создает анодный ток. Напряжение накала служит лишь для накаливания катода, чтобы он мог излучать электроны. Соединение цепей накала и анода. Цепи накала и анода работают самостоятельно. В цепи накала протекает ток накала, необходимый для "получения электронной эмиссии. В анодной цепи анодный ток создается при наличии электронной эмиссии у накаленного катода. На схеме рис. 6.4, а к. одному концу катода подключены вместе минус Б& и минус Би. Эта точка называется "общим минусом" или нулевой точкой схемы и обычно соединяется с металлическим корпусом радиостанции и, если нужно, с землей. Соединение минусов Б& и Бн делается непосредственно у батарей или в месте подключения батарей к схеме. Тогда по проводу об" щего минуса к катоду идут вместе ток накала и анодный ток. 1-02 Схемы с электронными лампами можно изображать по-разному. На рис. 6.4, а показаны батарея накала и батарея анода, а "а рис. 6.5, а - лишь зажимы этих батарей. Часто для упрощения батарею накала не показывают и от нити накала ведут лишь один провод (рис. 6.5, б), являющийся общим минусом. На упрощенной схеме иногда показывают только один плюсовой зажим анодной батареи, так как ее минус включается на корпус. Величины анодного напряжения и анодного тока. Для ламп небольшой мощности анодное напряжение имеет величину от де- --"-* Рис. 6.5. Способы изображения цепей ламп в схемах t^-v-У б" /WW Рис. 6.6. Схема измерения анодного тока и анодного напряжения сятков до сотен вольт, а анодный ток всегда меньше тока на* кала и составляет несколько миллиампер или десятков миллиампер. Для измерения анодного тока в анодную цепь последовательно включают миллиамперметр (рис. 6.6). В схеме рис. 6.6 анодное напряжение равно напряжению анодной батареи, и для его измерения к полюсам батареи подключают вольтметр. Анодное напряжение, как и все другие напряжения в электронных лампах, принято отсчитывать от общего минуса. - Основное свойство диода. Основным свойством диод а является его способность проводить ток лишь в од ном направлении. Электроны могут двигаться только от катода к аноду, но не обратно, и только тогда, когда к аноду приложено положительное напряжение относительно катода. При обратной полярности диод "заперт" для тока. В таком случае диод попросту размыкает анодную цепь. Это объясняется тем, что отрицательно заряженный анод отталкивает электроны, излучаемые катодом. Сам же анод, не имея накала, не испускает электронов, которые могли бы притягиваться к положительно заряженному катоду. Итак, диод имеет одностороннюю проводимость. Он является вентилем, пропускающим ток только в одну сторону. 103 Диоды применяются для выпрямления переменного тбка, т. е. для преобразования переменного тока в пульсирующий ток одного направления. Выпрямление переменного тока - основное иазначение диода. В приемниках войсковых радиостанций диоды применяются для детектирования, т. е. преобразования колебаний высокой частоты в колебания низкой частоты. ТИПЫ КАТОДОВ Вольфрамовый и активированный катоды. Катод у лампы должен быть таким, чтобы ма- его накал тратилось как можно меньше энергии. Для изготовления катодов часто применяется тугоплавкий металл вольфрам. Чисто вольфрамовый катод очень неэкономичен, так как его нужно накаливать до высокой температуры, на что приходится затрачивать большую энергию. Гораздо экономичнее активированные катоды. Они делаются также из вольфрама или другого металла, но на поверхность его .наносят активные металлы или окиси металлов, обладающие способностью хорошо испускать электроны при сравнительно низких температурах. Большинство радиоламп делается с активированными катодами. Только некоторые мощные электронные лампы изготовляются с чисто вольфрамовыми катодами. При повышении температуры накала эмиссия катода возрастает, но уменьшается срок его службы. Нормально катоды работают при такой температуре, при которой эмиссия имеет достаточную величину, но срок службы катода не слишком мал. Потеря эмиссии у активированных катодов наступает после перекала. Восстановить ее уже не удается. Для вольфрамового катода значительный перекал тоже опасен, так как катод может расплавиться. Потеря эмиссии от перекала или от долгой работы у активированных катодов объясняется тем, что при повышенной температуре активный слой испаряется. Срок службы катодов определяется понижением эмиссии на определенную величину (обычно на 10-20%) вследствие истощения активного слоя (у вольфрамовых катодов за счет того, что катод постепенно испаряется под действием высокой температуры и уменьшает свою поверхность). Наиболее распространенными активированными катодами являются карбидированный и оксидный. Карбидированный катод представляет собой проволоку онз вольфрама или молибдена с примесями углерода и металла тория 1. Такой катод применяется в некоторых лампах средней 1 Иногда применяются торированные катоды, не имеющие примесей углерода. 104 катод нить накала Рис. 6.7. Устройство подогревного катода мощности, работающих при анодных напряжениях не свыше 1500 в. Его недостатком является хрупкость нити. Оксидный катод имеет никелевую или платиновую проволоку, покрытую слоем окислов бария, кальция или стронция. Эмиссия у него значительно больше, чем у карбидированного катода. Он не может непрерывно работать при высоких анодных напряжениях. Выдерживает кратковременный небольшой перекал. Широко применяется в лампах небольшой и средней мощности. Оксидный катод с успехом используется для импульсной работы, так как при кратковременном действии высоких анодного и сеточного напряжений от оксидного катода можно получить эмиссию, во много раз большую, чем при непрерывной работе. Однако после каждого импульса необходимо давать катоду "отдых", чтобы в оксидном слое накопилось большое количество электронов. Катоды прямого накала. Лампы с катодом в виде нити накала называются лампами с прямым или непосредственным накалом. Такие лампы с оксидным катодом широко применяются в передатчиках и приемниках. Катоды прямого накала, как правило, нельзя питать переменным током, так как накал нити будет меняться с частотой, равной удвоенной частоте питающего тока, а значит, и эмиссия будет пульсировать с этой же частотой. Подогревные катоды. В лампах для приемников и усилителей с питанием от переменного тока делаются специальные подогревные катоды, называемые иначе катодами косвенного накала. Одна из конструкций таких катодов изображена на рис. 6.7. Катодом служит никелевая трубочка с оксидным слоем. Вольфрамовая нить накала покрыта слоем теплостойкой изоляции иа так называемого алуида (окись алюминия) и вставлена внутрь катода в виде петли. Таким образом, нить и катод отделены друг от друга. Нить служит только для накала (нагрева), а катод-• только для эмиссии. Ток накала по катоду не проходит. Тепловая инерция такого катода настолько велика, что для нагрева или охлаждения его нужны десятки секунд. Поэтому при колебаниях переменного тока с частотой 50 гц температура катода практически остается неизменной. Зато лампа начинает работать не сразу после включения накала, а лишь через несколько десятков секунд. Включение ламп с подогревным катодом. Схематическое обозначение и включение лампы с подогревным катодом показаны на рис. 6.8. Как видно, цепь накала может быть совершенно самостоятельной, не соединенной с цепью анода (общего минуса нет). Вывод от катода подключен к минусу ?а. Когда лампы 105 катод 1 Нить с подогревным катодом имеют питание накала от источника постоянного тока, минусы анодной и накальной батарей (-Б& и --5Н) можно соединить в общий минус. ... Лампы с катодом прямого накала потребляют меньше тока накала, чем лампы с подогревным катодом. Поэтому лампы прямого накала применяются в переносных войсковых радиостанциях, где важен экономный расход энергии батареи накала. Для этих радиостанций лампы прямого накала удобнее еще и потому, что после включения накала они сразуженачинают работать. У подогревных же ламп после включения накала нужно выждать некоторое время, пока прогреется катод. Если лампы с подогревным катодом Т используются в приемнике радиостан-j ции, то при двусторонней связи, когда i a станция работает на передачу, нельзя j выключать их накал, чтобы при пере-ходе на прием не ожидать разогрева катодов. Непрерывный накал ламп приводит к дополнительному расходу энергии, что недопустимо в малом"ощ-ных радиостанциях, питаемых от сухих батарей и аккумуляторов. Поэтому лампы с подогревным катодом-применяются лишь в радиостанциях средней и большой мощности. Катоды часто могут работать и при небольшом недокале. Такой режим желателен для увеличения срока службы лампы. Наоборот, перекал, не улучшая заметно работу лампы, резко сокращает срок ее службы. Однако при значительном анодном токе для оксидных катодов недокал недопустим, так как приводит к неустойчивой работе и даже к порче катода. Рис. 6.8. Схема включения лампы с подогревным катодом ХАРАКТЕРИСТИКА ДИОДА Изображение характеристики диода. Напряжение накала ламп всегда устанавливается нормальным и остается постоянным. Анодное напряжение у диода во время работы меняется. Для изучения работы электронных ламп важно знать зависимость анодного тока /а от анодного напряжения U& при постоянном напряжении накала. Эта зависимость, изображаемая в виде графика, называется характеристикой диода. Пример такой характеристики дан на рис. 6.9. По вертикальной оси отложен анодный ток /а в миллиамперах, а по горизонтальной- анодное напряжение V& в вольтах (вправо от нуля U& положительное, а влево - отрицательное). Когда анодное напряжение равно нулю или отрицательно, анодный ток тоже равен нулю, так как электроны не притяги- 106 ваются анодом. Увеличение положительного анодного напряжения вызывает рост анодного тока. При .некоторой величине анодного напряжения возрастание анодного тока замедляется, а при дальнейшем увеличении анодного напряжения анодный ток остается постоянным. Ток насыщения. Наибольшая величина анодного тока называется током насыщения. На рис. 6.9 для ?УН=4 в ток насыщения /а=100 ма получается при анодном напряжении 1/а = 45 ей выше. и"мв "насыщения 1/а<6) •?0 О W 20 30 40 50 Рис. 6.9. Характеристика анодного тока диода Явление насыщения объясняется следующим образом. При малых анодных напряжениях не все электроны, вылетающие из катода, достигают анода. Часть их скапливается вокруг катода и образует электродное облако, называемое объемным, или пространственным, зарядом. Электроны из объемного заряда падают обратно на катод, но на их место вылетают новые элек-, троны. Отрицательный объемный заряд отталкивает вылетающие из катода электроны и мешает аноду притягивать их. Если анодное напряжение мало, то лишь немногие электроны, вылетевшие из катода с большой скоростью, могут прорваться через объемный заряд, вследствие чего анодный ток будет мал. По мере увеличения анодного напряжения все большее число электронов будет лететь к аноду, объемный заряд станет уменьшаться и, наконец, при достаточно большом анодном напряжении все электроны будут двигаться к аноду. Дальнейшее увеличение анодного напряжения не даст возрастания анодного тока, так как уже все электроны, излучаемые катодом, полностью использованы. 107 Если понизить накал катода, то эмиссия уменьшится и соответственно уменьшится ток насыщения. При увеличении накала ток насыщения увеличится. На рис. 6.9 показаны характеристики диода для двух различных напряжений накала. Следует отметить, что в действительности при Ua=Q анодный ток не равен нулю, а имеет небольшую величину. Это объясняется тем, что электроны вылетают из катода с различными скоростями и некоторые из них, имеющие наибольшие скорости, могут долететь до анода, преодолев отталкивающее действие объемного заряда. Режим насыщения в диодах выражен не резко: ток насыщения при увеличении Ua не остается постоянным, а растет, т. е. характеристика идет в области насыщения с подъемом. Причиной этого является возрастание тока эмиссии за счет электростатической (или автоэлектронной) эмиссии - вырывания электронов полем анода, а также вследствие дополнительного нагрева катода самим анодным током. Наиболее резко выражено насыщение у вольфрамового катода; у оксидного оно мало заметно, так как электрическое поле анода, проникая в глубь оксидного слоя, создает значительную автоэлектронную эмиссию. Промежуток анод - катод диода является проводником, так как в нем имеются свободные электроны. Можно говорить о сопротивлении этого промежутка. Его называют внутренним сопротивлением диода и обозначают /?г-. Величина -?г- для токов, соответствующих средней части характеристики, имеет величину порядка нескольких сотен ом (у более мощных ламп - десятки ом). Для малых токов, соответствующих начальному участку характеристики, это сопротивление возрастает до тысяч и десятков тысяч ом. ВЫПРЯМИТЕЛИ Основная схема выпрямления. Основная схема выпрямления переменного тока с помощью диода приведена на рис. 6.10, а. Схема состоит из генератора переменного тока Г, диода Д и нагрузочного сопротивления R, включенных последовательно. Генератор дает переменную э. д. с., график которой изображен на рис. 6.10,6, но ток в цепи и напряжение на сопротивлении R бу:" дут не переменными, а пульсирующими (рис. 6.10, в). Отрицательные полуволны тока, соответствующие отрицательному напряжению на аноде диода, не проходят через диод благодаря его односторонней проводимости. Если учесть направление тока, то станет ясно, что конец сопротивления R, соединенный с катодом, имеет положительный знак. Кенотронные выпрямители. Часто для питания анодных цепей приемников вместо батарей используют выпрямленное напряжение электрической сети. В этом случае диоды, предназначен- 108 кые для выпрямления, называются кенотронами, а устройства для преобразования переменного тока сети в постоянный ток с помощью кенотронов называются кенотронными выпрямителями. ГС<~ 0 ) V /\ -Uir J + jiii- А Л' Л- № V/ / 1 г\ \ \ 1 i i 1 1 ."' ! i i ! '^Ljft! /N. Рис. 6.10. Схема для выпрямления тока (а), график напряжения генератора (б) и тока в схеме (0) Однополупериодный выпрямитель. Схема выпрямителя дана на рис. 6.11. Силовой трансформатор Тр, первичная обмотка которого включена в сеть через выключатель В и предохранитель Яр, имеет две вторичные обмотки. Одна из "их - понижающая- служит для накала катода, а другая-повышающая - является источником энергии для схемы выпрямления. Пульсирующий выпрямленный ток и пульсирующее "апряже-ние получаются в "агрузочном сопротивлении R. Процесс выпрямления в этом случае такой же, как и в схеме рис. 6.10. _3" Г^' Тр 1278 S -С2- Пр Рис. 6.11. Принципиальная схема однополупериод-ного выпрямителя При наличии одного диода используются полуволны переменного тока только одного направления, и такой выпрямитель называется однополупериодным, или однотактным. Двухполупериодный выпрямитель. Существуют схемы двухпо-лупериодных, или двухтактных, выпрямителей, в которых используются и положительные и отрицательные полуволны. Прин- 109 ципиальная схема двухполупериодного выпрямителя показана на р.ис. 6.12. В ней применен специальный двуханодный кенотрон. Двухполупериодный выпрямитель характерен тем, что повышающая обмотка трансформатора имеет вывод от средней точки. Аноды двуханодного кенотрона работают поочередно. В первую половину периода работает анод, "а котором имеется положи- Рис. 6.12. Принципиальная схема двухполупериодного выпрямителе с двуханодным кенотроном тельное напряжение, и соответствующая половина повышающей обмотки. Ток идет, как показывает стрелка 1. Во вторую половину периода работает другой анод и ток проходит от второй половины повышающей обмотки по пути, указанному стрелкой 2. В нагрузочном сопротивлении R оба .тока проходят в одном направлении и создают суммарный пульсирующий ток. Процесс двухполупериодного выпрямления показан графически на рис. 6.13. Кривая а изображает переменное напряжение трансформатора, кривые бив показывают выпрямленные токи каждого анода, а кривая г соответствует общему суммарному току в сопротивлении R. Эта же последняя кривая показывает пульсирующее напряжение на сопротивлении R. - Выпрямленный ток содержит постоянную и переменную составляющие /_ и /~. Задача выпрямителя.состоит в том, чтобы питать ту или иную нагрузку (например, Рис. 6.13. Графики процессов в двух- ан0дные цепи приемника) полупериодном выпрямителе: постоянным током. a - напряжение повышающей (вторичной) оо- мотки силового трансформатора; б - ток в ПОЭТОМУ ПереМеННЗЯ СОСТЗВ- ^нода;ПеГ-Гт00каНВОДнагру7оч0"омВ со^оЧиЗи(tm) ЛЯЮЩЗЯ ВЫПрЯМЛСННОГО ТОКЭ ПО KWYW\ о /~ является вредной. Ее не следует допускать в нагрузочное сопротивление. Сглаживающий фильтр. Для сглаживания пульсаций применяются фильтры, включаемые между выпрямителем и на.грузочным сопротивлением. Схема выпрямителя со сглаживающим фильтром показана на рис. 6.14. Фильтр состоит из конденсаторов GI и Cz, имеющих емкость в несколько микрофарад, и дросселя - низкой частоты L. Конденсаторы применяются бумажные или электролитические. Дроссель имеет стальной сердечник и число витков по- Фильтр Рис. 6.14. Принципиальная схема однополупериодного выпрямителя с фильтром рядка нескольких тысяч. Индуктивность его равна нескольким десяткам генри. Работа фильтра. Переменная составляющая выпрямленного тока свободно проходит через конденсатор Сь обладающий небольшим сопротивлением переменному току. Постоянный ток через емкость пройти не может. Дроссель L представляет для переменного тока большое индуктивное сопротивление и почти не пропускает этого тока. Для постоянной составляющей медный провод дросселя имеет небольшое сопротивление. Поэтому потеря постоянного напряжения на дросселе незначительна. Так как некоторая часть -переменного тока проходит через дроссель, то после него параллельно сопротивлению R включен еще конденсатор С^ сопротивление которого для переменного тока невелико по сравнению с R. В результате большая часть переменного тока, прошедшего через дроссель, замыкается через конденсатор С2 и в сопротивление /? не попадает. Чем больше индуктивное сопротивление дросселя и чем меньше емкостное сопротивление конденсаторов, тем лучше фильтр сглаживает пульсации. Сглаживающий фильтр действует тем лучше, чем выше частота пульсаций, так как тогда возрастает индуктивное сопротивление дросселя и уменьшается емкостное сопротивление кон- денсатора. Хуже сглаживаются пульсации при однополупериод-еом выпрямлении, лучше при двухполупериодном, когда частота пульсаций вдвое больше. Первый конденсатор С\ фильтра не только сглаживает пульсации, 'Но и значительно повышает постоянную составляющую выпрямленного напряжения. Он быстро заряжается при нарастании напряжения до амплитудного значения, а затем медленно разряжается через дроссель на сопротивление нагрузки R. Через кенотрон конденсатор разряжаться не может, так как электроны не проходят от V . анода к катоду. Разряд ' на нагрузку происхо- дит тем медленнее, чем больше R. В результате напряжение не падает до нуля, как fc? при отсутствии фильтра. После небольшого Рис. 6.15. Напряжение на нагрузочном сопро- понижения напряже-тивлении выпрямителя: ния во время ра3ряда /-с фильтром; 2_без фильтра ства повторяется за_ ряд конденсатора" от следующей полуволны тока, проходящего через кенотрон. Чем больше сопротивление R, тем меньше ток разряда конденсатора Ci и тем медленнее спадает на нем напряжение. На рис. 6.15 показан график напряжения на сопротивлении R при сглаживании пульсаций фильтром. При увеличении R напряжение будет выше и пульсации будут сглажены лучше. Если цепь нагрузки вообще разомкнуть, то конденсатор С\, зарядившись до максимального напряжения, совершенно не будет разряжаться и напряжение на нем будет строго постоянным. Таким образом, при наличии фильтра постоянное напряжение, создаваемое выпрямителем, может приближаться к амплитудному значению напряжения вторичной обмотки трансформатора. Например, если переменное напряжение (эффективное значение) трансформатора равно 300 в (его можно измерить вольтметром, присоединенным ко вторичной обмотке), то амплитудное значение этого напряжения будет 300-1,4 = 420 в. Если постоянная составляющая напряжения на конденсаторе Ci составляет 0,8 максимального значения, то она равна [7=0,8-420 = 336 в, т. е. больше 300 в. Практически постоянное напряжение на нагрузочном сопротивлении R несколько меньше'вследствие потери части напряжения на сопротивлении провода дросселя. Мы рассмотрели действие одного звена, или одной ячейки, фильтра. Для лучшего сглаживания иногда применяются фильтры из двух - трех ячеек. 112 Когда выпрямленный ток очень мал и допускается некоторая потеря постоянного напряжения, вместо дросселя включают обычное сопротивление в несколько тысяч или десятков тысяч ом. В простейшем случае пульсации могут сглаживаться даже только одним конденсатором. Детали кенотронных выпрямителей. Трансформаторы для выпрямителей изготовляются на различные мощности. Первичная обмотка у них иногда имеет несколько выводов на различное напряжение, например ПО, 127 и 220 в. Повышающая обмотка рассчитывается на 250-500 в и больше в зависимости от нужного напряжения. Для двухполупериодной схемы она имеет Рис. 6.16. Типы электролитических конденсаторов, применяемых в сглаживающих фильтрах выпрямителей вывод от средней точки. Понижающих обмоток имеется обычно не менее двух: одна для накала кенотрона, другая для накала ламп приемника или передатчика. В мощных выпрямителях для накала применяют отдельные трансформаторы. Для уменьшения помех от сети иногда в трансформаторах выпрямителей, питающих приемники, между первичной и вторичными обмотками наматывают экранирующую обмотку, один конец которой присоединяется к общему минусу. В цепи сетевой обмотки устанавливают выключатель и предохранитель. Если будет, например, пробит конденсатор фильтра и произойдет короткое замыкание цепи выпрямленного тока, то в первичной обмотке ток станет значительно больше нормального, предохранитель расплавится и выключит ток. Без предохранителя трансформатор может сгореть. Конденсаторы фильтра наиболее часто применяются электролитические, рассчитанные на соответствующее напряжение. Некоторые из них показаны на рис. 6.16. Внешний вид одного из дросселей фильтра показан на рис. 6.17. Обмотки дросселя часто помещают в стальной экран для того, чтобы их магнитное поле не влияло на работу остальных деталей. Сопротивление обмотки дросселя постоянному току обычно равно нескольким сотням ом. Рис. 6.17. Внешний вид дросселя фильтра выпрямителя 8-261 ИЗ Когда вместо дросселя применяют сопротивление, то величину его выбирают в зависимости от мощности выпрямителя. Чем больше выпрямленный ток, тем меньше должно быть сопротивление. При этом оно должно допускать нагрев, создаваемый выпрямленным током. Наиболее часто для фильтров МЛТ-2 Рис. 6.18. Типы постоянных сопротивлений, применяемых в радиоаппаратуре: а - проволочное эмалированное; б - непроволочные выпрямителей применяют проволочные эмалированные сопротивления типа ПЭ или ПЭВ (рис. 6.18, а), реже - непроволочные сопротивления типа ВС или МЛТ в виде фарфоровой трубки с нанесенным на нее проводящим слоем (рис. 6.18,6). типы и КОНСТРУКЦИИ диодов В войсковых радиостанциях маломощные диоды используются для детектирования слабых радиосигналов, а более мощные диоды, называемые кенотронами, - для выпрямления переменного тока электрической сети. По государственному стандарту одинарные детекторные диоды обозначаются буквой Д, двойные диоды - буквой X, а кенотроны с одним или двумя анодами - буквой Ц. В обозначении ламп перед буквой ставится число, указывающее напряжение накала (округленно), а после буквы - порядковый номер типа лампы. Например. 6X6 означает, что лампа рассчитана на напряжение накала 6,3 в, является двойным детекторным диодом и имеет порядковый номер типа 6. Конструкции ламп могут быть различными и в соответствии с этим в конце обозначения лампы ставятся разные буквы. Если после номера буквы вообще нет, то это означает, что лампа в металлическом баллоне. Лампы со стеклянным баллоном .нормальных размеров имеют после номера букву С. Для примера на рис. 6.19,а показан двойной металлический диод 6X6, .а на рис. 6.19,6 - та же лампа, но в стеклянном оформлении имеющая обозначение 6Х6С. В этих лампах размещены два диода с подогревными оксидными катодами. С целью устранения влияния электрического поля одного диода на работу другого между ними установлен металлический экран. ^ Для включения лампы в схе- му служит цоколь из изолирующе-Рис. 6.19. Внешний вид ламп 6X6 и 6Х6С го материала, в котором по 114 окружности закреплены контактные штырьки. К ним припаяны выводы от электродов. Цоколь имеет также более длинный и толстый направляющий штырек (ключ) из изолирующего материала со специальным выступом, обеспечивающий правильное вставление лампы в гнездо. У ламп с так называемым замковым цоколем, имеющих в конце обозначения букву Л (например, 2Х1Л), на ключе сделан замок в виде канавки. При вставлении лампы в гнездо специальные пружины заскакивают в замок и прочно удерживают лампу. В серии стеклянных ламп выпущены кенотроны 1Ц1С, 1Ц7С, 2Ц2С, 5ЦЗС, 5Ц8С, 6Ц5С и ряд других. Примером двуханодного кенотрона является широко применяющаяся в выпрямителях лампа 5Ц4С (рис. 6.20). Миниатюрные лампы со стеклянным баллоном диаметром около 20 мм называются пальчиковыми и имеют в конце обозначения букву П. На рис. 6.21 показан для примера пальчиковый двух-анодный кенотрон 6Ц4П. В пальчиковых лампах контактные штырьки впаяны по окружности в стеклянное донышко баллона. К этой серии ламп относятся 6Х2П, 1Ц11П, бЦЮПидр. Сверхминиатюрные лампы с диаметром стеклянного баллона около 10 мм имеют в конце обозначения букву Б (например, 6Х7Б, 2ДЗБ), а с диаметром баллона 6 мм - букву А. Для примера на рис. 6.22, а изображен диод 6Д6А. У сверхминиатюрных ламп выводные проводнички впаяны в нижнюю часть баллона. Лампы с буквой Ж на конце обозначения имеют оформление, напоминающее желудь. У них выводы сделаны штырьками в разных местах баллона. Диод такого типа - 6Д4Ж показан на рис. 6.22,6. ~ Рис. 6.20. Внешний вид двух-анодного кенотрона 5Ц4С Рис. 6.21. Внешний вид пальчикового кенотрона 6Ц4П Рис. 6.22. Внешний вид сверхминиатюрного диода 6Д6А и диода типа "желудь" 6Д4Ж 115 Катод Сетка Сетка У ламп с повышенной надежностью и повышенной механической прочностью в конце обозначения дополнительно ставится тире и буква В, а у ламп с повышенным сроком службы - буква Е. Специальные конструкции диодов для сверхвысоких частот рассматриваются в конце этой главы. УСТРОЙСТВО И РАБОТА ТРИОДА Устройство триода. Трехэлектродная лампа, или триод, отличается от диода наличием третьего электрода, расположенного между катодом и анодом и называемого сеткой. Сетка почти всегда делается в виде проволочной спирали, окружающей катод. На рис. 6.23 показаны цилиндрическая конструкция электродов триода и схематическое изображение триодов с прямым накалом и с подогревным катодом. Назначение сетки. Действие сетки заключается в том, что она управляет потоком электронов внутри лампы, т. е. анодным током. Поэтому ее называют управляющей сеткой. Так как между витками сетки имеются значительные расстояния, она свободно пропускает электроны, летящие от катодам аноду. Но для электрического поля, создаваемого положительным зарядом анода, сетка является экраном. Уменьшая поле, Рис. 6.23. Устройство элек- проникающее к катоду, сетка ослаб-тродов и схематическое изо- ляет действие анода на электроны, вы-бражение триода летающие из катода. На рис. 6.24 показаны для сравнения электрические поля в диоде и триоде. Видно, что сетка задерживает большую часть электрического поля. Чем гуще сетка, тем сильнее экранирует она катод от влияния электрического поля анода. Небольшие напряжения на сетке оказывают иа анодный ток такое же действие, как значительно большие напряжения на аноде. Напряжение на сетке. Напряжением на сетке называется напряжение между сеткой и катодом. В лампах прямого накала напряжение на сетке, как и все другие напряжения, отсчитывается относительно конца нити, являющегося общим минусом. Отрицательное напряжение на сетке. При небольшом отрицательном напряжении сетка отталкивает электроны, вылетающие из катода, но часть их все же под действием анода пролетает сквозь сетку. Однако можно настолько увеличить отрицательное напряжение на сетке, что она будет отталкивать все электроны и анодный ток прекратится. В этом случае говорят, что лампа "заперта". 116 н н к н н Положительное напряжение на сетке. Положительное напряжение на сетке помогает аноду притягивать электроны из пространственного заряда. Большинство электронов, несмотря на притяжение к сетке, вследствие своей большой скорости проле- 'тмПммЛ Сетка Рис. 6.24. Схема электрических полей в диоде и триоде тает по инерции ,в просветы сетки и летит к аноду, так как напряжение на аноде всегда значительно больше, чем на сетке. Часть электронов вое же притягивается самой сеткой и, попадая на нее, образует сеточный ток. При достаточно большом положительном напряжении на сетке анодный ток возрастает до величины тока насыщения, но одновременно значительно возрастает сеточный ток. Ток эмиссии катода при насыщении раве'н сумме анодного и сеточного токов. Изменяя напряжение на управляющей сетке в сравнительно небольших пределах (от "екоторого отрицательного до некоторого положительного значения), можно получить изменение анодного тока от нуля до тока насыщения. В этом именно и заключается управляющее действие сетки. Цепи триода. На рис. 6.25 показаны цепи триода. Для обозначения управляющей сетки и всех величин, относящихся к ней, будем применять букву с1. На рис. 6.25 в цепь управляющей сетки включена батарея плюсом на сетку и стрелкой показано направление -||--1^ Рис. 6.25. Цепи триода Иногда применяют букву g латинского алфавита. 117 /п=0 1а = 5ма 1а=20ма 1а = 50ма F\w7 "ЬС 1 S. __ ^\ 1 1 •• Ыомо -л б, 1 -J + 6а Рис. 6.26. Схема физических процессов в триоде при различных напряжениях на управляющей сетке: а - на сетке большое отрицательное напряжение - анодного тока нет, лампа заперта; б - отрицательное напряжение на сетке уменьшено - анодный ток есть; в - на сетке небольшое положительное напряжение - анодный ток увеличился; г-на сетке значительное положительное напряжение - анодный ток стал еще больше 118 сеточного тока /с. Электроны этого тока летят внутри лампы от катода к сетке, а затем движутся во внешней части сеточной цепи в направлении от сетки к катоду. Рассмотренные электронные процессы в триоде при различных "напряжениях "а сетке наглядно.показаны на рис. 6.26. Здесь стрелками обозначено направление движения электронов. ХАРАКТЕРИСТИКИ ТРИОДА Анодный ток в триоде зависит от 'напряжения на сетке и от анодного напряжения. Для изучения работы триода важны графики, показывающие эту зависимость, так называемые характеристики триода. , / UcflOOe Jfl4Ic(Ma) -30- 25-20-15- 6 'la Д \Е -6 -4 -2 0 + 2 +4 +6 +8 +10 Uc(6) Рис. 6.27. Характеристики анодного и сеточного тока триода Сеточная характеристика триода показывает зависимость анодного тока от напряжения на сетке при постоянном анодном напряжении. Такую характеристику иногда назьшают анодно-се-точной. На рис. 6.274 изображена характеристика, снятая при анодном напряжении 100 в. Из этой характеристики видно, что для данного триода изменение анодного тока от 0 до тока насыщения, равного примерно 27 ма, получается при изменении напряжения на сетке от -7 до +7 в. Характеристика имеет нижний изгиб АБ, средний прямолинейный участок БВ и верхний изгиб ВГ. Участок правее точки Г соответствует режиму насыщения. Если положительное напряжение на сетке увеличивать значительно (для данной лампы выше +7 0), то анодный ток будет уменьшаться, как показано на рис. 6.27 пунктиром. Это происходит потому, что сильно возрастает сеточный ток, так как сетка притягивает большую часть электронов. Такой режим (участок ДЕ) называется перенапряжённым режимом. 119 Из характеристики мож.но найти анодный ток для любого напряжения на сетке при данном анодном напряжении. Например, из характеристики рис. 6.27 для Uc*=-4в получаем /а = 2,5 ма, для Uc= +2 в находим /а= 16 ма и т. д. Характеристика сеточного тока. На рис. 6.27 показана также характеристика сеточного тока /с, который отсутствует при отрицательном напряжении "а сетке, появляется при нуле и растет по мере увеличения положительного напряжения на сетке. Семейство характеристик. Характеристика, приведенная на рис. 6.27, получается при некотором анодном напряжении, постоянном для всех точек характеристики. При более высоком анодном напряжении для прежних напряжений на сетке анодные токи будут больше, а ток насыщения получится при меньшем положительном напряжении /а J- (МО) -ЗЕН --- \ -- 1 --- ^ <Л f -30-'*Л 20/ ^ УЗ *У / / ? JS-X 0. Юб .Ов( / / у / / ? / 10-5~ ^ V S^S / ^ ^ Ua-8 иа=ц *, -8 ~6 -4-2 0 +2 +4 +6 +8 Uc(e) Рис. 6.28. Семейство сеточных характеристик на сетке> но он увеличится за счет некоторого уменьшения сеточного тока. Зато для запирания лампы на сетку надо дать большее отрицательное напряжение. Поэтому характеристика для более высокого анодного напряжения пройдет левее. При более низком анодном напряжении характеристика, наоборот, сдвинется вправо, так как лампа будет запираться при меньшем отрицательном напряжении на сетке, анодные токи уменьшатся и ток насыщения будет получаться при больших положительных напряжениях на сетке. На рис. 6.28 приведена группа характеристик одной и той же лам'пы для различных анодных напряжений, называемая с е-мейством характеристик. Здесь же показано и семейство характеристик сеточного тока. Этот ток тем больше, чем меньше анодное напряжение; наоборот, при большем анодном напряжении ток сетки уменьшается, так как большее количество электронов под действием поля анода пролетает сквозь сетку, несмотря на ее притягивающее действие. "Левые" и "правые" характеристики. В зависимости от конструкции, лампы характеристики анодного тока располагаются или в левой части - в области отрицательных напряжений сетки, или в правой части - в области положительных напряжений сетки. В соответствии с этим характеристики ламп, а иногда и сами лампы называют "левыми" или "правыми". 120 На расположение характеристик больше всего влияет густота сетки. Чем гуще сетка, тем меньшее отрицательное напряжение запирает лампу, т. е. характеристики получаются более "правые". При редкой сетке лампа запирается при большом отрицательном напряжении на сетке и характеристики получаются "левые". Приемно-усилительные лампы обычно имеют "левые" характеристики, чтобы можно было работать без сеточных токов. Анодные характеристики показывают зависимость анодного тока /а от анодного напряжения И& при постоянном напряжении сетки С/с. На рис. 6.29 дано семейство таких характеристик. 1а|1с(МС|) 40 80 120 160 200 240 280 1)а(в) Рис. 6.29. Семейство анодных характеристик триода Основная характеристика для С/с = 0 похожа на характеристику диода. Она начинается от точки, где напряжение анода равно нулю. Здесь же начинаются характеристики для положительных напряжений сетки, но идут они выше основной, так как анодные токи при положительных напряжениях на сетке получаются большими. Характеристики для отрицательных напряжений сетки расположены правее основной характеристики и начинаются от некоторых точек, соответствующих определенному положительному напряжению на аноде; например, характеристика для С/с = -4 в начинается от точки, соответствующей {/а = 80 в. Это означает, что при анодных напряжениях меньше 80 в лампа заперта отрицательным напряжением на сетке -4 в. Подобно этому характеристика для С7С==-8 в начинается от точки, соответствующей С/а=160 в, так как напряжение на сетке -8 в еще сильнее запирает лампу. Из анодных характеристик также можно определить анодный ток для различных напряжений на сетке и любых анодных напряжений. Например, для t/c-=-2 в и С/а=120 в находим /а=1 ма, а при увеличении анодного напряжения до 160 в анодный ток возрастает до 2,2 ма. Пунктирная кривая на рис. 6.29 изображает характеристику тока сетки при некотором положительном сеточном напряжении. 121 Для решений различных вопросов, связанных с работой электронных ламп, достаточно иметь семейство сеточных или анод-"ых характеристик. Однако сеточные характеристики более наглядны, так как они показывают изменение токов анода и сетки в зависимости от сеточного напряжения. В дальнейшем мы будем пользоваться преимущественно сеточными характеристиками. К анодным характеристикам прибегают реже - только в случаях, когда они оказываются более удобными. Характеристики различных ламп приводятся в справочниках. ПАРАМЕТРЫ ТРИОДА Параметрами называют постоянные величины, характеризующие свойства ламп. Рассмотрим их. Крутизна. Этот параметр характеризует влияние напряжения управляющей сетки на анодный ток.. Крутизна, обозначаемая буквой 5, показывает, на сколько миллиампер изменяется анодный тбк при изменении напряжения сетки на 1 в, если анодное напряжение постоянно. Принято выражать крутизну в миллиамперах на вольт (ма/в). Если, например, при изменении напряжения сетки на 3 в анодный ток изменился на 4,5 ма при "еизменном анодном напряжении, то крутизна 5 = ^=1,5 ма/в. На рис. 6.30 показаны сеточные характеристики двух ламп с различной крутизной. Чем больше крутизна, тем круче идет сеточная характеристика. Триод применяется в усилителях и генераторах, работа которых рассматривается в следующих главах. Во всех случаях применения триода на сетку лампы подается переменное напряжение, которое вызывает изменения анодного тока. Желательно получить возможно более сильные колебания анод-ного тока, поэтому чем больше крутизна, тем лучше лампа. Крутизна зависит от конструкции лампы и для _ t различных ламп может у--? 5 -- быть примерно от 1 до ^/JS 30 ма!в. Чем больше эмис- сия катода, чем ближе 1а(ма) 30/ --А/ -15 -10 -г, о ч-5 +10 +15 Iff'f*'- Рис. 6.30. Характеристики ламп с различной крутизной 122 сетка к катоду и чем гуще сетка, тем больше величина S. На различных участках характеристики крутизна неодинакова: на прямолинейном участке она наибольшая и постоянна, а на нижнем и верхнем изгибах она меньше и непостоянна. Приведенные выше значения крутизны, как и вообще все параметры ламп, приводимые в справочниках, относятся к среднему прямолинейному участку характеристики. Внутреннее сопротивление. Этот параметр обозначается1 Ri и показывает влияние анодного напряжения на анодный ток при постоянном напряжении управляющей сетки. Внутреннее сопротивление определяется отношением изменения анодного напряжения к вызываемому им изменению анодного тока при постоянном напряжении "а управляющей сетке. Когда триод работает в усилителе или генераторе, то анодный ток пульсирует. Известно, что такой ток состоит из двух токов: постоянного и переменного. Внутреннее сопротивление Ri представляет собой сопротивление лампы между анодом и катодом для переменной составляющей анодного тока, которая возникает внутри лампы под действием переменного напряжения сетки на поток электронов. Лампа выступает в роли генератора переменного тока и, как всякий генератор, имеет внутреннее сопротивление. Величину Ri можно определить по закону Ома, если разделить изменение анодного напряжения на вызванное им изменение анодного тока при постоянном напряжении сетки. Например, если изменение анодного-напряжения на 20 в дает изменение анодного тока на 0,4 ма, то внутреннее сопротивление Я, = Щи = 500000* Если для другой лампы такое же изменение анодного напряжения изменяет анодный ток на 1 ма, то внутреннее сопротивление ' я,= <щг=2оооо<ш. Таким образом, если анодное напряжение меньше влияет на анодный ток, то Ri становится больше. Для различных триодов величина("Ri имеет значения примерно от 500 до 100000 ом и зависит от устройства электродов. Чедо меньше эмиссия катода, чем гуще сетка и чем ближе она к катоду, а также чем дальше анод от катода, тем больше будет Ri. Лампы для усиления колебаний высокой частоты должны иметь высокое Ri, а лампы для мощных усилителей низкой частоты наоборот, должны быть с небольшим Ri. В пределах прямолинейной части характеристик величина/?, приблизительно постоянна и :имеет наименьшее значение. На нижнем и верхнем" изгибах-Ri увеличивается. 123 Не следует смешивать Ri с внутренним сопротивлением лампы постоянному току, которое непостоянно и изменяется даже на прямолинейном участке характеристики. Коэффициент усиления. Этот параметр, обозначаемый буквой р,, очень важен. Он показывает, во сколько раз изменение напряжения управляющей сетки действует на анодный ток сильнее, чем изменение анодного напряжения. С помощью коэффициента усиления можно сравнить влияние управляющей сетки и анода на анодный ток. Сетка действует та анодный ток гораздо сильнее, чем анод. Например, пусть в триоде для изменения анодного тока на 4 ма нужно изменить анодное напряжение "а 20 в при постоянном напряжении управляющей сетки, а для такого же изменения анодного тока изменением напряжения управляющей сетки достаточно на сетке изменить напряжение всего на 2 в. Значит, сетка действует в 10 раз сильнее, чем анод, и коэффициент усиления равен 10. Коэффициент усиления зависит главным образом от густоты сетки: чем гуще сетка, тем больше коэффициент усиления. У различных триодов он может быть в пределах от 4 до 100. Между параметрами 5, Ri и pi существует простая зависимость, позволяющая найти один из параметров, если известны два других. Эта зависимость, называемая иногда внутренним уравнением лампы, имеет следующий вид: Р = ЯД Крутизна здесь выражена в амперах на вольт (а/в). Приведем примеры вычисления по этой формуле. 1) Найти коэффициент усиления лампы, имеющей /?г = -= 20000 ом и 8 = 4 ма/в. Решение. (i = R,S -= 20 000 .'0,004 = 80. 2) Лампа имеет параметры jj,~25 и S=2 ма/в. Найти ее внутреннее сопротивление. Решение. Из формулы p=RiS следует, что Rt = -^- = = Т>12 = 125000* Кроме этих параметров, лампы характеризуются еще нормальными питающими напряжениями, током эмиссии, сроком службы, допустимой мощностью потерь на аноде и другими данными. МОЩНОСТЬ ПОТЕРЬ НА АНОДЕ Электроны под влиянием притяжения к аноду развивают большую скорость и со значительной силой ударяют об анод. Например, если С/а=100 в, то скорость электронов достигает 124 6000 км/сек. Скорость электронов тем выше, чем больше анодное 'напряжение. От "электродной бомбардировки" анод нагревается. На это тратится некоторая энергия, или, как говорят, на аноде рассеивается мощность. Анод может сильно накалиться, иногда докрасна или добела, и даже расплавиться. Мощность, рассеиваемая на аноде, обозначается Ра и подсчитывается умножением анодного напряжения на анодный ток. Это потерянная мощность, так как нагрев анода совершенно не нужен. Для каждой лампы существует своя максимальная допустимая мощность потерь "а аноде Рамакс, зависящая от размеров, конструкции и материала анода. Чтобы анод we перегрелся, фактически рассеиваемая "а аноде мощность Ра должна быть меньше максимально допустимой мощности Рамакс- Для увеличения Ра макс увеличивают поверх-ность и размеры анода, делают его из тугоплавкого металла с ребрами для увеличения поверхности охлаждения и чернят анод, так как черная поверхность лучше излучает тепловые лучи. В мощных лампах применяют охлаждение анода проточной водой, предложенное впервые М. А. Бонч-Бруевичем, или воздухом с помощью вентилятора. У различных ламп величина ^амакс может быть от долей ватта до десятков и сотен ватт и даже до многих киловатт у мощных ламп. ТИПЫ И КОНСТРУКЦИИ ТРИОДОВ В радиостанциях триоды применяются для усиления слабых напряжений и токов и для генерирования незатухающих колебаний. Приемно-усилительные триоды обозначаются по той же системе, что и диоды, и выпускаются в различном конструктивном оформлении. Для одинарных триодов в их обозначении после первого числа, означающего напряжение накала, ставится буква "С", для двойных триодов - буква "Н". Примером триода со стеклянным баллоном нормальных размеров является лампа 6С5С, изображенная на рис. 6.31. Выпускаются также триоды 6С2С, 6C4G, 6С8С и др. Широко применяются триоды пальчиковой серии 1С12П, 6С1П (рис. 6.32), 6С2П, 6СЗП и ряд других. В сверхминиатюрной серии выпущены 2С14Б, 6СЗБ, 6С6Б, 6С7Б. Триодом типа "желудь" является лампа 6С1Ж. На рис. 6.33 показаны двойные триоды 6Н9С и 6Н15П. Большое распространение получили также лампы 6Н7С, 6Н8М, 6Н13С, 6Н1П, 6Н2П, 6НЗП, 6Н16Б, 6Н17Б и многие другие. В конце этой главы рассматриваются специаль- Рис. 6.31. Лам-ные триоды для сверхвысоких частот. па типа 6С5С 125 Рис. 6.32. Лампа тила 6С1П Рис. 6.33. Лампы типа 6Н9С и 6Н15П Триод °2 ДиоЭИог ДУОЗ Рис. 6.34. Схематическое изображение и принцип устройства двойного диода-триода Рис. 6.35. Лампа типа 6Г7 126 ,В радиоаппаратуре применяются также комбинированные лампы, у которых в одном баллоне находятся триод с одним, двумя-или тремя диодами. Такие лампы имеют букву Г после первого числа в обозначении. К ним относятся 6Г1, 6Г2, 6ГЗП и др. Схематическое изображение и принцип устройства двойного диода-триода показаны на рис. 6.34. На рис. 6.35 изображен внешний вид металлического двойного диода-триода 6Г7. Мощные усилительные триоды иногда используются в качестве генераторных ламп для передатчиков малой мощности. Если в триоде соединить управляющую сетку с анодом, то лампа превращается в диод. Подобное включение триода диодом нередко применяетря для того, чтобы уменьшить количество типов ламп, необходимых для данной радиостанции. Триоды имеют два существенных недостатка. Во-первых, у них малый коэффициент усиления JJL - не выше 100. Объясняется это тем, что сетка недостаточно экранирует катод от действия анода и значительная часть электрического поля анода проникает через просветы сетки. Сделать же очень густую сетку нельзя, так как тогда электроны почти ие смогут пролетать к аноду и анодный ток будет очень мал. При этом лампа будет запираться при сравнительно малом отрицательном сеточном напряжении и почти вся-ее характеристика будет располагаться в области положительных значений напряжения сетки, при которых возникает сеточный ток, что нежелательно. Во-вторых, триод имеет значительную емкость между анодом и сеткой. Вообще между любыми электродами лампы имеются емкости, которые составляют обычно несколько пикофарад (микромикрофарад), но оказывают влияние на работу лампы во многих схемах, особенно на высоких частотах. Емкость анод - сетка, обозначаемая Сас, создает между анодной и сеточной цепями вредную емкостную связь. Ее называют паразитной связью. Такая связь может, например, превратить усилитель в генератор. Но если в усилителе возникает генерация колебаний ("паразитная генерация"), то правильная работа усилителя нарушается. Только в усилителях колебаний низкой частоты емкость Сас не оказывает вредного влияния, так как емкостное сопротивление при низкой частоте очень велико и связь через эту емкость между анодной и сеточной цепями очень слабая. УСТРОЙСТВО И РАБОТА ТЕТРОДА Недостатки триода устраняются введением в лампу четвертого электрода в виде сетки, расположенной между анодом и управляющей сеткой и называемой экранирующей. Четырех-электродная лампа с экранирующей сеткой называется тетродом. Экранирующая сетка вместе с управляющей сеткой лучше экранирует катод от электрического поля, созданного анодом. В результате от анода на катод проникает очень небольшая 127 часть электрического поля, действие анода ослабляется во много раз, возрастает коэффициент усиления р., а паразитная емкость Сас уменьшается до весьма малой величины. Для получения высокого коэффициента усиления у триода должна быть густая сетка, почти не пропускающая анодный ток. А в тетроде обе сетки не очень густые, и поэтому электроны свободно летят к аноду. Обычно экранирующая сетка делается гуще, чем управляющая. В тетроде имеются также металлические экраны, которые не пропускают электрическое поле обходным путем от анода на управляющую сетку. На рис. 6.36 даны конструкция электродов тетрода (анод для наглядности разрезан) и изображение тетрода на схемах. Вредная паразитная ем- Вывод от анода к контакту сверху баллона Экран Катод '-Управляющая сетка Анод 'Экранирующая сетка Экран Управляющая / ,. сетка / Нить Рис. 6.36. Конструкция электродов тетрода и его условное изображение \~3кранирующая >Л сетко Ка кость создается между вы- водами анода и управляющей сетки, а также между проводами'анодной и сеточной цепей. Для уменьшения этой емкости выводы анода и управляющей сетки в тетродах, предназначенных для высокой частоты, разносят один от другого или помещают между ними дополнительные экраны. Анодные провода экранируют от сеточных в самой схеме. Провод управляющей сетки заключают в экранирующую оболочку и ставят экраны, разделяющие детали анодной и сеточной цепей. Стеклянные лампы иногда помещают в металлический экранирующий чехол. Экраны соединяют с металлическим корпусом приемника, который в свою очередь соединен с землей и с общим минусом. " Если экранирующую сетку соединить непосредственно с катодом, то на промежутке катод - экранирующая сетка "е будет напряжения, необходимого для движения электронов к аноду. Сам же анод притягивает электроны, вылетающие из катода, слабо, так как его поле действует через две сетки, из которых экранирующая довольно густая. В этом случае анодный ток будет очень мал или даже равен "улю. Чтобы экранирующая сетка не снижала анодного тока, нужно дать на нее положительное напряжение, величина которого должна быть меньше анодного напряжения. Напряжение экранирую- 123 VV xiV/xW ?* м Ток экран "ирующей сетки /ттЬт? I Hh* ба Рис. 6.37. Схема включения тетрода щей сетки, т. е. между экранирующей сеткой и катодом, обозначают Ua. Оно обычно составляет от 20 до 50% анодного напряжения. У тетрода имеется цепь экранирующей сетки, для обозначения которой удобно принять букву э. По ней идет ток экранирующей сетки /э, образованный теми электронами, которые, притягиваясь к экранирующей сетке, попадают на нее. Одна из схем включения тетрода показана на рис. 6.37. Напряжение на экранирующую сетку подается от части анодной батареи. На схеме показан путь тока экранирующей сетки. Чтобы экранирующая сетка служила экраном и устраняла емкость Сас, необходимо соединить ее с общим минусом (катодом) через конденсатор достаточно большой емкости. Он оказывает небольшое сопротивление для токов той частоты, на которой работает схема, но "е позволяет замкнуться накоротко постоянному напряжению экранирующей сетки. ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПАРАМЕТРЫ ТЕТРОДА На рис. 6.38 показаны сеточные характеристики тетрода для |различных напряжений на аноде и экранирующей сетке. Каждая пара характеристик, расположенных близко одна к другой, соответствует определенному напряжению на экранирующей сетке. Изменение анодного напряжения от 200 до 150 в сдвигает характеристику незначительно, так как из-за экранирующего действия двух сеток анод действует на анодный ток очень слабо. Зато изменение напряжения U3 от 100 до 50 в фЪ дает резкий сдвиг харак-\У --- \/ f \ \ . ^ Uc"2 в V иэ=я Об i А Л ч Г V/ ^ч " --- . ** -kj Ш|-----1-----HAH------1-----H-H-----\ Когда анодное напря- жение становится больше напряжения на экранирующей сетке, вторичная 40 80 120 fso 200 240 280 иа(в) эмиссия не прекращается, но уже не обнаруживает-Рис. 6.40. Анодные характеристики тетрода СЯ, ТЭК как вторичные 1 Явление возникновения тока вторичной эмиссии называют динатрон-ным эффектом. 9* 131 электроны, выбитые из анода, возвращаются на анод. На анод попадают также вторичные электроны, выбитые из экранирующей сетки, за счет которых анодный ток дополнительно возрастает, а ток экранирующей сетки несколько уменьшается. Таким образом, характеристика анодного тока получается с "провалом". Она имеет "падающий" участок, на котором анодный ток при увеличении анодного напряжения уменьшается. Изменение тока экранирующей сетки имеет обратный характер. Уменьшению тока 1& соответствует увеличение тока /э, и наоборот. Пунктиром показана характеристика суммарного (катодного) тока, который при увеличении анодного "апряжения возрастает незначительно. УСТРОЙСТВО И РАБОТА ПЕНТОДА Для устранения вредного влияния вторичной эмиссии применяется еще одна сетка, расположенная между анодом и экранирующей сеткой и называемая защитной, или противодинатрон- ной. Пятиэлектродная лампа с тре-I Заг.^т(tm)ая I мя сетками называется пентодом -^-f-->. Ocl/mU х^Т^ч. / г- л 1 \ S\\ 7^ /Т\ (рис. 6.41). • Защитная сетка соединяется обычно с катодом и имеет нулевое напряжение; относительно анода напряжение ее отрицательно, поэтому она отталкивает вторичные электроны и не пропускает их к экранирующей сетке, даже если напряжение на ней выше, чем на аноде. Следовательно, полностью уничтожается возможность возникновения тока вторичной эмиссии. Во многих пентодах соединение защитной сетки с катодом сделано внутри лампы и отдельного вывода от нее на цоколе нет. Пентоды отличаются от тетродов тем, что могут иметь более высокий коэффициент усиления р,, доходящий в некоторых типах ламп до нескольких тысяч. Это объясняется тем, что защитная сетка, хотя и делается сравнительно редкой, но является дополнительным препятствием для электрического поля анода и, следовательно, в пентоде действие анода слабее, чем в тетроде. Емкость Сас у пентода может быть меньше, чем у тетрода, благодаря дополнительному экранирующему действию защитной сетки. Крутизна у пентодов такого же порядка, как у тетродов, внутреннее сопротивление весьма большое - до сотен тысяч и даже до миллионов ом. В пентодах, предназначенных для высоких частот, экранирующую сетку делают более густой. Поэтому такие пентоды имеют высокий коэффициент усиления (до нескольких тысяч), 132 У^ М Рис. 6.41. Схематическое бражение пентодов изо- большое внутреннее сопротивление (до нескольких мегом) и малую емкость анод - сетка. Пентоды для низких частот имеют не такую густую экранирующую сетку. Поэтому коэффициент усиления и внутреннее сопротивление у них получаются меньше, а емкость анод - сетка не снижается так значительно. Схема включения пентода аналогична схеме включения тетрода. Напряжение на экранирующей сетке в маломощных усилителях устанавливается небольшим (20-50% анодного напряжения), так как при усилении слабых колебаний не требуется значительного анодного тока. Но при усилении мощных колебаний анодный ток должен быть большим, и в этом случае напряжение экранирующей сетки берут выше (до 100% анодного напряжения). Пентоды для генераторов работают при напряжении экранирующей сетки, составляющем от 20 до 80%, анодного напряжения. Если напряжение экранирующей сетки должно быть равно анодному, эту сетку соединяют с плюсом анодного источ- ма*%ключения ника. Иногда пентод используют в качестве пентода в ка-триода. Тогда экранирующую сетку соединяют честве триода с анодом и эти электроды работают как один анод (рис. 6.42). Напряжение "а защитной сетке пентода обычно равно нулю. Однако в пентодах для генераторов часто дают на защитную сетку небольшое положительное или отрицательное напряжение. При этом защитная сетка выполняет свою роль по-прежнему, так как напряжение на "ей значительно ниже, чем на аноде. Положительное напряжение на защитной сетке позволяет увеличить полезную мощность. Отрицательное напряжение подается на защитную сетку, если эта сетка используется для модуляции колебаний высокой частоты. ХАРАКТЕРИСТИКИ ПЕНТОДОВ Сеточные характеристики пентода имеют такой же вид, как у тетрода (см. рис. 6.38), причем для различных анодных напряжений они идут еще ближе друг к другу. На рис. 6.43 показаны анодные характеристики пентода для различных напряжений на управляющей сетке при постоянном напряжении на экранирующей сетке. Сначала они идут круто вверх, т. е. получается резкое возрастание анодного тока при небольших изменениях анодного напряжения. Объясняется это следующим. При малых анодных напряжениях электроны под действием положительного напряжения экранирующей сетки пролетают в ее просветы. Не достигнув защитной сетки, они замедляют свое движение, так как их с большей силой, чем анод, 133 J-fMd) притягивает экранирующая сетка. Электроны останавливаются и возвращаются "а экранирующую сетку. Между ней и защитной овткой 0-бразуетея скопление электронов - второе электронное облако. Анод действует- на электроны этого облака через редкую защитную сетку, поэтому (незначительное увеличение анодного напряжения вызывает быстрый рост анодного тока. По мере увеличения U& электронное облако рассасывается и рост анодного тока замедляется. Электронное облако исчезает, когда все электроны, пролетевшие сквозь экранирующую сетку, притягиваются к аноду. При дальнейшем повышении анодного напряжения анодный ток растет главным образом за счет электронов, притягиваемых анодом из электронного облака, находящегося около катода. В этом случае анод действует через три сетки и действие его ослаблено во много раз. В результате значительное уве- ю о Т20 160 200 240 280 Ua (в) Рис. 6.43. Анодные характеристики пентода личение напряжения на аноде вызывает весьма малое изменение анодного тока. Характеристики становятся пологими, почти горизонтальными. Именно эти участки характеристик используются для работы. На этих участках пентод имеет высокий коэффициент усиления и большее внутреннее сопротивление, а в начальных, круто восходящих участках характеристик коэффициент усиления и внутреннее сопротивление небольшие. Чем больше отрицательное напряжение на управляющей сетке, тем меньше анодный ток и тем ниже проходит характеристика. При увеличении отрицательного напряжения "а управляющей сетке характеристики идут более полого и ближе друг к другу. На рис. 6.43 пунктиром показана также характеристика тока экранирующей сетки при одном значении напряжения на управляющей сетке. По приведенным характеристикам можно убедиться в отсутствии у пентода тока вторичной эмиссии. Пологий участок характеристики анодного тока .пентода (или тетрода) не следует смешивать с режимом насыщения. Увеличением анодного напряжения ток насыщения в этих лампах нельзя получить из-за большого ослабления действия анода всеми сетками. Режим насыщения достигается только при значительном положительном напряжении управляющей сетки. 134 Экранирующая сетка , Анод ЛУЧЕВЫЕ ТЕТРОДЫ Помимо пентодов, широкое распространение получили лучевые тетроды, в которых также устранено влияние вторичной эмиссии. В лучевых тетродах увеличено расстояние между экранирующей сеткой и анодом. Управляющая и экранирующая сетки имеют одинаковое число витков, и витки их находятся друг против друга. Вследствие этого электроны летят от катода к аноду лучами (рис. 6.44). Чтобы они не летели в направлении траверс, имеются специальные экраны Э\ и Э2. Они соединены с катодом, а следовательно, имеют нулевое напряжение. Если в лучевом тетроде напряжение на экранирующей сетке больше анодного напряжения, то в промежутке анод - экранирующая сетка электроны, испытывая тормозящее действие со стороны экранирующей сетки, замедляются и в некотором месте образуется скопление электронов (электронное облако). Объемный заряд этого облака играет роль защитной сетки. Он тормозит вылетающие из анода вторичные электроны и возвращает их на анод. В обычных тетродах электронный поток рассеивается траверсами и витками сеток. Поэтому электроны не летят к аноду сгущенными потоками ("лучами") и в промежутке анод - экранирующая сетка не образуется плотного объемного заряда, способного отталкивать "а анод вторичные электроны. Лучевые тетроды имеют очень небольшой ток экранирующей сетки, так как электроны летят главным образом через просветы экранирующей сетки и почти не задерживаются ею. Характеристики лучевых тетродов похожи на характеристики пентодов. Крутизна лучевых тетродов такого же порядка, как и у других ламп (в пределах 1-30 ма/в), внутреннее сопротивление от десятков тысяч до сотен тысяч ом, коэффициент усиления от десятков до сотен. Лучевые тетроды применяются как генераторные лампы в передатчиках, а также в усилителях низкой частоты. Схематически их изображают, как на рис. 6.44, или как обычные тетроды. 135 Рис. 6.44. Устройство лучевого тетрода и его схематическое изображение (Aid) Высокий коэффициент усиления пентодов, работающих в приемниках, полезен при приеме слабых сигналов; прием же сильных сигналов при большом усилений сопровождается искажениями. Для регулировки усиления в зависимости от силы принимаемых сигналов пентоды делают с характеристикой, у которой нижний изгиб сильно вытянут (рис. 6.45). Подобная форма характеристики достигается тем, что управляющую сетку делают с переменной густотой. Небольшая средняя часть сетки редкая, а крайние части густые (см. рис. 6.45). Получаются как бы две лампы: одна с редкой сеткой, а другая с густой. Чем гуще сетка, тем меньше отрицательное напряжение на ней запирает лампу. Поэтому при некоторых отрицательных напряжениях на сетке лампа на участках густой сетки запирается и продолжает работать только на участке редкой сетки, что дает характеристику с малой крутизной,т.е.растянутый нижний изгиб. ' При меньших отрицательных напряжениях на сетке работают все ее участки и главное действие на анодный ток оказывают участки густой сетки, дающие характеристику с большой крутизной.^Такая лампа называется лампой с удлиненной характеристикой (или с переменной крутизной, или лампой "варимю"). При приеме слабых сигналов лампу ставят в режим работы на крутом участке характеристики, а при приеме сильных сигналов - на участке с малой крутизной. Это допускает прием без искажений весьма сильных сигналов. Лампы с удлиненной характеристикой изображаются на схемах как обычные лампы. -Ос(в) -35 -30 -25 -20 -75 Рис. 6.45. Удлиненная характеристика пентода и устройство его сетки ТИПЫ ТЕТРОДОВ И ПЕНТОДОВ Тетроды. В качестве приемно-усилительных ламп обычные тетроды не используются. Исключение составляет выпущенный недавно для выходных каскадов усилителей низкой частоты тетрод 6Э6П, имеющий крутизну 30 ма!в. Для передатчиков средней и большой мощности в прошлом применялись генераторные тетроды ГКЭ-100 и ГКЭ-500. Буква Э в их обозначениях указывает на наличие экранирующей сетки. Например, ГКЭ-JOO расшифровывается так: генераторная коротковолновая с экранирующей сеткой (тетрод), отдающая полезную мощность 100 вт. 136 Лучевые тетроды выпускаются для мощных усилителей низкой частоты и передатчиков. В усилителях низкой частоты применяются лучевые тетроды 2П1П, 2П2П, 6ПЗС, 6П6С, 6П1П, 6П7С, 6П13С и др. Буква П в названиях приемно-усилительных ламп принята для обозначения мощных пентодов и лучевых тетродов, предназначенных для выходных каскадов усилителей низкой частоты. Эта же буква используется для обозначения генераторных лучевых тетродов и пентодов небольшой мощности. Вообще выходные пентоды и лучевые тетроды с успехом используются в генераторах высокой частоты. Специально для передатчиков предназначены двойные лучевые тетроды ГУ-29 и ГУ-32 (рис. 6.46). Пентоды делятся на маломощные для усилителей напряжения высокой и низкой частоты, более мощные выходные для усилителей низкой частоты и специальные генераторные для передатчиков. Высокочастотные пентоды с нормальной характеристикой имеют в обозначении после первого числа букву Ж (например, 6Ж.8), а пентоды с удлиненной характеристикой - букву К (например, 6КЗ). Все они выпускаются в различном конструктивном оформлении. В войсковых радиостанциях применяются пентоды с замковым цоколем 2Ж27Л и 2Ж28Л (с катодом прямого накала), 4Ж1Л, 6Ж1Л, 6К1Л, 12Ж1Л (с подогревным катодом) и др. Внешний вид их показан на рис. 6.47, а. Они имеют стеклянный баллон и цилиндрический металлический экран. Выводные штырьки проходят через отверстия в нижнем донышке экрана. Направляющий металлический ключ представляет собой одно целое с экраном и сам служит экраном для уменьшения емкости между выводами анода и управляющей сетки. Чтобы удобно было вынимать лампу, имеется специальная Ручка ^ШГ Экран \Анод Рис. 6.46. Двойной лучевой тетрод ГУ-32 !,. 2Ж27 Л I, ГЦ V Ш|П Ключ а Рис. 6.47. Внешний вид пентодов и ГУ-15 2Ж27Л, 2Ж27П, 4П1Л 137 Iff ручка. Эти лампы предназначены для усиления напряжения и мощности и для генерирования колебаний высокой частоты (до 120-200 Мгц). Выпущено много типов пальчиковых пентодов, например 1К1П, 1К2П и 2Ж27П (с катодом прямого накала), 6Ж1П, 6Ж2П (рис. 6.48, а), 6ЖЗП, 6К1П, 6К4П (с подогревным катодом) и др. Пентод 2Ж27П (рис. 6.47,6) по своим параметрам и характеристикам совпадает с лампой 2Ж27Л, но оформлен иначе. Широко применяются металлические пентоды с подогревным катодом 6ЖЗ, 6Ж4 (рис. 6.48,6), 6Ж8, 6КЗ, 6К4 и др., а также сверхминиатюрные пентоды 6Ж1Б (рис. 6.48, в), 6Ж2Б, 6Ж5Б, 6Ж10Б, 6К1.Б и др. К устаревшим лампам относятся встречающиеся еще пентоды 6Ж1Ж и 6К1Ж типа "желудь" и малогабаритные пентоды 2Ж2М и 2К2М с катодом прямого накала. Низкочастотные выходные пентоды. Наиболее часто применяются пентоды 1П2Б, ШЗБ, 1П4Б,' 2П19Б, 6П9, 6П14П, 6П15П, 6П18П и др. Генераторные пенто-д ы. Большое распространение получили генераторные пентоды 2П29Л, 2П29П, 4П1Л небольшой мощности с катодом прямого накала. В малогабаритной серии выпускался также пентод для передатчиков СО-257. Пентод 2П29Л предназначен для частот до 120 Мгц. Одинаковые с ним электрические данные имеет пентод 2П29П. Более мощный генераторный пентод 4П1Л (рис. 6.47,0) предназначен для частот до 100 Мгц. Имеется еще ряд генераторных пентодов для передатчиков средней и большой мощности. К ним относятся ГУ-15 (рис. 6.47,г), ГУ-50, ГУ-80, Г-411, Г-412, ГУ-аЗ и др. У всех генераторных пентодов делается вывод от защитной сетки, так как в телеграфных передатчиках иногда на эту сетку для увеличения полезной мощности дают положительное напряжение, а в телефонных передатчиках ее используют для модуляции. В последнее время выпущен ряд новых пентодов особой конструкции. К "им относятся лампы 6Ж20П, 6Ж21П и 6Ж22П с катодной сеткой. На первую сетку, называемую катодной, подается положительное напряжение, а управляющей является вторая сетка. 'Эти лампы имеют крутизну до 30 ма!в. Такая же высокая крутизна достигается в пентодах со вторичной эмиссией (6В1П). Они имеют дополнительный электрод, называемый дино-дом, который является как бы промежуточным. Динод бомбардируется электронным потоком и дает ток вторичной эмиссии, идущий на главный анод. Рис. 6.48. Лампы типа 6Ж2П, 6Ж4 и 6Ж1Б ГЕПТОДЫ И КОМБИНИРОВАННЫЕ ЛАМПЫ Помимо пентодов, применяются и более сложные лампы - с двумя управляющими сетками. На эти сетки обычно 'подаются переменные "апряжения различной частоты, и благодаря этому анодный ток пульсирует сразу с двумя частотами. Таким образом, эти лампы имеют двойное управление анодным током. 138 Наибольшее распространение получил rerifод (ранее он назывался пентагридом), т. е. семиэлектродная лампа. Основное назначение его - преобразование частоты в супергетеродинных приемниках (см. главу 9). Для обозначения гептодов принята буква А. Широко применяются гептоды - преобра- , зователи с подогревным катодом 6А7 (или 6А10С) и 6А2П, а также с катодом прямого накала 1А1П и 1А2П. Схематическое изображение гептодов такого типа показано на рис. 6.49. У них сетки / и 2 вместе с катодом используются как триод, причем сетка / играет роль управляющей, а сетка 2 - роль анода триода и одновременно является экранирующей. Сетка 3 работает как вторая управляющая. Сетка 4, соединенная внутри лампы схема и'зоб-с сеткой 2, также экранирующая. И, наконец, сет- ражения геп-ка 5 - защитная. хода (пента- Примерами комбинированных ламп являются грида-пре-диод-пентоды 1Б1П, 1Б2П и 6Б2П, двойной диод- °бразователя) пентод 6Б8С, триод-пентод 6Ф1 П. Для преобразования частоты также используются комбинированные лампы триод-гептод 6И1П и триод-гексод 1И2П (гексод - это лампа с шестью электродами, т. е. четырьмя сетками). СТЕРЖНЕВЫЕ ЛАМПЫ В последние годы стали выпускаться стержневые лампы, в которых вместо обычных сеток применяются стержневые электроды. Принцип работы этих ламп аналогичен принципу работы лучевого тетрода. Схематически сечение стержневой лампы изображено на рис. 6.50, а. Буквой /С обозначен катод прямого накала. Стержневые электроды d, выполняющие роль управляющей сетки, располагаются по бокам от катода. Небольшое отрицательное напряжение, подаваемое на эти электроды, отталкивает электроны, вылетающие в направлении к ним, и поворачивает их в стороны, не загораживаемые электродами С\. Вследствие этого получаются лишь два электронных луча, расходящихся от катода в двух противоположных направлениях. На пути электронов размещаются стержневые электроды Са, выполняющие роль экранирующей сетки и имеющие некоторое положительное напряжение. Электроны под действием поля этих электродов ускоряются и пролетают между ними. Далее размещаются стержневые электроды Сз, выполняющие роль защитной сетки, а затем анод Л. Поле анода ускоряет электроны, а электроды С3 способствуют фокусировке электронного луча. Управление анодным током осуществляется изменением напряжения на управляющих электродах. Характеристики ламп стержневого типа аналогичны характеристикам ламп с обычными сетками. Стержневые лампы могут работать при гораздо меньшей мощности накала, меньшей затрате энергии анодного источника и имеют меньшие между-электррдные емкости, чем обычные лампы. Они также обладают значительно большей механическрй прочностью, устойчивостью и надежностью в рабрте, что особенно важно при применении их в переносных и передвижных радиостанциях, подвергающихся тряске, толчкам, вибрациям. Промышленностью выпускаются в сверхминиатюрном оформлении (длина .баллона 40 мм, диаметр его 8-9,5 мм) стержневые пентоды 1Ж17Б, 1Ж18Б, 139 1Ж24Б, 1Ж29Б, 1П24Б и др. Напряжение накала у этих ламп 1,2 в. Наименьший ток накала, всего лишь 11,5 ма, имеет лампа 1Ж24Б. Выводы от электродов у стержневых ламп сделаны проволочками: от анода - наверху баллона, от остальных электродов - через основание баллона. Внешний вид одной из стержневых ламп показан на рис. 6.50,6. 90s 606 -76 Электронный потоп 33&, Рис. 6.50. Принцип устройства (а) и внешний вид (б) стержневой лампы Обычные электронные лампы непригодны для дециметровых, а тем более сантиметровых волн. Объясняется это тем, что для пролета электронов с катода на анод требуется некоторое время (примерно одна миллиардная доля секунды). Пока лампа работает на длинных и коротких волнах, с этим временем можно не считаться, так как период изменения напряжений на электродах лампы значительно больше времени пролета. Но при работе на дециметровых и сантиметровых волнах время пролета соизмеримо с периодом колебаний. Например, для волны 30 см (1000 Мец) период колебаний ра'вен одной миллиардной доле секунды, т. е. времени пролета электрона от катода лампы на анод. На волнах короче 30 см период колебаний уже меньше времени пролета электронов. Это приводит к тому, что пока электрон летит от катода на а.нод, напряжения на сетке и алоде успевают измениться по величине, а иногда и по знаку. В результате анодный ток отстает в своих изменениях от напряжения и мощность колебаний сильно снижается. Чтобы уменьшить влияние времени пролета электронов в специальных лампах, предназначенных для усиления и генерирования колебаний в дециметровом диапазоне волн, расстояния между электродами делают очень малыми (доли миллиметра). При работе ламп в диапазоне дециметровых волн вредное влияние также оказывают емкости между электродами и их выводами. На длинных и коротких волнах они не играют большой роли, так как их величина значительно меньше емкости колебательного контура, с которым лампа работает. Но "на дециметровых волнах емкости контуров настолько малы, что междуэлек- 140 тродные емкости лампы часто оказываются значительно большими и это нарушает настройку колебательных контуров. Такое же влияние оказывают индуктивности выводов электродов. Чтобы уменьшить их, выводы делают короткими и из толстого провода. С этой же целью лампы для дециметровых волн делают без цоколя. Радиатор для охлаждения анода воздухом I Анод - Керамика Анод Сетка НатоЗ Hainod ^ь Керамика. А Подогреватель Цилцндричес- • кий вывод сетки Цилиндра чеснии-^ "вывод катода Рис. 6.51. Некоторые типы ламп, применяемых в диапазоне сверхвысоких частот: а - "маячковый" триод 6С9Д; б - генераторный импульсный металлокерамиче-ский триод с теплоотводящим радиатором типа ГИ-11Б; в - дисковый "карандашного" типа триод 6С16Д Широкое распространение в диапазоне дециметровых и более длинных сантиметровых волн получили лампы с дисковыми и цилиндрическими выводами. К "им относятся триоды 6С5Д и 6С9Д "маячкового" типа (рис. 6.51, а), металлокерамические генераторные триоды ГИ-6Б, ГИ-7Б, ГИ-12Б и др. (рис. 6.51,6), триоды 6С11Д и 6С16Д "карандашного" типа (рис. 6.51,в), а также лампы 6ДЗД, 6Д8Д, 6С13Д и др. ПРОСТЕЙШИЕ СПОСОБЫ ИСПЫТАНИЯ ЛАМП В радиоаппаратуре поиски повреждения во многих случаях следует "ачинать с испытания ламп. Специальные испытатели имеются не всегда. Поэтому рассмотрим некоторые способы испытания. Самый простой способ заключается в том, что лампу вставляют в исправно работающий радиоаппарат и о качестве ее судят по работе аппарата. Однако второго радиоаппарата может не оказаться. Тогда лампу проверяют обычными электроизмерительными приборами. Лампа испытывается на целость нити накала, наличие эмиссии и отсутствие замыкания между электродами. Для первой и 141 третьей проверок удобен пробник, состоящий из вольтметра и источника тока (вместо вольтметра может быть взят телефон или лампочка накаливания). Присоединяя пробник к "ити накала (;рис. 6,52, а), по отклонению стрелки вольтметра судят об исправности нити. Затем пробник присоединяют к выводам различных электродов. При отсутствии замыканий между ними стрелка вольтметра не должна давать отклонений. Испытание лаМп на эмиссию можно делать по схеме рис. 6.52, б. На лампу подается нормальное напряжение накала, и все сетки соединяются с анодом. Анодная батарея имеет напряжение 10-20 в, т. е. значительно меньше нормального. Для определения на- Ь-Пробник Рис. 6.52. Схемы проверки радиолампы на целость нити накала (а) и на наличие эмиссии (б) личия эмиссии в анодную цепь включают миллиамперметр или вольтметр, выполняющий роль миллиамперметра. По отклонению стрелки прибора от деления, соответствующего исправной лампе, можно судить о величине эмиссии другой лампы того же типа. Проверять эмиссию можно и без анодной батареи, присоединив анодную цепь к плюсу батареи накала, но ток анода при этом очень мал. НЕОНОВАЯ ЛАМПА Помимо электронных ламл, широко применяются ионные приборы, содеожащие в баллоне тот или иной газ под небольшим давлением. " К ионным приборам, в частности, относится неоновая лампа. Она применяется в качестве индикатора (указателя) напряжения высокой частоты в антенне или в замкнутом контуре радиопередатчика, т. е. служит индикатором настройки. Иногда ее используют как индикатор высокого анодного напряжения. Схематическое изображение и внешний вид неоновой лампы показаны на рис. 6.53. В баллоне лампы находится под небольшим давлением газ неон и имеются два железных или алюминиевых электрода. Выводы от них сделаны на цоколь или на специальные контакты. Рис. 6.53. Схематическое изображение и внешний вид неоновой лампочки 142 Неоновая лампа те имеет накаленного катода. Если напряжение, приложенное к лампе, ниже некоторого значения, называемого напряжением зажигания, ток через лампу не проходит. Когда напряжение равно напряжению зажигания или больше, возникает ионизация газа и через лампу проходит ток. Прохождение тока сопровождается свечением оранжево-красноватого цвета, усиливающимся при повышении напряжения. При постоянном напряжении свечение получается у катода, а при переменном - у обоих электродов. Если уменьшать напряжение, то при его значении, несколько меньшем напряжения зажигания, лампа погаснет и перестанет пропускать ток. После зажигания ток в лампе поддерживается за счет того, что положительные ионы, ударяясь о катод, выбивают из него электроны. Такой вид эмиссии характерен для ионных приборов с холодным катодом. Неоновые лампы имеют напряжение зажигания порядка десятков вольт, а ток в "их изменяется от долей миллиампера в момент зажигания до .нескольких миллиампер или десятков миллиампер при более высоком напряжении. Во избежание порчи неоновую лампу всегда включают через некоторое сопротивление, ограничивающее ток. Часто оно монтируется в цоколе лампы. Ток неоновой лампы зависит главным образом от величины ограничивающего сопротивления и напряжения питающего истрчника. * СТАБИЛИТРОНЫ (ИОННЫЕ СТАБИЛИЗАТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ) Для поддержания постоянства напряжения питания применяются стабилитроны (ионные стабилизаторы напряжения). Они представляют собой ионные приборы, имеющие два цилиндрических электрода различного диаметра. Электрод с большей поверхностью является катодом. Стабилитроны поддерживают напряжение с точностью примерно до 1-3 в. Схема их включения показана на рис. 6.54, а. Последовательно со стабилитроном обязательно включается некоторое сопротивление/?. Характеристика стабилизации изображена на рис. 6.54, б, она выражает зависимость выходного напряжения (/вых от входного напряжения (7ВХ. Если увеличивать t/BX, то сначала ?/вых возрастает, а затем произойдет зажигание стабилитрона и t/вых несколько уменьшается, так как возникает ток, который создает дополнительное падение напряжения "а сопротивлении R. При этом на части поверхности катода появляется свечение. Дальнейшее увеличение ?/вх в известных пределах почти не изменяет ?/вых, которое остается примерно равным рабочему напряжению ?/раб- При увеличении UBX в данных пределах ток возрастает и свечение захватывает все большую часть поверхности катода. Именно в таком 143 режиме получается стабилизация напряжения. Когда вся поверхность катода будет светиться, при дальнейшем увеличении ?/вх возрастает яркость свечения и начинает .расти выходное напряжение, т. е. стабилизации уже не будет. Помимо величины ?/раб, для стабилитрона характерны минимальный и максимальный токи /мин и /Макс- Стабилизация возможна только при определенном значении сопротивления R, при Рис. 6.54.-Схемы включения стабилитронов (айв), характеристика стабилизации (б) и внешний вид стабилитрона СГ4С котором ток получается в пределах между /МИн и /макс- Наша промышленность выпускает двухэлектродные стабилитроны с восьмиштырьковым цоколем, имеющие /Мин = 5 ма и /Макс = = 30жа, на рабочие напряжения 75, 105,150в. Они обозначаются соответственно СГ2С, СГЗС, СГ4С (рис. 6.54,г). Кроме того, изготовляется пальчиковый стабилизатор СГ1П на 150 в и др. При больших напряжениях стабилитроны соединяются последовательно (рис. 6.54, в) и для облегчения зажигания шунтируются сопротивлениями RI и /?2 порядка 0,5 - 1 Моя. Стабилитроны имеют малое внутреннее сопротивление для переменного тока и поэтому хорошо сглаживают пульсации выпрямленного напряжения. В этом отношении они равно- и мин U манс U Рис. 6.55. Схематическое изображение стабилизатора тока (бареттера) и его характеристика 144 ценны конденсаторам большой емкости. БАРЕТТЕРЫ (СТАБИЛИЗАТОРЫ ТОКА) Для стабилизации тока накала электронных ламп применяются бареттеры. Они представляют собой стальную проволочку в баллоне с водородом. При повышении в известных пределах напряжения сопротивление бареттера возрастает так, что ток остается почти постоянным. Практически при изменении напряжения на бареттере примерно в два раза ток изменяется не более чем на 5%. На рис. 6.55 даны схематическое изображение бареттера и ej-o характеристика. 10-261 ГЛАВА 7 ЛАМПОВЫЕ УСИЛИТЕЛИ " Основным свойством триодов, тетродов и пентодов является сильное изменение анодного тока при небольших изменениях напряжения на управляющей сетке лампы, т. е. эти лампы являются усилителями электрических колебаний. Ламповые усилители - основная часть всех радиопередатчиков и радиоприемников. Если :нужно повысить только переменное напряжение, то применяют усилители напряжения, работающие с лампами небольшой мощности, а если необходимо увеличить мощность колебаний, то используют усилители мощности с более мощными лампами. В зависимости от частоты усиливаемых колебаний мо-тут быть усилители низкой и высокой частоты. СО | \ о к Vex бн\ СО 0- 1 ЯГ. 4 If 757 4н1 Бп + Лампа, соединенная с деталями, необходимыми для усиления электрических ко- Рис. 7.1. Схема усилительного каскада лебаний, называется усилительным.каскадом. Схема простейшего усилительного каскада с триодом показана .на рис. 7.1. Каскад состо^ит^^з усилительной лампы, источников тока накала, анодного напряжения и сопротивления нагрузки R&, включенного последовательно в анодную цепь. Усиливаемое, или входное, переменное напряжение ?/вх приложено между управляющей сеткой и катодом лампы. Поэтому пару выводов "управляющая сетка - катод" называют входом каскада. Переменное напряжение на сетке вызывает пульсацию анодного тока, так как за время положительного полупериода напряжения на сетке анодный ток увеличивается, а за время отрица- тельного полупериода уменьшается (рис. 7.2). Пульсирующий анодный ток содержит постоянную и переменную составляющие. На нагрузочном сопротивлении Ra анодный ток создает пульсирующее падение напряжения, которое также имеет постоянную и переменную составляющие. Если сопротивление R& достаточно велико, то переменное напряжение С/Вых на нем будет значи- $ис(в) г-т Рис. 7.2. Графики напряжения на сетке (а) и анодного тока (б) в усилительном каскаде тельно больше переменного напряжения ?/вх, т. е. получится усиление. Зажимы сопротивления Ra называют выходе м каскада. Коэффициент усиления каскада (/С) является величиной, характеризующей работу усилительного каскада, и показывает, во сколько раз каскад усиливает пере-меюное 'напряжение. Для определения коэффициента усиления каскада нужно разделить выходное напряжение ?/ВЬ1Х на входное напряжение (/в*: К иа и" Чем больше нагрузочное сопротивление Ra, тем больше напряжение f/вых "а нем и тем больше коэффициент усиления каскада. Однако последний всегда меньше коэффициента усиления лампы \з.. При усилении в анодной цепи за счет энергии анодной батареи создается энергия переменного тока, значительно большая, чем в цепи управляющей сетки. Энергия электрических колебаний в сеточной цепи лишь управляет посредством сетки энергией анодной цепи. Лампа как генератор переменного анодного тока. Генератором переменного анодного тока следует считать лампу, так как имен- 10* 147 но в ней постоянный анодный ток под влиянием переменного напряжения сетки становится пульсирующим, т. е. в нем появляется переменная составляющая. А сама лампа потребляет энергию постоянного тока от анодной батареи. Итак, лампа в усилительном каскаде при наличии питающих напряжений и переменного напряжения на сетке играет рольгенератора переменного анодного тока. Иначе говоря, лампа служит преобразователем энергии постоянного тока анодного источника, в энергию переменного тока. Так как лампа обладает внутренним сопротивлением Ri, то переменная составляющая анодного тока протекает последовательно по сопротивлениям Rt и R&. Поэтому переменное напряжение распределяется между сопротивлениями Ri и Ra пропорционально их величине. Переменная составляющая анодного тока протекает также через источник анодного напряжения (батарею ба)> "а внутреннем сопротивлении которого образуется падение переменного напряжения. Обычно это внутреннее сопротивление невелико по сравнению с сопротивлением нагрузки /?а- Следовательно, потеря части переменного напряжения в источнике не вызывает заметного уменьшения выходного напряжения. Однако падение на-> пряжения в источнике может оказаться вредным для многокаскадных усилителей. Чтобы уменьшить это падение напряжения, параллельно источнику анодного напряжения включают блокировочный конденсатор такой емкости, чтобы его сопротивление переменной составляющей анодного тока было значительно меньше, чем внутреннее сопротивление анодной батареи. Приведем пример, поясняющий усиление. Пусть на сетку подано переменное напряжение с амплитудой ?/вх=2 в и под его влиянием в анодном токе появилась переменная составляющая с амплитудой/_ =0,5 ма (рис. 7^.2,6). Если анодное нагрузочное сопротивление Ra = 40000 ом, то амплитуда переменного напряжения на нем U ==/ /?= 0,0005- 40000 = 20 в. вы А "~ а . ' Напряжение в данном случае усилилось в десять раз. Коэффициент усиления каскада А: = 20:2 = 10. Если при такой же переменной составляющей анодного тока /?а -4000 ом, то усиления не получится, так как выходное напряжение в этом случае равно напряжению на входе: ?/вых = 0,0005 • 4000 == 2 в. При меньшем Ra вместо усиления получится ослабление. Наоборот, если Ra взять больше 40000 ом, то коэффициент усиления получится больше 10. Этот примерный расчет усиления неточен, так как в действи- 148 тельности при уменьшении #а получается некоторое возрастание переменного тока в анодной цепи, а при увеличении Ra> наоборот, ток /_ уменьшается. Усилители с несколькими каскадами применяют для получения большого усиления. Напряжение, усиленное первым каскадом, подается для дальнейшего усиления на сетку лампы второго каскада,-затем третьего и т. д. В многокаскадном усилителе каскадом считают участок схемы от сетки данной лампы до сетки следующей лампы. Общий коэффициент усиления усилителя определяют, перемножая коэффициенты усиления отдельных каскадов. Например, если каскады имеют коэффициенты усиления 50, 30 и 10, то общий коэффициент усиления равен 50X30X10=15000. Последний каскад усилителя, отдающий энергию усиленных колебаний потребителю, называют оконечным, или выходным, а предыдущие - каскадами предварительного усиления. "" Децибелы. Для подсчета усиления часто применяется единица, называемая децибелом. При усилении в один децибел мощность на выходе каскада получается в 1,26 раза больше, чем на входе. Общее усиление многокаскадных усилителей вычисляется сложением числа децибел усиления, даваемого каждым каскадом. Децибелами пользуются и для вычисления ослабления, создаваемого разными элементами схемы (делителями напряжения, фильтрами и т. п.). При подсчете общего коэффициента усиления аппаратуры величина ослабления вычитается из общего числа децибел усиления. Величина усиления в децибелах равна десяти логарифмам отношения мощности сигнала на выходе усилителя к мощности сигнала на входе. Чтобы определить усиление и ослабление в децибелах через отношение мощностей, напряжений или токов, можно пользоваться следующей таблицей. Таблица Отношение мощностей Отношение токов или напряжений Децибелы усиление ослабление усиление ослабление 0,1 1,02 0,977 1,01 0,989 0,5 1,12 0,891 1,06 0,944 1,0 1,26 0.794 1,12 0,891 2,0 • 1,58 0,631 1,26 0,794 3,0 1,99 0,501 1,41 0,708 4,0 2,51 0,498 1,58 0,631 5,0 3,16 0,316 1,78 0,562 6,0 3,98 0,251 1,99 0,501 7,0 5,01 0,199 2,24 0,447 8,0 6,31 0,158 2,51 0,398 9,0. 7,94 0,126 2,82 0,355 10,0 10,0 0,100 3,16 0,316 20,0 100,0 0,010 10,0 0,100 Иногда вместо децибелов пользуются другой единицей - непером. Одному децибелу соответствует 0,115 непера. А 1 непер соответствует 8,7 децибела. Децибелы можно переводить в неперы умножением на 0,115, а неперы переводятся в децибелы умножением на 8,7. 149 РАБОТА ЛАМПЫ В УСИЛИТЕЛЬНОМ КАСКАДЕ ' В усилительном каскаде лампа обычно работает с включенным в анодную цепь сопротивлением нагрузки. Вследствие этого анодное напряжение U& оказывается меньше напряжения /анодного источника U& на величину падения напряжения на сопротивлении нагрузки -V?a, т. е. / Ua = U6-I&R&. Когда под действием сеточного напряжения анодный ток увеличивается, то падение напряжения на Ra возрастает, а анодное напряжение уменьшается, что создает некоторое уменьшение анодного тока, и наоборот. Таким образом* изменение анодного напряжения противодействует изменению анодного тока, вызванному изменением сеточного напряжения. Поэтому анодный ток при наличии сопротивления нагрузки изменяется меньше и крутизна характеристики лампы получается меньше, чем в случае, когда сопротивление в анодной цепи отсутствует. Режим работы лампы, при котором анодное напряжение изменяется одновременно с изменением напряжения :на сетке, носит название динамического. Режим работы лампы, при котором напряжение изменяется только на одном электроде (сетке или аноде), а на других остается неизменным, называется статическим. Ранее приводились только статические характеристики и параметры ламп. Для изучения работы ламп в динамическом режиме пользуются динамической характеристикой: Не нетрудно построить, если есть семейство статических характеристик и заданы напряжение анодного источника f/б и сопротивление нагрузки /?а. .На рис. 7.3 показано построение динамической характеристики некоторой лампы при ?/б = 200 в и /?а = 5000 ом. Если напряжение сетки ?/с =-12 в, то лампа заперта и анодный ток равен нулю. Поэтому начало (точка А] динамической характеристики совпадает с началом статической характеристики для ?/а = 200 в. При уменьшении отрицательного напряжения на сетке лампа отпирается и появляется анодный ток. Он создает падение напряжения на сопротивлении R&, и анодное напряжение уменьшается. При некотором анодном токе получится 6^=-50 в, т. е. на /?а будет падать напряжение 200-150=50 в. В этом случае анодный ток легко найти по закону Ома: /.--•-aar-O.Ol'a-IO*. Переход к этому режиму (точка Б] осуществляется уменьшением отрицательного сеточного напряжения от -12 в до -5 в. 150 Для f/a=100 в подобным же образом найдем точку В, которой соответствует ток '. = -S- = °.°2a = 20*a-При t/a=50 в получается точка Л для которой / - 15Q а~ 5000 = 0,03 а == 30 ма. Через эти точки и проходит динамическая характеристика. Она показывает изменения анодного тока и анодного напряже- 1п (ма) #7 с?* / & <§ F/ ~& - - ^/-// / -$ 1/6=200 в 7 ^/30 <ьу •^ йа=50000л* I / / / Л /6' / 20 А г / 1 1 1 /, 7 в / / fij^ / Л / / /, /Г / / / iJ / -^ / ^ / / д._________._____ -12 -Ю -8 -6 -4 -2 0 +2 +4 +6 +Ur(e) Рис. 7.3. Сеточная динамическая характеристика ния в зависимости от сеточного напряжения при данном сопротивлении нагрузки. Из динамической характеристики видна разница между статическим и динамическим режимами. В статическом режиме Ua=U6 = 2QQ в, поэтому изменение сеточного напряжения от--12 до -5 в дает изменение анодного тока на 25 ма (до точки Б'). В динамическом режиме QU нарастает только на 10 ма (до точки Б), так как анодное напряжение уменьшается на 50 в. Как видно, крутизна динамической характеристики значительно меньше, чем статической. Чем больше сопротивление У?а, тем сильнее изменяется анодное напряжение и тем меньше изменяется анодный ток, т. е. динамическая крутизна становится меньше. 15} ГРАФИЧЕСКОЕ ИЗОБРАЖЕНИЕ РАБОТЫ УСИЛИТЕЛЬНОГО КАСКАДА Изучение усилительных каскадов облегчают графики, показывающие изменения токов и напряжений. Для построения таких графиков необходимо пользоваться динамической характеристикой (в дальнейшем при упоминании динамической характеристики будем называть ее просто характеристикой). 1 1а(. ма) 30-, , ^*~ 25- ~7 -- А у / / л 1П Д / IU с in tP*. / 1 -к- ^2 +4 +6 ис(в] О Рис. 7.4. График работы усилительного каскада На рис. 7.4 показан график работы усилительного каскада. Переменное напряжение на управляющей сетке лампы с амплитудой 4 в изображено внизу, под характеристикой. Напряжение на сетке изменяется от -4 в до +4 0, что соответствует прямолинейному участку характеристики, и поэтому колебания анодного тока получаются синусоидальными. Кривая пульсирующего анодного тока построена вправо от характеристики При отсутствии колебаний, когда напряжение на сетке павно нулю анодный ток имеет постоянную величину 15 ма. Значение анодного тока при отсутствии переменного напряжения на сетке называют током покоя или начальным током (/ао). Рабочая точка -это точка характеристики, соответствующая току покоя (точка А на рис. 7.4). Положение рабочей точки и величина амплитуды переменного напряжения на сетке определяют качество усиления. Ьсли рабочая точка находится на прямолинейном участке характери- 152 стики и амплитуды напряжения на сетке не выходят за пределы этого участка, то усиление происходит без искажений. Форма колебаний анодного тока в этом случае соответствует форме колебаний напряжения на сетке, что и показано на рис. 7.4. Другой случай показан на рис. 7.5. Здесь рабочая точка также находится на прямолинейном участке характеристики, но la (яа) 1 Ia (ма] -20 -- - , -A ^ -tfi /- / - /и с / I J A -W -5 +5 +10 Uc(6) Рис. 7.5. Графическое изображение возникновения нелинейных искажений отрицательные полуволны переменного напряжения сетки попадают на нижний изгиб. Причиной этого может быть слишком большая амплитуда колебаний на сетке или слишком низкое анодное напряжение, вследствие чего характеристика сдвигается вправо. В анодном токе получаются сильные искажения. Уменьшается амплитуда отрицательных полуволн переменного анодного тока, и форма их искажается. Рабочий участок характеристики. Участок характеристики, в пределах которого изменяются напряжение на управляющей сетке и анодный ток, т. е. на котором происходит работа лампы, называется рабочим участком (участок БВ на рис. 7.4 и 7.5). Хорошее, неискаженное усиление получается на прямолинейном рабочем участке. При этом часть характеристики в области положительных напряжений на сетке, хотя и прямолинейна, но нежелательна для усиления, так как при положительном напряжении сетки возникает вредный сеточный ток, который также вызывает искажения. Таким образом, для усиления без 153 искажений нужно работать на участке характеристики в области отрицательных напряжений на сетке, от нижнего изгиба до точки, соответствующей нулевому напряжению на сетке. Рабочая точка должна быть примерно на середине этого участка. Отрицательное напряжение смещения на управляющей сетке. Для установки рабочей точки в усилителях на управляю- 1а(*а) -я -6 -4 -2 ij +ис(в)У ^4в I Смещение t Рис. 7.6. Усиление при подаче отрицательного напряжения смещения на сетку щую сетку подают постоянное отрицательное напряжение, которое смещает рабочую точку влево. Его называют напряжением смещения. Наиболее просто напряжение смещения подают, включив в цепь управляющей сетки соответствующую батарею. Усиление при напряжении смещения, равном - 4 в, показано графически на рис. 7.6. Амплитуда колебаний переменного напряжения сетки не должна быть велика, чтобы колебания не заходили в область нижнего изгиба характеристики и в область положительных напряжений сетки, при которых возникает сеточный ток. Если увеличить анодное напряжение, то характеристика сдвинется влево и прямолинейный рабочий участок увеличится. Можно будет без искажений усиливать колебания с большими амплитудами. При этом придется увеличить напряжение смещения, чтобы сдвинуть рабочую точку левее. 154 Для усиления без искажений более сильных колебаний применяются лампы, у которых прямолинейный участок характеристики расположен в области отрицательных напряжений на сетке. Итак, качество усиления зависит от анодного напряжения и напряжения смещения. Эти два напряжения определяют режим работы лампы. Для экономии энергии анодного источника и Рис. 7.7. Влияние индуктивности анодной нагрузки на изменение напряжения на аноде лампы желательно, чтобы постоянный анодный ток был возможно меньше. Этому способствует напряжение смещения. В усилителях низкой частоты нельзя чрезмерно увеличивать напряжение смещения, так как рабочая тонка может попасть на нижний изгиб. Тогда переменная составляющая анодного тока уменьшится, т. е. усиление станет меньше, и возникнут искажения. Динамический режим работы лампы при индуктивной нагрузке. Такой режим работы лампы получается при нагрузке в виде катушки или колебательного ко'нтура. Действительно, увеличение анодного тока вызывает в ка_-тушйе э. д. с. самоиндукции, которая стремится уменьшить прирост тока. Следовательно, э. д. с. самоиндукции вычитается из напряжения анодной батареи и уменьшает анодное напряжение (рис. 7.7, а). Наоборот, приуменьшении анодного тока возникающая в катушке э. д. с. самоиндукции стремится поддержать прежнюю величину тока. Она складывается с напряжением анодной батареи и увеличивает анодное напряжение (рис. 7.7,6). Таким образом, и при индуктивной нагрузке напряжение на аноде изменяется одновременно с напряжением управляющей сетки и уменьшает пределы изменения величины анодного тока. ; ТЕТРОДЫ И ПЕНТОДЫ В УСИЛИТЕЛЬНОМ КАСКАДЕ Усилительные каскады с тетродами и пентодами применяются довольно широко. Они дают большее усиление, чем каскады с триодами; емкость анод - сетка в этих лампах меньше, чем у триодов. Включение тетродов и пентодов в усилительный каскад отличается от включения триода тем, что осуществляется питание экранирующей сетки. Напряжение на ней положительное, но 155 более низкое, чем на аноде. В пентодах и лучевых тетродах оно иногда равно анодному напряжению. Способы питания экранирующей сетки. Самый простой способ подачи напряжения на экранирующую сетку отчасти анодной батареи был показан на рис. 6.37. Однако он применяется сравнительно редко. Наиболее распространена подача напряжения на экранирующую сетку через понижающее, или гасящее, сопротивление (рис. 7.8). Обычно величина этого сопротивления сотни тысяч ом для маломощных ламп и тысячи ом \ = [с Л|'- *иех _ -мр + 1 БН 1 1 1 " ' /т. *7Я ~ Ба "+" Рис. 7.8. Схема питания экранирующей сетки через гасящее сопротивление -%-?-"^ Рис. 7.9. Схема питания ~ экранирующей сетк-и через делитель напряжения для более мощных ламп. Ток экранирующей сетки /э создает на этом сопротивлении падение напряжения, которое вычитается из напряжения анодной батареи, поэтому напряжение на экранирующей сетке получается пониженным. Часто встречается схема питания экранирующей сетки через делитель напряжения. В такой схеме (рис. 7.9) анодная батарея замкнута на сопротивления RI и R%, соединенные последовательно. Через эти сопротивления в несколько десятков тысяч или сотен тысяч ом все время проходит ток /о (ток делителя). Напряжение U3, создаваемое током /о на сопротивлении R\, подается на экранирующую сетку. Ток экранирующей сетки /а вместе с током делителя /о проходит через сопротивление RZ. Схема с делителем менее экономична, чем схема с гасящим сопротивлением, так как на питание делителя бесполезно расходуется энергия анодной батареи. Однако напряжение экранирующей сетки при питании от делителя более постоянно. В маломощных радиостанциях для экономии энергии анодной батареи почти всегда применяют схему с гасящим сопротивлением. Схема с делителем используется в тех случаях, когда требуется постоянство напряжения экранирующей сетки при изменении других питающих напряжений. Конденсатор в цепи экранирующей сетки. Чтобы экранирующая сетка служила экраном и устраняла емкость между 156 анодом и управляющей сеткой, необходимо соединять ее с общим минусом (катодом) через конденсатор достаточной емкости, представляющий незначительное сопротивление для переменного тока. Такой конденсатор имеется во всех схемах включения тетродов и пентодов. Его емкость берут равной тысячам или десяткам тысяч пикофарад при высоких частотах и десятым долям микрофарады или целым микрофарадам при низких частотах. При работе лампы в усилительном каскаде ток экранирующей сетки получается пульсирующим, как и анодный ток. Поэтому пульсирует падение напряжения на гасящем сопротивлении, а также напряжение на экранирующей сетке. Конденсатор отводит переменную составляющую тока экранирующей сетки на катод мимо сопротивления, вследствие чего напряжение U3 будет постоянным, что необходимо для правильной работы лампы. В передатчиках усилители низкой частоты используются для усиления переменных токов, возникающих в микрофоне, чтобы их мощность стала достаточной для управления колебаниями высокой частоты передатчика. В радиоприемниках усилители низкой частоты применяются для усиления слабого сигнала, чтобы стала возможной нормальная работа телефонных наушников или громкоговорителя. Во многих случаях усилители низкой частоты применяются и как самостоятельные устройства, например, для усиления токов, создаваемых микрофоном, звукоснимателем, воспроизводящей головкой магнитофона, фотоэлементом звукового киноаппарата и другими источниками переменного тока, а также для усиления выходных напряжений радиоприемников. К выходу таких усилителей подключаются мощные громкоговорители, линия с телефонами и громкоговорителями, звукозаписывающая аппаратура или какой-либо другой прибор, использующий электрические колебания. Усилители низкой частоты, помимо коэффициента усиления, характеризуются целым рядом параметров. Выходная мощность (РВЫх) - это .мощность переменного тока низкой частоты, которую усилитель создает в выходной нагрузке, если на вход подается нормальное напряжение. В маломощных усилителях РВЫХ составляет доли ватта,, в усилителях средней мощности - единицы или десятки ватт, а в усилителях большой мощности - сотни ватт и киловатты. Каждый усилитель может давать мощность больше нормальной. При работе с такой перегрузкой увеличиваются искажения; повышенные переменные напряжения в последнем каскаде усилителя могут вызвать аварии (пробивание конденса- 157 торов или изоляции в трансформаторах, выход из строя ламп и т. д.). Диапазон частот в зависимости от назначения усилителя может быть широким или узким. При усилении колебаний разговорной речи достаточен сравнительно узкий диапазон воспроизводимых частот -примерно 200-2000 гц, а усилители для художественных передач имеют более широ-> кий диапазон, например 50-10000 гц. Частотные искаже-_ ния. Чем шире диапа-1ошПчгц) зон частот, нормально пропускаемых усилителем, тем меньше иска--т-х жения в воспроизведе-' нии. Идеальный усили- I тель в пределах своего диапазона частот уси- 50 700 7000 50 700 ?000 в 'оооо */Ч2Ц) ливает колебания любых частот одинаково. Практически каждый •ч усилитель усиливает различные по частоте колебания неодинаково, вследствие чего хна- -50~шоШ~-----ipooo ?гец) РУшается. правильное , <п _ , соотношение между Рис. 7.10. Различные формы частотных харак- теристик звуками различных частот. Неодинаковые воспроизведения колебаний различных частот называются ч а -стотными (или линейными) искажениями. . Показателем этих искажений служит частотная характеристика, изображающая зависимость коэффициента усиления К усилителя от частоты усиливаемых колебаний /. Для таких характеристик (рис. 7.10) принято по горизонтальной оси откладывать частоту не в обычном масштабе, а в логарифмическом. В обычном масштабе, когда деления одинаковы, трудно поместить широкий диапазон звуковых частот. На рис. 7.10, а показана частотная характеристика идеального усилителя на диапазон частот 50-40000 гц. Она показывает, что' для всех частот коэффициент усиления один и тот же, т. е. частотных искажений нет. Но построить подобный усилитель трудно, да в этом и нет необходимости. Оказывается, что небольшие изменения силы звука (менее 25%) человеческое ухо не замечает. Значит, небольшое отклонение коэффициента усиления от средней величины вполне допустимо. 158 . На рис. 7.10,6 дан пример частотной характеристики усилителя, который на низшей частоте 50 гц дает усиление, на 20% меньшее, чем на средних частотах, т. е. "заваливает" низшие частоты. На рис. 7.10,0 изображена частотная характеристика с "подъемом" низших частот: коэффициент усиления при / = 50 гц на 40%' выше, чем на средней частоте. В этом случае усилитель чрезмерно подчёркивает низкие басойые звуки. -200 300 500 Частота [гц] 2000 3000 5000 "7000 Рис. 7.11. Частотная характеристика усилителя, построенная в децибелах "Заваливание" и "подъем" могут быть также на высших частотах. Если они превышают 20-30%', то становятся заметными: в воспроизведении чувствуется недостаток высоких звуков или, наоборот, они слышны ненормально громко по сравнению с другими звуками. Конечно, частотные искажения могут проявляться и на высших и на низших частотах. Частотные искажения в усилителях зависят от наличия емкостей и индуктивностей, сопротивление которых зависит от частоты. Именно поэтому усилители на- разных частотах работают различно. На частотных характеристиках по оси ординат вместо коэффициента усиления К иногда откладывают число децибел, показывающее, на сколько усиление при данной частоте отличается от усиления на частоте 1000 гц, принятого за нулевой уровень отсчета (0 децибел). При этом усиление может отличаться как в большую сторону (числа с плюсом), так и в меньшую (числа с минусом). На рис. 7.11 дан пример характеристики, для которой изменение усиления (частотные искажения) в диапазоне частот 30-8000 гц не превышает ±5 децибел, т. е. коэффициент усиления К в этом диапазоне не отличается больше чем в 1,78 раза (см. таблицу пересчета децибел) от усиления на частоте 1000 гц. 159 Частотные искажения создаются также в громкоговорителе, телефоне, микрофоне, звукоснимателе, причем они бывают значительно больше, чем в усилителе. Поэтому иногда в усилителе полезны такие частотные искажения, которые могли бы скорректировать частотные искажения, например, в громкоговорителе. Если последний "заваливает" высшие частоты, то желательно иметь частотную характеристику усилителя с "подъемом" на высших частотах. Тогда частотная характеристика всего усилительного устройства станет лучше и воспроизведение звука будет с меньшими искажениями. В некоторых усилителях применяют тонкорректо-р ы и специальные регуляторы тона, позволяющие изменять частотную характеристику усилителя так, чтобы компенсировать /1-ягармоника частотные искажения остальных частей усилительного устройства. Нелинейные искажения. Если на вход усилителя подать си" нусоидальное напряжение, то усиленное напряжение на выходе не будет синусоидальным, а изменит свою форму, станет более сложным. .Всякое сложное колебание состоит из простых синусоидальных колебаний - основного и высших гармоник. Усилитель, искажая форму усиливаемых колебаний, добавляет лишние гармоники, которых не было на входе. На рис. 7.12 показаны синусоидальное напряжение UBK на входе усилителя и искаженное несинусоидальное напряжение f/вых на выходе. Взят случай, когда усилитель вносит вторую гармонику. На графике напряжения ?/Вых пунктиром показаны полезная первая гармоника (основное колебание), имеющая одинаковую частоту со входным напряжением, и вторая гармоника с удвоенной частотой. Выходное напряжение является суммой этих двух гармоник. Искажения формы колебаний, т. е. добавление лишних гармоник к основному колебанию, называют нелинейными искажениями. Они проявляются в том, что звук становится хриплым, дребезжащим. Для оценки нелинейных иска- 160 Ч_х Рис. 7.12. Нелинейные искажения жений служит коэффициент нелинейных искажений, или коэффициент гармоник (&н), который показывает, какой процент составляют в сумме все лишние гармоники, созданные самим усилителем, по отношению к основному колебанию. Если коэффициент нелинейных искажений меньше 5%', то ухо их не замечает. Нелинейные искажения больше 10%> уже портят впечатление от художественной передачи. При kH более 20%; искажения совершенно недопустимы и речь становится неразборчивой. Нелинейные искажения возникают при усилении колебаний л,юбой сложной формы, характерной для передачи речи и музыки. Но сложные колебания сами состоят из гармоник, которые должны быть правильно воспроизведены усилителем. Их нельзя путать с добавочными гармониками, которые создает сам усилитель.- Гармоники во входном напряжении сложной формы полезные: они определяют характер звука; а гармоники, внесенные усилителем, вредные: они создают нелинейные искажения. Причинами нелинейных искажений в усилителях могут быть: непрямолинейность ламповых характеристик, наличие тока управляющей сетки, а также магнитное насыщение в сердечниках трансформаторов или дросселей низкой частоты, применяемых в усилителе. Нелинейные искажения создаются также в громкоговорителях, телефонах, микрофонах, звукоснимателях. Каждый усилитель увеличивает мощность колебаний, но режим работы каскадов усилителя напряжения устанавливается так, чтобы происходило наибольшее усиление напряжения. Однако при этом одновременно всегда усиливается и переменный ток, а следовательно, возрастает и мощность. Зато усилитель мощности часто совершенно не усиливает напряжения," но увеличивает мощность колебаний. Поэтому название "усилитель мощности" или "мощный усилитель" вполне правильно. Самым мощным является последний - оконечный, или выходной, каскад усилителя. Предыдущий каскад, служащий для "раскачки>х оконечного каскада, часто называется предоконечным. Все части усилителя низкой частоты являются источниками частотных и нелинейных искажений. Наибольшие искажения, особенно нелинейные, вносит усилитель мощности. УСИЛИТЕЛЬ НИЗКОЙ ЧАСТОТЫ НА СОПРОТИВЛЕНИЯХ Схема усилителя и ее работа. На рис. 7.13 показаны схема каскада усилителя на сопротивлениях и его соединения со следующим каскадом. Выше уже рассматривался принцип работы 11-261 , 161 0 Рис. 7.13. Схема усилителя низкой частоты на сопротивлениях усилительного Каскада по такой схеме (см. рис. 7.1). Переменное напряжение /7ВХ подается на сетку первой лампы. Анодный ток этой лампы становится пульсирующим; его постоянная составляющая проходит через анодную батарею, а-переменная - через конденсатор CQ, шунтирующий батарею. На нагрузочном сопротивлении R& получается усиленное переменное напряжение. Для дальнейшего усиления его подают на сетку следующей лампы, так как усилитель на сопротивлениях почти всегда является предварительным. Переменное напряжение от сопротивления R& нельзя подать непосредственно на участок сетка - катод следующей лампы, так как сопротивление /?а включено в цепь анодной батареи и на сетку лампы 2 попадет плюс высокого напряжения, что недопустимо. Поэтому переменное напряжение подается через сеточный конденсатор Се, называемый иногда переходным или разделительным, который изолирует сетку лампы 2 от постоянного напряжения анодной батареи, но пропускает переменное напряжение. Сеточный конденсатор и сеточное сопротивление. Вместе с сеточным конденсатором включается еще сеточное сопротивление Rc (сопротивление утечки сетки). Если его не включить, то за каждый положительный полупериод напряжения на сетке к ней притянется некоторое количество электронов, которые будут скапливаться на сетке. Через небольшое время отрицательное напряжение на сетке лампы 2 возрастет настолько, что лампа "запрется". Подобное явление может произойти и без переменного напряжения на сетке, так как и тогда некоторая часть электронов попадает на витки сетки и остается на ней. При наличии сеточного сопротивления Re электроны движутся по нему от сетки к катоду, т. е. образуется сеточный ток и электроны на сетке не накапливаются. Таким образом, переменное напряжение с анодного (верхнего на рис.-7.13) конца сопротивления /?а подается на сетку л-ампы 2 через конденсатор Сс, а с другого (нижнего) конца-• на катод лампы 2 через конденсатор CQ. Это напряжение ?/вых является выходным напряжением первого каскада. Детали Сс и Rc при рассмотрении работы каскада считают входящими в со- 162 став анодного нагрузочного сопротивления (дополнительно кЯа). Искажения в усилителе. Если режим работы лампы выбран правильно, т.. е. рабочая точка находится на прямолинейном участке характеристики, то нелинейные искажения незначительны. Усилитель йа сопротивлениях работает обычно при небольших переменных напряжениях на сетке, и поэтому о нелинейных искажениях беспокоиться не приходится. Во избежание возникновения сеточного тока, создающего искажения, и для экономии анодного тока обычно на сетку подают отрицательное напряжение смещения. ; Частотные искажения усилителя на сопротивлениях небольшие. Для средних частот можно пренебрегать влиянием емкостей и считать нагрузочное сопротивление состоящим из R& и -?с> соединенных параллельно. Частотная характеристика для этих частот получается близкой к идеальной. Для низших и высших частот звукового диапазона наблюдается" некоторое "заваливание" частотной характеристики - усиление /Уменьшается. На низших частотах это объясняется влиянием переходного конденсатора Сс. G понижением частоты его емкостное сопротивление увеличивается и падение напряжения на нем возрастает, а поэтому напряжение на сетке лампы 2 уменьшается. На высших звуковых частотах сопротивлением конденсатора Сс можно пренебречь. Зато начинает влиять входная емкость Свх лампы 2, т. е. емкость между сеткой и катодом этой, лампы. Емкость Свх невелика, не более нескольких десятков пикофарад, и на низших и средних частотах она не влияет на усиление, так как сопротивление ее очень велико. Но на высших звуковых частотах сопротивление ёмкости Свх уменьшается и общее сопротивление параллельно включенных сопротивлений JRa, Re и емкости Свх /также уменьшается. Коэффициент усиления каскада падает. Однако "заваливание" частотной характеристики получается сравнительно небольшим. Главными достоинствами усилителя на сопротивлениях являются, незначительные частотные искажения и простота схемы. Недостатком усилителя на сопротивлениях надо считать потерю части постоянного анодного напряжения на сопротивлении /?а> из-за чего напряжение на аноде лампы всегда значительно меньше, чем напряжение анодного источника. Детали усилителя. Сопротивление анодной нагрузки R& для триодов обычно равно от 3 Ri до 4 Ri и составляет десятки тысяч или сотни тысяч ом. Конденсатор Сс имеет емкость 5000- 100000 пф, поэтому он не представляет большого сопротивления для колебаний низкой частоты. Сопротивление Rc берется в несколько раз больше, чем /?д, т. е. составляет сотни тысяч ом (обычно от 0,1 до 1 Мом). Брать небольшое сопротивление R0 невыгодно, так как оно через конденсаторы Сс и 11* 163 Сб присоединено параллельно R& и уменьшает величину нагрузочного сопротивления для лампы /, что приводит к уменьшению усиления. Однако и чрезмерно большое сопротивление Rc также не годится, так как тогда электроны не будут успевать уходить с сетки и лампа 2 будет запираться, особенно при сильных колебаниях. В усилителях на пентодах нельзя брать Ra равным (Зч--4-4) Rit так как RI у пентодов доходит до миллионов ом. В этом случае Ra берут в несколько сотен тысяч ом, т. е. меньше Ri-Коэффициент усиления каскада К получается значительно меньше [л, но [л у пентодов очень велик, и, даже если К составляет 10-20 %i от [д.. усиление будет больше, чем при использовании триода. Сопротивление R& обычно непроволочное, подбирается оно по мощности, которая будет в нем выделяться. Например, если постоянная составляющая анодного тока /а=5 ма, a R&= = 20000 ом, то мощность тока, нагревающего /?а> равна р =-:'/2#а == 0,0052 • 20 000 = 0,5 вт. Сеточное сопротивление Rc может быть рассчитано на самую малую мощность, так как ток сетки очень мал. Конденсатор Сс должен иметь хорошую изоляцию. Если в нем есть утечка, то он пропускает на сетку следующей лампы положительное напряжение из анодной цепи предыдущей лампы. Поэтому нежелательно применять в качестве Сс бумажные конденсаторы большой емкости (например, 1 мкф), так как они обычно имеют недостаточную изоляцию. Кроме того, конденсатор Сс должен выдерживать высокое анодное напряжение. Лучшими переходными^конденсаторами считаются слюдяные на несколько десятков тысяч пикофарад. ДРОССЕЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ Дроссельный усилитель (рис. 7.14) отличается от усилителя на сопротивлениях тем, что в качестве анодной нагрузки включен дроссель низкой частоты Др с сердечником из магнитного материала. Для получения индуктивности в несколько десятков генри дроссель Др имеет примерно 10000-20000 витков. Большая индуктивность, а следовательно, и большое индуктивное сопротивление необходимы для получения достаточного усиления. Сопротивление обмотки дросселя для постоянного тока невелико (не больше сотен или тысяч ом). Поэтому потеря питающего анодного напряжения на дросселе небольшая, что является преимуществом дроссельного усилителя. Приближенно анодное напряжение на лампе равно напряжению анодной батареи. Коэффициент усиления дроссельного усилителя меньше ц лампы. 164 Недостатком дроссельного усилителя являются большие частотные искажения, чем в усилителе на сопротивлениях. Частотная характеристика больше "заваливается" на низших и высших частотах. На низших частотах усиление падает из-за переходного конденсатора Сс и потому, что индуктивное сопротивление дросселя для малых частот уменьшается. На высших звуковых частотах индуктивное сопротивление дросселя велико, но оно шунтируется входной емкостью следующей лампы Свх и собственной емкостью дросселя Сдр. Их общая емкость получается порядка сотен пико-фарад и имеет сравнительно небольшое сопротивление^ для высших звуковых частот, вследствие чего усиление на этих частотах падает. Для уменьшения собственной емкости дросселя его обмотку делают секционированной. JJi/fW} Рис. 7.14. Схема дроссельного усилителя U 6Х ч С С f- чр II6 1 m. _i 17? II "1 kH* ТРАНСФОРМАТОРНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ Схема усилителя и ее работа. В трансформаторном усилителе (рис. 7.15) . первичная обмотка трансформатора низкой частоты, включена в анодную цепь лампы в качестве нагрузоч-_ ного сопротивления, а на вто- ричной обмотке получается напряжение t/BbIX, которое сле-д I___I - дует считать выходным напря- т \/\/ <Ь \\?>-"""*? жением каскада. Если оно по- "?ых дается на следующий каскад, то трансформатор Тр называют междуламповым, а если усилитель является оконечным каскадом, то трансформатор называют выходным. Транс-Рис. 7.15. Схема трансформаторного форматорные усилители при-усилителя меняются главным образом как оконечные. Важным достоинством трансформаторного каскада является возможность согласования сопротивления телефона (или громкоговорителя) с внутренним сопротивлением лампы. Для получения достаточного усиления сопротивление анодной нагрузки должно находиться в определенном соотношении с внутренним сопротивлением лампы. Телефон (или громкоговоритель) часто имеет слишком малое сопротивление, и при непосредственном 165 включении его в анодную цепь усиление будет малым. Применив в этом случае понижающий выходной трансформатор, можно создать для лампы достаточно большое нагрузочное сопротивление. Искажения в усилителе. Недостатком трансформаторного усилителя являются более заметные искажения, чем в предыдущих усилителях. а Рис. 7.16. Цилиндрическая (а) и секционированная (б] обмотки На низших частотах усиление падает вследствие уменьшения индуктивного сопротивления первичной обмотки трансформатора, а на высших частотах происходит "заваливание" усиления, так как уменьшается сопротивление собственных емкостей обмоток. Эти емкости шунтируют трансформатор. Особенностью трансформаторного усилителя является то, что "на некоторой довольно высокой звуковой частоте (порядка тысяч герц) в трансформаторе получается резонанс- и усиление резко возрастает. Трансформатор создает также нелинейные искажения, так как его сердечник под влиянием постоянной составляющей анодного тока может намагничиваться до насыщения и тогда изменения магнитного потока происходят непропорционально изменениям тока в первичной обмотке. Ясно, что в этом случае напряжение вторичной обмотки будет искаженным. Намагничивание сердечника до насыщения создает еще уменьшение ин-" дуктивности первичной обмотки, а это вызывает "заваливание" усиления на низших звуковых частотах, т. е. частотные^ искажения. Для устранения намагничивания сердечника до насыщения анодный ток уменьшают подачей на сетку отрицательного напряжения смещения. Сердечник трансформатора делают с до- 166 статочно большим сечением, чтобы он не мог легко намагничиваться до насыщения. Иногда делают в сердечнике так называемый воздушный зазор, который фактически бывает заполнен бумагой, картоном или другим немагнитным веществом. Он уменьшает магнитный поток, а вместе с тем уменьшается и опасность намагничивания до насыщения. Устройство трансформаторов. Трансформаторы, как правило, делаются броневого типа, т. е. с разветвленным магнитным потоком. Обмотки бывают цилиндрические или секционированные. Цилиндрические обмотки (рис. 7.16, а) встречаются наиболее часто. Ближе к сердечнику трансформат9ра может быть намотана как первичная, так и вторичная обмотка. Секционированные об-мотки (рис. 7.16,6) применяют для уменьшения между-витковой емкости. Каждая обмотка делится на несколько секций и секции обмоток чередуются. СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ СМЕЩЕНИЯ В УСИЛИТЕЛЯХ Отрицательное напряжение смещения в усилителях служит для того, чтобы сдвинуть рабочую точку на'характеристике влево для работы без сеточного тока, вносящего искажения, и . о о I >v о о. Т -.г !§ 11 + ' Бс /--- -7Г Рис. 7.17. Схемы подачи напряжения смещения от отдельного источника уменьшения постоянной составляющей анодного тока. Последнее необходимо для экономии энергии источника анодного питания, уменьшения разогрева анода, уменьшения потери постоянного напряжения на нагрузочном сопротивлении R& в усилителе на сопротивлениях, уменьшения постоянного намагничивания сердечника в трансформаторном или дроссельном усилителе. Величина отрицательного напряжения смещения, определяется положением рабочей точки. Если найти на характеристике место рабочей точки, то станут известны напряжение смещения Есы и анодный ток покоя /ао. Напряжение смещения от отдельного источника. Самый простой способ подачи напряжения смещения - включение в цепь сетки отдельного источника постоянного напряжения плюсом к катоду, а минусом к сетке (через детали сеточной цепи). Им может служить батарея из нескольких элементов. На рис. 7.17 167 показаны схемы включения отдельного источника напряжения смещения в усилителе с трансформатором и в усилителе с сеточным сопротивлением. Источник напряжения смещения работает вхолостую. Он не создает тока. Чтобы внутреннее сопротивление сеточной батареи не влияло на работу схемы, ее шунтируют К9нденсатором достаточной емкости. Достоинство данного метода заключается в постоянстве напряжения смещения и его независимости от режима работы лампы (поэтому напряжение смещения от отдельного источника называют фиксированным). Недостаток метода - необходимость иметь отдельную батарею. о с 1 R •Or Рис. 7.18. Схемы автоматического смещения для ламп с катодом прямого (а) и косвенного (б) накала Автоматическое напряжение смещения. В современных усилителях и приемниках широко распространено автоматическое напряжение смещения. При этом методе для смещения используется небольшая часть напряжения анодного источника. Принцип получения автоматического напряжения смещения показан на рис. 7.18. В анодную цепь последовательно между катодом (минусом Бн при катоде прямого накала) и минусом источника анодного питания включается сопротивление RK, называемое сопротивлением смещения или катодным сопротивлением. Цепь сетки, т. е. провод от междулампового трансформатора или сеточного сопротивления Rc, присоединяется к минусу Б&. Корпус усилителя присоединяется к - Ба при подогревном катоде и к - Бн при катоде прямого накала. Сопротивление смещения RK включено одновременно и в сеточную и в анодную цепи. Постоянная^ составляющая анодного тока /ао, проходя через сопротивление' RK, создает на нем падение напряжения. Конец RK, соединенный с - -5а, имеет отрицательное напряжение относительно конца RK, соединенного с катодом. Следовательно, сетка также имеет отрицательное напряжение смещения, равное падению напряжения, создавае- 168 мому током /ао на сопротивлении RK. Напряжение смещения ?См определяется по закону Ома ?см = -ао*мс- Например, если #к = 500 ом. и /ао=4 ма, то Есы = 0,004-500 = 2 в. Величина RK бывает порядка сотен или тысяч ом. На практике часто приходится определять величину /VK для получения необходимого напряжения смещения ЕС1Й, если известна постоянная составляющая анодного тока /ао- Например, если рабочая точка на характеристике определяет величину напряжения смещения ?см = 5 в и /ао=2 ма, то D __ ?сМ _ 5 _ "_..., к /а0 ~ 0,002 ~ Лии °М' В схеме с тетродом или пентодом через, сопротивление RK проходит катодный ток /к> равный сумме токов анода и экранирующей сетки. Автоматическое напряжение смещения - это часть напряжения анодного источника, расходуемая на сопротивлении RK. Поэтому анодное напряжение на лампе получается соответственно меньше. Если в обычном усилителе на сопротивлениях напряжение на аноде лампы (7а0 меньше напряжения анодного источника иъ на величину падения напряжения на сопротивлении Ra, т. е. ^а==^Б - Ао-^а" то при автоматическом смещении анодное напряжение уменьшится еще на величину падения напряжения на сопротивлении RK: ^а^Б-'аоЯаТ'аоЯк. Например, если ?/Б-=160 в, Яа-40000 ом, /?к-=5000 ом и /ао=2 лю=" = 0,002 а, то иы = 160 - 0,002-40000•- 0,002-5000 = 160 - 80 - 10 = 70 в. Обычное ?см во много раз меньше ?/ао. Поэтому незначительное уменьшение 1/ао за счет использования части UB для напряжения смещения не играет роли. Рассмотрим схему автоматического смещения с точки зрения распределения потенциалов в различных точках. Возьмем случай, когда корпус усилителя присоединен к - ?н (рис. 7.18,а). Пусть #к=400 ом, a /ao = 5 ма. Падение напряжения на /?н равно 0,005-400 = 2 в. Корпус, а следовательно, катод и соединенный с ним конец RK (верхний на схеме рис. 7.18, а) имеют нулевой потенциал. Другой конец RKJ соединенный с -Ба, имеет потенциал -2 в, так как падение напряжения на RK составляет 2 в. Этот потенциал подается на сетку через, сопротивление Re- Значит, сетка также имеет потенциал -2 в относительно катода. 169 На рис. 7.18,6 показан другой с!лучай-присоединение корпуса к -Ба. Нижний конец RK является точкой нулевого потенциала, а верхний имеет потенциал на 2 в выше, т. е. +2 в. Итак, катод имеет потенциал +2 в, а сетка, соединенная через Rc с корпусом, имеет потенциал, равный нулю. Важно знать потенциал сетки относительно катода, так как напряжением смещения мы называем разность потенциалов между сеткой и катодом, ^то напряжение равно ?см=0 -(4-2 в)-=-2 в. Таким образом, независимо от места присоединения корпуса, т. е. независимо от того, какая точка имеет нулевой потенциал, создается постоянное отрицательное напряжение на сетке. Так как в анодной цепи, кроме постоянного тока, проходит и переменный, то сопротивление смещения RK шунтируют конденсатором Ск (рис. 7.18,6), который для переменного тока должен иметь сопротивление в несколько /тяя Рис. 7.19. Напряжение смещения от цепи накала ~бн+ раз меньше RK. В усилителях низкой частоты применяются низковольтные электролитические конденсаторы емкостью в несколько десятков микрофарад. Назначение такого конденсатора состоит в том, чтобы уменьшить переменное напряжение на сопротивлении RK. Это переменное напряжение вместе с напряжением смещения подается на сетку с фазой, противоположной фазе переменного напряжения, приходящего на сетку от предыдущего каскада. Пусть, например, в схеме рис. 7.18,6 напряжение на сетке возрастает. Под его влиянием анодный ток растет, увеличивается падение напряжения на RK и на сетку попадает увеличивающееся отрицательное напряжение, которое частично компенсирует нарастающее сеточное напряжение. В результате такого уменьшения входного напряжения заметно понижается коэффициент усиления каскада. Это явление называется отрицательной обратной связью. Конденсатор, шунтирующий /?к, уменьшает отрицательную обратную связь и способствует увеличению усиления. Напряжение смещения от цепи накала. Если батарея накала имеет напряжение, большее, чем требуется, то излишек напряжения можно использовать для подачи смещения. Для этого в цепь накала между катодом и минусом батареи включают сопротивление R (рис. 7.19), а сетку присоединяют к - -5Н. Например, если напряжение накала (/н-4 в, а батарея накала имеет 5,2 в, то на сопротивлении R падает 1,2 в. Минус этого напряжения через сеточное сопротивление Rc подается на сетку, что аналогично автоматическому смещению, но только в нем для напряжения смещения используется часть напряжения батареи накала, а не анодной батареи. Этот способ непри- 170 годен, когда излишек напряжения батареи накала недостаточен для напряжения смещения. Увеличивать же напряжение батареи накала нерационально. Поэтому такой способ получения напряжения смещения применяется редко. Интересно, что даже когда в цепи накала нет сопротивления R, но сетка присоединена к минусу батареи (к минусовому концу катода}; на сетке получается отрицательное .напряжение смещения. Рассмотрим для примера случай, когда UH = 4 в и минусовый конец катода явл-яется точкой нулевого потенциала. Плюсовый конец катода имеет потенциал +4 в, средняя точка его +2в и т. д. Сетка, соединена с "общим минусом" и имеет потенциал, равный нулю, но по отношению к катоду ее потенциал отрицателен. Относительно плюсового конца катода сетка имеет потенциал -4 в, так как 0 -( + 4)=-4; относительно середины катода ее потенциал - 2 в и только относительно минусового конца катода она имеет нулевой потенциал. В среднем потециал сетки относительно катода равен -2 в, т. е. получается отрицательное напряжение смещения, равное половине напряжения накала. - ВЫХОДНОЙ КАСКАД УСИЛИТЕЛЯ НИЗКОЙ ЧАСТОТЫ Назначение выходного каскада - усилить с минимальными искажениями мощность колебаний низкой частоты и отдать ее в нагрузочное сопротивление, например, головной телефон или громкоговоритель. Для получения наибольшей выходной мощности нагрузочное сопротивление Ra должно быть для триодов примерно равно внутреннему сопротивлению лампы /?,-, а для пентодов и лучевых тетродов - в 5-10 раз меньше /?г-. Схема включения. нагрузочного сопротивления в выходной каскад называется схемой вы'хода. Непосредственный выход. В простейшем случае телефон или громкоговоритель включается непосредственно в анодную цепь (рис. 7.20,а). Этот способ имеет ряд недостатков. Сопротивление высокоомного телефона для тока звуковой частоты в среднем составляет 10000 ом, а у низкоомного телефона оно меньше. Для многих ламп эта величина получается ниже наивыгоднейшего значения, что приводит к уменьшению выходной мощности. Наличие постоянного анодного тока заставляет при включении телефона соблюдать^ полярность, чтобы предохранить его магниты от размагничивания. Нежелательно наличие плюса высокого анодного напряжения на телефоне: если в нем нарушена изоляция, то радист рискует подвергнуться действию анодного напряжения, прикоснувшись к корпусу радиостанции, соединенному с минусом анодного источника. Дроссельный выход (рис. 7.20,6). Постоянная составляющая анодного тока в этой схеме проходит через дроссель и не 171 попадает в телефон, включенный через конденсатор С достаточной емкости, пропускающий только переменную составляющую анодного тока. Телефон не находится под высоким анодным напряжением, и его магниты не могут быть размагничены постоянным анодным током. Однако нагрузочное сопротивление в этой схеме меньше, чем в предыдущей, так как телефон и дроссель, включены параллельно. Трансформаторный выход. Недостатки непосредственного и дроссельного выходов устраняются в схеме трансформаторного выхода (рис. 7.20,в), являющейся наиболее распространенной. Постоянная составляющая анодного тока проходит через первичную обмотку трансформатора и в телефон не попадает; телефон не находится под высоким анодным напряжением. Имея телефон или громкоговоритель с малым 'сопротивлением и применяя понижающий трансформатор, можно на- Рис. 7.20. Различные схемы выхода в усилителях низкой частоты грузочное сопротивление сделать наивыгоднейшим, чтобы получилась наибольшая выходная мощность. Это главное преимущество трансформаторного выхода перед другими схемами. Приведем числовой пример. Пусть телефон имеет сопротивление #2= = 10000 ом для Переменного тока некоторой средней звуковой частоты, а напряжение на вторичной обмотке выходного трансформатора ?/2=20 в. Тогда ток в телефоне по закону Ома будет равен /2 = 20:10000 = 0,002 а = 2 ма. Мощность в телефоне, т. е. выходная мощность, составит -°вых = ->Уя = 20-0,002 = 0,04 вт = 40 мзт. Покажем, что при понижающем выходном трансформаторе можно создать нагрузочное сопротивление больше 10000 ом. Возьмем коэффициент трансформации 2:1, т. е. применим трансформатор, понижающий напряжение в два раза. Мощность в первичной обмотке трансформатора можно считать равной мощности во вторичной цепи, так как потери энергии в трансфер-маторе незначительны. В данном примере напряжение в первичной обмотке t/i" вдвое больше, чем во вторичной, и равно 40 в, а первичный ток /j 172 вдвое меньше и составляет 1 на. Мощность в первичной обмотке по-прежнему равна 40-0,001=0,04 вт. Найдем по закону Ома, какое нагрузочное сопротивление представляет для лампы выходной трансформатор со стороны первичной обмотки: #! = Ui: /1 = 40 : 0,001 = 40000 ом. Сопротивление получилось в четыре раза больше, чем у телефона. В зависимости от типа лампы и сопротивления телефона коэффициент трансформации выходного трансформатора должен быть различным. Его первичная обмотка должна иметь несколько тысяч витков, чтобы индуктивное сопротивление на низших звуковых частотах не было слишком малым. Выходные трансформаторы обычно делают понижающими, рассчитанными на низкоомные громкоговорители или тел?-фоны. Если выход должен быть рассчитан на несколько потребителей с различными сопротивлениями, в выходном трансформаторе делают несколько вторичных обмоток с различным числом витков или одну вторичную обмотку с отводами. Автотрансформаторный выход. Иногда, вместо трансформатора применяют автотрансформатор (рис. 7.20,г), у которого роль вторичной обмотки выполняет часть первичной обмотки. Телефон включается к ней через конденсатор. По сравнению с трансформатором автотрансформатор имеет при одинаковой мощности меньше стали в сердечнике и меньше меди в обмотках. Схема усилителя (катодного повторителя) представлена на рис. 7.21. Особенность схемы заключается в том, что сопротивление нагрузки R включено не между анодом и плюсом источника анодного напряжения, а между катодом и минусом источника. Падение напряжения на сопротивлении нагрузки (выходное напряжение), так же как и падение напряжения на катодном сопротивлении в схеме рис. 7.19, приложено к сетке. В результате переменное напряжение на сетке представляет собой разность между входным и выходным напряжениями. По этой причине t/вых всегда несколько меньше UBJL и коэффициент усиления такого каскада по напряжению всегда меньше единицы. Каскад называется повторителем потому, что он повторяет на выходе величину и фазу входного напряжения. При этом происходит увеличение (усиление) мощности. Для управления анодным током практически никакой мощности не расходуется, так как переменный ток в цепи сетки почти равен нулю. Но иерез сопротивление нагрузки протекает сравнительно большой анодный ток, изменяющийся под влиянием переменного напряжения на сетке. Таким образом, мощность переменного тока 173 на выходе получается больше мощности, которую необходимо подвести к сетке лампы. Катодный повторитель, как и трансформатор, применяется для согласования нагрузки, обладающей малым сопротивлением, с большим внутренним сопротивлением 'усилительной лампы. Схема включения повторителя в качестве согласующего Рис. 7.21. Схема катодного повторителя Рис. 7.22. Схема непосредственного включения низкоомного громкоговорителя в катодный повторитель каскада между лампой и низкоомным громкоговорителем показана на рис. 7.22. Для создания автоматического смещения между катодом и громкоговорителем включено сопротивление RK, шунтированное конденсатором Ск. МНОГОКАСКАДНЫЕ УСИЛИТЕЛИ НИЗКОЙ ЧАСТОТЫ Чаще всего усилитель низкой частоты состоит из двух-трех каскадов. Большее число каскадов применяется реже. Последний каскад является обычно оконечным усилителем мощности. Предпоследний каскад предназначается для создания напряжения такой величины, которая необходима для нормальной работы оконечного каскада. Остальные каскады предварительного усиления служат для усиления напряжения, возникающего в микрофоне или другом источнике электрических колебаний низкой частоты. Предоконечный и предварительные каскады являются, как правило, усилителями на сопротивлениях с триодами или пентодами. В оконечных каскадах применяются главным образом пентоды и лучевые тетроды. Источники питания цепей анода, сеток и "накала обычно общие для всех каскадов усилителя. Поэтому необходимо заботиться о том, чтобы большие переменные токи последующих каскадов не создавали (через цепи питания) переменных напряжений в цепях управляющих сеток предыдущих каскадов. Кроме того, многократное усиление напряжения увеличивает 174 искажения. Все это заставляет усложнять схему усилителей за счет введения регулировки усиления, регулировки тембра, развязывающих фильтров в цепях питания. Эти особенности многокаскадных усилителей рассматриваются ниже. Регулировка усиления. Обычно на входе усилителя имеется регулятор усиления в виде потенциометра, при помощи которого изменяют переменное напряжение, подаваемое на сетку. Схемы включения регулятора усиления при работе от микрофона и звукоснимателя показаны на рис. 7.23, а и б. Сопротивление потенциометра должно быть рис 723 Схемы включения регулятора уси-в несколько десят- ления ков тысяч или сотен тысяч ом. Усиление регулируется почти всегда на входе усилителя, чтобы не перегружать последующие каскады слишком сильными колебаниями потому, что в этих каскадах могут возникнуть нелинейные искажения. Рис. 7.24. Схемы автоматического смещения в многокаскадных усилителях на лампах с подогревными катодами (а) и на лампах с катодами прямого накала (б) Автоматическое напряжение смещения. В усилителях на лампах с подогревным катодом в большинстве случаев применяется отдельная подача автоматического напряжения смещения в каждом каскаде, т. е. в цепь катода каждой лампы включается сопротивление смещения RK, на котором анодный ток данной лампы создает нужное падение напряжения (рис. 7.24 а). Такой способ позволяет подать на каждую лампу напряжение смещения любой величины независимо от других ламп. 175 В усилителях на лампах с катодами прямого накала эта схема непригодна, поскольку все катоды соединены параллельно. В этом случае применяется общее автоматическое напряжение смещения (рис. 7.24,6). Сопротивление смещения включено в общую анодную цепь всех ламп, и через него проходит суммарный анодный ток. Напряжения смещения подаются от различных участков сопротивления смещения, которое одновременно является делителем напряжения. Если напряжения я.Л| 4 ^ | Я|^ЬПилг/±Г| "з(±\ ?+ ^Ч^ИтНнн+Н б" I Л / п" \\\ ^ ) г. I ,_ J 0- Рис. 7.25. Цепи паразитной обратной связи между каскадами усилителя (а) и включение анодного развязывающего фильтра (б) смещения на лампах должны быть одинаковыми, то все сеточные цепи присоединяются к - Б&. Схема общего автоматического напряжения смещения может применяться и при подогревных катодах. Недостаток такой схемы - зависимость напряжения смещения данной лампы от анодных токов других ламп. ' • Анодные развязывающие фильтры. В усилителях между отдельными каскадами может возникнуть паразитная обратная связь через общие цепи анодного питания. На рис. 7.25, а упрощенно показана схема усилителя, имеющего три каскада. Рассмотрим для примера влияние последнего каскада на предыдущие. Если бы источник анодного напряжения не имел внутреннего сопротивления, то переменная составляющая анодного тока третьего каскада полностью прошла 'бы через этот источник и не оказала никакого влияния на работу предыдущих каскадов. Но каждый источник имеет внутреннее сопротивление, и поэтому не весь переменный анодный ток третьей лампы проходит через него. Часть тока ответвляется в анодные цепи предыдущих каскадов и проходит через их анодные нагрузочные сопротивления /?а, переходные конденсаторы Сс и сеточные сопротивления Rci Путь этого тока в первом каскаде показан на рис. 7.25, а стрелками. Он создает на Rc переменное напряжение, которое усиливается следующими каскадами, и в последнем каскаде 176 снова возникает переменный ток. Часть его ответвляется в предыдущие каскады, опять создает в них переменное напряжение и т. д. В результате может возникнуть паразитная генерация в виде писка, воя или шума, напоминающего шум работающего двигателя. Борьба с паразитной обратной связью через общие анодные цепи ведется с помощью анодных развязывающих фильтров, включаемых в каждый каскад, за исключением выходного. На Рис. 7.26. Схема включения сеточных развязывающих фильтров в многокаскадном усилителе рис. 7.25, б показан такой фильтр, состоящий из сопротивления #ф в 5000-20000 ом и конденсатора Сф емкостью 4- 10 мкф. Сопротивление фильтра /?ф препятствует прохождению переменного анодного тока третьего каскада в предыдущий каскад. Все же некоторый ток проходит через /?ф, но возвращается на катод третьей лампы через конденсатор фильтра Сф, имеющий малое сопротивление для тока низкой частоты. Поэтому через сопротивление /?а 'и далее через Сс и Rc проходит столь малая часть этого тока, что создаваемое им на Rc ничтожное переменное напряжение почти не влияет на работу усилителя. При применении развязывающих фильтров усилитель работает устойчиво. Сеточные .развязывающие фильтры. Автоматическое напряжение смещения по схеме рис. 7.24,6 также создает паразитную обратную связь между каскадами через сеточные цепи. В этой схеме через RK проходит переменный анодный ток последней лампы, создающий на /^переменное напряжение. Вместе с напряжением смещения оно подается на сетки ламп предыдущих каскадов и может вызвать паразитную генерацию. Шунтирование сопротивления смещения конденсатором большей емкости уменьшает переменное напряжение на RK, но недостаточно, особенно на низших частотах, при которых емкостное сопротивление конденсатора Ск большое. Поэтому в цепь сетки каждой лампы включают развязывающий фильтр CфRф (рис. 7.26). Сопротивление R$ в сотни тысяч ом и конденсатор- Сф емкостью в десятые доли микрофа- 12-261 177 Рис. 7.27. Простейшая схема регулировки тона рады образуют делитель напряжения. Емкостное сопротивление конденсатора Сф во много раз меньше ,/?ф. Следовательно, на конденсаторе падает ничтожная часть переменного напряжения, снимаемого с сопротивления RK. Но именно от конденсатора Сф напряжение подается на сетку лампы. Значит, паразитная связь во много раз ослаблена, так как почти все переменное напряжение падает на /?ф и на сетку лампы не попадает. Применять подобные фильтры при самостоятельном автоматическом __ ... напряжении смещения в iHJ "Т? ' ' каждом каскаде (рис. Т к Сб 7.24, а) не надо, так как ---------•-* * П14 в этой схеме нет обратной связи между каскадами - бс+ через сеточные цепи. , Регулировка тона (тон-коррекция). В усилителях низкой частоты, предна-; , значенных для художест- венного воспроизведения речи и музыки, с целью уменьшения частотных искажений применяют регуляторы, или корректоры тона (звучания). Схемы регуляторов тембра в большинстве случаев применяются сложные, но все они, как правило, работают по одному принципу. Для примера на рис. 7.27 показана схема оконечного усилителя, в анодную цепь которого параллельно выходному трансформатору -включен регулятор тона, состоящий из конденсатора Ст и переменного сопротивления -?т.- Такой регулятор эффективен лишь в том случае, когда усилитель дает лучшее усиление на высших частотах. Тогда через цепочку Ст/?т часть тока высших частот можно отвести мимо первичной обмотки трансформатора (сопротивление конденсатора уменьшается с увеличением частоты) и снизить усиление на высших частотах. Регулируя сопротивление /?т, можно изменять величину от-БОДИМОГО в цепь Ст#т тока и устранять излишнее усиление на высших частотах звукового диапазона. ОТРИЦАТЕЛЬНАЯ ОБРАТНАЯ СВЯЗЬ В УСИЛИТЕЛЯХ Качество усилителя можно улучшить, применив в нем отрицательную обратную связь, т. е. подав часть выходного напряжения на вход с фазой, противоположной фазе входного напряжения. Улучшение работы усилителя заключается в следующем: 1) уменьшаются частотные и нелинейные искажения; 176 2) уменьшается фон от пульсаций анодного напряжения при питании усилителя от электросети или от умформера; 3) коэффициент усиления усилителя становится более устойчивым и меньше зависит от питающих напряжений, выходного нагрузочного сопротивления, смены ламп и от других причин; 4) внутреннее сопротивление усилителя уменьшается, что облегчает отдачу полезной мощности при низкоомной нагрузке; 5) при помощи отрицательной обратной "вязи можно изменять частотную характеристику усилителя. Но не каждай схема отрицательной обратной связи имеет все эти свойства. Основное достоинство отрицательной обратной связи - уменьшение нелинейных искажений, возникающих главным образом в выходном каска; де. Поэтому отрицательная обратная связь делается всегда именно в этом каскаде. Иногда она охватывает также и предыдущий каскад. Отрицательную обратную связь,, охватывающую большее число каскадов, осуществить труднее, так как на некоторых частотах обратная связь может стать положительной и возникнет ларазитная генерация. Недостаток отрицательной обратной связи заключается в уменьшении коэффициента, усиления. Для компенсации этого приходится увеличивать усиление в предварительных каскадах, что не представляет затруднений и не приводит к увеличению искажений, так как в этих каскадах искажения вообще незначительны. Пример схемы выходного каскада с отрицательной обратной связью дан на рис. 7.28. Выходной трансформатор имеет дополнительную вторичную обмотку, напряжение которой ?/0. с введено в цепь сетки лампы, так, что оно противоположно по фазе напряжению ?7ВХ. Необходимая фаза напряжения U0. c достигается соответствующим включением концов обмотки трансформатора. Напряжение Uc на сетке лампы равно Рис. 7.28. Схема выходного каскада с отрицательной обратной связью откуда следует, что и6 = ип-и.л ^Лх = ?/Гс+/Л>.с т. е. t/вх должно быть больше Uc- Для большей - наглядности рассмотрим числовой при Пусть каскад имеет без обратной связи на средней частоте 12* пример, ко- 179 эффициент усиления К=40. При переменном напряжении на сетке Uc-l в усиленное напряжение U на первичной обмотке выходного трансформатора равно 40 в. Напряжение обратной связи Uc обычно составляет от 5 до 20% усиленного напряжения. Предположим, что 10%' усиленного напряжения, т. е. 4 в, подводится обратно в цепь сетки. Чтобы получить прежнее [/ = 40 б, теперь надо на вход подать напряжение Г/и - = 1+4 = 5 в, так как то- в* " гда на сетке напряжение 4 вг снова будет УС - ^вх - U0,u - = 5-4 = 1 в. Усиление каскада при наличии обратной связи стало равно U _ 40 _ о и" ~~ 5 - °" К Рис. 7.29. Графики, показывающие уменьшение нелинейных искажений с помощью отрицательной обратной связи т. е. уменьшилось в пять раз. Для компенсации этого надо в пять раз увеличить входное напряжение. Продолжим этот пример, чтобы выяснить уменьшение частотных искажений при помощи обратной связи. Допустим, что усилитель без обратной связи на низшей или высшей частоте имеет коэффициент усиления 30, т. е. дает уменьшение усиления на 25%. Это значит, что при напряжении на сетке 1 в на выходе получается 30 в. Напряжение обратной связи равно 3 в, а напряжение на входе для получения ?7=30 в должно быть UBK= 1+3 = 4 в. Следовательно, коэффициент усиления при обратной связи равен 30 -j- =7,5, а для средней частоты он был 8. Как видно, "заваливание" усиления получается лишь немного больше 6%, т. е. оно уменьшилось в четыре раза. Чем меньше усиление на какой-либо частоте, тем меньше напряжение на выходе. НЪ тогда соответственно меньше напряжение обратной связи, а значит, напряжение на сетке возрастет и это в известной степени скомпенсирует "заваливание" усиления на данной частоте. Аналогичный результат можно получить для случаев подъема усиления на какой-либо частоте. Отрицательная обратная связь автоматически выравнивает частотную характеристику усилителя. 180 Уменьшение нелинейных искажений с помощью отрицательной обратной связи поясняет следующий пример. На рис. 7.29, а показаны графики синусоидального входного и искаженного выходного напряжений в усилителе, не имеющем обратной связи (масштабы (7ВХ и ?/ВЫх разные). В данном случае нелинейные искажения таковы, что положительная полуволна выходного напряжения имеет большую амплитуду, чем отрицательная. Графики работы этого же усилителя с отрицательной обратной связью даны на рис. 7.29,6. Напряжение на входе (7ВХ по-прежнему синусоидальное. Его пришлось увеличить. Напряжение обратной связи f/o.ci противоположное по фазе напряжению ?/вх, имеет первую полуволну с большей амплитудой, а вторую - с меньшей, так как оно является частью выходного напряжения. Напряжение на сетке Uc, равное разности f/вх и Цо.с, показано жирной линией. Оно имеет положительную полуволну с меньшей амплитудой, а отрицательную - с большей. Так как положительная полуволна усиливается больше, то на выходе получается напряжение, близкое к синусоидальному. На рис. 7.30,а показана часто. встречающаяся схема параллельной обратной связи. Здесь анод лампы Л2 через конденсатор С и сопротивление R соединен с сеткой. Часть усиленного напряжения U, получающегося на первичной обмотке выходного трансформатора, попадает на сетку лампы в виде напряжения обратной связи UQ, c. Величина его зависит от сопротивлений R, R&, Rc и Ri предыдущей лампы, образующих делитель напряжения. Одним участком делителя является сопротивление R, а другим - сопротивления Ra, Rc и Ri предыдущей лампы, соединенные параллельно. Чем меньше сопротивление R, тем больше напряжение U0. с, т. е. отрицательная обратная связь сильнее. Конденсатор С служит для устранения замыкания анодного источника на сопротивления R и Rc и имеет емкость 0,1-0,5 мкф. 181 Рис. 7.30. Схемы подачи отрицательной обратной связи в усилителях низкой частоты Недостаток схемы состоит в том, что она не уменьшает фон от пульсаций напряжения анодного источника. Напряжение этих пульсаций попадает на анод и сетку в одинаковой фазе и вызывает пульсации анодного тока. Рассмотренная на рис. 7.28 схема свободна от такого недостатка. Схема обратной связи, охватывающей два каскада, показана на рис. 7.30, б. В ней для получения напряжения отрицательной обратной связи применен делитель напряжения, состоящий из сопротивлений R\ и /?2. Напряжение обратной связи снимается с сопротивления #2- Такой метод применим и в схеме рис. 7.28, т. е. в одном каскаде. Если сделать величину обратной связи различной для разных частот, то можно изменять частотную характеристику усилителя. Для этого в цепь обратной связи вводят реактивные сопротивления, т. е. емкости или индуктивности. Например, если в схеме рис. 7.30, б зашунтировать сопротивление Rz конденсатором такой емкости, чтобы его влияние сказывалось на высших звуковых частотах, то на этих частотах обратная связь уменьшится, а усиление поднимется. А если конденсатором зашунтировать /?t, то на высших частотах обратная связь увеличится и произойдет большее "заваливание" усиления на этих частотах. В специальных схемах делают так, что обратная связь дей-, ствует сильно на всех частотах, кроме некоторой сравнительно узкой полосы частот. Тогда в пределах ^тои полосы усиление получится большое, а на остальных частотах - малое. ДВУХТАКТНЫЕ УСИЛИТЕЛИ В качестве оконечных усилителей часто применяются двухтактные каскады, позволяющие получить вдвое большую мощность на выходе и меньшие искажения, чем в обычном (одно-тактном) каскаде. Двухтактный каскад (рис. 7.31) представляет собой два усилителя на одинаковых лампах Л\ и Л2 с общим выходным трансформатором. Усиливаемое напряжение l/вх подается на входной, трансформатор, вторичная обмотка которого разделена на две части. Напряжение со вторичной обмотки поступает на сетки ламп таким образом, что когда на сетку первой лампы подается положительное напряжение, на сетку второй лампы-отрицательное (с этой целью средняя точка вторичной обмотки входного трансформатора соединена с катодами ламп). Напряжение .смещения, снимаемое с сопротивления RK, имеет такую величину, что постоянный анодный ток каждой из ламп почти равен нулю. Поэтому через лампы протекают импульсы анодного тока лишь тогда, когда на сетке оказывается положительное напряжение. Так как переменные напряжения подаются на сетки ламп в противофазе, то в лампах и первичной обмотке выходного трансформатора анодные 182 токи протекают поочередно. Ток каждой лампы индуктирует во вторичной обмотке свою э. д. с. Хотя токи /ai и I&2 протекают по обмотке в различных направлениях, но так как они череду- -Н-6<+ kCn тягг Рис. 7.31. Схема двухтактного усилительного каскада ются по времени, то индуктируемые ими во вторичной обмотке э. д. с. и токи складываются и мощность колебаний удваивается. - УСИЛИТЕЛИ ВЫСОКОЙ ЧАСТОТЫ В отличие от усилителей низкой частоты усилители высокой частоты, широко применяемые в радиопередатчиках и радиоприемниках, должны усиливать колебания только одной опр'е-деленной высокой частоты или некоторой сравнительно узкой полосы высоких частот. Это достигается применением на- &1 строенных в резонанс колебательных контуров. Поэтому усилители высокой частоты иногда называют резонансными. Таким образом, усилители высокой частоты обладают избирательностью. Усилители высокой частоты без резонансных контуров, называемые апериодическими или ненастроенными и не обладающие избирательностью, встречаются редко. Схема с анодным контуром. Одна из наиболее распространенных схем усилителя высокой частоты дана на *рис. 7.32. Пере- 183 J0* Рис. 7.32. Схема усилителя высокой частоты с анодным контуром ,6ЫХ wfr Рис. 7.33. Схема усилителя высокой частоты с заземленным ротором конденсатора анодного контура менное напряжение высокой частоты подается на сетку лампы и создает в анодной цепи ток, пульсирующий с высокой частотой. Анодный колебательный контур LC является большим нагрузочным сопротивлением для переменной составляющей анодного тока. Чем это сопротивление больше, тем*выше коэффициент усиления каскада. Генератором для контура служит сама лампа. Контур настраивается в резонанс, и в нем возникают колебания тем более сильные, чем меньше потери в контуре, т. е. чем выше его добротность. Постоянная составляющая анодного тока проходит через катушку, а переменная составляющая создает на контуре переменное напряжение, усиленное по сравнению с напряжением, поданным на сетку. Триоды в усилителях высокой частоты не применяются, так как они обладают значительной емкостью анод--сетка Сас, которая особенно вредна на высоких частотах. Сопротивление анодного контура практически не бывает больше десятков тысяч ом. Поэтому коэффициент усиления каскада получается небольшим по сравнению с коэффициентом усиления самой лампы. На более коротких волнах обычно усиление меньше, так как сопротивление анодного контура на этих волнах ниже, чем на более длинных., Схема по рис. 7.32 имеет тот недостаток, что конденсатор анодного контура находится под высоким анодным напряжением и его ротор нельзя соединить с землей (с корпусом, т. е. с общим минусом). А для удобства монтажа и для возможности применения общей металлической оси у конденсаторов, входящих в сдвоенный или в строенный блок, ротор должен быть соединен с землей. На рис. 7.33 показана схема, не имеющая указанного недостатка. В ней в контур включены блокировочный и предохранительный конденсаторы CQ и Сп, имеющие емкость в несколько тысяч или десяткЬв тысяч пикофарад. При этом общая емкость контура становится лишь немного меньше емкости конденсатора С. Конденсатор Сб пропускает переменную составляющую анодного тока и позволяет заземлить ротор конденсатора С, а конденсатор Сп изолирует статор конденсатора С от высокого напряжения и предохраняет анодный источник от короткого за- 184 гяг Рис. 7.34. Схема усилителя высокой частоты с параллельным анодным питанием мыкамия в случае замыкания роторных и статорных пластин в конденсаторе С. Если каскад усиления высокой частоты используется в приемнике, то на сетку подаются колебания от антенны или предыдущего каскада, а усиленные колебания - на сетку лампы следующего каскада. В передатчиках переменное напряжение на сетку подается от предыдущего каскада, которым может быть задающий генератор, а усиленные колебания передаются в антенну или на следующий ка- у скад. г Для уменьшения па- # разитной связи между анодной и сеточной цепями каскада делают экранировку. Провод анода или сетки лампы окружают экранирующей оболочкой, ставят экраны, разделяющие детали и провода анодной и сеточной цепей. Анодный контур помещают в экран. Если лампа стеклянная и не имеет металлизации баллона, то ее иногда полностью экранируют. Параллельное анодное питание. Рассмотренные схемы относятся к схемам с последовательным анодным питанием. В них постоянный анодный ток проходит через катушку контура и контур находится под высоким анодным напряжением. Применяются также усилители высокой частоты с параллельным анодным питанием (рис. 7.34), в которых постоянная составляющая анодного тока проходит через дроссель Др, а переменная составляющая высокой частоты, для которой дроссель представляет большое индуктивное сопротивление, проходит от лампы через разделительный конденсатор Ср в контур. Изучая' путь этих токов, нужно помнить, что источником постоянного анодного тока является анодная батарея, а генератором переменного' анодного тока в любом усилительном каскаде служит сама лампа. Удобство параллельного анодного питания заключается в том, что анодный контур не находится под высоким напряжением и поэтому ротор конденсатора переменной емкости можно соединить с корпусом. Недостаток схемы заключается в наличии дополнительных деталей: анодного дросселя и разделительного конденсатора. Трудно сделать дроссель таким, чтобы он в широком диапазоне имел большое индуктивное сопротивление, так как оно меняется при изменении частоты. Этому мешает и 185 о °/ 0L • *г • L 1 ^аых ю L_ 4 яяя собственная емкость дросселя, которая на более высоких частотах имеет малое сопротивление. Иногда в приемниках вме-•сто дросселя включают активное сопротивление, величина которого при изменении частоты остается почти постоянной. Трансформаторная схема. Очень часто применяется усилитель высокой частоты, собранный по трансформаторной схеме (рис. 7.35). В нем анодная цепь связана с последующим каскадом с помощью трансформатора, состоящего из катушек L и L[. Вторичная катушка входит в состав резонансного контура, соединенного с сеткой лампы следующего каскада. Катушки L и L\ располагаются неподвижно одна относительно другой, например наматываются рядом на один каркас. Трансформаторная схема удобна тем, что контур LC изолирован от анодной цепи и, следовательно, ротор конденсатора С можно соединить с корпусом. При правильном подборе взаимоиндуктивности между катушками L и L\ схема дает усиление, не меньшее, чем схема с анодным контуром. В усилителях высокой частоты применяются те же способы подачи отрицательного напряжения- смещения на управляющую сетку, что и в усилителях низкой частоты. Для устранения паразитных связей между каскадами в многокаскадных усилителях высокой частоты применяют описанные ранее развязывающие фильтры- в анодных и сеточных цепях. Рис. 7.35. Трансформаторная схема усилителя высокой частоты ГЛАВА 8 ЛАМПОВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ И ПЕРЕДАТЧИКИ НАЗНАЧЕНИЕ И УСТРОЙСТВО ЛАМПОВОГО ГЕНЕРАТОРА Ламповые генераторы, применяемые в радиотехнике, являются -источниками энергии переменного тока высокой-частоты и составляют поэтому основную и обязательную часть современного радиопередатчика. Вырабатываемая генератором энергия поступает в антенну передатчика и создает необходимые для связи радиоволны. Схема лампового генератора показана "на рис. 8.1. Генератор состсгит из следующих основных частей: колебательного контура, электронной лампы, катушки или конденсатора обратной связи и источников питания. Известно, что в колебательном контуре с появлением какого-либо толчка (импульса) тока или напряжения всякий раз возникают свободные затухающие колебания. Перед ламповым генератором стоит задача поддержать эти колебания за счет энергии источника постоянного тока с помощью лампы, т. е. превратить колебания из затухающих в незатухающие. Определяющую роль в ламповом генераторе играет колебательный контур. От его свойств зависят возникновение первоначальных колебаний и частота вырабатываемого генератором тока. Контур генератора определяет диапазон волн (частот) генератора, а следовательно, и всего передатчика радиостанции. Второй важный элемент лампового генератора - электронная лампа. Она выполняет роль регулятора" ооздаю- 187 Рис. 8.1. Схема лампового генератора с самовозбуждением: / - колебательный контур; 2 - электронная лампа; 3 - катушка обратной связи 2 \ Illl II ИНШ L .' ....... - 1 с § •3 п з- =х ъ. ts о X п 1§ eg ч :". fO о Е о О) *с °-ff Mill II ПНИ Illl! I 1 1 1 II 1 1 MIIII \LCQ ас' iC-O ^ it-1 Рис. 8.2. Правильное включение катушки обратной связи концов щего в контуре импульсы тока, необходимые для поддержания колебаний незатухающими. Роль такого регулятора может выполнить лампа, имеющая по крайней мере одну управляющую сетку (например, триод), так как для того, чтобы импульсы попадали в контур в такт с его собственными колебаниями, необходимо заставить сам переменный' ток1 управлять этими импульсами. Такое взаимодействие элементов схемы достигается применением обратной связи сетки лампы с контуром, например, при помощи катушки связи LCB. За счет этой связи между управляющей сеткой -и катодом лампы появляется переменное напряжение той же частоты, что и частота колебаний в контуре. Вследствие этого анодный ток лампы становится пульсирующим и при правильном подборе- обратной связи импульсы его поддерживают колебания контура незатухающими. Таким образом, возникшие в контуре свободные колебания автоматически превращаются с помощью лампы и за счет энергии анодной батареи в'незатухающие. Происходит процесс самовозбуждения генератора. Поэтому генератор, имеющий обратную связь, называется генератором с самовозбуждением. Третий необходимый • элемент генератора - источники питания: анодная батарея и батарея накала лампы. Источник анодного питания, например анодная батарея, является источником энергии, которая непосредственно превращается в энергию переменного тока; Поэтому генератор может работать только до тех пор, пока действуют источники его питания. Условия самовозбуждения. Для самовозбуждения генератора не имеет существенного значения способ осуществления обратной связи. Генератор будет возбуждаться и при индуктивной (как показано на^рис. 8.1), и при емкостной связи (см. рис. 8.10). ^ажно, чтобы величина обратной связи была достаточно большой, иначе создаваемое с помощью этой связи переменное напряжение в цепи сетки лампы может оказаться недостаточным для создания таких пульсаций анодного тока, которые смогут поддержать колебания в контуре незатухающими. Кроме величины обратной связи, для самовозбуждения генератора необходимо, чтобы пульсации анодного тока происходили в такт с колебаниями в контуре. Это значит, что изменения анодного тока (пульсации)- при прохождении его через кон- 188 тур должны совпадать с изменениями тока свободных колебаний не только по частоте, но и по направлению. Если это условие не выполняется, то пульсации анодного тока не только не смогут поддерживать свободных колебаний, но, наоборот, будут препятствовать им и Приведут к затуханию их еще быстрее. Поэтому для получения самовозбуждения нужно правильно включить концы катушки или конденсатора обратной связи, как показано на рис. 8.2. Рис. 8.3. Физический процесс самовозбуждения генератора: а - анодная цепь разомкнута, анодного тока нет; б - анодная цепь замкнута, появление анодного тока /а вызвало заряд конденсатора; в - конденсатор разряжается на катушку, в контуре возникают колебания; г - за счет напряжения обратной связи ^Свв анодном токе возникает переменная составляющая, ток в контуре не затухает Физический процесс. Рассмотрим процесс возникновения незатухающих колебаний более подробно, начиная с включения источников питания (рис. 8.3). Включим 'первоначально батарею "акала и подождем, пока пригреется катод лампы (рис. 8.3, а). Затем подключим к схеме анодную батарею (рис. 8.3,6). Под влиянием напряжения анодной батареи, подключенной плюсом к аноду, а минусом к катоду, излучаемые катодом электроны притягиваются к аноду и в анодной цепи возникает электрический ток. Так как анодный ток протекает через катушку контура, то в момент его появления между выводами катушки возникает электродвижущая сила самоиндукции, которая препятствует нарастанию тока. Вследствие этого контурный конденсатор, подключенный параллельно' катушке, заряжается до напряжения, равного э.д.с. самоиндукции. ^ Когда анодный ток достигает постоянной величины и дальнейший рост его прекращается, электродвижущая сила самоиндукции исчезает и конденсатор 'контура начинает разряжаться через катушку (рис. 8.3,в). В контуре возникают свободные колебания, т. е. появляется переменный ток. Как уже сказано, частота переменного тока всецело определяется величинами индуктивности и емкости контура. Если бы контур не находился в схеме генератора, то возникшие в нем 'колебания постепенно затухали бы. Но электронная лампа, управляющая сетка которой связана с анодным контуром, существенно изменяет процесс. Протекающий ао катушке контура переменный ток 189 (рис. 8.3, г) образует вокруг ее витков переменное по величине и направлению магнитное поле, которое пересекает витки катушки обратной связи и индуктирует в ней электродвижущую силу. Катушка обратной связи включена между катодом и управляющей сеткой лампы, и поэтому между сеткой и катодом оказывается переменное напряжение ?/Св, частота которого точно равна частоте собственных колебаний, а величина определяется степенью связи катушки обратной связи с контуром. Вследствие этого анодный ток лампы превращается в пульсирующий: когда а Сб Рис. 8.4. Схемы генераторов последовательного анодного питания с заземленным конденсатором контура на сетке оказывается положительное (напряжение, од увеличивается, когда отрицательное - уменьшается. В анодном токе, таким образом, появляется переменная составляющая. Если катушка обратной связи подключена к лампе правильно, то переменная составляющая анодного тока поддерживает колебания в контуре. При достаточно большом переменном напряжении на управляющей сетке амплитуда переменной составляющей имеет величину, достаточную для того, чтобы колебания в контуре стали незатухающими. Ток в контуре, создаваемый лампой, оказывается совпадающим с током свободных колебаний контура; генератор возбуждается. При неправильном подключении, наоборот, ток, создаваемый лампой, противодействует току свободных колебаний; генератор не возбуждается. Схемы генераторов с последовательным анодным, питанием. Рассмотренная на рис. 8.1 схема генератора называется схемой с- последовательным анодным питанием, так как постоянная составляющая анодного тока от батареи проходит последовательно через катушку контура и электронную лампу. Иногда в схеме с последовательным анодным питанием для изоляции конденсатора переменной емкости от высокого напряжения анодной батареи в контур включают дополнительно один или два разделительных конденсатора (рис. 8.4).; Чтобы включение разделительных конденсаторов не изменяло настройку контура, их емкость должна в десятки раз превышать наибольшую емкость контурного конденсатора. 190 Схемы генераторов с параллельным анодным питанием. В отличие от схемы с последовательным анодным питанием в схеме с параллельным питанием (рис. 8.5) постоянная составляющая анодного тока лампы проходит от плюса батареи через дроссель высокой -частоты и электронную лампу. Контур включен параллельно лампе через разделительный конденсатор, и через него проходит только переменная составляющая анодного тока. ДР i С' + а--------ЛЯПУ 1зор |jp *зор **Г- -- - & Рис. 8.5. Схема генератора с параллельным анодным питанием Самовозбуждение генератора с параллельным анодным питанием .происходит совершенно так же, как и самовЪзбуждение генератора с гюследова-тельным питанием. Как видно из рис. 8.5, в момент включения анодной батареи происходит заряд разделительного конденсатора Ср. Ток заряда протекает от плюса анодной батареи через дроссель Др, конденсатор Ср, катушку контура L к минусу батареи. Вследствие этого импульс тока заряда индуктирует в катушке контура электродвижущую силу самоиндукции. Конденсатор контура С заряжается до величины этой э. д. с, и с прекращением тока заряда начинает разряжаться на катушку. В контуре возникают свободные затухающие колебания. Благодаря обратной связи на управляющую сетку • лампы подается переменное/напряжение, анодный ток становится пульсирующим- в нем появляется- переменная составляющая. Вследствие наличия анодного дросселя, оказывающего большое сопротивление переменному току, переменная составляющая анодного тока, протекает от анода лампы через разделительный конденсатор Ср и контур к катоду лампы. Дроссель, включенный в схему с параллельным анодным питанием", должен иметь большое индуктивное сопротивление и небольшую собственную межвитковую емкость. Большое индуктивное сопротивление дросселя необходимо дли того, чтобы переменная составляющая анодного тока "почти полностью проходила через разделительный конденсатор и контур, а через дроссель ответвлялась лишь незначительная ее часть. Анодный дроссель обычно наматывается на деревянный или керамический каркас медным проводом малого сечения. Число витков провода берется большим. Индуктивность дросселя для генераторов, работающих в диапазоне радиоволн длиной 191 50-200 м, равняется приблизительно 1-2 миллигенри. Внешний вид дросселя представлен на рис. 8.6. При большом числе витков дросселя между ними появляется значительная емкость, которая на высоких частотах может уменьшать сопротивление дросселя перемедному току. Для уменьшения межвитковой емкости дросселя обмотку разбивает на ряд секций. При этом межвитковые емкости каждой секции оказываются соединенными последовательно и общая емкость дросселя получается небольшой. __I -> -т-п -Мёшитковая ! Li е/икость фг /С-бщ меньше ! Ь2/ кожной из . емкостей Л. / С4,С^иС3 Тс* Рис. 8.6. Дроссель высокой частоты Разделительный конденсатор. Емкость разделительного конденсатора Ср должна быть достаточно большой, чтобы не создавалось большого сопротивления для переменной составляющей анодного тока. Обычно для диапазона радиоволн длиной 50-200 м эта емкость составляет тысячу пикофарад или больше. В качестве разделительных конденсаторов применяются слюдяные конденсаторы. Разделительные конденсаторы, как правило, рассчитываются на двойное напряжение анодной батареи, так как они соединяются с анодом лампы, на котором, помимо постоянного напряжения анодной батареи, существует еще и переменное напряжение контура, очень часто равное по величине напряжению анодной батареи. Обнаружение колебаний. Колебания в контуре обнаруживаются приборами, включаемыми в контур. Простейшим указателем колебаний в контуре является индикаторная лампочка, индуктивно связанная с катушкой контура при помощи нескольких витков провода (рис. 8.7,а). С появлением тока в катушке контура вокруг нее образуется магнитное поле и в витках, присоединенных к индикаторной лампочке, индуктируется э. д. с., которая создает ток, накаливающий лампочку. По свечению лампочки можно судить о наличии колебаний в генераторе. 192 Индикаторная лампочка / Lce\ 1SL /Я \ 9}С^. / "х' ~S - *|*р а Кроме этого способа, для обнаружения колебаний очень часто пользуются 'неоновой лампочкой, которую подключают, как показано на .рис..8.7,б. При появлении "а контуре переменного напряжения неоновая лампочка загорается и горит с характерным для переменного тока свечением у обоих электродов, В передатчиках большой мощности для обнаружения колебаний включаются измерительные приборы - тепловые или термоэлектрические амперметры, по которым можно Судить не только о наличии колебаний, но и о величине тока в контуре. СХЕМЫ ГЕНЕРАТОРОВ С САМОВОЗБУЖДЕНИЕМ В рассмотренной выше схеме генератора (рис. 8.1) напряжение обратной связи подается на управляющую сетку благодаря индуктивной связи цепи сетки с контуром. Однако в ряде случаев могут быть применены и иные виды связи между контуром и цепью сетки, а именно - автотрансформаторная и емкостная. Генератор с автотрансформаторной обратной связью. Схема генератора с автотрансформаторной обратной связью показана на рис. 8.8. Напряжение обратной связи снимается с части витков катушки контура, включенной своими концами между сеткой и катодом лампы. Чтобы переменная составляющая анодного тока совпадала по направлению с током контура и поддерживала его незатухающим, необходимо среднюю точку катушки соединить с катодом лампы, а анод и управляющую сетку - с противоположными крайними точками этой катушки. Так как в этой схеме контур подключается к лампе в трех точках, то схему с автотрансформаторной связью часто называют "трехточечмой". Схема с катодной связью. Широкое применение нашла разновидность схемы с автотрансформаторной связью - схема с Рис. 8.7. Обнаружение колебаний в контуре генератора: а - при помощи индикаторной лампочки накаливания; б - при помощи индикаторной неоновой лампочки (НЛ) 13-261 193 катодной связью (рис. 8.9). В обычной схеме конденсатор и катушка контура включены между анодом и управляющей сеткой лампы, а катод соединен со средней точкой _катушки и корпусом (шасси) радиостанции, т. е. . ЛР *0 "-ОЯКГ. Рис. 8.8. (Жма генератора с автотрансформаторной обратной связью 4-0 "заземлен". В схеме с катодной связью контур крайними точками также.подключается между управляющей сеткой и анодом лампы, а средней точкой - к катоду, но с корпусом ("землей") соединяется не катод, а анод лампы. Для защиты анодной батареи от короткого замыкания между анодом и корпусом включается разделительный конденсатор, представляющий большое сопротивление постоянному току. В то же время конденсатор представляет малое сопротивление для переменной составляющей анодного тока, вследствие чего для переменного тока анод лампы оказывается соединенным с корпусом. Так как в схеме с катодной связью контур включается между катодом лампы и корпусом радиостанции, то он шунтируется нитью накала и малым сопротивлением источников питания накала. Поэтому, чтобы не закоротить часть контура через нить накала лампы, в про- Рис- 8-9- ^l^f^^ c катоднои вод, соединенный с плюсом батареи накала, включают специальный дроссель, представляющий большое сопротивление для переменного тока высокой частоты. Такой дроссель одновременно представляет сопротивление и для тока накала, что приводит к уменьшению величины напряжения накала. Очень часто в переносных радиостанциях падение напряжения на дросселе компенсируется повышением напряжения батареи накала. Генератор с емкостной обратной связью. В генераторе с емкостной обратной'связью (рис. 8.10) напряжение обратной-связи снимается с конденсатора С2, включенного между управляющей сеткой и катодом лампы. Величина обратной связ'И регулируется подбором соотноше- 194 Др /TN Cp I ic •Т*"! -§ о "сП • X гИ -0- ------------------------ 1 а ния емкостных сопротивлений конденсаторов С\ и С2 контура. Чем меньше емкость Cz по сравнению с емкостью Сь тем обратная связь больше, так как при неизменной величине тока в контуре на конденсаторе Сч падает большая часть всего переменного напряжения контура. Эта схема также может быть названа трехточечной, так как в ней средняя точка конденсаторов контура соединяется с катодом лампы, а крайние точки контура включены на анод и на сетку. Сопротивление утечки сетки. Схема с емкостной обратной связью требует включения сопротивления Rc между управляющей сеткой и катодом лампы. Это сопротивление нужно для того, чтобы электроны, попавшие на сетку под действием положительных полупериодов переменного напряжения обратной связи, не собирались на сетке, а стекали по сопротивлению на катод. Поэтому включаемое сопротивление называется сопротивлением утечки сетки1. Величина его равняется нескольким десяткам тысяч ом. Сопротивление утечки сетки ставится обычно во всех генераторах. Проходящий по этому сопротивлению сеточный ток лампы, образующийся благодаря стеканйю электронов с сетки, создает некоторое падение напряжения. Минус этого напряжения приложен к сетке лампы. Так как между сеткой и катодом лампы прикладывается переменное напряжение, то образующийся в положительные полупериоды сеточный ток будет иметь импульсный характер. Импульсы тока заряжают конденсатор С% или Сс и совершенно так же, как в диодном выпрямителе, сглаживаются за счет тока разряда этого конденсатора. Конденсаторы Cz и Сс в цепи сетки разделяют цепи пере- в :С, § *• • N сг: • • 1<Ъ о •JL о 1 i II 1 1 1 111 "? ^--* / 1 с о о п - о ГК ЯР§ и о Бн т о \ 1 / , I Рис. 8.10. Принципиальные схемы генератора с емкостной обратной связью: а-с параллельным анодным питанием; б--^с последовательным анодным питанием Иногда его называют сопротивлением гридлика. 13* 195 Рис. 8.11. Схема лампового генератора с контуром в цепи управляющей сеткц. менной и постоянной составляющих пульсирующего сеточного тока. Постоянная составляющая тока протекает от катода лампы через сопротивление утечки RG на сетку лампы, а переменная составляющая - через конденсаторы €2 и Сс. В результате по сопротивлению RG протекает только сглаженный постоянный ток, между сеткой и катодом возникает постоянное по t • • величине отрицательное напряжение, сме- щающее рабочую точку лампы в область отрицательных сеточных напряжений. При этом постоянный анодный ток лампы становится меньше, уменьшаются потери энергии на бесполезный нагрев анода электронами и, повышается коэффициент полезного действия генератора. Гетеродины. Схемы маломощных генераторов (гетеродинов), применяющихся в радиоприемниках и 'измерительной аппаратуре, иногда несколько отличаются от описанных выше схем. Отличие состоит не только в том, что применяемые в них радиолампы являются маломощными, но также и в том, что колебательный контур включается не в цепь анода, а в цепь управляющей сетки^ катушка же обратной связи - в цепь анода. Пример такой схемы показан на рис. 8Л1. Физический процесс, происходящий в данной схеме, ничем не отличается от физического процесса, происходящего в уже описанной схеме на рис. 8.1. Возникшие в момент включения источников питания свободные колебания в сеточном контуре превращаются в незатухающие при помощи э. д. с., индуктируемой анодным током, протекающим по катушке обратной связи. На схеме показан блокировочный конденсатор Се, который служит для того, чтобы переменная составляющая анодного тока не проходила через источник анодного питания, а ответвлялась через Сб. УСИЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ Когда мощность колебаний, получаемых в генераторе с" самовозбуждением, недостаточна, ее дополнительно усиливают. Для этого применяют резонансный усилитель, рассмотренный ранее в главе об усилителях. Увеличение мощности колебаний достигается применением высоковольтной анодной батареи и лампы, способной пропускать большие анодные токи. Вследствие этого слабые колебания в цепи управляющей сетки лампы усиливаются в анодном контуре в мощные колебания. 196 TV-ННЬ Е =г--3 Рис. 8.12. Схема усилителя мощности Принципиальная схема усилителя мощности приведена на рис. 8.12. Переменное напряжение от генератора с самовозбуждением, называемого в этом случае задающим генератором, или возбудителем, поступает на управляющую сетку лампы усилителя мощности. Благодаря этому анодный ток лампы усилителя изменяется по величине в такт с изменениями напряжения на управлящей сетке. Так как в анодную цепь усилительной лампы включен колебательный контур, то пульсирующий анодный ток возбуждает в нем колебания высокой частоты. Обычно контур настраивается в резонанс с частотой усиливаемых колебаний, и поэтому ток в анодном контуре в несколько раз превышает величину переменной составляющей анодного тока лампы. Мощность колебаний в анодном контуре значительно большая, чем в цепи сетки. Таким образом, получается усиление мощности колебаний. В отличие от обычных резонансных усилителей малой мощности на управляющую сетку усилителя мощности подается большое отрицательное напряжение смещения, уменьшающее величину постоянного анодного тока. Напряжение смещения создается либо отдельной батареей! либо снимается со специально включаемого сопротивления утечки; в некоторых случаях применяют оба способа. Подача отрицательного смещения на управляющую сетку изменяет форму анодного тока таким образом, что его переменная составляющая становится значительно больше постоянной составляющей. Вследствие этого большая часть протекающего тока используется для создания колебаний, а меньшая расходуется бесполезно. При этом лучше используются батарея и лампа, повышается коэффициент полезного действия усилителя и уменьшается разогрев анода лампы. Усилители мощности, как и генераторы с самовозбуждением, могут иметь последовательное и параллельное анодное питание. Очень часто такие усилители называют генераторами с посторонним возбуждением. Это объясняется тем, что для получения переменных токов в анодном контуре на сетку лампы усилителя требуется подавать переменное напряжение от постороннего источника тока - так называемого задающего генератора (возбудителя). В качестве задающего применяются генераторы с самовозбуждением. Для усиления мощности колебаний в передатчике, как пра- 197 вило, применяют пентоды или тетроды, обладающие значительно меньшей емкостью между анодом и управляющей сеткой. Применение триодов, имеющих большую емкость между сеткой и анодом, привело бы к увеличению связи между контурами усилителя и возбудителя. Вследствие этого частота генерируемых колебаний зависела бы не только QT параметров контура задающего генератора, но и от настройки анодного контура усилителя. Пришлось бы усложнять схему для уменьшения влияния этой связи. Кроме того, пентоды позволяют получить большую мощность колебаний в анодном контуре, чем триоды, при одинаковой мощности задающего генератора. Для получения большей мощности на защитную (пентодную) сетку подают небольшое положительное напряжение относительно катода. ГЕНЕРАТОР С САМОВОЗБУЖДЕНИЕМ НА ПЕНТОДЕ Применение пентодов для генерирования колебаний высокой частоты позволяет создать весьма удобные схемы. Одна из них - двухконтурная схема генератора с последовательным включением контуров в анодную цепь - показана на рис. 8.13. Схема представляет собой генератор с самовозбуждением, состоящий из задающего генератора и усилителя мощности, собранных на одной лампе. Первые три электроду лампы - катод, управляющая сетка и экранирующая сетка - образуют триод задающего генератора с самовозбуждением, работающего по автотрансформаторной схеме с катодной связью. Роль анода в этой схеме выполняет экранирующая сетка. Возникающие в момент включения источников питания в контуре Ь\С\ затухающие колебания создают между управляющей сеткой и катодом переменное напряжение, которое заставляет пульсировать ток экранирующей сетки. Переменная составляющая этого тока протекает по цепи: экранирующая сетка, конденсатор Сэ, корпус, контур LiC\, катод лампы. При соблюдении всех условий самовозбуждения схема возбуждается и в контуре L\C\ устанавливаются незатухающие колебания. Переменное напряжение, действующее между управляющей сеткой и катодом лампы, вызывает пульсацию не только тока экранирующей сетки, но и анодного тока. Пульсирующий анодный ток протекает от плюса батареи через контур L2C2, лампу, контур LiCi и корпус к минусу батареи. Поэтому в анодном контуре возбуждаются колебания той же частоты, что и в сеточном. Обычно анодный контур настраивается на частоту колебаний сеточного контура, и поэтому в нем возникает резонанс. Вследствие резонанса ток контура в несколько раз превышает величину переменной составляющей анодного тока. При соответствующем подборе параметров контуров мощность колебаний в анод- 198 ном контуре получается в несколько раз большей, чем в сеточном. Таким образом, в схеме одновременно с генерированием про исходит и усиление колебаний высокой частоты. В отличие от приведенных ранее генераторов с самовозбуждением схема обладает значительно большей устойчивостью частоты колебаний и г--д {&~- Контур усилителя мощности Генератор , с сашеозбуж-/ : Гением Рис. 8.13. Двухконтурная схема генератора с самовозбуждением на пентоде меньшей зависимостью ее от настройки анодного контура L2C2. •Следует иметь в виду, что показанная на рис. 8.13 схема генератора является схемой с катодной связью и поэтому при практическом выполнении ее в цепь накала лампы необходимо включить дроссель высокой частоты. i Основное достоин- /: ство схемы - ничтожно малая связь контура усилителя с контуром возбудителя. Поэтому изменение настройки анодного контура практически совершенно не изменяет частоты генерируемых колебаний. Для умень-, шения связи между контурами детали и цепи сеточного контура тщательно экранируются. УМНОЖЕНИЕ ЧАСТОТЫ КОЛЕБАНИЙ Усиление мощности колебаний часто совмещается с увеличением их частоты. Это делается в тех случаях, когда задающий генератор для обеспечения лучшей устойчивости создает колебания более низкой частоты, чем необходимо получить в антенне. По схеме умножитель частоты представляет собой усилитель мощности, анодный контур которого настраивается на частоту, вдвое или втрое большую, чем частота колебаний задающего генератора. Работа умножителя (удвоителя, утроителя) частоты заключается в том, что при воздействии на управляющую сетку лампы переменного напряжения ее анодный ток становится пульсирующим. Пульсирующий ток представляет собой сумму постоянного тока и нескольких переменных токов - гармоник, имеющих частоту, кратную частоте задающего генератора (/, 2f, 3/ и т. д.). Так как анодный контур настраивается на вторую или третью гармонику, то в ием возникают колебания с частотой,- в два или три раза более высокой, чем частота колебаний задающего генератора. Процесс получения гармоник в лампе удвоителя показан графически "а рис. 8.14. Импульсы анодного тока Время Напряжение смещения Составляющие анодного ______тока:___ Постоянная Вреш" Пере/иенное напряжение задающего генератора частоты f 'бремя Частоты 2 f Р^А^ХЛ/ЛДА/враи я I Частоты 3f а тd-4/;5/;6/-.- Рис. 8.14. График работы лампы в схеме умножителя частоты Следует "меть IB виду, что гармоники имеют меньшую амплитуду, чем переменная составляющая анодного тока основной частоты, и поэтому при умножении частоты в контуре получаются колебания меньшей мощности, чем при обычном-усилении. БЛОКИНГ-ГЕНЕРАТОР " Если требуется получить большое число гармоник колебаний, применяются специальные генераторы (например, блокинг-генераторы), в которых импульсы анодного тока лампы имеют форму, сильно отличающуюся от синусоидальной. В таких импульсах анодного тока содержится большое число высших гармоник, обладающих сравнительно большой мощностью. Принципиальная схема блокинг-генератора показана на рис. 8.15. В генераторе применяется индуктивная обратная связь. Так как блокинг-генераторы применяются для генерирования колебаний частотой не более сотни килогерц, то трансформаторы их всегда с железными сердечниками. Чтобы сильнее 200 Нусилитбпю 0- Рис. 8.15. Принципиальная схема блокинг-генератора исказить форму импульсов анодного тока (сделать их почти прямоугольными), сечение сердечника делают небольшим, и поэтому железо при работе генератора оказывается насыщенным. Отличительной особенностью блокинг-генератора является очень сильная обратная связь, благодаря которой в цепи управляющей сетки протекает ток, соизмеримый с анодным. Блокинг-генера-тор - это генератор несинусоидальных колебаний, в нем нет колебательных контуров. Физический процесс получения колебаний в блокинг-генераторе иллюстрируется графиками на рис. 8.16. На гра фике а показано изменение напряжения на конденсаторе Сс, приложенное минусом к управляющей сетке, а плюсом к катоду. Предположим, что в начальный момент это напряжение было настолько большим, что лампа была заперта (анодный ток был равен нулю - график б). С течением времени конденсатор постепенно разряжается через сопротивление Rc и сеточную обмотку блокинг-трансформатора; разряд идет медленно, так как сопротивление Rc очень большой величины. Наконец, напряжение на конденсаторе становится равным напряжению запирания лампы (момент ti на графике а); при дальнейшем разряде конденсатора лампа отпирается, появляется анодный ток (график б). Этот ток протекает по анодной катушке блокинг-трансформатора и индуктирует в сеточной обмотке э. д. с. Концы сеточной.обмотки соединены с лампой таким образом, что на сетке лампы получается дополнительное положительное напряжение. Таким образом, отрицательное напряжение на управляющей сетке становится еще меньше, анодный ток увеличивается, наводимая им э. д. с. становится еще больше. Напряжение на управляющей сетке становится положительным и. очень быстро увеличивается за счет вызываемого им роста анодного тока. Положительное напряжение на управляющей сетке обусловливает появление большого сеточного тока. Вследствие этого анодный ток перестает возрастать и даже несколько UC-K N. V. Напряжение запирания а 0 > Ъ . .. лампы •\ • •" / 1_ J_*"*f i Х""| /^ 1 / / la ( 1 J 6 гч fY 0 , ,- 11 ..... , "а-"< -Q"-t Рис. 8.16. Графическое изображение процессов, происходящих в блокинг-генераторе: V - напряжение между сеткой и катодом лампы; t-анодный ток лампы; U&_K- напряжение между анодом и катодом лампы уменьшается; в сеточной обмотке блокинг-трансформатора возникает э. д. с., создающая дополнительное отрицательное напряжение на управляющей сетке, лампа запирается и остается запертой за счет заряда, накопленного конденса- 201 тором Сс в период положительного напряжения на управляющей сетке. Далее конденсатор начинает разряжаться через сопротивление Rc, и весь процесс повторяется. Таким образом, в анодной цепи возникает серия прямоугольных импульсов тока. Эти импульсы вызывают изменение анодного напряжения лампы, показанное на графике в. Импульсы анодного тока (напряжения) в цепи блокинг-генератора представляют собой сумму большого числа гармонических колебаний кратных частот. Поэтому если напряжение с анодной обмотки блокинг-трансформатора подать на сетку лампы усилителя, в анодную цепь которой включен контур, настроенный на одну из гармоник генератора, то можно получить колебания с частотой, в 10-20 раз и даже больше превышающей основную частоту колебаний. Блокинг-генераторы часто используются в так называемом "ждущем" режиме работы. Сущность этого режима заключается в том, что на сетку лампы генератора от отдельного источника подается большое отрицательное напряжение, запирающее лампу. Чтобы блокинг-генератор начал работать, на его сетку через определенные промежутки времени поступает положительный (управляющий) импульс от задающего генератора. Пока длится этот импульс, блокинг-генератор создает в анодной цепи свой прямоугольный импульс. ТРАНЗИТРОННЫЙ ГЕНЕРАТОР Транзитронным -называется генератор с самовозбуждением, в котором незатухающие колебания получаются оне благодаря применению элементов обратной связи, а за счет специально подо- •0+ 1 3 •i = r-U . 01 I S i ff 7 1 г з о 0 Q i -НМ--Н- "- , >* :г fllHfll г-Г ffi о о о о "т о о о о ( II * ' - * к Рис. 8.17. Принципиальные схемы транзитронных генераторов: а - С контуром между анодом и катодом лампы; б - с контуром в цепи экранирующей сетки лампы; в - с пентодом бранного режима генераторной лампы. Поэтому транзитронные генераторы, вообще говоря, являются генераторами без обратной связи. Принципиальная схема генератора с контуром между а.но-дом и катодом представлена на рис. 8.17, а. Генератор состоит из колебательного контура и подключенной параллельно емуче-тырехэлектродной лампы. Лампа ставится в такой режим (вы- 202 бором постоянных напряжений (На аноде и экранирующей сетке), ' при котором рабочая точка находится на падающем участке характеристики анодного тока (рис. 8.18). Напряжение колебаний, 'возникающих в контуре, вызывает изменение напряжения на аноде. При этом в тот момент, когда колебательный ток в катушке контура 'протекает сверху вниз (см. схему рис. 8.17, а) и убывает, т. е. на верхнем конце катушки оказывается убывающий положительный лотенциал относительно 'нижнего, напряжение на аноде (сумма постоян- ^ ното напряжения анодной батареи и переменного напряжения на контуре) уменьшается. Вследствие этого, как следует из анодной характеристики .лампы, анодный ток будет возрастать, поддерживая ток в контуре. Так будет продолжаться до тех пор, пока переменное напряжение на контуре не достигнет максимальной отрицательной величины. Как только ток колебаний в катушке контура изменит направление на обратное, Т. е. Рис. 8.18. Характеристика анодного будет уменьшать общий анод- тока четырехэлектродной лампы ный ток в катушке, отрицательное напряжение на контуре начнет уменьшаться, напряжение на аноде (разность постоянного напряжения анодной батареи и переменного напряжения на контуре) станет увеличиваться. ,, Из рис. 8.18 следует, что при выбранном режиме работы'лампы увеличение анодного напряжения приведет к уменьшению анодного тока, т. е. изменение анодного тока, вызванное изменением напряжения на аноде лампы, будет совпадать с изменением анодного тока, вызываемым за счет колебаний. Таким образом, анодный ток лампы при достаточном изменении его величины будет поддерживать колебания в контуре незатухающими. На практике часто контур включают параллельно участку экранирующая сетка - катод лампы (рис. 8.17, б). Рабочая точка лампы выбирается на падающем участке характеристики тока экранирующей сетки, и физический процесс в схеме ничем не отличается от описанного. В схемах транзитронного генератора могут применяться и пентоды (рис. 8.17, в). Но так как характеристика анодного тока пентода не имеет падающего участка, то контур включается в цепь экранирующей сетки, характеристика тока которой имеет такой участок. Применяются и другие схемы транзитронных генераторов. 203 СВЯЗЬ ГЕНЕРАТОРА С АНТЕННОЙ Чтобы колебания, вырабатываемые ламповым генератором, можно было использовать для радиосвязи, генератор соединяют с антенной. Генератор с антенной образует устройство, назы- ... ваемое передатчиком Меи пи тепъ мощности Т * -Г, ~r-i Связь генератора с антенной осуществляется двумя способами - по простой схеме и сложной схеме. Простая схема. Передатчик с простой схемой включения антенны показан на рис. 8.19. В простой схеме антенна является составной частью контура передатчика, и поэтому почти вся мощ- Рис. 8.19. Передатчик с простой схемой включения антенны V Контур антенны ность колебаний, создаваемых в анодной цепи лампы, передается в антенну и участвует в создании радиоволн. Недостатком подобной схемы является то, что емкость антенны, а следовательно, и настройка анодного контура изменяются при изменении расположения радиостанции относительно окружающих местных предметов. Это приво- промежуточный^ r r контур дит к изменению мощности колебаний в антенне. Если же антенна связана с контуром самовозбуждающегося генератора, а не с контуром усилителя мощности, то изменение ее емкости приводит к изменению частоты генерируемых колебаний и передатчик нельзя проградуировать. Поэтому простая схема применяется только в тех случаях, когда передатчик имеет усилитель мощности. Преимущества простой схемы включения антенны - простота обслуживания вследствие малого количества деталей контуров и более высокий коэффициент полезного действия. Поэтому простая схема часто применяется в передвижных станциях. Чтобы устранить влияние антенны на частоту генерируемых колебаний, в таких передатчиках обычно применяется кварцевая стабилизация частоты, принцип действия которой рассматривается ниже. 204 '+Я W Рис. 8.20. Сложная схема связи антенны с генератором Сложная схема. При сложной схеме включения антенны в анодной цепи лампы имеется промежуточный контур, связанный с антенной передатчика (рис. 8.20). Этот контур называется промежуточным потому, что он передает энергию от лампы к антенне. Обычно антенна связывается с контуром индуктивно. Вокруг витков катушки контура образуется магнитное поле, силовые линии которого пересекают витки катушки связи антенны. Это поле индуктирует в катушке связи э. д. с. Связь антенны с промежуточным контуром подбирается наивыгоднейшей для получения в антенне наибольшей мощности. В сложной схеме уменьшается влияние антенны на настройку промежуточного контура, но и мощность колебаний в антенне тоже уменьшается, так как она является только частью мощности колебаний, создаваемых лампой в промежуточном контуре. Все же и при сложной схеме антенна заметно влияет на настройку связанного с ней анодного контура передатчика, изменяя его частоту. Поэтому для устойчивой работы радиостанции антенну нельзя связывать с контуром самовозбуждающегося генератора. . jf Состав передатчика. Примерная схема двухкаскадного передатчика приведена на рис. 8.21. Схема состоит из трех частей - генератора с самовозбуждением, усилителя мощности и антен- Задающий генератор -И Усилитель мощности V -0 Рис. 8.21. Схема двухкаскадного передатчика с в усилителе мощности лампой ны. Генератор с самовозбуждением создает колебания высокой частоты. Настройка его контура определяет частоту возбуждаемых колебаний, и именно поэтому он называется задающим генератором. Задающий генератор представляет собой схему с емкостной обратной связью. Напряжение обратной связи подается на сетку лампы Л\ от конденсатора Сз, одна обкладка которого соеди- 205 няется с катодом, а другая - с управляющей сеткой лампы. Между сеткой и катодом включено сопротивление утечки сетки Rc\. Для изменения волны передатчика в контур задающего генератора включен конденсатор переменной емкости С. Генератор выполнен по схеме параллельного анодного питания, и потому в анодную цепь включены дроссель высокой частоты и разделительный конденсатор. Усилитель, мощности. Напряжение с конденсатора С2 конту-.ра задающего генератора подводится к участку сетка - катод лампы Л2 усилителя мощности. Чтобы повысить коэффициент полезного действия усилителя, т. е. уменьшить постоянную составляющую анодного тока лампы усилителя, на управляющую сетку подается отрицательное 'напряжение смещения с сопротивления RK. Через сопротивление RK оправа налево протекает постоянный ток анодного источника, прошедший через обе лампы передатчика И сопротивления делителя RinR2. Поэтому на -?к образуется постоянное падение напряжения, минус которого через сопротивление утечки RC2 приложен к управляющей сетке лампы Л2. Кроме того, дополнительное напряжение смещения на сетке лампы Л2 получается за счет падения напряжения на сопротивлении Rcz- Таким образом, между сеткой и катодом имеемся отрицательное напряжение, которое смещает рабочую точку на характеристике лампы влево и уменьшает постоянный анодный ток. В анодную цепь лампы усилителя включен промежуточный контур. Настройка контура в резонанс производится конденсатором переменной емкости Спк. Для удобства настройки ротор этого конденсатора соединяется с ротором конденсатора контура задающего генератора. Поэтому при установке частоты задающего генератора автоматически настраивается и контур усилителя мощности. Контур антенны. С катушкой промежуточного контура индуктивно связан антенный контур, в который для настройки включен вариометр. Момент резонанса в антенне определяется по наибольшему показанию включенного в нее термоэлектрического амперметра. Как и задающий генератор, усилитель мощности выполнен по схеме параллельного анодного питания. Напряжение на экранирующую сетку лампы усилителя мощности подается, с делителя, составленного из сопротивлений R\ и R2. Для предотвращения влияния вторичной эмиссии оно обычно не превышает одной пятой напряжения на аноде лампы. СТАБИЛИЗАЦИЯ ЧАСТОТЫ КОЛЕБАНИЙ ПЕРЕДАТЧИКА КВАРЦЕМ Для надежной и устойчивой радиосвязи необходимо, чтобы задаваемая для связи частота колебаний устанавливалась с максимальной точностью, а будучи раз установлена, сохраня"- 206 *v ^ сетка- /^ - ! анод / -Г"! Т TT'J , У ° Кварцы / г-G7 = 1 0 •1 L/ О о ==а "Г СБ ^ т гЧК-j ------ 1 ----- ? U0 *-i Q 1 р т ^ШЯР ----- -0 лась совершенно иеизменной. В современной аппаратуре радиосвязи достигнута высокая точность установки частоты и постоянство ее в процессе работы радиостанций. Это обеспечивается применением 'высокостабильных деталей: катушек, конденсаторов, радиоламп, тщательным монтажом радиоаппаратуры. Кроме того, широко применяется стабилизация частоты при помощи кварца, который к тому же очень часто помещают в термостаты, где поддерживается постоянная температура окружающего воздуха. В настоящее время, кварцевые генераторы применяются почти во всех радиостанциях. Схемы генератора с кварцем. Для стабилизации частоты колебаний кварц включают, как показано на рис. 8.22. В схеме, приведенной на рис. 8.22, а, кварц включен между управляющей сеткой и катодом лампы задающего генератора. Здесь связь кварца с анодным контуром осуществляется через емкость между сеткой и анодом самой лампы. При включении источников питания в анодном контуре, как обычно, возникают свободные затухающие колебания; на контуре образуется переменное напряжение, которое через емкость I № с" 1 генерато- Рис. 8.22. Схемы кварцевых ров: а - с включением кварца между сеткой и катодом лампы; б - с включением кварца сеткой и анодом лампы; в - кварцевый генератор на пентоде между сетка - анод лампы создает переменное напряжение на обкладках кварца. Пластинка кварца начинает совершать колебания, и на управляющей сетке появляется переменное напряжение. Анодный ток лампы становится пульсирующим и поддерживает в анодном контуре колебания, которые становятся незатухающими. Аналогичным образом работает и схема, показанная на рис. 8.22, б. Здесь кварц включен между анодом и управляющей сеткой лампы. Напряжение, возникающее на обкладках кварце- 207 4.0------/7ЯГ*- -0- нО Рис. 8.23. Схема генератора с обратной связью через кварцевую пластинку вой пластинки, делится на две части междуэлектродными емкостями лампы Сак и Сск. С емкости Сек снимается напряжение обратной связи, поддерж'ивающее колебания кварцевой пластинки (незатухающими. Такая схема генератора широко применяется в калибраторах, используемых для градуировки радиостанций. Другой тип кварцевого генератора показан "а рис. 8.22,0. Схема представляет собой двухконтурный ламповый генератор на пентоде; один из контуров генератора заменен кварцем. Собственно кварцевый генератор собран на первых, трех электродах, из которых экранирующая сетка выполняет роль анода. Анодный контур является контуром усилителя мощности. Работа такой схемы ничем не отличается от работы рассмотренных выше схем. Настройка генератора с кварцем. Если частота возникших в контуре свободных колебаний не равна частоте колебаний кварцевой пластинки, то амплитуда колебаний кварца будет малой, напряжение между управляющей сеткой и катодом будет недостаточным для поддержания незатухающих колебаний в контуре и генератор не возбудится. Поэтому для получения колебаний в генераторе необходимо настраивать анодный контур в резонанс с кварцем. Наличие колебаний в контуре задающего генератора при работе с кварцем проверяется индикатором -. лампочкой накаливания, индуктивно связанной с катушкой кон- . тура. При наличии колебаний в контуре лампочка светится. Нужно ттом'нить, что при настройке передатчика с кварцем первоначально необходимо настройкой контура задающего генератора добиться в нем колебаний, а затем уже, как обычно, настраивать усилитель мощности и антенну. Как следует из описания принципа работы, генератор с кварцем может работать только на одной вполне определенной для данного кварца частоте. Чтобы изменить (рабочую частоту, необходимо заменить кварц. Когда в передатчиках на одних диапазонах 'применяется простое усиление колебаний кварцевого генератора, а на других еще и удвоение частоты, каждый кварц используется для стабилизации двух рабочих волн: одной волны, получаемой без удвоения, и другой - с удвоением. В обоих случаях кварц работает на одной и той же частоте. Генератор с кварцем в цепи обратной связи. Схема генератора показала на рис, 8.23. Это простейшая схема генератора с 208 индуктивной обратной связью, но связь осуществляется через кварц. Поэтому напряжение обратной связи достаточной величины на управляющую сетку поступает только на одной частоте, равной частоте собственных колебаний кварцевой пластинки: на всех других частотах кварц выполняет роль конденсатора небольшой емкости и 'напряжение обратной связи оказывается недостаточным для самовозбуждения. Недостатком описанных схем кварцевых генераторов является невозможность их перестройки на другую частоту без замены кварцев. Однако с помощью таких генераторов без смены квар- -ШО-4900 кгц С" Кварцевый с_ генератор /кв=5000кгц /кв ..... /кв-Р Смесительный Усилитель каскаЭ мощности * Длинноволновый • генератор плавного диапазона F ' ------- 1 Р-/00-200кгц - ----------- ' J Рис. 8.24. Блок-схема передатчика с диапазонной кварцевой стабилизацией частоты ца можно получать стабилизированные колебания в некотором небольшом диапазоне частот или ряд стабилизированных частот. В обоих случаях для стабилизации применяются схемы, в которых используется явление биений. Явление биений заключается в том, что при сложении двух колебаний разной частоты получается иовое сложное колебание с амплитудами, изменяющимися периодически с частотой, равной разности частот складываемых колебаний. Поэтому, если собрать схему, показанную на рис. 8.24, то колебания кварцевого генератора и коле.бания длинноволнового генератора плавного диапазона, складываясь на входе смесительного каскада, создадут колебания, амплитуда которых будет изменяться с частотой, равной разности частот колебаний кварцевого гене;ратора и генератора плавного диапазона. Смеситель преобразует эти колебания, и на выходе его получаются новые колебания .разностной частоты, которые затем усиливаются и поступают в антенну. Изменяя плавно настройку длинноволнового генератора, можно получить стабилизированные колебания любой разностной частоты fKu-F. На схеме показан 14-261 209 кварцевый генератор, настроенный на частоту 5000 кгц, и длинноволновый генератор с диапазоном генерируемых частот от 100 до 200 кгц. В результате биений этих колебаний на выходе передатчика может быть получена любая частота в пределах от 4800 до 4900 кгц. Стабильность частоты полученных колебаний будет почти столь же высока, что и стабильность колебаний кварцевого ге-еератора. Убедимся в этом путем следующего .рассуждения. Пусть в результате разогрева деталей контура длинноволнового генератора частота колебаний его 'изменилась на 0,001 первоначальной величины (это очень большое изменение, которое может получиться, если детали очень плохие и нагрелись на несколько десятков градусов). При этом изменение частоты длинноволнового генератора составит 0,001'200 = 0,2 кгц.Т&к как ча-( стота излучаемых антенной колебаний при этом будет .равна 4800 кгц, то 'изменение на 0,2 кгц практически не отразится на УСТОЙЧИВОСТИ СВЯЗ'И. ПРИМЕНЕНИЕ КВАРЦЕВОГО ГЕНЕРАТОРА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ РЯДА СТАБИЛИЗИРОВАННЫХ ЧАСТОТ i Одна из существующих схем стабилизации ряда частот в широком диапазоне показана на рис. 8.25. При сравнительно небольшом числе кварцев, например пятнадцати, такая схема позволяет получить 1000 стабилизированных частот с интервалом между ними в 1 кгц. Если же применить удвоение частоты, то с тем же числом кварцев можно получить еще 1000 стабилизированных частот с интервалом в 2 кгц. Сущность работы схемы состоит в том, что задающий генератор с плавне изменяющейся настройкой настраивается приблизительно на заданную частоту колебаний; частота создаваемых им колебаний сравнивается с частотами 1-го и 2-го кварцевых генераторов, и если она отклоняется от заданной величины, то в-работу включается "реактивная лампа", автоматически исправляющая настройку задающего генератора. Рассмотрим работу схемы на числовом примере. Пусть требуется установить частоту колебаний передатчика 1490 кгц. Предположим, что нам удалось сразу установить точную частоту колебаний в контуре задающего генератора. Одновременно с поворотом рукоятки установки частоты колебаний- задающего генератора устанавливается частота колебаний 1-го кварцевого генератора (1260 кгц), 2-го кварцевого генератора (209,5/сг^)'и надтонального генератора (20,5 кгц). Колебания задающего генератора и 1-го кварцевого генератора поступают на лампу 1-го смесителя. На выходе смесителя выделяется переменное напряжение, изменяющееся с частотой, равной разности частот задающего генератора и 1-го кварцевого генератора. <В данном случае разностная частота равна 1490-1260 = 230 кгц. Напряжение 210 разностной частоты вместе с напряжением от 2-го кварцевого генератора поступает на 2-й смеситель, где аналогичным образом преобразуется в переменное напряжение второй разностной частоты, равной 230-209,5 = 20,5 кгц. Напряжение второй разностной частоты подводится к фазовому детектору, куда уже 'подано напряжение частоты 20,5 кгц К усилителю мощности * *эг~Шп>, fl~f3r~jK1 /,=/кГ/зг f2=ft~JK ?г*209,бюц J2 =JK2~fl /нг-20,5 кгц Рис. 8.25. Блок-схема задающего генератора передатчика с кварцевой стабилизацией ряда фиксированных частот от надтонального генератора, Так как вторая разностная частота точно совпадает с частотой колебаний надтонального генератора, то на выходе фазового детектора напряжение не изменяется и реактивная лампа не изменяет частоты колебаний задающего генератора. Если бы в контуре задающего генератора колебания происходили с частотой, несколько отличающейся от 1490 кгц, то вторая разностная частота не была бы точно равна частоте надтонального генератора; в результате на выходе фазового детектора изменилось бы напряжение и стало бы управлять реактивной лампой. Реактивная же лампа подключена параллельно контуру задающего генератора и при подаче на ее сетку управляю- 14* 211 щего напряжения либо увеличивает, либо уменьшает частоту собственных колебаний контура задающего генератора. Фазовый детектор включен таким образом, что получающееся №а его выходе напряжение уменьшает с помощью реактивной / /•-*,-/, 0 - -------- L ~"нв \ J 1 "S о о о fl I "У ~иген __ -||||4 /2 а ----- -ИГ- Т41! a/tf О /7 иген i <^ ^ ЪнВ+1(ген В О /Л /"\ /Л ':Г\^А-л"ЛА^--лА"Дл 1/703" Рис. 8.26. Принципиальная схема смесителя частоты и графики, изображающие физический процесс в схеме: ?/кв - напряжение К&арцевого генератора; V' - напряжение генератора плавного диапазона; t/KB+ ^Ген~сумма переменных напрян^ений на сетке лампы; 1& - анодный ток лампы; ^пао.,- переменная составляющая анодного разн тока разностной частоты лампы отклонение частоты задающего генератора от заданной величины. Так как один и тот же кварц в генераторе может быть использован для стабилизации двух частот задающего генератора (одной - меньше частоты кварца, а другой - больше), то понятно, что при каждой установке частоты в 1-м и 2~м кварцевых генераторах могут быть стабилизированы четыре частоты. Если 212 в 1-м кварцевом генераторе применить 7 кварцев, а во 2-м -8, то общее число стабилизируемых кварцами частот будет 4.7-8 = 224. Если учесть, что надтональный генератор имеет пять рабочих частот, то общее число стабилизированных частот окажется равным 224*5= 1120. Устойчивость частоты колебаний получается высокая, так как в этой схеме частота колебаний иестабилизированного надто-нального генератора в десять раз ниже, чем длинноволнового в предыдущей схеме. Вследствие этого изменение частоты на 0,001 первоначальной величины составит уже не 0,2 кгц, а всего 0,02 кгц. Смесители колебаний. Принципиальная схема простейшего сме- От контура кварцевого ч?шЖ-Ж/- ПЯЯЯЯЯП Контур генератора плавного диапазона Рис. 8.27. Принципиальная схема балансного смесителя сителя показана на рис. 8.26. Схема представляет собой резонансный усилитель, анодный контур которого настраивается на разностную частоту колебаний двух напряжений, приложенных одновременно к управляющей сетке лампы. В результате сложения напряжения ?/кв (график а) и напряжения С/Ген (график^ б) на управляющей сетке образуется переменное напряжение сложной формы (график в). Суммарное напряжение не синусоидальное, так как на управляющую сетку лампы, кроме того, приложено большое отрицательное напряжение, которое смещает рабочую точку влево по характеристике. Анодный ток приобретает форму импульсов, воспроизводящих форму напряжения на сетке. Такой ток можно представить в виде суммы токов: постоянного тока, переменного тока частоты кварцевого генератора, переменного тока частоты длинноволнового генератора и переменного тока разностной частоты [график д). Так как анодный контур настроен на колебания разностной частоты, то в нем возникают усиленные за счет резонанса колебания разностной частоты. Недостатком 'простейшей схемы смесителя является наличие в анодной цепи иаряду с током разностной частоты токов с ча-. стотами обоих генераторов, что может привести к проникновению их в антенну передатчика. Этот недостаток исключается в схемах балансных смесителей. Балансный смеситель 'представляет собой двухтактный резо-еансный усилитель, анодный контур которого настроен на коле- бания 'разностной частоты (рис. 8.27). На управляющие сетки ламп подводится большое постоянное отрицательное напряжение, как и в простейшей схеме смесителя. Особенность схемы заключается в том, что напряжение от кварцевого генератора включается между сетками ламп и катодом и поэтому заставляет анодный ток ламп изменяться совершенно одинаково в обеих лампах. Благодаря этому в первичной обмотке анодного трансформатора токи ламп протекают в противоположных направлениях, а во вторичной обмотке э. д. с. частоты кварцевого генератора не индуктируется. Напряжение длинноволнового генератора приложено между сетками ламп (с катодом соединяется средняя точка вторичной обмотки входного трансформатора). Поэтому на управляющей сетке одной лампы знак этого напряжения получается противоположным знаку напряжения на сетке другой лампы. В результате "а сетках ламп получаются суммарные напряжения обоих генераторов, отличающихся друг от друга лишь тем, что, когда на сетке одной лампы амплитуда напряжения увеличивается, на сетке другой лампы уменьшается. Поэтому, 'Когда анодный ток одной лампы увеличивается, ток другой лампы уменьшается; во вторичной обмотке анодного трансформатора (в контуре) токи обеих ламп индуцируют э. д. с. одного знака. В контуре существуют колебания только одной разностной частоты. Реактивная лампа. В описанной выше схеме автоматической1 подстройки задающего генератора по частоте кварцевого генератора важную роль 'Играет устройство, изменяющее частоту колебаний генератора. Это устройство было названо реактивной лампой. На самом же деле оно представляет собой каскад, состоящий из лампы (пентода) и схемы управления анодным током. Принципиальная схема двух типов реактивных ламп показана на рис. 8.28. Лампа подключается анодом-катодом параллельно контуру задающего генератора, частота которого должна регулироваться. На ее управляющую сетку с контура задающего генератора с помощью делителя напряжения из сопротивления R и конденсатора С подается переменное напряжение высокой частоты, которое управляет анодным током реактивной лампы. Вследствие этого анодный ток лампы пульсирует с частотой колебаний, происходящих в контуре задающего генератора. Переменная составляющая анодного тока реактивной лампы протекает через контур задающего генератора,, но не совпадает точно по времени с переменной составляющей анодного тока лампы задающего генератора. Происходит это потому, что переменное напряжение на управляющей сетке реактивной лампы не совпадает по времени с напряжением на контуре задающего генератора. В самом деле, рассмотрим, как создается управляющее на" пряжение на сетке реактивной лампы (рис. 8.28, а). Напряже* ние на управляющую сетку снимается с сопротивления R, вклю- 214 чемного последовательно с конденсатором малой емкости С. Так ка/к емкость конденсатора небольшая, то напряжение на нем изменяется одновременно с напряжением "а контуре задающего генератора. Но это означает, что ток, заряжающий конденсатор С, ие может совпадать по времени с напряжением "а контуре, так как изменение напряжения на конденсаторе лропор- "0 - --- ППЛЯР } - -HI - 1 1 Др /X "! • й ,. L1- i-. • / 1 Г > fir г У Л ТУ i 0 ------- - -син "с Г J. 7 тсг -fr э Г JJ Е • + • • Задающий генератор Реактивная лампа + 0 Рис. 8.28. Схемы работы реактивной лампы: а - схема с управляющим напряжением, снимаемым с сопротивления; б - схема с "управляющим напряжением, снимаемым с емкости ционально изменению величины и знака накопленного заряда. Поэтому ji тот момент, когда заряд (напряжение) на конденсаторе достигает наибольшей величины, ток прекращается. Наоборот, когда напряжение на конденсаторе уменьшается, да еще по мере приближения к "улю все быстрее и быстрее, ток увеличивается и достигает максимума; по мере же заряда конденсатора ток опять уменьшается. Следовательно, когда напряжение на контуре задающего генератора достигает амплитудной величины, ток, протекающий по сопротивлению R в цепи сетки 215 и Рис. 8.29. Принципиальная схема фазового детектора реактивной лампы, равен нулю, а поэтому и переменное напряжение "а сетке лампы равно нулю. Когда напряжение на контуре задающего генератора равно нулю, по сопротивлению R протекает наибольший ток и (напряжение на сетке лампы "аи-большее. Аналогичное явление наблюдается и в схеме, изображенной на рис. 8.28,6, только здесь сопротивление R и емкость С имеют большую величину. Вследствие этого в цепи RC протекает переменный ток, почти совпадающий по времени с напряжением на контуре задающего генератора. Этот ток заряжает^ и разряжает конденсатор С, с которого и снимается напряжение на управляющую сетку реактивной лампы. Так как конденсатор заряжается до тех пор, пока ток не прекратится и не начнет изменять своего направления, то момент наибольшего заряда (напряжения) конденсатора соответствует моменту достижения током нулевого значения. Совершенно так же, когда ток достигает наибольшей величины, конденсатор оказывается заряженным. В этой схеме так же, как и в предыдущей, напряжение на управляющей сетке не совпадает по времени с напряжением на контуре задающего генератора. Несовпадение по времени переменной составляющей анодного тока реактивной лампы с переменной составляющей анодного тока лампы задающего генератора приводит к тому, что процесс заряда и разряда конденсатора в контуре либо удлиняется, либо укорачивается. Это зависит от того, на какое время отстает переменный анодный ток реактивной лампы от тока лампы задающего генератора. Степень укорочения или удлинения определяется величиной переменной составляющей анодного тока реактивной лампы: чем ток больше, тем сильнее влияние реактивной лампы на длительность периода колебаний IB контуре. Вследствие этого происходит изменение частоты колебаний в контуре задающего генератора. Для регулировки величины анодного тока реактивной лампы в цепь управляющей или защитной сетки вводят отрицательное напряжение. Изменение его величины и позволяет регулировать частоту генерируемых колебаний. В схеме автоматической подстройки частоты регулирующее напряжение подавалось от специального устройства, названного фазовым детектором. - 216 Фазовый детектор позволяет сравнивать два переменных напряжения по частоте. Принципиальная схема детектора показана на рис. 8.29. На ней изображено два трансформатора, вторич-1ные .обмотки которых соединены между собой при помощи четырех диодов - Дь Д?, Дз и Д4. Сравниваемые напряжения подключаются к первичным обмоткам трансформаторов 7 и //. Схема регулируется так, что одно из сравниваемых напряжений оказывается значительно больше другого. Будем считать, что большее напряжение поступает со вторичной обмотки трансформатора /. Сопротивление нагрузки -?нагр включается между средними точками вторичных обмоток трансформаторов. Работает схема следующим 'образом. Под действием большего переменного напряжения (трансформатора /) диоды Mi-Д2 и Дз - Д4 попеременно становятся проводящими и замыкают накоротко вторичную обмотку трансформатора/. Цепь вторичной обмотки трансформатора // оказывается разомкнутой соответственно диодами Д3--Д* и Д\ - Д2; схема принимает вид, показанный на рис. 8.30. При каждой смене полярности напряжения трансформатора / происходит переключение сопротивления нагрузки /?Нагр то на нижнюю, то на верхнюю половину вторичной обмотки трансформатора //. В результате переключений по сопротивлению нагрузки протекают импульсы тока, созданные напряжением трансформатора //. Если частоты сравниваемых напряжений равны, то каждому переключению нагрузки соответствует вполне определенное направление тока в ней, и на сопротивлении -?нагр создается сглаженное конденсатором, постоянное по величине и направлению падение напряжения. Если же частота одного из сравниваемых напряжений изменится, то величина тока, протекающего через сопротивление нагрузки, также начнет изменяться. Так как напряжение с нагрузки фазового детектора подводится к сетке реактивной лампы, то такое изменение напряжения заставит реактивную лампу внести поправку в частоту колебаний задающего генератора и расхождение частот будет устранено. 217 Рис. 8.30. Цепи переменного тока фазового детектора, образующиеся при разных полярностях управляющего напряжения УПРАВЛЕНИЕ КОЛЕБАНИЯМИ ПЕРЕДАТЧИКА ПРИ ТЕЛЕГРАФНОЙ РАБОТЕ КЛЮЧОМ Принцип телеграфной передачи. Радиосвязь по телеграфному коду осуществляется передачей посылок (импульсов) радиоволн различной продолжительности. Для передачи точки излу-Точка Тире чается короткая серия радиоволн, для передачи тире - длинная, как показано на рис. 8.31. Следовательно, для телеграфной передачи необходимо периодически включать и выключать, передатчик. Наиболее часто для выключения передатчиков применяют описываемые ниже способы запирания лампы усилителя мощности. Управление работой передатчика производится с помощью телеграфного ключа. Включение ключа в анодную цепь. В передатчиках малой мощности телеграфный ключ включается в цепь постоянной со- Рис. 8.31. Схематическое изображение тока в антенне при передаче телеграфным кодом буквы А ЪТЯ /1\ Рис. 8.32. Схема телеграфного передатчика с включением ключа в анодную цепь ставляющей анодного тока лампы усилителя мощности (рис. 8.32). В такой схеме в момент отжатия ключа с лампы усилителя снимается анодное напряжение, исчезает анодный ток и колебания в контуре прекращаются. При нажатии ключа анодная цепь замыкается, появляется анодный ток и возникают колебания в контуре и в антенне. 218 Чередуя кратковременные и длительные нажатия ключа в соответствии с телеграфным кодом, можно передавать радиосигналы по телеграфной азбуке. Включение ключа в цепь экранирующей сетки. В ряде случаев телеграфный ключ включают в цепь экранирующей сетки лампы усилителя мощности, как показано на рис. 8.33. Для запирания лампы при отжатии ключа на экранирующую сетку пбдается через задний контакт ключа отрицательное напряжение. Анодный ток лампы прекращается, колебания в анодном контуре и антенне исчезают. При нажатии ключа через передний контакт на экранирующую сетку поступает положительное напряжение и усилитель начинает работать нормально. В антенне появляется переменный ток. ••\|/ з^ШГ- f- ЛР Ж -**w- N / сс Л1Л Hh-Ы • Sr <*\ '-"•С о с -'л А 1 Mfc3 7 •-" 0 С Lo; j< _> л > i ГК ;Г ^ -].|.Н U *7 -=1 "И / \ Рис. 8.33. Схема передатчика с включением телеграфного ключа в цепь экранирующей сетки лампы .1/ •зап --роб Рис. 8.34. Схема передатчика с включением телеграфного ключа в цепь управляющей сетки лампы Включение ключа в цепь управляющей сетки. Принцип работы такой схемы (рис. 8.34) заключается в том, что при отжатом ключе на управляющую сетку подается большое отрицательное напряжение, полностью запирающее усилительную 219 лампу. При нажатии ключа величина отрицательного напряжения на управляющей сетке резко уменьшается, лампа отпирается и, усилитель создает в анодном контуре колебания высокой частоты. Процесс протекает совершенно так же, как и в предыдущих схемах. Манипуляции с помощью реле. Если передатчик удален от радиста или обслуживает несколько направлений радиосвязи, управление производится с помощью реле. Подвижный контакт Постоянный магнит Северный полюс Сердечник Южный гюлнзе Рис. 8.35. Устройство реле ..... ~ Реле представляет собой электромагнитный .прибор,' якорь которого имеет контакты, замыкающие или размыкающие электрическую цепь в зависимости от того, протекает по обмотке электромагнита ток или не протекает. Схематически реле изображено на рис. 8.35. .Контакты реле могут быть включены по любой из рассмотренных выше схем вместо телеграфного ключа. Телеграфный же ключ включается последовательно с батареей в цепь питания обмотки реле, как показано на рис. 8.36. При нажатии ключа цепь батареи замыкается и по обмотке реле протекает ток; сердечник электромагнита иамаг.ничивается и притягивает якорь. Якорь своими контактами замыкает цепь питания передатчика и включает его. Работа передатчика происходит совершенно так же, как и при других способах манипуляции. Реле имеет постоянное магнитное поле между якорем и сердечником. Поэтому, как только якорь оказывается сдвинутым с места под действием небольшого дополнительного поля, создаваемого электрическим током, он с большой скоростью перебра- 220 сывается сильным полем постоянного магнита. Работа реле зависит от направления тока в обмотке. Изменением направления тока в обмотке можно перебрасывать якорь реле в одну или другую сторону и замыкать тот или иной контакт. '^'гнездо телеграфного ключа передатчика ±~Б Реле -L-M , Телеграфный ключ Рис. 8.36. Схема телеграфной манипуляции с помощью реле Некоторые типы реле регулируются таким образом, что при отсутствии тока в обмотке якорь оказывается соединенным с одним из неподвижных контактов; включение же тока -перебрасывает его к -другому. ТЕЛЕГРАФИРОВАНИЕ С ПРИМЕНЕНИЕМ БУКВОПЕЧАТАЮЩИХ АППАРАТОВ На линиях радиосвязи с большим обменом ручное тёлеграфи* рование заменяется, как правило, буквопечатанием. Для букво-печатания применяются обычные телеграфные-аппараты СТ-35. В этих аппаратах для ,передачи -телеграфного- знака (буквы, цифры) оператор нажимает определенную клавишу. При этом происходит замыкание определенного числа ключей (рис. 8.37). ,Ключи соединяются с соответствующими изолированными один от другого секторами кольца передающего устройства. Щетка передающего устройства, вращаемая электродвигателем с постоянной скоростью, проходя по секторам, подключает поочередно вход радиопередатчика ко всем секторам в течение одного оборота. При 'Прохождении щеткой секторов с нажатым ключом передатчик включается и излучает импульс радиоволн в течение всего времени прохождения щеткой сектора. Передача различных знаков ведется путем изменения только комбинаций включенных секторов. Поэтому передача любого 221 телеграфного знака при буквопечатании длится одинаковое время, равное времени одного оборота щетки. Для приема сигналов буквопечатания на выходе радиоприемника включаются реле и точно такой же распределительный механизм с вращающейся щеткой, какой "а радиопередающей стороне. Щетка приемного распределителя вращается с той же скоростью; что и щетка передающего. На приемной станции в Ключи клавиш (каждой'букбе соответствует своя комбинация нажатых и отжатых ключей) Электромагниты буквопечатающего -js^ механизма *99^5 Рис. 8.37. Принципиальная схема буквопечатающего радиртелеграфирования каждый момент щетка находится на том же секторе, который проходит щетка передающего устройства. Каждый сектор приемного устройства соединяется со своим реле, и поэтому при приеме телеграфного знака за время одного оборота щетки происходит срабатывание тех реле, ключи которых "а передающем конце были нажаты. В результате комбинации сработавших реле при каждом обороте щетки происходит срабатывание печатающего механизма и на ленте аппарата отпечатывается принятая буква. Из описания принципа буквопечатающего телеграфирования следует, что приемная аппаратура буквопечатания одинаково хорошо реагирует как ш передаваемый сигнал, так и на возникающие в его отсутствие радиопомехи. Поэтому буквопечатание применяется только в том случае, если уровень сигнала в месте приема значительно превосходит уровень атмосферных помех. Кроме того, для повышения помехоустойчивости применяются различные способы защиты радиоканала от прохождения помехи, и в частности частотное манипулирование. Частотное манипулирование заключается в том, что передатчик работает непрерывно, но частота излучаемых им колебаний меняется в зависимости от того, нажат или отжат ключ. Современные радиостанции позволяют изменять частоту при телеграфной модуляции всего на несколько десятков или сотен герц. 222 Достигается частотное манипулирование тем, что под действием напряжения, 'поступающего от буквопечатающего аппарата, изменяется частота колебаний задающего генератора. В описанной выше схеме генератора с реактивной лампой можно было бы изменять частоту колебаний задающего генератора, подавая на управляющую сетку реактивной лампы постоянные напряжения разной величины. . Такого же эффекта можно добиться, изменяя частоту колебаний надтонального генератора. Изменение частоты надтональ- 1 Н лампе усилителя мощности подается ц1 = Еа-при 1Т сверху вниз или b*?a-Wa-"PU Ч снизу вверх Рис 8.38 Принципиальная схема подключения телеграфного аппарата к передатчику с помощью электронного реле простейшего типа ного генератора сопровождается появлением напряжения на выходе фазового детектора,, которое управляет анодным током реактивной лампы и, следовательно, частотой колебаний задающего генератора. Изменить частоту надтонального генератора можно при помощи изменения емкости ело контура. Однако для такого переключения емкостей электромеханические реле непригодны, и поэтому в схемах частотной манипуляции применяют, как правило, электронное реле (тр-иггеры), производящие переключения с гораздо большей скоростью, чем описанные реле электромеханического типа. Простейшая схема электронного реле представлена на рис. 8.38. Это обычная трехэлектродная (или многоэлектродная) лампа, между управляющей сеткой и катодом которой включено сопротивление. Параллельно этому сопротивлению подключается линия, соединяющая радиостанцию с буквопечатающим телеграфным аппаратом. Следующие от аппарата импульсы постоянного тока прямой и обратной полярности создают на катодном сопротивлении падение напряжения, которое либо запирает лампу, либо отпирает ее. Вследствие этого анодный ток лампы то прекращается, то вновь появляется и напряжение между анодом и катодом лампы изменяется в пределах от ?а до некоторой небольшой величины, равной Еа - ^а^а. Анод лампы реле соединяется с одним из электродов лампы усилителя мощности (например, с экранирующей сеткой), изменение напряжения на аноде которого в указанных пределах приводит к посылке в антенну колебаний импульсами задаваемой длительности. Такое электронное реле может обеспечить лишь амплитудную манипуляцию. Для получения частотной манипуляции напряжение, получающееся на выходе реле, должно либо подключать к контуру генератора дополнитель- 223 ные конденсаторы, либо отключать их. Это возможно при подключении к контуру генератора дополнительных конденсаторов чер'ез диод с очень малым внутренним сопротивлением. Таким свойством обладают полупроводниковые диоды, но возможно применение электровакуумных диодов. Одна из практических схем электронного реле для частотной манипуляции показана на рис. 8.39. Схема состоит из двух триодов (чаще всего используется одна лампа - двойной триод). На управляющую сетку первой лампы Л\ подается постоянное отрицательное напряжение смещения, образующееся на катодном сопротивлении. Величина этого напряжения такова, -Ь?0 Контур задающего генератора • или контур надтонального генерв-,----------* - ' _ -ч тора Имлуттьсы п. от реле 7 1 п ^o'kl^O $щ -------г-""1 Kjl МЯк Рис. 8.39. Схема электронного реле (триггера) для частотного манипулирования что первая лампа оказывается запертой, а ее анодный ток равен нулю. Вследствие этого потенциал анода (точка а) равен почти +?а и на.управляющую сетку второй лампы Лч поступает большое положительное напряжение с сопротивления /?сг, превышающее отрицательное напряжение, поступающее с катодного сопротивления. Анодный ток лампы Л% и падение напряжения на сопротивлении /?а становятся большими, потенциал точки б меньше +Е&, т. е. ниже потенциала точки а. Между точками а к б схемы включены последовательно диоды, к которым и приложено напряжение, образовавшееся между анодами обеих ламп. Так как потенциал точки а выше потенциала точки б, то плюс напряжения оказывается на катоде левого диода, а минус - на аноде правого. Из-за такой полярности приложенного напряжения диоды не пропускают электрического тока и дополнительный конденсатор Сдоп к контуру не подключается. Пр*и передаче телеграфных сигналов на управляющую сетку первой лампы Л\ подводится управляющее напряжение с выхода реле (манипулятора), выполненного, например, как на рис. 8.38. Как уже было сказано, с выхода реле поступают импульсы постоянного напряжения, величина которых изменяется скачком от максимальной (почти равной напряжению анодной батареи) до минимальной (составляющей практически несколько вольт). При поступлении на управляющую сетку лампы Л\ (рис. 8.39) импульса напряжения в несколько вольт лампа остается запертой, так как поступившее напряжение меньше запирающего; диоды обесточены и частота колебаний контура определяется только величинами индуктивности L и емкости С. Когда же на управляющую сетку лампы Л\ поступает максимальный импульс (несколько десятков вольт), то лампа отпирается; появившийся анодный ток создает падение напряжения на сопротивлении R\, потенциал точки а понижается. Вследствие этого уменьшается падение напряжения на сопротивлении Ясз и лампа Л2 запирается; анодный ток ее становится равным 224 нулю, потенциал точки б возрастает. Это приведет к тому, что разность потенциалов (напряжение) между точками а и б изменяет знак, на диоды поступает напряжение, при котором они становятся проводящими, и дополнительный конденсатор СДОп оказывается подключенным к контуру через разделительные конденсаторы Сра3д, емкость которых намного больше емкости Сдоп. Частота генерируемых колебаний в контуре понижается. Разделительные конденсаторы нужны в данной схеме для того, чтобы не допустить замыкания цепи анодного тока. Таким образом, при чередовании телеграфных импульсов постоянного тока в антенну поступают колебания периодически меняющейся частоты в соответствии с передаваемым сообщением. В радиостанциях встречаются и другие схемы электронных реле, но принцип их работы в основном тот же. Применение частотного манипулирования значительно повышает устойчивость радиосвязи к 'помехам. В самом деле, при амплитудном манипулировании, как показано на !рис. 8.31, сигнал поступает на приемник только тогда, когда ключ нажат. В промежутках между нажатиями ключа сигнал на приемник не поступает, и поэтому в приемник может свободно проникнуть помеха. При частотном манипулировании на вход приемника непрерывно поступает сигнал; изменяется только частота сигнала в зависимости от того, передается ли замыкание ключа или пауза. Поэтому помехе труднее нарушить работу приемника и связь получается более устойчивой, чем при амплитудном манипулировании. МОДУЛЯЦИЯ КОЛЕБАНИИ ПЕРЕДАТЧИКА РЕЧЬЮ Для передачи речи -по радио необходимо колебания тока высокой частоты в антенне передатчика изменять в такт cj колебаниями низкой частоты, полученными на вторичной обмотке микрофонного трансформатора. Процесс управления колебаниями высокой частоты при помощи низкочастотных колебаний называется модуляцией.- В передатчиках применяются в основном два вида модуляции: амплитудная и частотная. Амплитудная модуляция - это такой вид управления пере-меным током в антенне, при котором в такт с напряжением звуковой частоты изменяется амплитуда тока высокой частоты. График изменения тока в антенне при амплитудной модуляции приведен на .рис. 8.40, б. Из рисунка видно, что при молчании ток в антенне имеет неизменную амплитуду, а при разговоре амплитуда то увеличивается, то уменьшается в такт с изменениями переменного напряжения звуковой частоты на вторичной обмотке микрофонного трансформатора. Для получения амплитудной модуляции необходимо изменять со звуковой частотой амплитуду переменной составляющей анодного тока лампы усилителя мощности. В этом случае и колебания, создаваемые переменным анодным током в контуре, тоже будут меняться по амплитуде со звуковой частотой. Чем громче 15-261 225 передаваемая речь, тем больше изменяется амплитуда тока 8 антенне и тем глубже модуляция. Глубина модуляции обычно вычисляется в процентах от амплитуды тока в антенне без модуляции. Так, например, на рис. 8.40, б амплитуда изменяется почти вдвое и поэтому глубина модуляции блнзка к 100%. ЧИ Напряжение звуковой частоты Напряжение I ! батареи О I j _ модуляция \ модуляции^ нет *>t Рис. 8.40. График процессов в передатчике при амплитудной модуляции: а - изменение модулирующего напряжения на электроде лампы генератора; б - изменение амплитуды импульсов анодного тока лампы генератора с частотой модуляции; в - изменение тока в антенне передатчика Изменять амплитуду переменной составляющей анодного тока ла'мпы усилителя мощности можно путем включения переменного напряжения звуковой частоты, создаваемого микрофоном, в цепь одного из электродов лампы (управляющая, экранирующая, защитная сетка и анод) или даже нескольких электродов одновременно. В результате действия напряжения звуковой частоты, приложенного к тому или иному электроду, амплитуда импульсов анодного тока усилителя мощности изменяется пропорционально величине этого напряжения (рис. 8.40,6). Изменение же величины импульсов анодного тока приводит к изменению амплитуды тока высокой частоты в контуре усилителя мощности, а следовательно, и в антенне передатчика (рис. 8.40, в). 226 Когда напряжение звуковой частоты, получающееся "а вто-[ричлой обмотке микрофонного трансформатора, недостаточно для глубоких изменений анодного тока, его усиливают при помощи усилителя низкой частоты, который в этом случае называется модулятором. а+Ег. Модулятор Усилитель мощности Рис. 8.41. Схема передатчика с модуляцией на защитную сетку пентода На рис. 8.41 показана схема передатчика с модуляцией на защитную сетку. Для увеличения модулирующего напряжения в схеме служит усилитель низкой частоты (модулятор). усилитель мощности icp Микрофонный трансфер- " штор Модуляц. т| )О Uia° "36 о I ?>||uyui _L±i и~ (от заЗсш . 1генерат.) I , +0 i ~ Г и0 | wW Микрофон Рис. 8.42. Схема передатчика с анодно-экранной модуляцией (модуляцией на анод и экранирующую сетку лампы генератора) На рис. 8.42 представлена схема передатчика с анодно-экранной модуляцией. Напряжение звуковой частоты, образованное на анодном дросселе модулятора, приложено одновременно и к аноду, и к экранирующей сетке лампы генератора. Частотная модуляция. В радиостанциях, работающих в диа- 15* 227 пазоне ультракоротких волн, очень часто применяется частотная модуляция колебаний передатчика. Частотной называется модуляция, при которой в такт с изменением модулирующего напряжения изменяется не амплитуда колебаний высокой частоты, а их частота. На рис. 8.43 показан график тока в антенне передатчика при частотной модуляции. Над ним изображен график изменения модулирующего напряжения. Из рисунка видно, что пока моду- U уменьшился ' увеличился ' уменьшился Рис. 8.43. График, поясняющий процесс частотной модуляции: а - напряжение звуковой частоты; б - ток высокой частоты в' лирующего напряжения нет, частота колебаний тока в антенне неизменна. Но когда появляется модулирующее напряжение, частота колебаний увеличивается и уменьшается пропорционально величине модулирующего напряжения в такт с его изменениями. Глубина модуляции в этом случае оценивается так называемым индексом модуляции М, который представляет собой отношение максимального отклонения (девиации) частоты колебаний передатчика Д/макс " наибольшей частоте модулирующего напряжения -макс' м= АЛ, /'макс Особенностью частотно-модулированных колебаний является'тю-стоянство амплитуды тока в антенне. Вследствие этого через лампу передатчика все время протекают импульсы анодного тока максимальной величины и мощность колебаний в контуре получается больше, чем при амплитудной модуляции, при которой величина импульсов анодного тока очень сильно изменяется. Частотная модуляция позволяет поэтому более полно истюль- 228 зовать мощность ламп передатчика, увеличить излучаемую мощ-"ость, а следовательно, и достигнуть большей дальности радиосвязи. В отличие от схем амплитудной модуляции, где модулирующее напряжение воздействует на лампы каскадов усиления мощности, в схемах частотной модуляции модулирующее напряжение звуковой частоты должно воздействовать на контур задающего генератора. Такое воздействие, как мы уже анаем, может Задающий генератор \Цепочка\ Реактивная пампа RC -модулятор Рис. 8.44. Схема передатчика с частотной модуляцией быть осуществлено с помощью реактивных ламп, которые и применяются в схемах частотной модуляции. Схема 'Передатчика с частотной модуляцией показана на рис. 8.44. Параллельно контуру задающего генератора включена реактивная лампа, переменная составляющая анодного тока которой протекает через контур задающего генератора. В зависимости от .величины тока реактивная лампа в большей или меньшей степени изменяет частоту генерируемых колебаний. Управление же величиной анодного тока реактивной лампы производится путем тюдачм на защитную сетку одновременно с постоян-ньш отрицательным напряжением и переменного "апряжения звуковой частоты со вторичной обмотки микрофонного трансформатора. Анодный ток реактивной лампы изменяется со звуковой частотой и в свою очередь изменяет частоту генерируемых колебаний в такт с напряжением звуковой частоты. ОДНОПОЛОСНАЯ МОДУЛЯЦИЯ I Как при амплитудной, так и при частотной модуляции в антенне получаются колебания, которые отличаются от простых синусоидальных колебаний переменного тока непостоянством либо амплитуды, либо частоты. Модулированные колебания можно считать сложными, состоящими из серии простейших синусоидальных колебаний различных частот. При модуляции передатчика речью на его вход поступают звуковые колебания различных частот от десятков до нескольких тысяч герц. Подробное изучение модулированных колебаний показывает, что при модуляции передатчика речью в модулированных колебаниях содержатся две 229 5,=- Р 11 So "з: а: 6 Боковая полоса частот Несущие колебания Боковая полоса частот боковые полосы частот. Состав модулированных колебаний при передаче речи показан на графиках рис. 8.45. Таким образом, при модуляции речью передатчик посылает радиоволны не одной определенной частоты, а полосу радиочастот, состоящую из несущей частоты и двух боковых полос. При амплитудной модуляции ширина спектра частот излучаемых волн составляет примерно 4-10 кгц. При частотной модуляции ширина полосы обычно увеличивается. Поэтому, чтобы избежать взаимных помех, две близко расположенные радиостанции не должны работать на частотах, отличающихся друг от друга меньше чем на 10 кгц. При телеграфной манипуляции передатчик также излучает волны не одной частоты, а полосу частот, но" ширина ее значительно меньше, чем при модуляции речью. Объясняется это тем, что частота перерывов тока при телеграфной передаче значительно меньше частоты звуковых колебаний, создаваемых голосом. О Рис. 8А5: Состав модулированных колебаний при передаче речи балансный модулятор Рис. 8.46. Схема передатчика с подавлением несущей частоты и одной боковой полосы частот колеба'ний Описанный выше спектр частот колебаний, создаваемых передатчиком при амплитудной модуляции, состоящий из колебаний несущей частоты и двух боковых полос, можно, сузить, так как для неискаженной передачи достаточно излучать лишь одну боковую полосу и сильно ослабленный сигнал несущей частоты. Передача же несущей частоты и второй боковой полосы создает дополнительные помехи приему многих соседних радиостанций. Кроме того, исключение из антенны передатчика второй боковой полосы и несу- 230 щей частоты позволяет всю мощность передатчика использовать только и пределах одной боковой полосы, что увеличивает дальность радиосвязи. Несколько улучшаются и условия приема радиоволн, так как принимать нужно более узкий спектр радиоволн, условия распространения которых мало отличаются друг от друга; это избавляет от искажений из-за неодинаковых условий распространения радиоволн, которые имеются при двухполосной модуляции. Однако схемы передатчиков с однополосной модуляцией, как правило, значительно сложнее схем передатчиков с двухполосной модуляцией. Простейшая блок-схема передатчика с однополосной модуляцией показана на рис. 8.46. Передатчик состоит из задающего генератора, балансного смесителя (модулятора) и усилителя мощности. Подавление несущей частоты и одной боковой полосы осуществляется с помощью балансного смесителя (модулятора), работа которого была рассмотрена при описании способа кварцевой стабилизации в диапазоне частот. Напряжение высокой частоты от контура задающего генератора подводится к управляющим сеткам обеих ламП модулятора таким образом, что переменные составляющие анодных токов частоты задающего генератора взаимно компенсируют создаваемые ими колебания на входе усилителя мощности. Напряжение модулирующей (низкой) частоты F к сеткам ламп модулятора подводится с противоположными знаками и перемещает рабочую точку ламп по характеристике со звуковой частотой. Вследствие этого в анодных цепях ламп возникают импульсы анодного тока, изменяющиеся по величине в такт с модулирующим напряжением, но, когда ток одной лампы увеличивается, ток другой уменьшается. В анодном токе каждой лампы появляются колебания разностных частот, которые взаимно складываются. В результате в анодной цепи присутствуют только две боковые полосы частот, без частоты несущих колебаний, Так как анодный контур балансного модулятора настраивается на частоту колебаний только одной боковой полосы (разностных частот), то колебания второй боковой полосы частот в усилитель мощности не поступают. Следует отметить, что если схема не очень тщательно отрегулирована, то полного подавления колебаний с частотой задающего генератора не получится. Они все же проникнут в усилитель и антенну, но сильно ослабленные по сравнению с колебаниями боковой полосы. ОДНОВРЕМЕННАЯ МАНИПУЛЯЦИЯ И МОДУЛЯЦИЯ В ПЕРЕДАТЧИКАХ Одновременная манипуляция и модуляция применяется во многих Передатчиках с целью повышения пропускной способности .радиоканалов связи. Однако^ такая работа возможна не при всех видах модуляции и манипуляции. Например, при амплитудной манипуляции, когда телеграфные сигналы передаются с перерывом излучения, никакая передача речи ни с помощью амплитудной, ни с помощью частотной модуляции невозможна, так как манипуляция вносит искажения в модулированные колебания. Поэтому совмещение возможно лишь при частотной манипуляции, но и то при условии, что в передатчике применяется только амплитудная модуляция с"глубиной не более 80%. При большей глубине модуляции могут быть моменты, когда передатчик не излучает, а это' приводит к нарушению телеграфной манипуляции. Во избежание этого в передатчиках с одновременной манипуляцией и модуляцией устанавливают ограничители глубины модуляции. УПРАВЛЕНИЕ КОЛЕБАНИЯМИ ПЕРЕДАТЧИКА ПО ТЕЛЕФОННО-ТЕЛЕГРАФНОЙ ЛИНИИ Обычно радиостанция размещается в стороне от телефонно-телеграфной станции. Поэтому управление колебаниями передатчика радиостанции осуществляется по проводным линиям длиной в несколько километров. 231 Схема, иллюстрирующая управление колебаниями передатчика с вынесенной телефонно-телеграфной станции, показана на рис. 8.47. Связь между радиостанцией и телефонно-телеграфной станцией осуществляется по двухпроводной линии. Оба конца линии подключены к линейным трансформаторам. На телефонно-телеграфной станции линейный трансформатор подключается к телефонному коммутатору, через который к линии может быть подключен любой из абонентов телефонной станции. Передача речи ведется по двум Радиостанция """ /ШнейньнТ~^ трансформатор I Н модулятору Телефонно^- телеграфная станция Г ЛинёЗны(Г~ ~* Линия_ " ff_ I трансформатор_ К манипупяционному ^ реле i __________J , Рабочее место телеграфиста Рис. 8.47. Схема управления колебаниями передатчика с вынесенной телефонно-телеграфной станции К телефонному коммутатору "I'H ri ' I u JUp^nj^a^oMj^KOMAf^rmimopi/ проводам линии, передача телеграфных корреспонденции - по однопроводной линии; в качестве обратного провода используется земля. Батарея и телеграфный ключ включаются последовательно между средней точкой обмотки линейного трансформатора и землей. РХОД манипуляционного реле радиостанции включается между средней точкой линейного трансформатора и землей. Подключение-телеграфной цепи к средней точке трансформаторов исключает мешающее влияние импульсов постоянного тока телеграфных сигналов на вход модуляционного каскада, так как при этом токи в половинах линейной обмотки трансформатора протекают в противоположных направлениях и индуктируемые ими э. д. с. во вторичных обмотках взаимно компенсируются. 232 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О РАДИОПРИЕМНИКАХ Радиоволны, пересекая провод приемной антенны, наводят в нем переменную электродвижущую силу. Эта э. д. с. создает в цепи антенны переменный ток, частота которого равна частоте принятой радиоволны, т. е. частоте тока в антенне передатчика, излучавшей данную волну. Однако мощность колебаний в приемной антенне ничтожно мала. Поэтому колебания высокой частоты в приемниках усиливаются при помощи эл'ектронных ламп (или полупроводниковых приборов), а также за счет резонанса в колебательных контурах. Наиболее простые по устройству детекторные приемники не имеют электронных ламп и собственных источников энергии, необходимых для усиления принимаемых сигналов. Такие приемники позволяют принимать сигналы лишь мощных передающих радиостанций на сравнительно небольших расстояниях и дают недостаточную громкость. В военной радиосвязи используются только ламповые приемники, которые за счет применения электронных ламп и источников питания дают большое усиление и позволяют принимать с достаточной громкостью весьма слабые сигналы от маломощных и удаленных радиостанций. Выбор сигналов. Первой задачей радиоприемника является выбор сигналов NO пределенной- радиостанции. В приемной антенне возникает множество различных колебаний высокой частоты, так как на антенну действуют одновременно радиоволны различных радиостанций. При помощи колебательных контуров, настраиваемых в резонанс на частоту нужной радиостанции, усиливаются сигналы только данной радиостанции. Это свойство приемника называют избир а-тельностью (или селективностью). Если приемник не обладает избирательностью, то сигналы различных радиостанций смешиваются и радиосвязь становится невозможной, 233 Усиление сигналов. Большое усиление принятых сигналов - вторая задача радиоприемников. Усиление в одном каскаде, как. правило, недостаточно. Поэтому колебания, усиленные в первом каскаде приемника, подводятся мо второму, затем к третьему и т. д., пока не будет получено иужное усиление. Число каскадов в приемнике бывает обычно четыре - шесть и даже больше. Общий коэффициент усиления приемника равен произведению коэффициентов усиления его отдельных каскадов и может доходить до нескольких миллионов. Радио- / Яш/к В 3 <одно N J и к / онтур Усилитель высокой Детектор Усилитель низкой ^А-Ч) Я о7 частоты частоты & ^ i - лтелефон /\ Колебания усиленные колебания Колебания низкой усиленные частоты высокой частоты частоты колебания низкой частоты РИС. 9.1. Блок-схема приемника прямого усиления Детектирование. Третьей задачей радиоприемника является превращение колебаний высокой частоты в колебания низкой частоты, называемое детектированием. Это необходимо потому, что колебания высокой частоты ее воспринимаются человеческим ухом. Недостаточно усилить колебания высокой частоты, нужно еще преобразовать их в колебания звуковой частоты. Полученные в результате детектирования колебания низкой частоты обычно еще усиливаются и 'Поступают в телефон или громкоговоритель, где превращаются в звуковые колебания. Приемники прямого усиления и супергетеродинные. Если в приемнике частота преобразуется только один раз, а именно: колебания высокой частоты благодаря детектированию превращаются в колебания низкой частоты, то такой приемник называется приемником прямого усиления. Он более прост, но не обладает достаточно высокими качествами. Блок-схема такого приемника дана на рис. 9.1. Для получения большого усиления и хорошей избирательности применяются более сложные, суп ер ге тер од и ни ы е приемки к и, называемые иначе приемниками с преобразованием частоты. В них колебания высокой частоты преобразуются в специальном каскаде в колебания другой, но также высокой частоты. После этого производится основ- ное усиление сигналов и при помощи нескольких резонансных контуров обеспечивается нужная избирательность. Затем сигналы детектируются, т. е. колебания высокой частоты преобразуются в колебания низкой частоты, как и в приемнике прямого усиления. Таким образом, в супергетеродинном приемнике преобразование- частоты совершается два раза. ТРЕБОВАНИЯ К ПРИЕМНИКАМ Приемник должен обеспечивать хорошую слышимость сигналов в пределах заданного диапазона волн и иметь высокую избирательность для уменьшения помех от других радиостанций. Важно также, чтобы приемник работал устойчиво. Его застройка на заданную волну не должна самопроизвольно изменяться, чтобы не произошло исчезайте слышимости сигналов. Во многих случаях приемники, настроенные на фиксированную волну, должны обеспечивать устойчивую связь без дополнительной, подстройки и без поиска сигналов корреспондента. Выходное напряжение и выходная мощность. Последний каскад приемника отдает в телефон или громкоговоритель некоторую мощность тока низкой частоты, называемую выходной. При этом на зажимах телефона получается напряжение, называемое выходным. Для хорошей слышимости при работе на телефон выходная мощность должна быть 10-20 мет, а выходное напряжение должно составлять 15-20 в для высокоомного телефона и 2-3 в для низкоомного. Приемники, работающие с громкоговорителями, имеют значительно большую выходную мощность (от сотен милливатт до нескольких ватт). Чувствительность. Способность приемника принимать слабые сигналы радиостанций называется чувствительностью. Она определяется величиной напряжения высокой частоты, которое необходимо подать на вход приемника (на зажимы "Антенна - Земля"), чтобы получить нормальную выходную мощность. Чем меньше входное н а пряжение, нужное для нормального приема, -тем в ы ш е ч у в с т в аи т е л ь н о с т ь приемника. У современных приемников чувствительность составляет несколько микровольт. Чувствительность тем больше, чем больше усилен.и е в приемнике. Но чрезмерное усиление приводит к возрастанию шумов, искажений, помех и неустойчивости работы приемника. Избирательность. Способность приемника выделять сигналы нужной радиостанции среди сигналов других радиостанций, имеющих иную длину волны, называется избирательностью. Иначе, избирательность - это способность при-' емника принимать колебания в пределах узкой полосы часто т. 235 Приемник должен принимать колебания только в пределах полосы частот, так как передатчик при модуляции создает несколько колебаний с разными частотами. Многие радиостанции работают на близких друг к другу волнах. Поэтому необходима высокая избирательность приемника. Чем она выше, тем более узкой будет полоса частот, в пределах которой он принимает колебания, и тем меньше 'будут помехи от других радиостанций. Увых, 'вЫЛ 1 / Полоса частот Частота " принимаемой мешающей станции станции Рис. 9.2. Кривая хорошей избирательности Полоса частот Частота принимаемой мешающей станции станции Рис. 9.3. Кривая плохой избирательности Избирательность зависит от количества и /качества колебательных контуров приемника. Чем их больше и чем они лучше, тем выше избирательность. Большое число контуров практически применяют только в супергетеродинных приемниках. Избирательность характеризуют при помощи резонансных кривых, называемых кривыми избирательности. Эти кривые должны учитывать избирательные свойства всего приемника, и поэтому они представляют собой график зависимости выходного напряжения ?/Вых от частоты сигналов на входе приемника. На рис. 9.2 показана кривая хорошей избирательности. Она показывает, что приемник пропускает колебания в полосе частот принимаемых сигналов, а мешающее действие радиостанций, имеющих частоту вне пределов этой полосы, ослаблено во много раз. Кривая -плохой избирательности, при которой могут быть сильные помехи от других радиостанций, показана на рис. 9.3. При чрезмерной избирательности 'полоса частот пропускаемых колебаний становится очень узкой. Это выгодно для приема телеграфных сигналов, но при этом будут получаться искажения за счет плохого пропускания некоторых частот колебаний при передаче речи.^Для каждого вида сигналов (телеграф, телефон) желательна определенная полоса частот пропускаемых колебаний. Часто избирательность выражают величиной ослабления сигнала при определенной расстройке. При хорошей избирательности расстройка на 5 кгц должна давать ослабление сигнала не меньше чем в 100 раз. 236 Качество воспроизведения. Чем меньше искажений вносит приемник, тем выше качество воспроизведения. В главе 7 были рассмотрены частотные и нелинейные искажения, вносимые усилителем низкой частоты. В приемшке частотные искажения получаются также за счет резонансных свойств колебательных контуров. Чем шире полоса частот колебаний, пропускаемых приемником, тем естественнее звучание речи и музыки. Для приема (речевых передач достаточно пропускать колебания с частота- U. ми 200-2000 гц, а при приеме музыкальных передач полоса частот пропускаемых колебаний должна быть 100-5000 гц для удовлетворительного воспроизведения и 50-10000 гц для хорошего. Однако требование пропускания колебаний в широкой полосе частот противоречит вых Рис. 9.4. Идеальная' кривая нанса резо- Попоса частот 'принимаемой станции требованию высокой избирательности. Увеличение избирательности ведет к уменьшению полосы частот пропускаемых колебаний и к ухудшению качества воспроизведения. При высокой избирательности снижается слышимость колебаний высших звуковых частот, так как срезаются колебания боковых частот, наиболее отличающихся от несущей, а именно они и соответствуют высоким звукам. Идеальная кривая резонанса (рис. 9.4) должна быть прямоугольной формы, а ее ширина - соответствовать полосе частот принимаемых колебаний. Тогда колебания всех частот будут пропускаться равномерно, а колебания соседних по частоте радиостанций вообще не будут приниматься. Диапазон волн. Приемник должен принимать радиостанции в нужном диапазоне и иметь по возможности одинаковые чувствительность и избирательность во всем диапазоне. К приемникам предъявляют также требования надежности в работе, экономичности в потреблении энергии от источников питания, удобства и простоты управления, прочности,, доступности монтажа для ремонта и ряд других. ДЕТЕКТИРОВАНИЕ Сущность детектирования. Под влиянием модулированных волн в приемной антенне возникают модулированные колебания высокой частоты, из которых необходимо получить звуковые колебания. 237 Превращение модулированных колебаний высокой частоты в колебания, звуковой частоты и есть детектирование. Если модулированный ток высокой частоты пропустить через телефон, то звука не будет, так как мембрана телефона, обладая инерцией, не может совершать колебания с высокой частотой и останется неподвижной. Иначе говоря, модулированный ток не Составляющей н.ч. нет Составляющая н.ч.1 ' есть Рис. 9.5. Графики процесса детектирования: а - модулированное напряжение высокой частоты, воздействующее на детектор; о - пульсирующий ток в детекторе содержит составляющей звуковой частоты, способной заставить мембрану колебаться. Если бы даже мембрана колебалась с высокой частотой-, то все равно ничего не было бы слышно, так как ухо человека не воспринимает колебаний высокой частоты. Приборы для детектирования - детекторы - при пропускании тока в одном направлении имеют небольшое сопротивление, а при обратном направлении тока их сопротивление гораздо больше. Некоторые типы детекторов совершенно не пропускают ток в обратном направлении. Таким образом, детекторы являются выпрямителями. Под действием модулированного напряжения высокой частоты в детекторе создается пульсирующий модулированный ток. На рис. 9.5 даны графики модулированного напряжения высокой частоты, воздействующего на детектор (а), и пульсирующего тока в* детекторе (б). Пульсирующий ток детектора состоит из токов высокой и звуковой частоты и постоянного тока. Постоянный ток и ток звуковой частоты вместе составляют ток, пульсирующий со звуковой частотой. Он показан на рис. 9.5 жирной линией. Следовательно, в результате детектирования появились постоянная состав- 238 ляющая и составляющая низкой звуковой част о т ы, к о т о р ы х не было в модулированном колебании. Для (воздейсшия на мембрану телефона используется низкочастотная составляющая. Постоянная составляющая и составляющая высокой частоты для получения звука роли не играют. *-t Рис. 9.6. Графики детектирования незатухающих телеграфных сигналов Если к детектору подводятся незатухающие телеграфные сигналы, то в результате детектирования получаются импульсы постоянного тока. Этот случай 'изображен на графиках рис. 9.6. ДИОДНЫЙ ДЕТЕКТОР Диодный детектор является наиболее распространенным. Его достоинство - малые искажения, недостаток - отсутствие усиления колебаний. На рис. 9.7 графически показано детектирование при помощи диода. Вдоль 'нижней вертикальной оси изображена кривая модулированного напряжения, подаваемого "а диод, а вдоль правой горизонтальной оси построен при помощи характеристики диода график анодного тока. Этот ток содержит, кроме составляющей высокой частоты, 'постоянную составляющую и составляющую низкой частоты. Для упрощения на рис. 9.7 приведены графики для случая, когда последовательно с диодом не включено никакого сопротивления. Две схемы диодных детекторов, применяемые в приемниках, показаны на рис. 9.8. Последовательная схема (рис. 9.8, а) имеет нагрузочное сопротивление R, включенное последовательно с диодом. От контура LC модулированное напряжение 'высокой частоты подается на анод диода, т. е. является его анодным напряжением. Сопротивление R имеет большую величину (от 0,1 до 0,5 Мом). Чтобы на нем не создавалась потеря значительной части переменного напряжения высокой частоты, его всегда шунтируют конденсато- 239 ром Ci емкостью 100-200 пф. Сопротивление этого конденсатора для токов высокой частоты сравнительно небольшое. Составляющая высокой частоты полученного в диоде пульсирующего тока проходит через конденсатор Сл и контур LC, по- Характеристи- /а ко диода Ток детектора / \ к . I-- 'A^Jm Составляющая н.ч. I Колебания, подводимые к диоду РИС. 9.7. Графическое изображение детектирования при помощи 'диода стоянная составляющая и составляющая низкой частоты - через катушку, контура L и сопротивление R. На сопротивлении R получается напряжение, пульсирующее со звуковой частотой. и К усилителю низкой_ частоты К усилителю низкой б частоты Рис. 9.8. Схемы диодных детекторов: а - последовательная; б - параллельная Нагрузочное сопротивление R включено специально для выделения переменного напряжения низкой частоты, которое подается через разделительный конденсатор С2 на усилитель низкой частоты. Емкость конденсатора должна быть не менее не- 240 скольких тысяч пикофарад, чтобы он легко пропускал колебания низкой частоты. Конденсатор Сь подключенный параллельно нагрузочному сопротивлению, служит для пропускания 'переменного напряжения от контура на диод, а также сглаживает происходящие с высокой частотой пульсации напряжения на сопротивлении R, т. е. действует подобно конденсатору оглаживающего фильтра выпрямителя. Поэтому постоянное напряжение и напряжение низкой частоты на сопротивлении R повышаются. Параллельная схема диодного детектора показана на рис. 9.8, б. В ней диод и нагрузочное сопротивление R соединены параллельно. Переменное напряжение от контура LC подается на диод через конденсатор Ci в 100-200 пф. Высокочастотная составляющая тока диода проходит через этот конденсатор и контур, а постоянная и низкочастотная составляющие проходят через нагрузочное сопротивление R, так как конденсатор С) не пропускает постоянный ток и имеет очень большое сопротивление для тока низкой частоты. На сопротивлении R получается постоянное напряжение и напряжение звуковой частоты. Последнее через конденсатор С% подается на усилитель низкой частоты. Диодный детектор не нуждается в анодном питании, так как анодным напряжением служит переменное напряжение высокой частоты, подаваемое от контура. Если колебательный контур LC связать с антенной, а в качестве сопротивления R включить телефон, то получится простейший детекторный приемник. Его недостатком является низкая чувствительность, так как он не дает никакого усиления мощности принятых сигналов, а работает "только за счет весьма малой энергии, которая поступает из антенны. При помощи детекторных приемников возможен-прием на телефон только передач мощных радиостанций, не слишком удаленных от места приема. СЕТОЧНЫЙ ДЕТЕКТОР Схемы сеточных детекторов, применяемых в приемниках прямого усиления, -приведены на рис. 9.9. Детектирование происходит в цепи сетки аналогично диодному детектированию. Роль диода выполняет промежуток сетка - катод, причем сетка является анодом диода. Для выделения напряжения звуковой частоты в цепь сетки включены большое нагрузочное сопротивление Re " конденсатор Сс. В схеме рис. 9.9, а сопротивление /?с включено последовательно с участком сетка - катод и шунтировано конденсатором Сс. Эта схема аналогична последовательной схеме диодного детектора (см. рис. 9.8, а). В схеме рис. 9.9,6 сопротивление Rc включено параллельно промежутку сетка -катод, как в параллельной схеме диодного детектора (см. рис. 9.8,6). 16-261 241 Сеточное сопротивление Rc называют сопротивлением утечки сетки. Емкость Сс берется 100-200 пф, a Rc - от одного до нескольких мегом. В результате детектирования модулированных колебаний в цепи сетки появляется пульсирующий ток, состоящий из постоянного тока и токов высокой и низкой частоты. Ток высокой частоты проходит через конденсатор ?с, а два других тока - через сопротивление Rc. На нем создается падение напряжения, к УЖ/ а Рис. 9.9. Схемы сеточных детекторов меняющееся со звуковой частотой, которое усиливается триодом. Одновременно триод усиливает и напряжение высокой частоты, приложенное к сетке. В сеточном детекторе 'происходит три процесса: диодное детектирование в сеточной цепи, усиление низкой частоты и усиление высокой частоты. Сеточный детектор 'при приеме слабых сигналов дает более громкий прием, чем~ диодный. На схемах рис. 9.9 в анодную цепь включено нагрузочное сопротивление #а, на котором выделяется усиленное напряжение звуковой частоты. Оно через разделительный конденсатор С подается на усилитель низкой частоты. При отсутствии в приемнике усилителя низкой частоты вместо Ra включается телефон. В приведенных схемах не используется усиление колебаний высокой частоты лампой; поэтому высокочастотная составляющая анодного тока пропускается мимо Ra через конденсатор Cj в несколько сотен пикофарад. АНОДНЫЙ И КАТОДНЫЙ ДЕТЕКТОРЫ В анодном детекторе на управляющую сетку лампы подается, 'помимо модулированного напряжения высокой частоты, большое отрицательное смещение, сдвигающее рабочую точку на нижний изгиб характеристики. Лампа работает без сеточного тока, и анодный ток представляет собой ряд импульсов высокой частоты, величина которых пропорциональна амплитуде переменного напряжения, подводимого к сетке лам"пы. Схема анодного детектора и графическое изображение 'процессов в нем показаны на рис. 9.10, а и в. Включенное в анодную цепь со- 242 противление нагрузки R шунтировано емкостью С, поэтому ток в сопротивлении нагрузки оказывается сглаженным, изменявшемся по закону модуляции. К усилителю низкой частоты И усилителю низкой частоты а Рис. 9.10. Схемы анодного (а) и катодного (б) детекторов и графическое (в) изображение процесса детектирования в них При работе лампы без сеточного тока входное сопротивление анодного детектора очень большое. Детектирование происходит практически без потребления энергии от колебательного контура. 16* 243 На рис. 9.10,6 представлена схема катодного детектора. Она отличается от схемы анодного детектора тем, что сопротивление нагрузки R включено в цепь катода, а не анода и выбирается такой величины, чтобы рабочая точка оказалась на нижнем изгибе сеточной характеристики анодного тока. ВХОДНОЙ КОНТУР И УСИЛИТЕЛЬ ВЫСОКОЙ ЧАСТОТЫ ^Усилитель высокой частоты в приемнике служит для усиления колебаний высокой частоты, полученных в антенне под действием радиоволн, и повышения избирательности. Входной контур. Колебания из антенны подаются на сетку лампы первого каскада приемника через ~?_____входной контур, который обычно связан с антенной индуктивно или 1 к УВЧ о о -^кУВЧ § -&КУВЧ через небольшую емкость (рис. 9.11). ? 1 -. Непосредственное включение a id входного контура в антенну неудоб- но потому, что емкость антенны вой-Рис. 9.11. Схемы связи вход- Дет в состав контура, уменьшит его ного контура с антенной собственную частоту и затруднит настройку на более коротких волнах. В большинстве случаев сама антенная цепь в приемнике не настраивается. Входной контур всегда согласовывается с антенной, чтобы подключение приемника к антенне не испортило ее диаграммы направленности. При применении антенны, состоящей из двух проводов, расположенных симметрично относительно земли, например, симметричного горизонтального диполя, входной контур должен быть таким, чтобы емкости и сопротивления относительно земли обоих вводов антенны были одинаковы. На рис. 9.12, а показана одна из схем включения симметричной антенны; антенная катушка LA не имеет заземленных точек, и ее концы расположены симметрично относительно заземленных проводников. В обоих проводах антенны протекают одинаковые токи, и диаграмма направленности антенны при подключении ко входу приемника не изменяется. При применении антенны с противовесом (несимметричной антенны) антенная катушка может быть соединена с корпусом радиостанции (рис. 9.12,6). Если используется антенна без противовеса, роль последнего выполняет корпус радиостанции, а антенна подключается только к одному выводу катушки LA (рис. 9.12,0). Если симметричную антенну подключить к катушке LA с заземленным концом (рис. 9.12,г), то антенна станет работать как несимметричная. Если же антенну без противовеса подключить 244 к симметричному входу (.рис. 9.12, д), то антенна окажется неэффективной, так как второй конец катушки оказывается разомкнутым. Антенна а Противовес Антенна \ -t 7я нл Рис. 9.12. Правильные (а, б, в) и неправильные (г, д) схемы подключения антенн к входу приемника Иногда параллельно входному контуру включают неоновую лампочку (рис. 9.13), чтобы исключить опасные для приемника перенапряжения, которые могут возникнуть в антенне, если близко работает передатчик большой мощности. При возникновении напряжения 60-80 в неоновая лампочка зажигается и напряжение на контуре больше не возрастает. Для защиты радиоприемников от импульсных сигналов радиолокационных станций, которые могут оказаться^ вблизи, в провода антенны и противовеса включают специальные противолокацион-ные фильтры. Внешний вид и схема фильтра для защиты приемника от сигналов радиолокаторов показаны на рис. 9.14. Усилитель высокой частоты. Особенностью усилителей высокой частоты радиоприемников является сопряженная (одноручеч-ная) настройка анодного и входного контуров при помощи блока конденсаторов переменной емкости. Поэтому в контуры 245 Рис. 9.13. Включение неоновой лампочки к входному контуру приходится включать дополнительные подстроечные конденсаторы и предусматривать в катушках возможность регулировки индуктивности. Напряжение с анодного контура подводится либо к управляющей сетке лампы следующего каскада, либо л к приемнику Гнездо вГ "Щ. Р--=г^~ Нпемма Штепсель Рис. 9.14. Внешний вид и схема фильтра для защиты приемника от сигналов радиолокаторов к детектору. Примерная схема усилителя напряжений высокой частоты показана на рис. 9.15. Обычно в приемниках применяются один - два каскада усиления высокой частоты. Применение большего их числа связано с усложнением схемы, так как возникающие паразитные связи Рис. 9.15. Схема усилителя напряжения высокой частоты радиоприемника вызывают самовозбуждение усилителя. Поэтому усиления при помощи усилителей высокой частоты недостаточно для приема сигналов маломощных радиостанций. Этот недостаток в приемнике прямого усиления устраняется при помощи регенерации, о которой рассказано ниже. СУПЕРГЕТЕРОДИННЫЕ ПРИЕМНИКИ .Современные приемники делаются почти всегда супергетеродинного типа. Принцип супергетеродинного приема заключается в том, что 246 колебания высокой частоты принятого сигнала преобразуются в колебания промежуточной частоты, значение которой для данного приемника выбирается вполне определенным, независимо от частоты сигнала. Промежуточная частота является высокой, но в большинстве случаев она ниже частоты принимаемых сигналов. В процессе преобразования частоты закон изменения амплитуды у модулированных сигналов не должен меняться. ~t *~t 1/,+Uj +4- + 2: О ~2l -4 в Рис. 9.16. Получение биений: о-колебание с частотой 1100 кгц; б - колебание с частотой 1000 кгц; в - биения частотой 100 кгц Благодаря постоянству промежуточной частоты в каскадах усиления колебаний этой частоты получается большое, устойчивое и одинаковое по всему диапазону приемника усиление. Избирательность также высокая, так как можно.применить большое число настроенных на одну частоту контуров. Явление биений. Преобразование частоты сигнала в промежуточную частоту производится методом биений. Явление биений, имеющее важное значение для многих радиосхем состоит в следующем. . Когда складываются два высокочастотных колебания с различными частотами, то получается новое, более сложное колебание. Оно также является высокочастотным, но амплитуда у него меняется с частотой, равной разности частот складывающихся колебаний и называемой частотой биений, или разностной частотой. Для примера на рис. 9.16 показано сложение двух колебаний с частотами 1000 и 1100 кгц и амплитудами 2 и 3 в. Суммарное колебание имеет частоту биений 247 100 кгц, равную разности частот 1100 и 1000 кгц. Амплитуда биений изменяется в пределах 1-5 в, т. е. наименьшее значение амгглитуды биений равно разности амплитуд складывающихся колебаний, а наибольшее значение равно их сумме. При одинаковых амплитудах складывающихся колебаний амплитуда биений меняется от нуля до удвоенного значения амплитуды одного из составных колебаний. В биениях, так же как и в модулированном колебании, амплитуда изменяется с более низкой частотой. Если биение продетектировать, то получится колебание с разностной, т. е. с более низкой частотой. Это похоже на детектирование модулированных колебаний, которое также дает колебание звуковой (модулирующей) частоты. Получение промежуточной частоты. Для получения биений в супергетеродинном приемнике генерируются вспомогательные колебания, которые складываются с принимаемыми. Если частоты этих колебаний неодинаковы, то получаются биения. После их детектирования выделяется колебание с разностной частотой, которое и является колебанием* промежуточной частоты. Промежуточная частота в супергетеродинных приемниках выбирается обычно в пределах 110-130, 450-470 или 550- 570 кгц, а иногда и более высокая, например 1100 или 1600 кгц. Пусть, например, частота сигнала 2000 кгц, а промежуточная частота 460 кгц. Тогда необходимо генерировать в приемнике колебания с частотой, отличающейся от 2000 кгц на 460 кгц. Это может быть частота 1540 кгц или 2460 кгц. В обоих случаях после детектирования биений получатся колебания промежуточной частоты 460 кгц. В супергетеродинных приемниках для длинных и коротких волн вспомогательная частота, как правило, бывает выше частоты сигнала. Блок-схема супергетеродинного приемника. На рис. 9.17 приведена развернутая блок-схема супергетеродинного приемника. Модулированные колебания высокой частоты, например 2000 кгц, поступают из антенны через входной контур в усилитель высокой частоты. Его главное назначение-обеспечить предварительную избирательность!. Иногда усилитель высокой частоты отсутствует. От усилителя высокой частоты колебания подводятся к преобразователю частоты, состоящему из смесителя2 и первого гетеродина. Работа преобразователя частоты. Первый гетеродин - это маломощный генератор для создания колебаний вспомогательной частоты, которая в нашем примере равна 2460 кгц. Эти колебания подаются на смеситель и складываются в нем с колебаниями сигнала (смешиваются). Возникают биения с 1 Поэтому усилитель высокой частоты иногда называют предварительным селектором или преселектором. 2 Иногда смеситель называют первым детектором, 248 Колебания Усиленные ко-высокой лебания высо-частоты кой частоты Колебания промежуточной частоты Усиленные колебания промежуточной частоты Колебания Усиленные колеба- низкои частоты ния низкоц частоты ill 1111 .11 лЛЛл J flfl A МЛД х^ _ А ^ '^гооокф 1Ш гоуокгц •ЬбОкг^* .1/" /"%--- \_/ - \ у * vb60f<%L -. ^^ 1L?T7 * 1 Us -рЩ* ^илителъ "^ высокой S устоты _" --. s 5 5Л 1 ~Сг Смеситель Т^: is •-Р-о 13 ^Г РТ Усилитель -промежуточной частоты 1'-: 1 III |+ Детектор Усилитель низкой частоты г /- 1_ /Колебаниям 11 -L- -_ /гетеродина \ ^Преобразователь частоты Телефон ^Телеграф / 24?0кгцх Ь59кгц Е> J ° / К F? 1-й гетеродин si IX 2-й гетеродин / - / _/ Рис. 9.17. Развернутая блок-схема супергетеродинного приемника ю 4-> "э разностной частотой 460 кгц, которые после детектирования в том же смесителе дают колебания промежуточной частоты 460 кгц. Смеситель обычно несколько усиливает колебания промежуточной частоты. Но этого усиления недостаточно. Поэтому колебания от смесителя подаются .на усилитель промежуточной частоты, имеющий один - два каскада и представляющий собой, по существу, усилитель высокой частоты. Далее колебания поступают на детектор (его иногда называют вторым детектором), в котором они преобразуются в колебания звуковой частоты, усиливающиеся далее усилителем низкой частоты, имеющим также не более одного - двух каскадов. Резонансные контуры в усилителе промежуточной частоты имеют конденсаторы постоянной емкости, так как они настроены на постоянную промежуточную частоту 460 кгц. Входной контур L\C\, контур Ь^Сч и контур первого гетеродина L3C3 настраиваются блоком конденсаторов переменной емкости. Прием телеграфных сигналов. Телеграфные немодулированные сигналы не могут быть приняты рассмотренным выше супергетеродинным приемником, так как после детектора не получится колебаний звуковой частоты. Для приема телеграфных незатухающих сигналов применяется второй гетеродин, показанный на блок-схеме рис. 9.17. Он представляет собой маломощный генератор, создающий колебания с постоянной частотой, отличающейся от промежуточной примерно на 1000 гц. Когда промежуточная частота равна 460 кгц, второй гетеродин может иметь частоту 461 или 459 кгц. Колебания от второго гетеродина подаются на детектор, складываются с колебаниями сигнала и образуют биения с разностной частотой в 1000 гц, которые ~ после детектирования дают колебания низкой частоты в 1000 гц. Регулировка тона телеграфных сигналов. Тон принимаемых сигналов можно менять, изменяя настройку приемника. Действительно, если вращать ручку блока конденсаторов переменной емкости, то изменяется частота колебаний первого гетеродина. Частота сигнала, приходящего к смесителю, остается при этом неизменной, так как она определяется исключительно настройкой передатчика, посылающего этот сигнал. Следовательно, изменяется разность частот колебаний первого гетеродина и сигнала, т. е. промежуточная частота. Так как частота колебаний второго гетеродина постоянна, то при изменении промежуточной частоты меняется частота тона биений. При приеме телеграфных сигналов необходимо регулировать частоту их тона, чтобы они выделялись среди сигналов мешающих станций и других помех. В некоторых приемниках тон принимаемых телеграфных сигналов регулируется изменением частоты второго гетеродина, в схеме которого есть соответствующее устройство. Нулевые биения. Чем ближе промежуточная частота к частоте колебаний второго гетеродина, тем ниже тон биений. Возможен случай, когда эти ча- 250 стоты равны. Тогда частота биений равна нулю. Такие биения называются нулевыми. Можно сказать, что нулевые биения - это пропадание звука биений на самом низком тоне. В приемниках нулевые биения - признак точной настройки на частоту принимаемой радиостанции. При изменении, настройки приемника в обе стороны от нулевых биений их тон постепенно повышается, затем переходит в свист и, наконец, совс'ем пропадает. Это значит, что разность промежуточной частоты и частоты колебаний второго гетеродина стала настолько высокой, что тона биений не слышно. Приведем" числовой пример. Пусть для приема сигнала с частотой 2000 кгц первый гетеродин имеет частоту 2460 кгц. Колебания промежуточной частоты 460 кгц складываются с колебаниями второго гетеродина, имеющими частоту, например, 459 кгц, и на выходе приемника прослушивается тон частотой в 1 кгц. Если изменить настройку приемника так, чтобы частота первого гетеродина стала 2459 кгц, то промежуточная частота будет 459 кгц (частота сигнала 2000 кгц неизменна) и получатся нулевые биения, так как частота колебаний второго гетеродина (459 кгц) постоянна. Если сделать частоту колебаний первого гетеродина 2449 или 2469 кгц, то промежуточная частота будет 449 или 469 кгц-и при постоянной частоте колебаний второго гетеродина 459 кгц тон биений будет 10 кгц, что соответствует очень высокому, почти неслышному свисту. Второй гетеродин имеет выключатель на два положения: "Телефон - Телеграф". Для приема телефонных сигналов второй гетеродин выключают, чтобы свист биений не мешал приему. Супергетеродины без второго гетеродина могут принимать только телефонные и модулированные (тональные) телеграфные сигналы. Модуляция в приемнике. Незатухающие телеграфные сигналы можно принимать и без второго гетеродина при помощи модуляции в самом приемнике. Для этого в одном из каскадов усилителя промежуточной частоты имеется генератор звуковой частоты порядка 1000 гц, колебания которого модулируют колебания сигнала. В результате "а второй детектор приходят модулированные колебания промежуточной частоты с частотой модуляции 1000 гц. Звуковой генератор имеет выключатель для перехода к приему телефонных сигналов. Особенность данного метода заключается в том, что при изменении настройки •приемника или частоты сигнала тон в телефоне не меняется, так как модулятор имеет постоянную частоту. Различные станции дают в телефоне сигналы одного тона 1000 гц. При расстройке меняется только громкость сигнала, но не его тон, что создает большую устойчивость приема. Недостатки супергетеродинного приемника. Зеркальные, или симметричные, помехи. Нормально частота гетеродина /г выше частоты сигнала /с на величину промежуточной частоты fnp. Именно в таком соотношении находятся частоты контура гетеродина и остальных контуров, настраивающихся на частоту сигнала. Если /с = 2000 кгц и fnp = 460 кгц, то fr=2460 кг ц. Пусть одновременно с принимаемой радиостанцией, имеющей частоту fc = 2000 кгц, работает мешающая станция на частоте /м--- 2460 + 460 = 2920 кгц. Разность между /м и fr состав- 251 ляет 460 кгц. Такой будет частота биений при сложении колебаний мешающей станции с колебаниями гетеродина. После детектирования этих биений получится колебание промежуточной частоты 460 кгц, которое будет усилено в усилителе промежуточной частоты, и на выходе приемника будет слышна мешающая станция. Такая помеха называется симметричной или зеркальной, так как ее частота отличается от частоты гетеродина на столько же килогерц, на сколько и частота полезного сигнала. Иначе говоря, частота симметричной помехи /м отличается от частоты принимаемого сигнала fc на удвоенную величину промежуточной частоты 2/пр. Помеха эта наблюдается только при сильных сигналах мешающей станции, так /как приемные контуры настроены на частоту сигнала /с и расстроены относительно /м иа величину 2/пр, что значительно ослабляет помеху. При более низкой промежуточной частоте расстройка будет меньше и помеха может влиять сильнее, особенно на коротких волнах. Для борьбы с симметричной помехой необходимо применять более высокую частоту /пр и повышать предварительную селекцию до преобразователя. Поэтому каскад усиления высокой частоты весьма желателен в супергетеродинном приемнике. Без него симметричные помехи чувствуются гораздо, сильнее. Рассмотренная особенность супергетеродинного приемника дает возможность приема сигналов каждой радиостанции при двух положениях ручки настройки. Одним положением (главной настройкой) является то, при котором частота гетеродина выше частоты сигнала. Например, если /с = 2000 кгц и /Пр=460 кгц, то главная настройка соответствует частоте гетеродина fr=2000+460 = 2460 кгц. Вторая настройка, называемая симметричным или зеркальным резонансом, соответствует частоте гетеродина fг=2000-460---1540 кгц. Она дает более слабый прием. Практически при такой настройке можно принимать только мощные сигналы, главным образом иа коротких волнах. Свисты в супергетеродинном приемнике получаются вследствие возникновения биений при сложении гармоник гетеродина с гармониками сигнала. Если частота таких биений близка к промежуточной частоте, то получаются новые биения звуковой частоты, воспринимаемые в виде свистов. Поясним это примером. Пусть /щ>=460 кгц и /с = 922 кгц. Тогда частота гетеродина /г=922+460 =1382 кгц. Вторая гармоника колебаний сигнала имеет частоту 2/с = 2 • 922-= 1844 кгц. Разность между этой частотой и частотой гетеродина составляет 1844-1382=462 кгц, т. е. 'близка к промежуточной. Колебания такой частоты пройдут через усилитель промежуточной частоты, создадут в контуре второго детектора вместе с колебаниями промежуточной частоты 460 кгц биения с частотой 2 кгц и в телефоне будет слышен свист с частотой 2 кгц. В супергетеродин могут проникать также помехи на частотах, близких к промежуточной. Ведь почти все усиление прием- 252 ника практически производится в усилителе промежуточной частоты, имеющем неизменную настройку. Если на входе приемника появится сигнал с частотой, лежащей в полосе пропускания усилителя промежуточной частоты, то такой сигнал может оказаться усиленным, несмотря на то, что контуры усилителя высокой частоты имеют иную настройку. Для устранения таких помех во входную цепь приемника включают запирающий (рис. 9.18) или шунтирующий (рис. 9.19) фильтр, настроенный на промежу- Запирающий фильтр Входной, нонтур Рис. 9.18. Схема включения щего фильтра запираю- > / Шунтирующий фильтр Fnp \ - * - IHi Входной к нонтур Jo Lftt 0 Р т7 о 0 о т / I ify о о 0 7 • 1 1 о bw-i.--.-i v --- ч г-" Рис. 9.19. Схема включения шунтирующего фильтра точную частоту. При появлении в антенне мешающего сигнала промежуточной ч'астоты в запирающем фильтре возникает резонанс токов, сопротивление контур а сильно возрастает и ток сигнала промежуточной частоты резко уменьшается. Наоборот, в шунтирующем фильтре возникает резонанс напряжений, сопротивление контура сильно уменьшается и ток мешающего сигнала отводится через фильтр мимо входного контура. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЧАСТОТЫ Односеточный преобразователь. При сложении колебаний сигнала и гетеродина образуются биения. После детектирования биений в анодной цепи смесительной лампы возникает пульсирующий ток, в состав которого входят токи с частотой сигнала, частотой гетеродина, разностной частотой и целый ряд более слабых токов различных высоких частот. Для выделения колебаний разностной частоты в анодную цепь смесителя включается контур, настроенный на эту частоту. Схема одно-сеточного преобразователя частоты показана на рис. 9.20. Напряжение сигнала от усилителя высокой частоты и напряжение от гетеродина поступают "а-управляющую сетку лам'пы смесителя. В таком преобразователе контур гетеродина сильно связан с контуром, настроенным на частоту сигнала. Перестройка этого контура сопровождается изменением параметров 'контура гетеродина, т. е. изменением частоты его колебаний, 253 Связь между этими контурами значительно ослабляется в многосеточных преобразователях, в которых чаще всего применяют гептоды. Процесс преобразования частоты при помощи таких ламп состоит в том, что колебания сигнала и гетеродина подаются на различные управляющие сетки смесительной лампы и сложение колебаний происходит внутри лампы в электронном потоке. Анодный ток лампы совершает колебания, т. е. пульси- Смеситель *пр~*гет~'с +ЕП Гетеродин Рис. 9.20. Схема односеточного преобразователя частоты рует одновременно и с частотой сигнала и с частотой гетеродина. Особенностью многосеточных смесительных ламп является наличие двух управляющих сеток. Схема с гептодом-преобразователем. Упрощенная схема преобразователя частоты показана на рис. 9.21. В ней используется гептод-преобразователь, входящий одновременно в смеситель и в гетеродин. Катод вместе с сетками / и 2 образует триод для гетеродина; первая сетка служит управляющей сеткой гетеродина. Вторая сетка - экранирующая и одновременно играет роль анода гетеродина. Поэтому гетеродин делают по схеме, в которой анод заземлен по высокой частоте. Третья сетка - управляющая, четвертая - экранирующая, пятая - защитная. При работе гетеродина на его управляющей сетке (сетка 1 )получается переменное напряжение, под влиянием которого пульсирует поток электронов внутри лампы. Сетка 3 называется сигнальной. На нее поступают от контура L\Ci колебания сигнала и под влиянием этого напряжения 254 Поток электронов пульсирует с частотой сигнала. Сложение Колебаний, т. е. получение биений, происходит в электронном потоке внутри лампы. Сетки 2 и 4 соединены между собой внутри лампы и являются экранирующими. Назначение их различно. Сетка 4 представляет собой обычную экранирующую сетку, как в тетроде, и служит для увеличения коэффициента усиления лампы и уменьшения паразитной емкости между анодом и сигнальной сеткой 3. ^ •ь 0 L§ о о •* О-"/ О р -17 /. с, 5 г 3 •• Ч "~~1г Wr1^ ПЛсП <у Zlti - *Тр о ^-С5 g о •с! .1/ La R ?': ш • ЛГ о о о о 0 'V 61 1= 1] -• = С4 --"" / -" / LS LQ L(tm) J ' -- 1 ; W7Z У +Ба Рис. 9.21. Схема преобразователя частоты с гептодом Сетка 2 служит для устранения емкости между сеткой 3 и гетеродинной частью. Если "е будет сетки 2, то контур гетеродина окажется связанным с контуром усилителя высокой частоты L\C^ Биения" электронного потока-в лампе детектируются, и в анодном токе получается составляющая промежуточной частоты, "а которую настроен анодный контур L^CZ. В контуре возникают усиленные колебания промежуточной частоты, которые через трансформатор L3L4 передаются в контур L4C4, включенный в цепь управляющей сетки первой лампы усилителя промежуточной частоты. Рассмотренный преобразователь частоты не устраняет-полно-стью влияния сигнала на работу гетеродина. Изменение напряжения на сигнальной сетке влияет "а характеристику лампы и ее параметры, в результате чего меняется частота гетеродина. Это более заметно на коротких волнах. Сопряжение контуров в супергетеродинном приемнике. При настройке контуров супергетеродинного приемника при помощи блока одинаковых конденсаторов переменной емкости необходимо, чтобы контур гетеродина был настроен "а частоту, равную частоте сигнала плюс промежуточная частота. Для этого в контур гетеродина включают дополнительные конденсаторы Се и С5 (см. рис. 9.21). Конденсатор С6) включенный последовательно, уменьшает емкость контура. Благодаря этому частота гетеродина увеличивается. Величины емкостей С6 и С5 и индуктивности LZ определяются специальным расчетом, а подстроечный конденсатор С5 регулируется так, чтобы в пределах всего 255 диапазона разность частот контуров была равна промежуточной частоте. Система предварительной настройки называется сопряжением контуров супергетеродина. Конденсаторы CQ и Cs часто называют конденсаторами сопряжения. Чтобы избежать ухудшения (работы приемника, не следует нарушать сопряжение контуров, т. е. регулировать подстроечные конденсаторы и сердечники у катушек. Смеситель ZK кЧПЧ Рис. 9.22. Схема преобразователя частоты с гептодом-смесителем и отдельным гетеродином Схема с гептодом-смесителем. Схема преобразователя частоты с гептодом-смесителем и отдельным гетеродином дана на рис. 9.22. У гептода-смесителя сетка /.- сигнальная, "а нее поступают колебания сигнала от контура L\C\. Колебания от гетеродина подаются на гетеродинную сетку 3. Сетки 2 и 4 - экранирующие, причем сетка 2 служит для уменьшения паразитной емкости между сигнальной и гетеродинной сетками, а сетка 4, как обычная экранирующая сетка, увеличивает коэффициент усиления лампы и уменьшает паразитную емкость между анодом и управляющими сетками; сетка 5 служит в качестве защитной сетки. На сигнальную сетку / подается автоматическое напряжение смещения от сопротивления RK, включенного в провод катода и шунтированного конденсатором Ск. Напряжение на экранирующие сетки поступает через гасящее сопротивление R, В анодной цепи имеется развязывающий фильтр /?фСф. Гетеродин работает на пентоде и собран по трехточечной 256 схем>е с автотрансформаторной обратной связью. Экранирующая сетка в этой схеме играет роль анода, причем она, как и главный анод, замкнута по высокой частоте на корпус через конденсатор. Таким образом, гетеродин построен по схеме с катодной связью. Колебания от него подаются на сетку 5 гептода через конденсатор Сс. В цепь этой сетки включено сопротивление утечки Rc. Смеситель *пр**гет~*с Рис. 9.23. Схема преобразователя частоты с пентодом в качестве смесительной лампы и отдельным гетеродином Чтобы уменьшить влияние приходящих сигналов на работу гетеродина, иногда осуществляют преобразование частоты с использованием гармоник гетеродина. Частота колебаний гетеродина выбирается так, чтобы вторая или третья, или более высокая их гармоника имела частоту, отличающуюся от частоты приходящего сигнала на величину промежуточной частоты. Например, если надо принимать сигналы в диапазоне 3000-4500 кгц, а промежуточная частота составляет 120 кгц, то при использовании третьей гармоники гетеродина последний должен создавать колебания в диапазоне 1040-1540 кгц. Тогда у третьей гармоники будут частоты 3120-4620 кгц, т. е. на 120 кгц выше частоты принимаемых сигналов, что и нужно в данном случае. Если использовать несколько гармоник гетеродина, то можно принимать сигналы в широком диапазоне при работе гетеродина в сравнительно узком диапазоне. В рассмотренном случае, когда гетеродин работает в диапазоне 1040-1540 кгц, при использовании четвертой гармоники с частотой 4160-6160 кгц возможен прием сигналов в диапазоне 4040-6040 кгц. Пятая Ya-7-261 257 §f Эьс г" -ctl 1 о- -- . §Г i -J- .V пт^- Г1 g чьи я с. о U Л • т W *; * -&*] •е ^чт) з ш . о О 1 i+0 I .- м Т -Q ^. п 1 --- я s Н Л 0 g -НИ! П?Г (- к i з V 1 i i 1 1 X/ в1 Ч > > чпн^ 5S'| О ь CJ НН S 8 ^ -/WN - 1 °Л ^ 5 со --- IHl Ю 2 ? о. J. С. ) 0 в 0 = mm о. • ii"" c ° --- II- * 1 - OJ ю * •^т /" 1 к S я SrO ч о. ил 3<о s ^ s =->а <-> ? 5 ESg ^ я р* в"8 -- Q С- О 2* S x •I?-- -= СО •О ri %•*. Гг^ е -с--^ т!1* з НН _i, к - " я Х"~~ 1"~Х ? Тч > --- -~~-i >. - 14 'У! ~4-~ <* TJ 1 1 1 \Z_r- - . т ь ж \^ 1 1 -J Т * 1! iS м 1 ° С.) 1 5U зНИ-1лш -* * ^ ?* ооо.; <а S 0 4f t-f-э О) О Cj" S-* -= 0 1§ гармоника гетеродина имеет частоту 5200-7700 кгц и позволяет принимать сигналы в диапазоне 5080- 7580 кгц. В схеме, приведенной на рис. 9.22, возможно применение обычных высокочастотных пентодов. Схема двухсеточного преобразователя с пентодом в качестве смесительной лампы показана на рис. 9.23. Напряжение гетеродина подается на защитную сетку лампы, напряжение сигнала - на управляющую сетку. Так как настройка на принимаемую радиостанцию определяется частотой гетеродина, то последнюю стараются сделать более стабильной. Для получения надежной связи на фиксированных волнах иногда частоту колебаний гетеродина стабилизируют кварцем. Такой метод применим при условии, что частота колебаний передатчика также стабилизирована кварцем. Если использовать гармоники гетеродина приемника, то каждый кварц в гетеродине даст возможность приема сигналов нескольких радиостанций. УСИЛИТЕЛЬ ПРОМЕЖУТОЧНОЙ ЧАСТОТЫ Усилитель промежуточной частоты, являясь усилителем высокой частоты, имеет некоторые особенности. Как правило, каскады усилителя промежуточной частоты работают на пентодах. В ультракоротковолновых приемниках эти каскады чаще всего делаются по схеме с анодным контуром и отличаются тем, что в контуре применяется конденсатор постоянной емкости, так как этот контур имеет постоянную настройку на промежуточную частоту. В других приемниках, например в коротковолновых, каскады усиления 258 промежуточной частоты делаются, как правило, с применением полосовых фильтров, состоящих из двух или большего числа связанных контуроэ. Такие фильтры служат для повышения избирательности. Сих помощью при точной настройке контуров в резонанс и подборе величины связи, которая не должна быть слишком малой, можно получить кривую избирательности, приближающуюся к идеальной (см. рис. 9.4). Полосовые фильтры рассчитываются и настраиваются так, чтобы ширина их кривой резонанса была достаточна для пропускания полосы частот модулированного , LI П ' -• .. - нВи 1 - t-- t С 3 " о e> я"- L- "и" •I "• 0 о X\ 1 "r о 0 r ^r±r -^Hr1 г" "-0 Ifl .. ,/Гл.к. 7 f / -1ЦГ- /Ъ L.P •ш •• • •• - 3 . 1 , Ci С2|Ц Я7 Ь -05 59 6 Рис. 9.25. Схемы кварцевых фильтров сигнала. Для приема сигналов разговорной речи ширина полосы пропускания должна быть 4-6 кгц. Чем больше в супергетеродине полосовых фильтров, тем лучше общая кривая избирательности. Полосовые фильтры монтируются в экранах и настраиваются на заводе. Нарушение их настройки вращением регулировочных винтов подстроечных конденсаторов или сердечников резко уменьшает усиление н ухудшает форму кривой резонанса. Поэтому не следует регулировать эти контуры или снимать с'них экраны. Ремонт и регулировку полосовых фильтров может делать только радиомастер, имеющий соответствующие приборы. Иногда встречаются усилители 'Промежуточной частоты с полосовыми фильтрами, в которых для увеличения избирательности применяют не два, а большее число связанных контуров. В каскадах усиления промежуточной частоты часто применяют автоматическое напряжение смещения. Экранирующая сетка питается обычно через гасящее сопротивление. Для устранения паразитных связей между каскадами включаются развязывающие фильтры. На рис. 9.24 приведены примеры схем каскадов усиления промежуточной частоты. Для повышения избирательности приемника в усилителе промежуточной частоты иногда применяют кварцевые фильтры. При этом полоса частот пропускаемых колебаний становится весьма узкой и резко уменьшаются помехи. Простейшая схема кварцевого фильтра показана на рис. 9.25, а. Контур LC настроен на промежуточную частоту. V-17* 259 Средняя точка катушки L\ заземлена. От двух половин этой катушки напряжения, равные по величине и противоположные по фазе, передаются на сетку лампы через кварц /С, рассчитанный на промежуточную частоту, и через конденсатор Со, емкость которого равна емкости кварцедержателя. Если частота колебаний находится за пределами полосы пропускания кварца, то последний имеет очень большое сопротивление и практически работает как конденсатор с емкостью, равной емкости конденсатора Со-Поэтому напряжения, передаваемые на сетку, равны друг другу и взаимно уничтожаются. Если же частота колебаний будет в пределах полосы пропускания кварца, то он работает как последовательный резонансный контур. Его сопротивление резко уменьшается, и напряжение, переданное на сетку через кварц, станет больше, чем напряжение, переданное через конденсатор CQ. Эти напряжения не компенсируют друг друга, и поэтому сигналы будут приниматься. Сопротивление R играет роль нагрузочного и влияет на ширину полосы частот колебаний, пропускаемых кварцевым фильтром. Чем меньше сопротивление R, тем шире полоса пропускания. Регулируя величину R, можно получать ширину полосы от десятков до сотен герц. Узкая полоса применяется для приема .телеграфных сигналов, а при ширине полосы порядка тысяч герц возможен прием телефонной передачи. Правда, при этом получаются искажения, но значительно снижаются помехи. Вместо сопротивления R иногда включают контур, настроенный на промежуточную частоту и имеющий, кроме индуктивности и емкости, еще переменное активное сопротивление.-Изменяя его величину, можно регулировать ширину полосы пропускания. Ширину полосы можно регулировать также изменением емкости конденсатора С0. На рис. 9.25, б показан пример схемы кварцевого полосового фильтра, в котором кварц включен в качестве конденсатора внешнеемкостной связи. Ширина полосы пропускания регулируется расстройкой контуров в разные стороны относительно резонансной частоты (частоты кварца). Расстройка осуществляется при помощи особого блока конденсаторов переменной емкости Ci и С2, у которого при вращении емкость одного конденсатора увеличивается, а другого - уменьшается (или наоборот). Регулировка ширины полосы пропускания. В современных приемниках часто применяют регулировку ширины полосы частот пропускаемых колебаний, т. е. регулировку избирательности. Для приема телеграфных сигналов можно сузить полосу пропускания и добиться снижения помех. При приеме телефонных сигналов и наличии помех также стремятся сузить полосу, пока не наступят большие искажения. Если помех нет, то ведут прием с широкой полосой пропускания, а следовательно, с меньшими искажениями. В большинстве случаев ширину полосы пропускания регули- 260 pyioi в усилителе промежуточной частоты одним из следующих методов: 1) изменением связи между контурами полосового фильтра; 2) расстройкой этих контуров; 3) включением в них переменных активных сопротивлений. Регулировка может быть плавной "ли ступенчатой. Иногда ширину полосы пропускания регулируют при помощи низкочастотных фильтров, включаемых в усилитель низкой частоты приемника. Детектор современных супергетеродинов обычно диодный, так как в приемнике до детектора уже имеется значительное усиление и, следовательно, на детектор подаются сравнительно ОтУПЧ Т ф *Ц 4 КУНЧ Рис 9.26. Схема детектора и второго гетеродина, собранная на пентоде большие сигналы. Диодный детектор при больших сигналах работает без искажений и поэтому является наиболее подходящим. Второй гетеродин имеется в приемниках, предназначенных для приема телеграфных сигналов. В большинстве случаев он делается с. индуктивной обратной связью. Иногда, в нем применяется отдельная лампа, а в некоторых схемах детектор и второй гетеродин работают на одной, более сложной лампе. Контур гетеродина 'настроен на ^постоянную частоту, которая отличается на 1 кг ц от промежуточной. Схема детектора и второго гетеродина. На рис. 9.26 показана для примера оригинальная схема детектора и второго гетеродина, в которой работает одна лампа-пентод. Детектирование - диодное - по последовательной схеме. Роль диода выполняет промежуток анод - катод лампы. Колебания на диод подаются от последнего контура промежуточной частоты. С нагрузочного сопротивления детектора R напряжение звуковой частоты подается на усилитель низкой частоты. Часть лампы, состоящая из катода, управляющей и экранирующей сеток, используется как триод во втором гетеродине. 18-261 261 Анодом триода служит экранирующая сетка. Гетеродин имеет индуктивную обратную связь и контур в цепи анода. Напряжение от анодного источника на анод гетеродина подается через развязывающий фильтр /?фСф. В цепь сетки включены конденсатор Сс и сопротивление утечки Rc- Для прекращения работы гетеродина при приеме телефонных сигналов последова- Детекгпор ОтУПч Яаунч Рис. 9.27. Схема' детектора- и второго гетеродина. Детектор собран на половине двойного диода тельно с сеточной катушкой включен выключатель "Телефон - Телеграф". Колебания сигнала и колебания второго гетеродина складываются в электронном потоке внутри лампы. Другая схема детектора и второго гетеродина показана в упрощенном виде на рис. 9.27. В ней для детектора применена одна половина двойного диода. Схема детектора - последовательная. Нагрузочным сопротивлением являются сопротивления RI и #2, соединенные последовательно. Напряжение звуковой частоты на усилитель низкой частоты снимается с сопротивления #2- Такая схема уменьшает искажения и проникновение в усилитель низкой частоты колебаний высокой частоты. Последнему способствует также реостатно-емкостный фильтр RC. Гетеродин работает на пентоде и имеет индуктивную обратную, связь и контур .LC в анодной цепи. Анодное питание - последовательное. В цепь сетки включены конденсатор Сс и сопротивление утечки Rc. Напряжение на экранирующую сетку по- 262 дается через гасящее сопротивление $3- В анодную цепь включен развязывающий фильтр #фСф и выключатель "Телефон - Телеграф". Колебания от гетеродина подаются на детектор при помощи индуктивной связи катушек L\ и L. В приемниках возникают собственные шумы в виде шороха, мешающего приему. Для уменьшения этих шумов на анод диода, работающего в детекторе, нередко подают постоянное отрицательное напряжение, которое запирает диод для приходящего от 'предыдущих каскадов напряжения шумов. Полезные сигналы, напряжение которых выше напряжения шумов, отпирают дио-д и принимаются уже без шумов. Отрицательное напряжение на анод диода подается от сопротивления автоматического смещения. РЕГУЛИРОВКА ГРОМКОСТИ Регулировка громкости (регулировка усиления или чувствительности) может быть ручной и автоматической, Ручная регулировка громкости служит для подбора наиболее приятной для уха слышимости, уменьще- ЛсшпаУВЧ Лампа УЛЧ ния помех, уровень громкости которых ниже уровня полезных сигналов, и устранения перегрузки каскадов приемника от слишком сильных сигналов, вы: зывающих искажения. Ручная регулировка громкости может быть осуществлена в различных частях приемника. Один из возможных способов регулировки громкости показан на схеме рис. 9.28. При помощи потенциометра R можно изменять напряжение экранирующих сеток ламп усилителя высокой частоты и усилителя промежуточной частоты. При уменьшении этого напряжения перемещением ползунка потенциометра от точки а влево усиление и громкость снижаются. Автоматическая регулировка громкости (АРГ) 1 служит для автоматического выравнивания слышимости при изменении силы сигналов вследствие замирания и устранения перегрузки приемника при слишком сильных сигналах. Для автоматической регулировки громкости используется *Ш Рис. 9.28. Схема регулировки приемнике громкости в 1 Автоматическую регулировку громкости иначе называют автоматической регулировкой усиления (АРУ) или чувствительности (АРЧ). 18* 263 постоянное напряжение, которое получается в результате детектирования. Это напряжение подводится в виде отрицательного напряжения смещения к управляющим сеткам ламп, стоящих в усилительных каскадах до детектора. Лампы эти должны быть с удлиненной характеристикой. Чем сильнее принимаемый сигнал, тем больше постоянное напряжение после детектора, тем больше отрицательное напряжение смещения на сетке усилительных ламп в каскадах до детектора и тем меньше усиление в этих каскадах. <УВЧ Детектор L "С4 УНЧ быкл. '•/ДРГТС<Р 777 *777. Рис. 9.29. Схема АРГ с задержкой Более сильный сигнал сам себя "заглушает", уменьшая усиление в приемнике. В результате на выходе приемника громкость сигналов изменяется мало. Схема АРГ с задержкой. Рассмотрим одну из схем АРГ, изображенную на рис. 9.29. Она называется схемой АРГ с задержкой. Принцип ее работы заключается в следующем. Лампы усилителя высокой частоты, смесителя и усилителя промежуточной частоты, называемые управляемыми лампами, имеют начальное отрицательное напряжение смещения, которое подается от катодных сопротивлений этих ламп. Это напряжение таково, что лампы работают на участках характеристик с большой крутизной и усиление получается наибольшее. В схеме детектора работает двойной диод. Левый диод служит основным детектором, и. напряжение звуковой частоты с его нагрузочного сопротивления подается на усилитель низкой частоты. Правый диод используется как детектор АРГ, собранный по параллельной схеме. Колебания сигнала подаются на "его от контура LC через конденсатор С4, а на нагрузочном сопротивлении получается выпрямленное напряжение, причем на верхнем конце /?, соединенном с анодом, будет минус. В анодную цепь диода АРГ входит также катодное сопротивление усилителя низкой частоты RK, на котором анодный ток лампы усилителя низкой частоты.создает падение напряжения 3 в. Это напряжение, называемое напряжением задержки, приложено минусом к аноду диода АРГ. Пока амплитуда сигнала не 264 превысит 3 в, диод АРГ заперт и тока в нем нет. Если же амплитуда сигнала больше 3 в, то в диоде появится ток, который создаст "а 'Сопротивлении R напряжение. Сопротивление R входит в цепи управляющих сеток всех управляемых ламп. Поэтому постоянная составляющая напряжения, возникающего на сопротивлении R, подается на сетки управляемых ламп через фильтр АРГ, состоящий- из сопротивления #ф и емкости Сф, и через сеточные развязывающие фильтры отдельных ламп R$iC$i, /?ф2Сф2, ЯфзСфз и т. д. Таким образом, сеточная цепь каждой управляемой лампы довольно сложна. Например, для лампы Л>в нее входят катушка Lb сопротивление сеточного развязывающего фильтра #фь сопротивление фильтра АРГ /?ф, нагрузочное сопротивление детектора АРГ R и катодное сопротивление первой лампы RK\. В этой цепи постоянные напряжения имеются на сопротивлениях Rui и R. Если приема нет или амплитуда сигнала на детекторе меньше 3 в, то напряжение смещения подается только от RK{. При наличии сигнала с достаточной амплитудой добавляется напряжение смещения от сопротивления R. В результате рабочие точки управляемых ламп сдвигаются "а участки характеристик с меньшей крутизной и усиление снижается. Чём сильнее сигнал, тем больше добавочное напряжение смещения, подаваемое "а сетки управляемых ламп, и тем меньше ' усиление. Поэтому при значительных изменениях силы сигналов на входе приемника выходное напряжение, а следовательно, и громкость сигналов -изменяются в сравнительно небольших пределах. Если применить схему АРГ без задержки (простая АРГ), то усиление уменьшается даже для слабых сигналов, что невыгодно. Фильтр АРГ с сопротивлением R& в 2 Мом и конденсатором Сф. емкостью 25 000 пф служит для того, чтобы не допустить "а . сетки управляемых ламп напряжение звуковой частоты, имеющееся на сопротивлении R. Сеточные развязывающие фильтры в каждом каскаде включены для устранения паразитной обратной связи между каскадами через цепи АРГ. Эти фильтры имеют сопротивления по 100 ком и конденсаторы по 25000 пф. Для перехода на прием без АРГ служит выключатель "Выкл.- АРГ", ПРИЕМ ЧАСТОТНО-МОДУЛИРОВАННЫХ (ЧМ) СИГНАЛОВ Блок-схема приемника ЧМ сигналов показана на рис. 9.30. Он отличается от обычных приемников для амплитудно-модулированных сигналов 'принципом работы детектора и наличием особого ограничителя перед этим детектором. Назначение и действие ограничителя. Амплитуда ЧМ колебаний постоянна, а частота их меняется. Однако практически под влиянием различных помех амплитуда колебаний сигнала изменяется. Назначение ограничителя и заключается в том, 265 чтобы уничтожить или уменьшить амплитудную модуляцию от помех и тем самым снизить уровень помех на выходе приемника. Ограничитель как бы "срезает" верхние части отдельных колебаний. Усилитель высокой - Преобразо еатель Усилитель " промежуточной Ограничи т ель Детектор - Усилитель низкой частоты частоты частоты частоты *---/ Рис. 9.30. Блок-схема приемника ЧМ сигналов На рис. 9-31, а показаны ЧМ колебания без помех. Помехи модулируют эти колебания дополнительно по амплитуде (рис. 9.31,6), а благодаря ограничителю получаются колебания, . не имеющие этой ме- 1 шающей модуляции '----- * (рис. 9.31,в). Характеристика ограничителя, показывающая зависимость его выходного напряжения -Л"ых ОТ ВХОДНОГО t/BX, дана на рис. 9.32/ При небольших значениях t/вх напряжение на выходе растет пропорционально .[/вх, НО, начиная от некоторой величины входного напряжения, называемого порогом ограничения, ?/вых уже не повышается. На том же рис. 9.32 показаны графики входного напряжения, промодулиро-ванного помехами, и напряжения на выходе ограничителя, свободного от помех. Следует иметь в виду, что графики напряжений на рис. 9.32 показывают изменение амплитуды напряжений во времени, а не сами высокочастотные колебания. Схема ограничителя. Пример такой схемы приведен на рис. 9,33. Это каскад усиления промежуточной частоты, в кото- 266 Рис. 9.31. Действие ограничителя на помехи при приеме ЧМ сигналов: а - ЧМ колебания без помех; б - ЧМ колебания с дополнительной амплитудной модуляцией от помех; в - те же колебания после ограничения - помехи срезаны ром при помощи делителя напряжения, составленного из сопротивлений Ri, R2 и большого сопротивления Rz, установлены низкие .напряжения на аноде и на экранирующей сетке (порядка + 10 в). Анодный ток получается сравнительно неболь- Лш Рис. 9.32. Действие ограничителя на помехи: а - входное напряжение, промодулированное помехами; б - характеристика ограничителя; в - напряжение на выходе ограничителя шим, что является главным ограничивающим фактором. Дополнительное отграничение получается за счет сеточных токов, которые воз1растают при более сильных сигналах. В данной схеме порог ограничения составляет примерно 0,5 б. ntn 6a Рис. 9.33. Схема ограничителя приемника ЧМ сигналов Детектирование ЧМ сигналов осуществляется различными способами. В простейшем случае ЧМ колебания -сначала преобразуются в амплитудно-модуЛ'Ированные. Для этого используется колебательный контур, несколько расстроенный относи- 267 т.ельно несущей частоты сигнала. Контур работает на склоне кривой резонанса (рис. 9.34). Точка Л на кривой резонанса соответствует промежуточной частоте /Пр. Кривая, изображенная внизу, показывает изменение Напряжение т контуре Амплитуде напряжения на контуре 0т ограничителя "1 Изменение частоты сигнала Рис. 9.34. Превращение ЧМ сигналов в амплитудно-модулиро- ванные частоты во времени у колебаний промежуточной частоты. Изменения частоты преобразуются при помощи контура в изменения амплитуды, как показывает правый график. Таким образом, напряжение "а контуре модулировано по амплитуде, причем изменение амплитуды соответствует изменению частоты. Ампли-i .^ тудно-модулированные КУНЧ колебания подводятся к сеточному детектору, после которого получаются колебания звуковой частоты. Схема подобного детектора ЧМ сигналов показана в упрощенном виде на рис. 9.35. Контур LC расстроен относительно частоты сигналов, приходящих от ограничителя. Емкость Сс и сопротивление Rc служат для сеточного детектирования. Колебания звуковой частоты с анодного нагрузочного сопротивления R подаются на усилитель низкой частоты. Наиболее простая схема специального частотного детектора, называемого иначе дискриминатором (различителем), изобра- 268 Г1 Г сс I И-^ __ Т о о т О -1 L R И N г KcLJ о с с^ ?zW -4-.У " ' Ба |+ Рис. 9.35. Схема детектора ЧМ сигналов жена на рис. 9.36, а. В ней контуры LC и L\C\ настроены на промежуточную частоту /пр. Катушка L\ имеет вывод от средней точки. Поэтому напряжения Ь\ и U2 равны по амплитуде, но сдвинуты по фазе на 180°. Детекторы R\ и Д2- ламповые или полупроводниковые диоды. Можно использовать двойной диод с раздельными катодами. Сопротивления R\ и R2- нагрузочные. Конденсаторы С2, Сз и С4 имеют малое сопротивление для токов высокой частоты. Дроссель Др, наоборот, представляет собой ЛР 'TOtfx-i '6ЫХ 6ЫХ w?Z /рез Рис. 9.36. Схема частотного детектора - дискриминатора (а) и его характеристика (б) большое сопротивление для токов частоты /пр. При подаче на вход дискриминатора частотно-модулированного напряжения U "а выходе получается напряжение звуковой частоты (/вых. В цепи детектора Д\ действует напряжение U+Ui, а в цепи детектора Д2- напряжение U+U2. Если частота входного напряжения равна резонансной частоте контуров /рез, то благодаря свойствам индуктивной связи напряжение на вторичном контуре сдвинуто по фазе на 90° относительно напряжения V. Напряжение вторичного контура разделено на два равных и противоположных по фазе напряжения U\ и U2. Поэтому если U\ отстает по фазе от U на 90° (сдвиг фаз +90°), то U2 опережает гго фазе напряжение U на 90° (сдвиг фаз -90°). При сдвиге фаз на 90° (независимо от знака) напряжения и+и{ и U+U2 равны по амплитуде. После выпрямления этих напряжений детекторами Д^ и Д2 на сопротивлениях R\ и R2 получаются равные, но противоположные по знаку постоянные напряжения, а выходное напряжение равно нулю. Если частота входного напряжения изменилась и не равна /рез, то вторичный контур окажется расстроенным. Напряжение на нем теперь сдвинуто по фазе относительно напряжения U больше или меньше чем на 90° (в зависимости от того, в какую сторону изменилась частота входного напряжения). Поэтому сдвиги фаз между U\ и U, а также между U2 и U уже не равны 90°. Если сдвиг фаз между Ul и U уменьшится, то сдвиг фаз между U2 и U увеличится (или наоборот). Напряжения U+Ui 269 и U-\-U2 станут различными по величине, а выпрямленные напряжения на Ri и, Rz будут неодинаковыми. Выходное напряжение, представляющее собой разность этих напряжений, уже не равно нулю. Оно положительно или отрицательно относительно земли в зависимости от того, где больше напряжение: на RI или на Ri, т. е. в зависимости от того, в какую сторону отклонилась частота. Чем больше отклонение частоты сигнала от резонансного значения, -тем больше выходное напряжение. Но это получается г. ДР гНР-1 г- ^ЯКГ- ---- 1 i ---- 0 1.. а 0 *т~ ~~7) (=> * - и i L 'еых 1с И g и, л, ад на ш* *Л -я №, U =н s g ИНН шш Ml Г0' s- --- 0 J-П9. 1 L , f b? И -нёз п = "-У'фсГ1 б Рис. 9.37. Схема дробного детектора для ЧМ сигналов лишь до известного предела, так как значительная расстройка приведет к уменьшению напряжений на контурах и выходное напряжение будет падать. Зависимость ?/вых от частоты сигнала показывает характеристика детектора, приведенная на рис. 9.36,6. Нормально частотный детектор работает на прямолинейном участке характеристики (АБ). Тогда ЧМ колебания без искажений преобразуются IB колебания звуковой частоты. Мы рассмотрели схему частотного детектора с индуктивной связью между контурами. Применяется также подобная схема с внещнеемкостной связью контур о-в. В более совершенных схемах детектор одновременно является и ограничителем. Таким свойством, например, обладает дробный детектор, или детектор отношений (рис. 9.37). Он отличается от детектора, изображенного на рис. 9.36, тем-, что детекторы Д\ и Лч соединены последовательно и их нагрузочные сопротивления R\ и ^2 зашунтированы конденсаторами большой емкости Сб и Се ('порядка 10 мкф). Кроме того, включены конденсаторы С3 и С4 сравнительно малой емкости, представляющие значительное сопротивление для токов звуковой частоты. Выходное напряжение получается между средней точкой этих конденсаторов и землей. Оно подается на усилитель низкой частоты. При работе детектора вследствие большой емкости конденсаторов С5 и Св напряжения на них остаются (постоянными. Постоянно также и суммарное напряжение на конденсаторах Сз 270 и С4 (между точками а и б). Если приходящие колебания имеют некоторую амплитудную модуляцию, то она не будет сказываться на величинах этих напряжений. А при наличии частотной модуляции, как и в предыдущей схеме, напряжения высокой частоты, подводимые к детекторам Д\ и Дь изменяются по величине. Следовательно, меняются с частотой модуляции и напряжения "а конденсаторах Сз и С4, а сумма их все время остается неизменной. Происходит лишь перераспределение напряжения между этими конденсаторами. При этом меняется со звуковой частотой и выходное напряжение. АВТОМАТИЧЕСКАЯ ПОДСТРОЙКА ЧАСТОТЫ Надежность радиосвязи можно значительно -повысить, если применить кварцевую стабилизацию частоты в передатчике и в гетеродине приемника. Однако при помощи кварца сложно стабилизировать частоту в плавном диапазоне. Для получения надежной радиосвязи на любых частотах в плавном Рис. 9.38. Блок-схема приемника с автоматической * подстройкой частоты диапазоне применяют также автоматическую подстройку частоты (АПЧ). Сущность ее легкоч понять, если рассмотреть блок-схему на рис. 9.38. Кроме обычных каскадов, в приемнике с АПЧ имеются дискриминатор и управитель. Дискриминатор может быть собран, например, по схеме рис. 9.36. На него подается напряжение от усилителя промежуточной частоты. Если он имеет частоту, равную резонансной частоте контуров усилителя промежуточной частоты и дискриминатора, то постоянное напряжение на выходе дискриминатора равно нулю. ^При отклонении частоты сигнала в ту или другую сторону на выходе дискриминатора появляется постоянное напряжение того или иного знака. Оно подводится к управителю, который подобен частотному модулятору, рассмотренному в предыдущей главе. В ней было показано, что при изменении напряжения смещения на сетке модуляторной лампы ее емкость между сеткой и катодом изменяет свою величину. Эта лампа подключена к контуру гетеродина приемника и управляет частотой колебаний гетеродина. Пусть частота принимаемых сигналов уменьшилась из-за нестабильности частоты передатчика. Тогда частота сигнала после усилителя промежуточной частоты возрастет. То же могло быть и в случае, если бы частота сигнала была постоянна, но вдруг увеличилась частота гетеродина приемника. Повышение частоты напряжения на входе дискриминатора вызовет появление на 271 его выходе постоянного положительного напряжения. Под действием этого напряжения возрастет емкость участка сетка - катод лампы управителя. Так как эта емкость подключена к контуру .гетеродина, то частота его колебаний уменьшится. 'Следовательно, уменьшится разность между частотами гетеродина и сигнала и промежуточная частота будет стремиться возвратиться к своему нормальному значению. Если частота принимаемых сигналов увеличилась или уменьшилась частота гетеродина приемника, то произойдет подобный же процесс. Но на выходе дискриминатора появится отрицательное напряжение, которое уменьшит величину емкости участка сетка - катод лампы управителя. В результате частота гетеродина увеличится. Таким образом, при любой расстройке происходит автоматическая подстройка частоты гетеродина, приводящая к более точной настройке приемника на принимаемые сигналы. РЕГЕНЕРАТИВНЫЙ ПРИЕМ Прием телеграфных сигналов иногда осуществляется при помощи так называемой регенерации. Она применяется обычно в каскаде сеточного детектирования, в котором делается обратная связь, как и в ламповом генераторе с самовозбуждением. КУНЧ •>яя Рис. 9.39. Схема детекторного каскада с индуктивной обратной связью На рис. 9.39 показана схема каскада сеточного детектирования с индуктивной обратной связью. По существу она представляет собой ламповый генератор с параллельным анодным П'Итаеием. Величина обратной связи может регулироваться конденсаторам переменной емкости Са. Если конденсатор Са установлен на малую емкость, то обратная связь слабая. При увеличении емкости Са обратная связь усиливается и доходит до значения, при котором возникает генерация собственных колебаний. Это значение обратной связи называется порогом, генерации. Частота генерируемых колебаний определяется индуктивностью и емкостью контура LC. Прием телеграфных сигналов производится за порогом генерации по методу биений. Когда приемник генерирует, собственные колебания складываются с принимаемыми и получаются биения. Частота их зависит от разности между частотами принимаемых и собственных колебаний. Но частота сигналов постоянна, а частота собственных колебаний, как и во всяком генераторе с самовозбуждением, равна частоте контура. 272 Если контур LC настроен точно на частоту сигнала, то получаются нулевые биения, так как частота сигнала равна частоте колебаний, генерируемых в контуре. Но если расстроить немного контур, то частота собственных колебаний изменится и возникнут биения с разностной частотой. Благодаря детектированию можно слышать их звуковой тон. Чем сильнее расстройка контура, тем больше разность между частотой собственных колебаний и частотой сигнала и тем выше тон биений. Таким образом, при вращении ручки контурного конденсатора С тон биений изменяется. Прием телефонных сигналов за порогом генерации получается искаженным и сопровождается свистом (от биений). Поэтому телефонные сигналы принимают, устанавливая обратную связь до порога генерации. В этом случае за счет обратной связи получается значительное усиление принимаемых сигналов, что можно объяснить следующим образом. Анидный ток лампового детектора имеет три составляющие: постоянную, низкочастотную и высокочастотную. Составляющая высокой частоты соответствует по форме принимаемым модулированным колебаниям. Эта составляющая проходит через катушку обратной связи La и индуктирует в катушке контура L переменное напряжение, соответствующее принимаемым сигналам. Если концы катушек L и La включены верно, то напряжение, индуктированное в катушке L за счет обратной связи, совпадает по фазе с напряжением сигнала и складывается с ним. В результате переменное напряжение на сетке лампы возрастает. Одновременно возрастает амплитуда высокочастотной составляющей анодного тока, а следовательно, увеличивается и напряжение, индуктированное этой составляющей в катушке контура. Напряжение на сетке еще больше увеличивается. Это снова дает усиление высокочастотной составляющей анодного тока и т. д. Однако колебания нарастают лишь до определенной величины. С увеличением амплитуды колебаний в контуре LC возрастает потеря энергии в активном сопротивлении контура. Нарастание амплитуды колебаний возможно до тех пор, пока энергия, добавляемая в контур при помощи обратной связи, больше, чем потеря энергии в контуре. Как только потеря энергии будет равна энергии, поступающей из анодной цепи через обратную связь, нарастание амплитуды колебаний прекратится. Такое усиление колебаний высокой частоты получается только при достаточной обратной связи, т. е. при достаточной близости катушек L и La и при правильном их включении. Если катушки включены неверно, то напряжение, индуктированное в контуре катушкой La, противоположно по фазе напряжению сигнала и ослабляет, а не усиливает колебания в контуре. При наличии регенерации сеточный детектор является одновременно и усилителем высокой частоты. Чувствительность ре- 273 генеративного приемника поэтому очень велика, особенно к слабым сигналам. Чем слабее принимаемый сигнал, тем больше усиление. Для слабых сигналов коэффициент усиления регенератив-ного детекторного каскада доходит до нескольких тысяч, а для сигналов близких мощных станций усиление получается малым. Недостатки регенеративного приемника. Регенеративный приемник обладает наибольшей чувствительностью для приема радиотелефонных сигналов в случае, если обратная связь доведена до порога генерации. Но в этом режиме прием очень неустойчив. При малейшем изменении питающих напряжений, настройки контура или частоты сигнала либо возникает генерация собственных колебаний, создающих сильное искажение принимаемых сигналов, либо резко падает чувствительность. Прием телеграфных сигналов более устойчив, так как он ведется в режиме генерации. Тон принимаемых телеграфных сигналов определяется частотой биений. Не слишком большие изменения режима работы схемы, как правило, не срывают генерацию колебаний и прием не прерывается. Наблюдается лишь изменение тона сигналов или незначительное изменение громкости. СВЕРХРЕГЕНЕРАТИВНЫЙ ПРИЕМ Недостатки регенеративного приемника в значительной степени устраняются в сверхрегенераторе, в котором модулированные сигналы принимаются в режиме генерации, но мешающие биения звуковой частоты не возникают, так как генерация колебаний прерывается со сверхзвуковой частотой. Благодаря этому в сверхрегенераторе получается более устойчивый прием модулированных силналов, чем в регенераторе, и весьма высокая чувствительность. Усиление, даваемое одним сверхрегенеративным каскадом при приеме слабых сигналов, доходит до сотен тысяч. Оверхрегенеративные приемники применяются только для приема !радиотелефонных сигналов или модулированных радиотелеграфных сигналов: Они имеют сравнительно невысокую избирательность и поэтому особенно пригодны для приема сигналов передатчиков, не имеющих стабилизации частоты. Недостатком сверхрегенератора является "суперный шум" в виде шороха, 'слышимого при отсутствии принимаемых сигналов. Этот шум уничтожается приходящими сигналами, если только они не слишком слабы. Физические процессы в сверхрегенераторе. Пусть в регенеративном приемнике (рис. 9.40) обратная связь установлена такой, что при небольшом отрицательном смещении на сетке получается режим генерации, а при увеличении смещения собственные колебания прекращаются. Если подать на сетку от вспомогательного генератора пере- 274 менное напряжение с частотой, которая значительно ниже частоты собственных колебаний, то смещение на сетке будет изменяться. Когда на сетку поступает положительная полуволна вспомогательного напряжения, то рабочая точка на характеристике лампы находится в области большой крутизны и в v схеме генерируются собственные колебания. В отрицательный полупериод напряжения вспомогательной частоты рабочая точка сдвигается на участок характеристики с меньшей крутизной и генерация прекращается. Таким образом, генерация собственных колебаний высокой частоты прерывается с более низкой вспомогательной частотой. Эту частоту называют гасящей. Когда на входе приемника полезных сигналов нет, генерация колебаний высокой частоты во время положительных полу- w7f Рис. 9.40. Схема для получения сверхрегенеративного/ приема Колебания гасящей частоты а Г"1 ., _ t . 1,Всп ))шки "колебаний бысс i 1 i жои, л \чос № поты ! I =Ж=. i i i j Импульсы после детектирования 1 [ i i i ' : ' A.|/fVUki/1-4b4, Рис. 9.41. Графики процессов в сверхрегенераторе при отсутствии сигналов на входе приемника периодов гасящего напряжения возникает под влиянием электрических флуктуации. Этим термином называют весьма слабые электрические импульсы, которые существуют в любой электрической цепи, так как электроны в каждом проводнике совершают беспорядочное тепловое движение. На рис. 9.41 даны графики электрических процессов в сверхрегенераторе при отсутствии сигналов на входе приемника. Гра- фик а показывает напряжение гасящей (вспомогательной) частоты. Для упрощения гасящее напряжение взято прямоугольной формы. Если гасящее напряжение имеет синусоидальную форму, то принцип работы сверхрегенератора не изменится, "о явления будут протекать сложнее. Возникающие вспышки колебаний высокой частоты даны на графике б. Эти колебания возникают и нарастают при каждом положительном полупериоде гасящего напряжения, а затухают при каждом отрицательном его полупериоде. Чем сильнее начальный импульс электрических флуктуации, тем больше амплитуда генерируемых колебаний высокой частоты. Импульсы электрических флуктуации имеют разную величину, и вспышки колебаний имеют также 'различные амплитуды, причем никакой закономерности в этом нет. В результате детектирования таких высокочастотных колебаний с "беспорядочной" "модуляцией получаются импульсы различной величины, следующие друг за другом со вспомогательной частотой (график в). Они не могут быть слышны в телефоне, так как вспомогательная частота сверхзвуковая. Среднее значение тока этих импульсов, показанное на графике в пунктирной линией, изменяется также беспорядочно, но более медленно и создает в телефоне звук в виде шороха - суперный шум. Если на приемник воздействуют полезные сигналы более слабые, чем импульсы электрических флуктуации, то процесс практически не изменяется. Суперный шум остается и заглушает принимаемые сигналы. Прием сигналов, уровень которых выше уровня импульсов флуктуации, показан на рис. 9.42. Напряжение гасящей частоты изображено на графике а. График б показывает модулированное колебание приходящего сигнала. Вспышки собственных колебаний теперь возникают под влиянием более сильных приходящих колебаний, а не от слабых флуктуационных импульсов. Наибольшая амплитуда колебаний в этих вспышках определяется амплитудой приходящих сигналов, т. е. следует закону модуляции этих сигналов (график в). Результат детектирования таких колебаний показан на графике г. Среднее значение полученных импульсов изменяется с частотой модуляции, и в телефоне слышен передаваемый звук. В этом случае нет вспышек колебаний от флуктуации и суперный шум не слышен даже тогда, когда принимаются только несущие колебания сигнала, т. е. когда модуляции нет. Происходит подавление суперного шума приходящими сигналами. Вспышки колебаний под влиянием приходящих сигналов могут возникать и при большой разнице между частотой сигнала и частотой приемного контура, т. е. при значительной расстройке. Амплитуда сигналов при этом уменьшается, но, пока она превышает флуктуационные импульсы, прием возможен. Следовательно, избирательность у сверхрегенератора получается срав- 276 нительно низкая, но зато устойчивость приема значительно выше, чем у обычного регенеративного приемника. Рассмотренные процессы в сверхрегенераторе объясняют его высокую чувствительность. Под влиянием очень слабых приходящих сигналов в сверхрегенераторе возникают вспышки собственных колебаний, амплитуда которых нарастает до значительной величины, определяющей слышимость принимаемых сигна- Колебания гасящей частоты Модулированный принимаемый сигнал ^Вспышки" колебаний высокой частоты А ^-А-Л-Л-АА.-А... РИС. 9.42. Графики процессов в сверхрегенераторе при приеме модулированных сигналов лов. Вспышки генерации колебаний происходят с частотой гасящего напряжения, а приходящие сигналы определяют величину наибольшей амплитуды генерируемых колебаний. Чувствительность сверхрегенератора зависит от того, до какой величины может нарастать амплитуда собственных колебаний. Эта амплитуда может достигатынескольких вольт, хотя приходящие сигналы могут иметь амплитуду в несколько микровольт. Таким образом, коэффициент сверхрегенеративного усиления доходит до миллионов и мало зависит от усилительных свойств лампы. Возможна также работа сверхрегенератора при низком анодном .напряжении (15-20 в), если оно достаточно для самовозбуждения. Гасящая частота должна быть обязательно сверхзвуковая, чтобы колебания этой частоты не воспринимались ухом человека, и она должна быть значительно ниже частоты сигнала. Если последнее условие не соблюдается, то за время положительного полупериода гасящей частоты амплитуда колебаний 277 П, С., =т= Л2 высокой частоты не нарастает до достаточно большой величины. На средних и даже коротких волнах трудно выполнить указанные условия, но для УКВ можно выбрать наивыгоднейшую гасящую частоту порядка 100-200 кгц. Сверхрегенератор дает излучение в окружающее пространство, так как он работает в режиме генерации. Поэтому желательно иметь каскад усиления высокой частоты, который устраняет излучение, отделяя генерирующий каскад от антенны, повышает чувствительность приемника и делает его работу более устойчивой. Если нет" каскада усиления высокой частоты, то Г"~1т \L всякие изменения параметров ан- *яя -17р-----_ •• , тенны влияют на настройку и режим работы сверхрегенератора, колебательный контур которого связан с антенной. Применение сверхрегенератора без каскада усиления высокой частоты допустимо только в крайнем случае, например в переносной аппаратуре, когда число ламп и расход энергии источников питания должны быть сведены к минимуму. Основные схемы сверхрегенеративных приемников. Типичная схема сверхрегенератора с отдельным генератором показана на рис. 9.43. Ламп.а Л\ входит в детекторно-регенеративный каскад, представляющий собой УКВ генератор и сеточный детектор. Контур L\C\ настраивается на частоту приходящих сигналов. Генератор колебаний гасящей частоты работает на лампе Л2 и имеет индуктивную обратную связь. Гасящая частота определяется параметрами контура L2C2. Для "регулировки режима работы служит потенциометр /?, при помощи которого изменяют анодное напряжение на лампах. Через конденсатор С3 колебания гасящей частоты передаются "а сверхрегенеративный каскад. Конденсатор С4 служит для пропускания только токов частоты принимаемого сигнала, а через конденсатор Cs замыкаются токи гасящей и низкой частоты. Трансформатор Тр служит для передачи колебаний, полученных в результате детектирования, на усилитель низкой частоты Дроссель Др преграждает путь колебаниям высокой частоты. . В такой схеме генератор на лампе /////, Рис 9.44. Схема сверхрегенеративного детектора, работающего в режиме самогашения ПРИЕМ ОДНОПОЛОСНЫХ РАДИОТЕЛЕФОННЫХ СИГНАЛОВ При однополосной радиосвязи при помощи амплитудной модуляции вместо несущей и двух боковых полос колебаний на вход приемника поступает только одна боковая полоса. Чтобы восстановить полный спектр радиотелефонной передачи, на де- 27'-) тектор приемника вместе с колебаниями сигнала подаются колебания от гетеродина, настроенного на несущую частоту передатчика. В результате сложения этих колебаний образуются биения, которые после детектирования дают токи звуковых частот, соответствующие передаваемому сигналу. При этом во избежание искажений частота колебаний, создаваемая гетеродином приемника, не должна отличаться от несущей частоты передатчика больше чем на 10-15 гц,- Для обеспечения такой высокой точности настройки гетеродина вместе с боковой полосой обычно передаются импульсные сигналы несущей частоты (пилот-сигнал), которые используются в приемнике для подстройки частоты гетеродина. Принцип автоматической подстройки частоты был описан выше. Пилот-сигнал может иметь частоту, отличную от частоты несущих колебаний. Схемы подстройки в этом случае более сложны. Приемники однополосной радиотелефонной связи по сравнению с обычными обладают вдвое меньшей полосой пропускания и, следовательно, более высокой избирательностью по отношению к мешающим станциям. ОКОНЕЧНЫЕ КАСКАДЫ РАДИОПРИЕМНИКОВ Оконечные каскады предназначаются для согласования радиоприемного устройства с нагрузкой. У приемников маломощных радиостанций нагрузкой чаще всего являются головные телефоны, либо телефонная линия, либо то и другое вместе. На выход приемников более мощных радиостанций включаются громкоговорители, буквопечатающие аппараты СТ-35 или БДА. Включение таких 1разнородных нагрузок требует введения в радиоприемник специальных вспомогательных устройств. Каскады радиотелефонных приемников. На рис. 9.45, а показана схема выходного каскада с пентодом. Телефон включен через понижающий автотрансформатор. Колебания на сетку поступают от предыдущего каскада через сеточный конденсатор Сь В провод катода включено сопротивление автоматического смещения Rz, зашунтированное конденсатором Сч. Напряжение смещения на управляющую сетку подается через сопротивление утечки Ri. Напряжение на экранирующую сетку подано через гасящее сопротивление /?3- Конденсатор С3, включенный между анодом и корпусом, имеет сравнительно небольшую емкость и служит для пропускания колебаний высокой частоты, которые все же проникают в усилитель низкой частоты. Прохождение их в телефон нежелательно, так как может возникнуть паразитная генерация вследствие того, что емкость между шнуром телефона и проводом антенны играет роль обратной связи. Упрощенная схема выходного каскада другого приемника дана на рис. 9.45, б. В ней имеется трансформаторный выход на низкоомный телефон микротелефонной трубки. Первичная об- 280 См мотка трансформатора использована в качестве выходного автотрансформатора для дополнительного головного телефона. На экранирующую сетку подается полное напряжение анодной батареи. Напряжение смещения получается за счет сопротивления R в цепи накала и пода'ётся "а управляющую сетку через сопротивление утечки Rc. С целью уменьшения помех усилитель рассчитан на пропускание колебаний, частотой примерно От-300-3000 гц. Колебания детекторного частотой ниже 300 гц не каскада пропускаются потому, что переходный конденсатор Сс . имеет сравнительно малую емкость. Сопротивление /?ф и конденсатор Сф образуют фильтр, задерживающий колебания более высоких частот, для которых конденсатор Сф имеет весьма небольшое сопротивление по сравнению с Яф. Поэтому почти все напряжение высшей частоты падает на R$, a на конденсаторе Сф, т. е. между сеткой и катодом, будет очень малая часть этого напряжения. В каскадах усиления низкой частоты приемников часто применяют отрицательную обратную связь, улучшающую качество воспроизведения звука при приеме радиотелефонных сигналов. В приемниках для приема широковещательных передач, как правило, применяется отрицательная обратная связь. Кроме того, вводится ряд корректирующих устройств, улучшающих частотную характеристику. Например, "а схеме рис. 9.46 показаны фильтры в цепях анода и сетки, позволяющие выровнять частотную характеристику. С этой же целью между анодом и сеткой включена цепочка отрицательной обратной связи. Применение в ней конденсаторов делает обратную связь более сильной на высших звуковых частотах и уменьшает ее в области низших. Когда приемник используется для слухового приема телеграфных сигналов, то нет (необходимости делать частотную ха- 19-261 281 ъяя Рис. 9.45. Схема выходных каскадов на пентодах рактеристику равномерной во всем диапазоне звуковых частот. Для уменьшения влияния мешающих радиостанций в этомслу- Цепичка отрицательной обратной связи 1---;----1 Dm /Mfc&cto-jj-1"~" щегонаскаЗи -$йитр Рис. 9.46. Схема выходного каскада с улучшенной частотной характеристикой -fae целесообразно в каскадах усиления низкой частоты применять схемы, ^суживающие полосу пропускания, в частности схему избирательной отрицательной обратной связи. - 1 Р р----------| ..и! 1 ". R*\ "я АгН _г*р| Выход /(ец) ,1000 jFfetfl Рис. 9.47. Узкополосный загран^дающий фильтр и его применение для избирательной обратной связи в усилителе низкой частоты Избирательная обратная связь осуществляется при помощи специального фильтра (рис. 9.47). Его можно представить состоящим из двух параллельно соединенных фильтров 282 (рис. 9.47,а). Фильтр / хорошо пропускает колебания низких частот, "о задерживает колебания более высоких частот. По своему устройству и действию он напоминает сглаживающие фильтры выпрямителей или развязывающие фильтры многокаскадных усилителей. Фильтр //, наоборот, хорошо пропускает колебания более высоких частот, но задерживает колебания низких частот. Сопротивления и емкости фильтров подобраны так, что частотная характеристика всего фильтра имеет вид, показанный на рис. 9.47, б. Фильтр действует подобно резонансному контуру, он хорошо пропускает колебания всех частот, за исключением узкой полосы. Средняя частота этой полосы обычно выбирается Усилитель промежуто^ чной Г частоты Фильтр ( частоты 1. ч^ Детектор \ Элентрон- Фильтр частоты ? ^. Детент'ор / реле " Электроне-, i ханичесное реле fi .телеграф но ML 1 4 -Якорь \ реле ---- -> \"- ---- 1 аппарату <-т)1|1|Ь- TMlfc-J Линейные батареи Рис. 9.48. Блок-схема каскадов приемника, предназначенного для буквопечатающего телеграфного приема порядка 1000 гц. Подобный фильтр называется заграждающим, или запирающим. Его частотная характеристика получается весьма острой. Контур обычного типа, состоящий из катушки и конденсатора и рассчитанный на 1000 гц, как правило, не имеет острой резонансной кривой и требует применения очень большой индуктивности. Поэтому использование фильтра, состоящего из сопротивлений и емкостей, более выгодно. Фильтр включают в цепь отрицательной обратной связи усилителя "изкой частоты (рис. 9.47,в). Хотя схема фильтра изображена не так, как на рис. 9.47, а, нетрудно убедиться, что она остается прежней. Усиленное напряжение, получающееся в анодной цепи (между анодом и землей), Подается через фильтр на сетку лампы в качестве напряжения отрицательной обратной связи. На всех частотах это напряжение^значительно, т. е. обратная связь сильная, а усиление каскада небольшое. Только в пределах узкой полосы около частоты 1000 гц отрицательная обратная связь уменьшится и усиление каскада резко возрастет. Частотная характеристика каскада показана на рис. 9.47, г, Приемник на- 19* I-щ^р^- о сх Е >з страивается так, чтобы тон принимаемых телеграфные сигналов имел частоту порядка 1000 гц. Тогда эти сигналы хорошо усиливается, а сигналы мешающих станций с другой частотой тона слышны слабо. Конденсатор Ср, включенный последовательно с фильтром, является разделительным и защищает сетку лампы от высокого анодного напряжения. Прием телеграфных сигналов на буквопечатающий аппарат или ондулятор. При передаче телеграфных сигналов для приема их на буквопечатающий аппарат или ондулятор передатчик посылает серию высокочастотных импульсов, имеющих поочередно две разные частоты. Для управления буквопечатающим аппаратом или ондулятором эти импульсы преобразуются в импульсы постоянного тока различного направления. Такое преобразование осуществляется по схеме, приведенной на рис. 9.48. Напряжение от усилителя промежуточной частоты поступает на ограничитель амплитуды, устраняющий изменения силы сигнала. Схема и принцип работы ограничителя были описаны, когда мы 'рассматривали прием ЧМ сигналов. За ограничителем включены два кварцевых фильтра. Один из них настроен на первую частоту, другой - на вторую. В результате при приеме телеграфных сигналов колебания возникают попеременно в том и другом фильтре. От фильтров напряжение подводится к детекторам, где и преобразуется в импульсы постоянного напряжения, используемые для управления электронным реле, в анодную цепь которого включено поляризованное электромеханическое реле. Детекторы подключены так, что один из них создает на сетке лампы электронного реле импульс положительного напряжения, а другой - импульс отрицательной полярности. Вследствие этого якорь электромеханического реле перебрасывается то в одну, то в другую сторону, и в цепь управления телеграфного аппарата поступают импульсы постоянного тока различных направлений от линейной батареи. Длительность этих импульсов определяется длительностью импульсов высокой частоты, поступающих на вход приемника. Величина импульсов тока зависит от напряжения линейной батареи и сопротивления цепи телеграфного аппарата. Одна из схем электронного реле была показана в предыдущей главе. СХЕМЫ ПРИЕМНИКОВ Представление о полной схеме современного приемника дает показанная на'рис. 9.49 несколько упрощенйая схема шестйлампового супергетеродинного приемника с питанием от батарей. В нем в преобразователе частоты используется гептод, а в остальных каскадах применяются пентоды. Для накала служит аккумулятор на 2,5 в. Напряжение анодного источника 80 в. Колебания от антенны через конденсатор СА, служащий для настройки антенны, поступают во входной контур LiCi и далее на управляющую сетку лампы усилителя высокой частоты. Усиленные колебания от анодного контура L-^CZ этого каскада подаются через разделительный конденсатор С на сигнальную сетку гептода. Гетеродинная часть преобразователя частоты представляет собой генератор с индуктивной обратной связью, параллельным анодным питанием и контуром LaCs в цепи сетки. Контуры усилителя высокой частоты и гетеродина настраиваются блоком конденсаторов Ci - С2 - С3. В этих контурах есть подстроечные конденсаторы. Катушки имеют сердечники. Колебания промежуточной частоты выделяются в контуре L&4, настроенном на промежуточную частоту 460 кгц. Контуры L^C^ и LsCs образуют первый полосовой фильтр промежуточной частоты. Далее следуют два каскада усиления промежуточной частоты с полосовыми фильтрами L^Cg- ?7^7 и L&CS - ЬдСд. Катушки всех фильтров имеют сердечники. От последнего контура колебания поступают на детектор, в котором работает пентод.' Промежуток анод - катод этой лампы используется в качестве диода детектора, собранного по последовательной схеме, а катод и две сетки выполняют роль триода второго гетеродина. Последний имеет схему с индуктивной обратной связью и последовательным анодным питанием. Его контур LioCio настроен на частоту 459 кгц. Для выключения второго гетеродина при приеме телефонных сигналов в цепи катушки обратной связи L\\ имеется выключатель. Напряжение звуковой частоты от нагрузочного сопротивления R детектора подается на управляющую сетку лампы усилителя низкой частоты. В цепь передачи этого напряжения включены конденсатор С\\, срезающий колебания низших звуковых частот, и фильтр /?фСф, срезающий колебания высших частот. Оконечный каскад имеет трансформаторный выход на телефон микротелефонной трубки. От первичной обмотки сделан автотрансформаторный выход на головной телефон. Регулировка громкости осуществляется изменением напряжения на экранирующих сетках ламп каскада усиления высокой частоты и первого каскада усиления промежуточной частоты при помощи потенциометра Ri- В цепь накала каждой лампы включено гасящее сопротивление, создающее отрицательное напряжение смещения 0,5 в на управляющих сетках ламп (за исключением лаМпы детектора). Экранирующие сетки питаются через гасящие сопротивления. В анодных цепях всех ламп, кроме третьей и шестой, имеются развязывающие фильтры, В усилитель низкой частоты при помощи выключателя В можно включать фильтр для избирательной обратной связи, который значительно уменьшает усиление на всех звуковых частотах, кроме. частоты 100CF гц и близких к ней. В результате пропускаются колебания лишь в узкой полосе около частоты 1000 гц. Это полезно для приема телеграфных сигналов при наличии помех. Нормальная полоса пропускания при выключенном фильтре, примерно 300-3000 гц. ' Приемник имеет высокую чувствительность (5-10 мкв) и хорошую избирательность, так как сигнал проходит через восемь резонансных контуров. ГЛАВА 10 ОСНОВЫ РАДИОРЕЛЕЙНОЙ СВЯЗИ ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О РАДИОРЕЛЕЙНОЙ СВЯЗИ Радиорелейной связью называется особый вид радиосвязи на ультракоротких волнах, осуществляемый при помощи ряда промежуточных, ретрансляционных станций. На ретрансляционной станции сигналы предыдущей станции принимаются, усиливаются и передаются на следующую станцию. Радиостанции, осуществляющие такую связь, (называются радиорелейными. Радиорелейная связь является новым видом радиосвязи. Первая отечественная радиорелейная станция применялась в Берлинской операции. Промышленные радиорелейные станции были приняты на вооружение Советской Армии в 1950 году. В течение послевоенных лет в нашей стране были разработаны различные типы радиорелейных станций, применяемых для связи в армии. Партия и правительство уделяют большое внимание развитию радиорелейной связи. По семилетнему плану, например, предусмотрено увеличить общую протяженность радиорелейных линий СССР в 8,4 раза. Такое большое внимание к развитию этого нового вида связи иа ультракоротких волнах объясняется тем, что он имеет ряд весьма существенных достоинств по сравнению с другими видами радиосвязи. Основные достоинства радиорелейной связи следующие. Во-первых, качество связи на радиорелейной линии весьма высокое и сравнимо с качеством связи по хорошему кабелю. Практически оно мало зависит от состояния атмосферы, случайных помех, времени суток и года. Во-вторых, затруднены перехват и организация помех со стороны противника. В-третьих, возможна многоканальная связь, т. е. одновременная работа большого числа телефонных, телеграфных и фо" тотелеграфыых каналов. Перечисленные достоинства радиорелейной связи делают воз- 286 можным полное сопряжение телефонных и телеграфных каналов радиорелейной линии с соответствующими каналами проводной связи. Это позволяет организовывать и получать комплексную радиопроводную связь с использованием одной и той же оконечной проводной аппаратуры (телефонов, телеграфных аппаратов и т. п.). ПРИНЦИП УСТРОЙСТВА РАДИОРЕЛЕЙНОЙ ЛИНИИ На рис. 10.1 показана принципиальная схема радиорелейной связи с применением только двух промежуточных станций. Линия имеет две оконечные станции - А и Б, на каждой из которых имеется по одному передатчику и одному приемнику /, К*>1 г Пр. --- Пер. 1 | / 1 Пер. Пр. 1 2 Ч /i K*h /5 г4*Ь Г 1 Пр. Пер 1 1 1 \ 1 i /Э к-ь 1 1 1 i Пер. X •4&- f Промежуточная Промежуточная Оконечная станция • станция станция л// /У2 "б Рис. 10.1. Принципиальная схема радиорелейной связи или, как говорят, по одному полукомплекту. Антенна оконечной станции А направлена в сторону промежуточной станции № 1, антенна оконечной станции Б - в сторону промежуточной станции № 2. Каждая промежуточная станция имеет по два передатчика и по два приемника, т. е. по два полукомплекта. Один приемник настроен на частоту (или фиксированную волну) левой окрнеч-ной или промежуточной станции, другой - правой станции^ Соответственно направлены их антенны. Приемники управляют своими передатчиками, которые излучают сигналы на других частотах (фиксированных волнах), чем те, на которые настроены приемники. Например, если приемник / промежуточной станции № 1 настроен ,на частоту /i, то передатчик излучает сигналы на частоте /2- Это сделано для того, чтобы излучаемые передатчиками колебания не воздействовали на свой приемник. Антенны передатчиков промежуточных станций направлены в стороны, противоположные по сравнению с 'приемными антеннами. Например, антенна передатчика / промежуточной станции № 1 направлена в сторону оконечной станции Б, в то время как приемная антенна приемника / направлена в сторону станции А. 287 При такой схеме построения' радиорелейной линии сигнал от оконечной станции А проходит к оконечной станции Б следующим образом. Сигнал передатчика А принимается приемной антенной приемника 1 промежуточной станции № 1 на частоте f\. Здесь он усиливается в приемнике и автоматически подается на передатчик /, который излучает его на частоте f% в направлении следующей промежуточной станции. На промежуточной станции № 2 сигнал принимается приемником 1, настроенным на частоту ./2, усиливается и автбматич^ски подается на йёрёДатчик /, который излучает его на частоте /3 в стброну ок>онечно,й станции Б, где он принимается 11рйём#икрм этойчгстанции. Точно таким же образом происходит передача и прием сигнала в обратном направлении от оконечной станции Б к оконечной станции А. Потребность в промежуточных станциях связана с использованием для связи ультракоротких волн, дальность распространения которых практически ограничена. Интервал между про-межуточн-ыми станциями берется таким, чтобы обеспечить прямую видимость между антеннами соседних станций. Величина этого интервала зависит от профиля и характера местности, высоты антенн. Например, в лесистой среднепересеченной местности при высоте -антенных мачт 20 м интервал между промежуточными станциями равен 30-35 км. В степных районах он возрастает до 40-50 км, а в гористой местности при умелом использовании рельефа это расстояние может достигать 100- 150 км, ^ Число промежуточных станций при данном, интервале между .ними зависит от дальности радиорелейной линии, т. е. расстояния между оконечными станциями А и Б. Например, если интервал между промежуточными станциями в среднем 40 км, то для линии связи длиной 750 км потребуется до 20 промежуточных станций. Выше было указано на возможность сопряжения каналов радиорелейной станции с телефонными и телеграфными каналами проводной связи. Для этой цели каналы радиорелейных станций могут быть подключены к коммутационным устройствам узла связи или поданы непосредственно к аппаратам абонентов (рис. 10.2). В такой системе абонент любого проводного коммутатора и любой радиорелейной станции может вести переговоры с другим абонентом, входящим в систему комплексной радиопроводной связи, используя для этого один и тот же тип оконечной аппаратуры (телефон, телеграфный аппарат). На промежуточных станциях радиорелейной линии часто предусматривается ответвление части телефонных и телеграфных каналов. Антенные системы радиорелейных станций отличаются от тех, которые применяются для обычной радиосвязи, так как к ним предъявляются особые требования. Они должны обеспечить как 288 можно более острую направленность, возможность подъема антенн на большую высоту и ориентирования их в иужном направлении. На подвижных радиорелейных станциях метрового диапазона чаще всего-применяются простые по конструкции и сравнительно легкие директор и ые антенны, иначе называемые антеннами типа "волновой канал". .k Промежуточная / \ ] станццяМ Оконечная станция Узел связи \ Кросс ^ \ Телеф. Телегр. cm. cm. 'Узел связи Рис. 10.2. Схема включения каналов радиорелейной линии в коммутирую-' - " щие устройства узлов связи На станциях дециметрового диапазона волн наибольшее применение нашли антенны с параболическими зеркалами (отражателями), обладающими весьма высокими свойствами направленности. Схема такой антенны приведена на рис. 10.3, а. В качестве излучателя в ней используется полуволновый вибратор Д устанавливаемый в фокусе металлического параболического зеркала. Перед вибратором расположен контррефлектор 2, направляющий излучение вибратора в сторону параболического зеркала, изготовленного из металлического листа или металлической сетки (для уменьшения парусности). Контррефлектор обыч-IHO делается в виде линейного проводника или диска. Принцип действия подобной антенны аналогичен принципу действия параболического зеркала, применяемого в оптике. Если на параболическое зеркало падает параллельный пучок лучей, то эти 289 Рис. 10.3. Схема параболической антенны (а), ее характеристика излучения (б) и общий вид мачты (в) с установленными на ней четырьмя антеннами дециметровой промежуточной станции лучи, отразившись от зеркала, соберутся в одной точке, называемой фокусом зеркала. Если же, наоборот, в фокусе поместить точечный излучатель света, то все падающие на зеркало лучи будут отражаться от его поверхности параллельным пучком. На дециметровых волнах излучатель не является точечным и рефлектор концентрирует энергию слабее, чем в оптике. Поэтому в параболической антенне хотя и достигается значительная концентрация излучения в направлении, определяемом зеркалом, пучок радиоволн получается расходящимся в некотором угле и в характеристике антенны появляются боковые лепестки излучения (рис. 10.3,6). Параболические антенны рассмотренной схемы могут использоваться как для излучения, так и для пдиема электромагнитной энергии. Конструкция передающих и приемных антенн одинакова. На станциях для каждого направления устанавливается по две подобных антенны - одна передающая, другая приемная. На рис. 10.3, в показан общий вид мачты ретрансляционной станции, на которой установлены четыре антенны (две передающие и'две приемные). В настоящее время применяется также другая конструкция параболической антенны, отличающаяся от рассмотренной тем, что в фокусе параболического зйркала находится не один, а два иолуволновых вибратора (рис. 10.4, а), расположенных перпендикулярно друг к другу. Подобная конструкция позволяет использовать антенну для одновременного излучения и приема с одного направления. В этом случае для каждого направления достаточно иметь одну антенну. На рис. 10.4,6 показана схема развернутого антенного устройства оконечной станции, у которой антенна служит одновременно для передачи и приема с одного направления. Мачты, на которых устанавливаются антенны (рис. 10.3 и 10.4), представляют собой конструкцию, состоящую из опорной плиты, станка (нижней секции), выполненного из стального уголка в виде фермы и снабженного устройством для подъема секций, и головки, на которой устанавливаются антенны. Длина каждой секции порядка 2,4 м, а число секций зависит от предусмотренной для данной станции высоты подъема антенн: при высоте 20 м - восемь секций, при высоте 30 ж-12. Мачта удерживается в вертикальном положении несколькими ярусами оттяжек. Установленные на мачте антенны могут поворачиваться в горизонтальной плоскости на угол ±150° для ориентирования в нужном направлении. Обычно в комплекте подвижных радиорелейных станций имеются также малые параболические антенны (диа- 291 метром 0,5 м), устанавливаемые непосредственно "а кузове аппаратной машины. Эти антенны используются при небольших расстояниях между соседними станциями. При строительстве стационарных радиорелейных линий большой дальности антенны устанавливают на высоких мачтах или башнях, высота которых достигает 70-80 м. Рис. 10.4." Параболическая антенна с двумя взаимно-перпендикулярными вибраторами (а) и развернутое антенное устройство (б) оконечной дециметровой радиорелейной станции с антенной для одновременной передачи и приема с одного направления На рис. 10.5^,показан другой вид антенной системы промежуточной станции. Параболические антенны размещены с двух сторон основания башни и "аправлены вверх иа укрепленные по бокам башни металлические отражающие диски ("зеркала"). Радиоволны соседней станции падают на одно из "зеркал", расположенных на вершине башни, отражаются вниз и поступают на установленную внизу антенну. С антенны сигналы поступают на радиоприемник, усиливаются, подаются на'радиопередатчик и в параболическую антенну с другой стороны башни. От параболической антенны радиоволны падают на второе "зеркало", отра* жаются от него и распространяются дальше в сторону следующей корреспондирующей станции. 292 ОСНОВЫ МНОГОКАНАЛЬНОЙ СВЯЗИ Перечисляя достоинства радиорелейных линий, мы указали на широкое применение в них многоканальной связи. Сущность многоканальной связи состоит в том, что одна радиорелейная линия используется для одновременной передачи и Рис. 10.5. Общий вид мачты с антеннами на промежуточной станции стационарной линии приема на одной несущей частоте многих телефонных разговоров, телеграфных и других сообщений. Процесс получения в линии многих каналов связи называется уплотнением линии, а специальная аппаратура, применяемая для этой цели, - а п-па|ратурой уплотнения. Принципиальная схема многоканальной радиорелейной связи показана на рис. 10.6. На концах радиорелейной линии, а также на промежуточных станциях, где предусмотрено ответвление 293 части каналов, устанавливается аппаратура уплотнения, которая соединяется с входами передатчиков и выходами приемников радиорелейных станций. При передаче токи отдельных каналов, поступающих, например, с телефонного коммутатора, направляются в передающую аппаратуру уплотнения. Здесь они модулируются, поступают на Оконечная станция А Промежуточная станция HI ПромежуЯшчШ станция N2 Аппаратура выделения 6кЪне~ч№Я станция б " Абонентная цепь Рис. 10.6. Принципиальная схема многоканальной радиорелейной связи передатчик оконечной станции и модулируют генерируемые им сверхвысокочастотные колебания. При приеме сверхвысокочастотные колебания детектируются и выделенные сигналы поступают в приемную аппаратуру уплотнения. Здесь они разделяются на токи отдельных телефонных разговоров (каналы), направляемые далее через коммутаторы по назначению. Из этой схемы видно, что для осуществления многоканальной связи передаваемые сигналы подвергаются двухступенчатой модуляции: первая ступень - модуляция сигналов отдельных каналов и вторая ступень - модуляция несущей частоты передатчика. Соответственно из двух ступеней состоит также демодуляция (детектирование) при приеме -демодуляция несущей частоты и разделение каналов. В настоящее время в многоканальной связи применяется ч а-стотное и временное разделение каналов. ЧАСТОТНОЕ РАЗДЕЛЕНИЕ КАНАЛОВ При частотном разделении каналов аппаратура уплотнения радиорелейной линии работает следующим образом. На передающей стороне радиорелейной линии (рис. 10.7) в аппаратуре уплотнения для каждого канала связи имеются 294 генератор поднесущей частоты и кабальный модулятор. Устройство и принцип работы генератора и модулятора описаны в главе 8. Разговорные токи от абонентов со входа канала поступают на модулятор. Частотные спектры разговорных токов, которые без ущерба для разборчивости речи можно ограничить в преде- Г" От микрофона \ мшЬмпп __, Полосовой ~] 1-го канала 1-го канал а ФильтрПФ, х ГенерсГщр поднесущец 1-го канала От микрофона Модулятор Полосовой 2-го канала \ '^канала фильтр ПФ2 1 А Групповой 1 К модуля- • Генератор поднесущей 2-Ъо канала усилитель \mopy радио-1 ------ ' передатчика От микрофона ' Модулятор Полосовой 1 i 3 -so канала , 3-го канала *" ФильтрПФз -*- i i \ X \ i 1 Генератор 1 \ поднесущей 1 ' 3-гошшла 1 Рис. 10.7. Принцип разделения каналов по частоте на передающей стороне л ах 400-2500 гц, условно изображены "а рис. 10.8, а в виде треугольников так, что составляющие более высоких частот имеют большие ординаты. На модулятор (рис. 10.7), кроме разговорных токов, подается также ток поднесущей частоты (например, Для первого канала 7400 гц) от канального генератора. В модуляторе производится амплитудная модуляция колебаний поднесущей частоты разговорными токами, поэтому на его выходе появляются колебания поднесущей частоты, модулированные разговорными токами. Как известно из главы 8, в спектре ам-плитудно-модулированного колебания содержатся поднесущая частота (fa) и две боковые полосы, расположенные около поднесущей частоты (рис. 10.8,6). Ширина каждой из боковых полос равна ширине модулирующего спектра частот, а частотные составляющие, входящие в состав этих спектров, представляют собой либо сумму, либо разность частоты генератора и частот модулирующего спектра. Так, например, при /si=7400 гц нижняя боковая полоса лежит в пределах от 4900 до 7000 гц 295 I ' ^"rtl //о в коде ^frttfltflil . модуляторов t F, b * 5 6 7 8 9 10 11 12 13 tt 15 16 17 18 19 20 2/ 22 23 * "^ Нижняя боковая часть f Верхняя I боковая часть rf [Utortw \ ^Й Яо выходе модулятора х fy-b fH> 'fa i *^ / '•го канала \ j \ 1 i (Ищи*.. ^mtrflUlI •л На выходе HI ' модулятора f 1 1 1 1 /"_• 1 2-го канала • 1 ) 1 1 1 | liltrr^ 1 ^пППШЙ "°ду?°тоера^ f 1 I 1 'I i \ f HS 3-го канала 1 I 1 i 1. 1 j, 1 1 ' 1 A filfclTm^ 1 --rfflflflfli ШШШПть. ^nfflUlI 1 Ifcrw ^rtrtliffl В линии Рис. 10.8. График частотных спектров токов при частотном разделении каналов (от /HI - 2500 до /HI - 400), а верхняя боковая полоса -в пределах от 7800 до 9900 гц (от /Hi + 400 до /Hi + 2500). Для образования второго канала берется другая, белее высокая поднесущая частота, поэтому частотный спектр на выходе модулятора второго канала смещен относительно спектра первого канала, как это показано на рис. 10.8,0. Таким же образом сдвигаются спектры всех остальных каналов в сторону более высоких частот (рис. 10.8,г]. 1 >. Фильтр частот - *• Детектор - *• Фильтр низкой К телефону 1-го канала Ai частоты 1-го канала ПФ, ,^f SL>JH, ФНЧ, Фильтр частно т -" Детектор •jf Фильтр низкой К телефону От детектора 2-го кана flu Аг * частоты 2-го канала несущей ------ *- ПФг ч Д Фнч, радиоприемника ЧЫнг 1 *• Фильтр частот Э-гоканала - *•> Детектор Дз - *• Фильтр низкой частоты К телефону 3-го канала пфз зЦ, *** Рис. 10.9. Принцип разделения каналов по частоте на приемной стороне (Г|, Г^, Гз - местные генераторы поднесущей частоты, включаемые при применении. амплитудной модуляции с подавлением поднесущей и одной из боковых частот) На приемной стороне радиорелейной линии (рис. 10.9) после детектирования принятого антенной высокочастотного сигнала получается такая же совокупность модулированных поднесущих частот, какая была на входе модулятора передатчика. Эта совокупность частот поступает на вход канальных полосовых фильтров (ЯФь ПФ2, ЯФ3). Каждый из этих фильтров пропускает сигнал модулированной поднесущей частоты только одного канала. После фильтра сигнал модулированной поднесущей частоты поступает на канальный детектор, где он детектируется, в результате чего выделяются восстановленные разговорные токи такого же вида, какой был на входе соответствующего ка-нальнегэ молулятера иа передающей стороне. В современных радиорелейных станциях в целях эк@н9мии цщрйны [радиоканала для преобразования частот разговорных токов (первая ступень) применяется амплитудная модуляция с подавлением поднесущей частоты и одной, из боковых (чаще всего верхней) полос (рис. 10.10). При этом поднесущая частота используется только для получения модулированных по амплитуде колебаний, а затем при помощи фильтра она устраняется вместе с одной из боковых полос. В линию посылаются только токи одной боковой полосы частот. Восстановление первона- 20-261 297 чальных разговорных токов канала на приемной стороне осуществляется путем подачи на детектор, кроме токов боковых полос каналов, токов от местных генераторов поднесущей частоты а На входе ^rflTfilf _4 модуляторов * /Пср;Л 7 Lrt<;HJ ь На выходе ПИгггт^ ^Ifll. , модулятора ^ frtffil\ 1 , 1-го канала J Lft^4J Т На выходе [ftftw I ^rtifi модулятора ^ . •/'fo?//! I ' 2-го канала j L"c4( } т На выходе \ . foltobJ ^Ш модулятора ; i II 3-го канала 7 |/fdf|j III ill Jiftrib-. foliw HHiwi B линии r -•ffV?;;) Рис. 10.10. График частотных спектров токов при частотном разделении каналов с подавлением поднесущей частоты и одной из боковых полос (Л, А, А на рис. 10.9), частоты которых строго совпадают с соответствующими поднесущими частотами каналов. канал 1ТГ канал 2ТГ канал /MuK/w {фон j - /АО ФНЧ/ -..*.. >.___х щ-2,5кгц /микро\ {фон! -- "•• /АО -- *-. И Мод. t 4 ПФг \^г ,9t7K ~" щ к групповому модуляционному усилителю /2 радиопере- датчика ТГ \р/> ^^ Щ аппарат ~>^> Ь. Ч_7 8,5(9,1)кги ТГ 4,t>f *-*~, ПШ.4 аппарат с-Х, ъ ч_/ 12,2(12,8)кгц- 8.4+12,9кгц Рис. 10.11. Блок-схема четырехканальной аппаратуры для частотного разделения каналов на передающей стороне Из сравнения рис. 10.8 и 10.10 видно, что полоса частот, за-иимаемая каналом, в линии с подавлением намного уже и, кроме того, линия "е загружается бесполезными токами поднесущих 298 частот, значительно большими по величине, чем полезные токи боковых полос. На рис. 10.11 в качестве примера приведена блок-схема частотного разделения телефонных каналов на передающей стороне, осуществленная в одной из войсковых радиорелейных станций метрового диапазона с малым числом каналов (два телефонных и два телеграфных). Здесь, как это чаще всего делается, по первому каналу сигналы передаются в своем естественном спектре (400-2500 гц). Поэтому сигнал от микрофона абонента после ограничителя амплитуд АО попадает непосред- /, 1т г 2тг >тф канал 2тф канал канал канал •/!>*"] О ? 2 3 U 5 6 7 8 9 Ю 11 \2 13 Рис. 10.12. Размещение спектров частот телефонных и телеграфных каналов в аппаратуре ственно на фильтр нижних частот ФНЧ. Этот фильтр пропускает только частоты, не превышающие 2500 гц, чем устраняются возможные помехи со стороны первого телефонного канала другим каналам. Сигнал от микрофона второго телефонного канала через амплитудный ограничитель АО подается на модулятор, на выходе которого включен полосовой фильтр ЯФ2. Этот фильтр пропускает только частоты, соответствующие нижней боковой полосе 4900-7000 гц, и задерживает все остальные частоты, устраняя возможные помехи со стороны второго канала другим каналам. Амплитудные ограничители АО в обоих каналах поставлены для ограничения в определенных пределах уровня передаваемого сигнала. Этим облегчаются условия работы радиоканала и устраняется возможность возникновения переходных помех между отдельными каналами. С выходов фильтров ФНЧ и ПФ2 сигналы обоих телефонных каналов поступают на вход группового модуляционного усилителя радиопередатчика. В первом и втором телеграфных каналах телеграфные аппараты, включенные на их вход, воздействуют иа поляризованные реле Р, которые управляют частотой колебаний генераторов Г3 и /Y Частотно-модулированные колебания генераторов через полосовые фильтры ЯФ3 и /7Ф4 так же, как в первом и втором каналах, поступают на вход модуляционного усилителя передатчика. Полоса частот, занимаемая каждым телеграфным каналом, составляет 800 гц. На рис. 10.12 показаны спектры частот всех телефонных и телеграфных каналов и их размещение в общей полосе модулирующих частот. 20* 299 Блок-схема частотного разделения каналов на приемной стороне рассматриваемой станции показана на рис. 10.13. Поставленные на входах каналов фильтры ФНЧ\, ПФ2, /7Ф3 и /7Ф4 из всего спектра частот, поступающих с выхода приемника, пропускают только спектры частот данных каналов. Частоты других каналов этими фильтрами задерживаются. Например, полосовой фильтр ПФ2, поставленный на входе второго телефонного ка-т& '"Vff\^_ коналй j?~ " < СРЯУ,/ 0.1 + 2,5кгц -. Тф 2тф {[ ^>ч 'анал \ ^J v< •*- "ЩУ ~&Дем. •^k- . \^г/ • ^\J . | 4,9~7кгц С выхода "b""" радиоприемника Фн = 7,4-кгц twa канал ТГ ал п. m "• "V (Г -f •• • Не ~ *" < /АО * п ^~ в.Ь-г9,2кгц 2тг канал ТГ впп. '*• - \ V 5? •-*-- Нз ~ "< /АО - \ЛФу •*- 1.2,1-12,9кгц Рис. 10.13. Блок-схема четырехканальной аппаратуры для частотного разделения каналов на приемной стороне нала, из всего спектра принимаемых частот пропускает только те, которые соответствуют нижней передаваемой боковой полосе этого канала (4900-7000 гц). Колебания, прошедшие через этот фильтр, поступают иа детектор (демодулятор), где преобразуются в токи разговорной частоты. В виду того что по линии передаются только токи одной боковой полосы частот, восстановить первоначальные разговорные токи можно только в том случае, если на детектор подать ток поднесущей частоты. Этот ток получается от местного генератора. ,Поэтому на демодулятор Дем., кроме токов боковых полос каналов, подаются токи от местного генератора FZ, частота которого совпадает с поднесущей частотой, применявшейся на передающей сторо-не (в иашем случае 7400 гц]. С выхода модулятора разговорные токи проходят через фильтр нижних частот ФНЧ2, задерживающий все высшие частоты, не "входящие в спектр передаваемого канала, С выхода этого фильтра разговорные токи подаются через усилитель к абоненту. Частотно-модулированные телеграфные сигналы, пройдя по,-лосрвые фильтры ЯФ3 (или ПФ^), (c)граничиваютвя не амплитуде ограничителем АО, а затем усиливаются усилителем У и пбсту- 300 пают на (частотный детектор Д. При помощи частотного детектора колебания, модулированные по частоте, преобразуются в колебания, модулированные по амплитуде, а затем выпрямляются при помощи выпрямителей В. Выпрямленные токи протекают по обмоткам поляризованного приемного реле Я, якорь которого воспроизводит телеграфную работу сигналами постоянного тока, подавая их в линию, идущую к телеграфным аппаратам. Принцип временного разделения каналов заключается в том, что передача сигнала по всем каналам идет не .непрерывно, как при частотном уплотнении, а поочередно по каждому каналу Номера каналов 1 г \ з 4 1 2 3 4 1 ш А Ш lift. Период И Н - ""1 --- Г*- I*. повторения ти Длительность Время возникно- импульса вения импульса ti-го канала Рис. 10.14. Последовательность импульсов на входе модулятора передатчика (система с временным разделением каналов) в виде кратковременных периодических импульсов тока (рис. 10.14). Поэтому такие системы часто называются системами импульсной связи. Способ временного разделения каналов, или иначе временного уплотнения, известен давно. Он применялся в проводной многоканальной телеграфии. На рис. 10.15 изображена принципиальная схема временного деления каналов в проводной связи при работе многоканального телеграфного аппарата. В этой схеме телеграфные аппараты на передающей и приемной стороне соединяются между собой в порядке нумерации каналов при помощи двух коммутаторов (распределителей) К\ и К2, вращающихся с одинаковой скоростью и в одинаковой фазе. Если, например, распределитель передающей стороны проходит по контакту первого канала, то и распределитель приемной стороны проходит по контакту первого канала. Поэтому в момент прохождения сигнала от первого передающего телеграфного аппарата линия подключается к приемнику 1, в следующий момент - к приемнику 2 и т. д. Следовательно, ток в цепи каждого канала проходит прерывистыми посылками (импульсами), причем длительность импульса равна времени прохождения распределителя по контакту данного канала. 301- Такая схема обеспечивает одновременную работу четьгрех телеграфных каналов по одному проводу с разделением каналов по времени. Тот же принцип можно использовать и при многоканальной телефонной связи, но, разумеется, скорость вращения Ьоб/сек ,/~ _"* ~"_ Г Рис. 10.15. Принцип многоканальной проводной телеграфии распределителей в этом случае должна быть такой, чтобы за самый короткий период звукового колебания в цепи канала прошло не менее двух импульсов, в противном случае речь будет 6000гц Канальные демодуляторы t 2 3 4 8 в Рис. 10.16. Упрощенная схема многоканальной радиосвязи при импульсной модуляции прослушиваться неразборчиво. Практически это означает, что необходимая частота вращения распределителей (так называемая тактовая частота) должна составлять примерно 8000 об/мин. 302 На рис. 10.16 показано, как изложенный принцип многоканальной связи в проводных линиях использован при многоканальной радиосвязи. Вместо указанных на рис. 10.15 передатчиков /,-_?, 3, 4 на рис. 10.16 изображены канальные импульсные модуляторы, при помощи которых последовательность импульсов модулируется низкочастотным напряжением, развиваемым микрофоном (первая ступень модуляции). Чтобы передать эту последовательность модулированных импульсов через радиочастотный тракт, необходимо промодулировать ими несущую частоту радиопередатчика (вторая ступень модуляции) извест-иыми методами амплитудной или частотной модуляции. Во второй ступени чаще всего применяется амплитудная модуляция. Приемники /, 2, 3, 4, изображенные на рис. 10.15, заменены на рис. 10.16 канальными демодуляторами, т. е. устройствами, демодулирующими принятые сигналы и доводящими их до звуковой частоты. Распределители (коммутаторы) безынерционные и обеспечивают переключение каналов с такой частотой, что импульсы повторяются в каждом канале 8000 раз в секунду или, как говорят, тактовая частота равна 8000 гц. В данном случае при передаче разговорных токов, имеющих спектр частот 300-3000 кгц, разборчивость речи будет вполне удовлетворительной. При такой схеме сигнал в каждом канале передается в виде кратковременных импульсов тока, модулированных сообщением (разговором), передаваемым в данном канале. Импульсы, соответствующие различным каналам, смещены, во времени относительно друг друга так, что в промежутке между импульсами одного канала размещаются импульсы других каналов, как это показано на рис. 10.14 и 10.16. На приемкой стороне после демодуляции получается такая же последовательность импульсов, какая была послана с передатчика. Разделение каналов обеспечивается тем, что приемник каждого канала отпирается только на время существования импульса данного канала и заперт все остальное время. Это достигается использованием специальных синхронизирующих систем (С на рис. 10.16), обеспечивающих строго согласованную работу генераторов импульсов передатчиков и устройств, отпирающих приемники. Практически синхронная работа передатчиков и приемников может быть осуществлена следующим образом. По одному из каналов передается так называемый синхронизирующий импульс, сильно отличающийся, например по амплитуде, от остальных импульсов. На приемной стороне этот импульс выделяется и направляется в устройство синхронизации, управляющее включением канальных приемников. От этого синхронизирующего импульса автоматически отсчитывается время включения каждого канального приемника. 303 ИМПУЛЬСНАЯ МОДУЛЯЦИЯ Последовательность импульсов каждого канала, изображенная на рис. 10.14, характеризуется определенными параметрами, а именно: амплитудой, шириной (длительностью) импульса т, временем возникновения импульса /к, периодом повторения. Тя и частотой повторения /и=у-. Модулирующий сигнал U <{' i АИМ •ППт и и\ шм | п п п п и , • • 1 i ,- *г ' 1 1 I и> i |до i п! 1 I п i п i i i. п п | ' 1 11 1 1 1 1 ,. Рис. 10.17. Виды импульсной модуляции Для передачи сообщения (например, телефонного разговора) при помощи последовательности импульсов необходимо модулировать этим разговором любой из перечисленных параметров импульса. Модуляция изменением параметров импульсов называется импульсной модуляцией. Различают следующие виды импульсной модуляции (рис. 10.17 и 10.18). 1. Амплитудно-импульсная модуляция (АИМ). В этом случае изменяется только амплитуда импульсов, а все остальные параметры постоянны. 2. Широтно-импульсная модуляция (ШИМ). Изменяется ширина (длительность) импульса, увеличиваясь при возрастании модулирующего сигнала и уменьшаясь при его убывании. 3. Фазово-импульсная модуляция (ФИМ). Изменяется время возникновения (фаза) импульса. 4. Кодово-импульсная модуляция (КИМ). В этом случае 304 мгновенные значения модулирующего сигнала передаются не в виде изменения одного из параметров импульса, а особым образом кодируются. 1Л V 1 \. 1 _ / 1 ~-1 1 1 1 1 x-lj Г] 1 1ГХ •! ,J ч s •ч Jin--* If' . и *у 1!\: -!< к 4 ч ' J' 1 *ч. jj -- 1 -Itk- [ , 1 1 11 11 1 1 i 1 • • T|f**l L 2 Н**" Ьч***''?лГ1~*1?е*"~*' t,t4>4>t6--t, IM.^-6 1 1 1 1 1 nn nn nn nn n n nn л kt,-^tr •-t4*l*t^-t^-tf1 -t Рис. 10.18. Графики, иллюстрирующие колебания в антенне при различных видах импульсной модуляции: а - напряжение звуковой частоты на входе модуля- i тора передатчика; б - ток в антенне при амплитуд- , ной модуляции импульсов; в - ток в антенне при широтной модуляции импульсов; г - ток в антенне при фазовой модуляции импульсов Кроме этих видов импульсной модуляции, известны и другие, которые по разным причинам применяются реже, а поэтому здесь не упоминаются. Рассмотрим более подробно способы получения каждого из перечисленных видов импульсной модуляции. 305 Y •*•" V 1 *= л 1- \ / - 1 - F= \ --\ щ Х= =L .5 & §1 Of ti з- "s I 1 •a CD ^ F> "Р g * N i S c: \ i= ь .11 1 i --"- 0= с 1 Э СГ ^^^^^W ^ Г ** *". > 1 - II ." VE9, СГ с= п= -3 / / с= f= с= 1 - 1 3li ^Ф"1 ?j CS § CO SP "0 -к -/ Устройст формировав видеоимпульса ( > < > •*- _jj --- 1 2Г- о Генератор тактовой частоты со сэ. сэ о ОД ч V* я к Z " о г •я о к о л Z с S Я 6 I Я ч г СГ то S а. и: о (О Амплитудно - импульсная модуляция. Генератор тактовой частоты (рис. 10.19) дает напряжение синусоидальной формы. Тактовая частота fa обеспечивает определенный разнос импульсов по времени. При /и, равной 8000 гц, промежуток времени между начальными моментами двух соседних импульсов одного канала (тактовый период Ти) будет 125 мксек. В блоке формирования импульсов из синусоидального напряжения формируется последовательность импульсов постоянного напряжения, которые принято называть видеоимпульсами. На следующий блок схемы - модулятор - одновременно 'поступают два напряжения - видеоимпульсов и от микрофона. В результате на выходе модулятора получаются импульсы напряжения, модулированные по высоте (амплитудно - модулированные импульсы). Далее модулированные видеоимпульсы усиливаются в следующем блоке схемы и поступают на генератор сверхвысоких частот, управляя его колебаниями. Во время действия видеоимпульсов колебания от генератора поступают в антенну, при отсутствии видеоимпульсов колебаний в антенне вообще нет. Излучаемые через антенну радиоимпульсы 306 имеют такую же форму и такие же тактовый период Ги и длительность т, что и модулированные видеоимпульсы. Рассмотренная схема иллюстрирует получение амплитудно-модулйрованных импульсов в одном канале. Схема многоканальной системы отличается лишь тем, что сформированные во втором блоке видеоимпульсы при помощи коммутатора (распределителя) распределяются по каналам через определенные промежутки времени. Длительность этих импульсов при данном такто- Мойулятор ам Кварцевый Делитель генератор частоты Рис. 10.20. Принципиальная схема передатчика с амплитудно-импульсной модуляцией вом периоде Ги зависит от числа каналов; чем больше число каналов, тем более короткими должны быть имлульсы. Импульсы каналов модулируются своими абонентами в канальных модуляторах, число которых равно числу каналов. Из канальных модуляторов импульсы по очереди поступают в передатчик, где создаются амплитудно-модулированные радиоимпульсы. На рис. 10.20 показана принципиальная схема передатчика с амплитудно-импульсной модуляцией. Напряжение полученных после формирующего каскада импульсов прикладывается к управляющей сетке лампы модулятора. На сетку этой же лампы подведено переменное напряжение звуковой частоты и больдиое отрицательное напряжение смещения. Схема модулятора импульсов работает так же, как и рассмотренная в главе 8 обычная схема сеточной модуляции. Анодный ток лампы приобретает форму импульсов, величина которых изменяется в такт с изменением напряжения звуковой частоты. На рис. 10.21 показана блок-схема устройства для приема амшштудно-модулированных колебаний и их демодуляции. После усиления принятых радиоимпульсов и их детектирования ^307 на выходе детектора создаются видеоимпульсы, модулированные по тому же закону, что и радиоимпульсы. Эти импульсы после усиления •поступают на фильтр нижних частот, выделяющий из спектра импульсов составляющую звуковой частоты, которая действует на телефон. Главный недостаток амплитудно-импульсной модуляции - ее невысокая помехоустойчивость. Она не позволяет применить эффективных мер борьбы с собственными шумами приемника - основным видом помех в дециметровом диапазоне. Напряжение внутренних шумов состоит -из отдельных коротких всплесков, которые, слагаясь с напряжениями приходящих импульсных сигналов,. увеличивают или уменьшают их высоту и заполняют промежутки между импульсами (рис. Ю.22). Применять ограничитель в этом случае недопустимо, так как он исказил бы форму огибающей кривой импульсов и тем самым исказил бы ^воспроизводимые сигналы. Поэтому АИМ в современных радиорелейных станциях используется главным образом как промежуточное звено при осуществлении более совершенной фазово-'импульсной модуляции, например, в канальных узлах модулятора. Иногда АИМ применяется и как основной вид модуляции, но в сочетании с частотной модуляцией несущей передатчика; что обеспечивает более высокую помехоустойчивость. Широтно-импульсная модуляция (ШИМ). На рис, 10.23 показаны графики, иллюстрирующие принцип получения ШИМ. При отсутствии модулирующего напряжения п'ере-датчик излучает ряд высокочастотных импульсов одинаковой длительности, следующих один за другим с частотой повторения fu. При моду- 308 ляции изменяется длительность (ширина) импульса т. Так, например, во время положительного полупериода модулирующего напряжения импульс расширяется на величину Дт, во время же * ; IО . Ч а вд ,<*""">ч. S \ \ tbr: ^ Рис, 10.22. Действие внутренних шумов при амплитудно-импульсной модуляции: а - искажение импульсов; б - действие ограничителя щ. vi Немодулированные импульсы ^Модулирующее напряжение. •*-t ^ Широтйо-мадулираванные импульсы •*-t Рис. 10.23. Широтно-импульсная модуляция и действие ограничителя отрицательного полупериода он соответственно суживается. Величина Д-t в том и другом случае тем больше, чем больше модулирующее напряжение. Высота импульсов при таком виде модуляции все время остается неизменной. 309 Для выделения на приемной стороне напряжения модулирующей звуковой Частоты, как и при АИМ., широтно-модулиро-ванные импульсы после детектора пропускают через низкоча- U а tl -*-t ---- t Рис. 10.24. График преобразования АИМ в ШИМ стотный фильтр. Если при этом применить амплитудный .ограничитель, то можно очистить импульсы от помех (рис. 10.23). Благодаря этому ШИМ обеспечивает более высокую помехоустойчивость, чем АИМ. Широтно - импульсная модуляция, как и АИМ, используется в современных радиорелейных станциях как промежуточное звено при осуществлении фазово-импульсной модуляции. На рис. 10.24 показан график, иллюстрирующий процесс преобразования амплитудно-импульсной модуляции в широтную. На вход преобразующего устройства (изображенного, например, на рис. 10.25) действуют им- Рис. 10.25. Схема преобразователя амплитудной модуляции импульсов в широтную (Uc-отрицательное напряжение на сетке-лампы, поступающее с конденсатора С; f/зап - напряжение запирания лампы) пульсы, модулированные по амплитуде (рис. 10.24, а). Каждый импульс мгновенно заряжает конденсатор С (рис. 10.25), который разряжается через сопротивление R. Величина заряда и время разряда конденсатора пропорциональны амплитуде им- 310 пульса. В анодной цепи -лампы Л2 возникают треугольные импульсы (рис. 10.24,6), пропорциональные по величине и длительности амплитуде напряжения звуковой частоты. Ширина основания этих импульсов пропорциональна их высотам. Ограничитель срезает далее нижнюю часть треугольных импульсов, создавая прямоугольные импульсы, изменяющиеся по длительности (ширине); при этом перемещается задний фронт этих импульсов (рис. 10.24, в). Фазово-импульсная модуляция (ФИМ) является более совершенным видом модуляции, обеспечивающим более высокую /> Девиация ( + 6мксек 1 i I! I j-. ? 20#мксеы * ч ..... JZbMKceK Рис. 10.26. Фазово-импульсная модуляция помехоустойчивость по сравнению с АИМ и ШИМ Она применяется в радиорелейных станциях в качестве первой ступени модуляции ицггульсов. Вторая ступень - модуляция высокочастотных импульсов - обычно амплитудная. При осуществлении ФИМ высота и длительность импульсов остаются неизменными, меняется лишь их положение (фаза) на оси (рис. 10.17,г), т. е. сдвиг импульсов внутри рабочего интервала, отведенного на данный канал. В зависимости от знака модулирующего напряжения импульс появляется до или после того момента, который соответствует среднему положению импульса (при отсутствии модуляции). Так, при положительном модулирующем напряжении импульсы возникают с опережением, а при отрицательном - с отставанием. Смещение (девиация) импульсов относительно среднего положения, обычно отсчитываемое в микросекундах, пропорционально мгновенному значению модулирующего напряжения и позволяет судить о глубине модуляции. Так, например, на рис. 10.26 максимальная девиация импульсов, соответствующая 100%! модуляции, равна ±6 мксек. Импульсно-фазовая модуляция осуществляется следующим образом. В тракте передачи импульсы сначала модулируются по амплитуде или длительности, а затем по фазе. На рис. 10.27 показан один из возможных способов преобразования широтно-модулированных импульсов в импульсы, модулированные по фазе, в тракте передачи. Для этой цели широтно-модулирован-ные импульсы поступают на контур ударного возбуждения (рис. 10.27,а). При скачкообразном изменении величины проте- 311 а и, кающего в контуре тока возникают свободные быстро затухающие колебания. Эти колебания передаются во вторичную обмотку трансформатора контура, Э. д. с. во вторичной обмотке имеет одно направление при нарастании импульса и обратное при его убывании. Так как на контур подаются широтно-модулированные импульсы, то во вторичной обмотке импульсы напряжения одного и другого знака следуют друг за другом с тем большим промежутком времени, чем больше длительность вызвавшего их импульса (рис. 10.27,6). Для дальнейшего воздействия на передатчик используются импульсы только одного направления (рис. 10.17). Для получения последовательности импульсов одного направления применяется ограничитель, срезающий отрицательные и калибрующий положительные импульсы. При использовании такой последовательности импульсов, модулированных по фазе, для управления колебаниями радиопередатчика ток в антенне модулируют импульсами, следующими друг за другом с интервалами, величина^ которых меняется в т акт. с напряжением звуковой частоты. В тракте приема пр'и помощи специальных формирующих цепей выделения звуковой частоты приходящие импульсы, модулированные по фазе, вначале преобразовываются в импульсы, модулированные по ширине, а затем пропускаются через фильтры низкой частоты. Для подавления шумов в приемнике, как и при ШИМ, применяются амплитудные ограничители. На рис. 10.28 в качестве примера показана схема преобразования в тракте приема импульсов, модулированных по фазе, в импульсы, модулированные по ширине. Для подобного преобразования может быть использовано электронное реле с задержкой времени (триггер). Электронное реле состоит из двух ламп. На управляющую сетку лампы / поступают модулированные по фазе импульсы с детектора приемника. При поступлении каждого импульса анодный Ток лампы / увеличивается, напряжение на ее аноде по мере увеличения анодного тока уменьшается. Вследствие этого по сопротивлению Ra протекает ток разряда конденсатора С. На экранирующую сетку лампы 2 подаются немодулированные импульсы, следующие друг за другом с одинаковым интервалом. Поступление импульса на управляющую сетку лампы 2 312 : ; i : i ' i i . - > 1 : :' " 1 1 i |1|Д ft, lk'M/L i_ 11 | У 'ср. Рис. 10.27. Контур ударного возбуждения (а) и график его работы (б) приводит к уменьшению анодного напряжения на ней, разряду конденсатора С\ и созданию за счет разрядного тока отрицательного напряжения на экранирующей сетке лампы /. Лампа / запирается, разряд конденсатора С прекращается и напряжение на сопротивлении Ra исчезает. Таким образом, длительность импульса напряжения, получающегося на сопротивлении /?а> пропорциональна сдвигу фазы импульса за счет модуляции. Вход 0-- Импульсы, модулированные по фазе Выход --0 --, Импульсы, ка модулированные М по ширине _1________________________л> Немодулированныв импульсы Рис. 10.28. Электронное реле преобразования фазовой модуляции импульсов в широтную Кодозо-импульсная модуляция отличается от других видов импульсной модуляции тем, что при ее применении сообщения передаются определенным конечным числом значений (дискретно) . При таком способе модуляции передаваемое сообщение (например, разговорный ток) сначала модулирует по амплитуде последовательность импульсов каналов, как при обычной амплитудно-импульсной модуляции (рис. 10.29,а). Затем каждый импульс последовательности кодируется, т. е. превращается в так называемую кодовую группу, состоящую из определенной комбинации импульсов и пауз (рис. 10.29,6). Импульсы в кодовой группе имеют одинаковые и постоянные амплитуды и длительности, а изменение амплитуды кодируемого импульса вызывает только изменение комбинаций импульсов и пауз в кодовой группе. Весь диапазон амплитуд импульсов модулирующего сигнала разбивается на конечное число ступеней, равное максимальному числу кодовых комбинаций. Таким образом, реальная кривая модулирующего напряжения, характеризующая непрерывно изменяющийся модулирующий сигнал, заменяется ступенчатой кривой, как это показано на рис. 10.29, в. Каждая ступень пере- 211-261 313 дается соответствующей комбинацией импульсов и пауз, из которых состоят кодовые группы. Признаком отличия кодовых групп друг от друга является как количество импульсов, так и их взаимное расположение. Этим достигается возможность, получения большого числа кодовых комбинаций при ограниченном числе импульсов в группе, а 1 15- Последовательность импульсов it модули-15 .рованных по амплитуде Х--Щ-Х / ' \ //,.- --- ' ш- 10 / / / s \ 1 1 '1 К 4 • <*'"*'' 4 7 '' \ 'х / Из ч ***^ Ш / n ЧЧ 3 4**** Ш с 1 "т" 1 t Кодированный сигнал ШО 0208 1248 1008 1200 ШО 1208 > i i i и 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 II i 1 1 1 и I I 1 1 1 1 1 II i Mi i ( I I I 1 1 i t i i || ? и i i || И II i i 1 1 1 1 II i Mi 10 15 11 Форма передаваемого, модулирующего напряжения Рис. 10.29. Получение кодово-импульсной модуляции а следовательно, возможность передачи большого числа ступеней (т. е. мгновенных значений амплитуд) модулирующего сигнала. Например, при числе импульсов в группе, равном 4, число комбинаций будет 16; при числе импульсов, равном 5, число комбинаций 32 и т. д. Каждому кодовому импульсу в зависимости от его места в группе присваивается определенное числовое значение. Сумма числовых; значений импульсов, присутствующих в кодовой группе, определяет тот уровень модулирующего напряжения, который она передает. В таблице, приведенной на рис. 10.30, показаны возможные комбинации в кодовой группе из четырех импульсов и соответствие этих комбинаций амплитудам модулирующего сигнала. На рис. 10.29,6 показано, как в этом случае выглядит кодированный сигнал. На приемной станции производится декодирование, в результате которого каждая кодовая группа преобразуется в импульс 314 с амплитудой, равной числовому значению кодовой группы. Таким образом, последовательность кодовых групп преобразуется в последовательность импульсов, модулированных по амплитуде. Передача при помощи КИМ сопровождается характерным шумом, вызванным неточным воспроизведением передаваемых Соответствующая Л/ Л/ по пор. Состав кодовой группы импульсов этой группе амплитуда модулирующего напряжения / 0 2 гп 1 3 m 2 ' 14 гп m 3 5 m . 4 6 гп m 5 7 m m 6 8 m m m 7 9 m 8 10 гп • m 9 11 m m 10 12 гп [л m П 13 m m 12 14 m m [ei 13 15 [7| Rl Г-П 14 /б гп [2l [4] Is! 15 Рис. 10.30. Таблица возможных комбинаций кодовой группы амплитуд модулирующего сигнала. Уровень этого шума тем меньше, чем больше знаков в каждой группе. Достаточно удовлетворительная точность воспроизведения звука обеспечивается даже при пяти импульсах в группе. Многоканальная связь при кодово-импульсной модуляции осуществляется передачей между кодовыми группами одного канала кодовых групп остальных каналов. Возможное число каналов при этом меньше, чем при других видах импульсной модуляции (АИМ, ШИМ, ФИМ), так как вместо одного импульса передается группа из нескольких импульсов, и, следовательно, 21- 315 время, отведенное для передачи сигналов одного канала, должно быть больше. Помехоустойчивость кодово-импульсной модуляции значительно выше помехоустойчивости других видов модуляции. Это обусловлено тем, что мгновенные значения сообщения передаются комбинацией импульсов постоянной амплитуды и длительности, а не посредством изменения какого-либо параметра импульсной последовательности (амплитуды и т. д.), на изменение которого может влиять помеха, вызывая паразитную модуляцию сигнала. При КИМ приемник должен различать только присутствие или отсутствие импульсов. Поэтому помеха может вызвать эффект на выходе радиолинии только в том случае, если под ее воздействием на входе демодулятора появляются ложные импульсы или пропадет импульс сигнала. Но это может произойти лишь при очень сильной помехе. Помехозащищенность при КИМ повышается еще тем, что импульсы сигнала, искаженные помехой, можно регенерировать (восстанавливать), как и телеграфный сигнал. Регенерация сигнала на каждой промежуточной станции позволяет в значительной степени уменьшить накопление помех от станции к станции. Кодово-импульсная модуляция, несмотря на преимущества, пока еще используется редко, так как ее применение связано с большими усложнениями аппаратуры многоканальных радиорелейных линий. ГЛАВА 11 ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ Полупроводниками называются вещества, электропроводность которых с увеличением температуры возрастает. Этим полупроводники отличаются от, таких проводников электрического тока, как металлы. Электропроводность металлов с повышением температуры, как известно, становится меньше. Кроме того, электропроводность полупроводников, как правило, меньше электропроводности металлов, но больше, чем электропроводность диэлектриков. . Полупроводниковые приборы широко применяются в радиотехнической аппаратуре, они имеют ряд существенных преимуществ перед электронными лампами и поэтому все с большим и большим успехом заменяют последние. Для изготовления полупроводниковых приборов применяют в основном германий и кремний. Существование элемента германия и его основные физические и химические свойства были предсказаны великим русским ученым Д. И. Менделеевым еще в 1870 г. на основе открытого им периодического закона. В то время Менделеев назвал этот элемент эка-силицием. В 1886 году элемент был выделен из минерала аргиродита и получил название "германий". - Германий встречается в природе в виде минералов, но руды германия не разрабатываются, и поэтому его добывают путем выделения из других веществ, содержащих окислы германия. Кристаллический германий при обычных температурах не окисляется даже во влажном атмосферном воздухе. Кислородом воздуха он окисляется при температуре около 600° С. Плавится германий при температуре 958° С. Германий хрупок и не допускает никаких видов обработки давлением ни в холодном, ни в горячем состоянии. Кремний - самый распространенный в природе элемент. Он встречается в виде кремнезема (кварца). Кристаллический кремний плавится при температуре 1415° С; при нормальной температуре он слабо взаимодействует с другими элементами, при повышенной - соединяется с кислородом, хлором и другими элементами. Для изготовления полупроводниковых приборов применяются не чистые германий и кремний, а с примесями других веществ. В качестве примесей используются мышьяк, сурьма, индий и галлий. Введение в полупроводниковое вещество той или иной примеси сопровождается увеличением его электропроводности. Так, например, при введении- в германий мышьяка или сурьмы электропроводность его увеличивается главным образом за счет появления дополнительных электронов. Проводимость германия в этом случае называется электронной или n-проводимостью. При добавлении же к германию индия или галлия образуются носители тока с положительным электрическим зарядом, и проводимость германия в этом случае называется р-проводимостью (иногда - дырочной проводимостью) . Следует отметить, что в полупроводниках я-типа проводимость обусловливается главным образом электронами, а в полупроводниках р-типа - положительными зарядами. Однако и в тех и других полупроводниках есть носители электрических зарядов и противоположных злаков, но концентрация их по сравнению с концентрацией основных носителей тока невелика. СВОЙСТВА ПЕРЕХОДНОГО СЛОЯ Действие полупроводниковых приборов, применяемых в радиотехнике, основывается на использовании свойств переходного слоя, образующегося на границе двух полупроводников, обладающих проводимостью разного типа. Свойства переходного слоя рассмотрим на примере пластинки, вырезанной из кристалла германия, в которой правый объем обладает я-прово-димостью, а левый - р-проводимостью (рис. 11.1). Это означает, что в правом объеме содержится избыток электронов, а в левом - избыток положительных зарядов. Заряды, находящиеся в избытке в одном объеме пластинки, стремятся проникнуть и проникают в объем, где их недостает. Поэтому положительные заряды проникают в о0ъем с "-проводимостью, а электроны - в объем с р-проводимостью. Вследствие этого они накапливаются у границы раздела двух областей, как показано на рис. 11.1. В результате на границе раздела возникает электрическое поле. Направление силовых линий этого поля таково, что оно препятствует проникновению избыточных носителей заряда из одного объема в другой. При некотором накоплении носителей электрических зарядов у границы раздела поле становится настолько сильным, что переход избыточных зарядов через границу раздела прекращается. Образуется так называемый р - я-переход, или запорный слой. В области запорного слоя концентрация основных носителей тока Оказывается уменьшенной, так как часть их нейтрализуется зарядами противоположного знака, перешедшими гра- 318 а Ф Ф 6 @(r) (c)(c) Германий Р - Л7УГ70 Германий .п-типа Запорный слой (р-п-переход) П ницу раздела. А поэтому проводимость запорного слоя становится меньше проводимости остального объема пластинки. Кроме того, наличие электрического поля в переходном слое препятствует протеканию пбложительных зарядов из области с р-проводймостью (где их избыток) в область с "-проводимостью (где их недостаток) и электронов из области с "-проводи-мостью (где их избыток) в область с р-проводймостью (где их недостаток). Наоборот, электрическое поле переходного слоя способствовало бы переходу положительных зарядов из области ,с "-проводимостью в область с р-проводимо-стью, но, как уже известно, в области с /г-проводимостыо положительных зарядов содержится мало; точно так же^ хотя электрическое поле слоя и способствует переходу электронов из области с р-проводимостью в область с "-проводимостью, но в области с р-проводимо-стью электронов содержится очень мало! Таким образом, электрическое поле переходного слоя препятствует протеканию зарядов из* тех областей, в которых они в избытке, в области, где испытывается их недостаток, т. е. электрическое поле переходного слоя препятствует протеканию через него основных носителей. Рассмотрим теперь, что будет происходить в р - "-переходе при подключении к полупроводнику источника постоянного тока. Включим источник сначала так, чтобы положительный полюс был соединен с "-областью, а отрицательный - с р-областью (рис. 11.2,а). В этом случае электрическое напряжение батареи "оттянет" в батарею электроны из "-области и положительные заряды из р-области, концентрация основных носителей заряда в пластинке уменьшится, проводимость ее станет меньше. Кроме того, напряжение батареи усилит электрическое поле р - "-перехода. Вследствие этого через пластинку будет протекать лишь очень небольшой ток, созданный не основными носителями зарядов, концентрация которых в германии велика, а зарядами противоположного знака, концентрация которых мала. Ток, созданный этими зарядами, протекает в пластинке германия из области с "-проводимостью в область с р-проводимостью. Такой ток называется обратным в отличие от тока прямого направления, 319 Рис. 11.1. Схематическое изображение основных носителей электрического заряда в пластинках германия р-типа и n-типа (а) и образования р-п-пере-хода на границе раздела германия с проводимостью разного типа (б) Герм они и а п J- создаваемого основными носителями заряда "и образующегося при изменении полярности подключения батареи. При соединении положительного полюса батареи с р-обла-стью, а отрицательного---с /г-областью (рис. 11.2,6) концентрация основных носителей заряда (положительных в р-обла- *Ч4_~, сти и отрицательных в ^р1 я-области) возрастает. Кроме того, электрическое поле р - п-пёрехода оказывается ослабленным электрическим полем батареи. Вследствие этого создаются благоприятные условия для протекания основных но-1 сителей заряда через р - "-переход и в цепи устанавливается довольно большой электрический ток. Практически резкое увеличение тока наблюдается уже при цапряже-нии батареи около одного вольта. Величина тока возрастает по мере увеличения напряжения подключенной батареи. Таким образом, р- Ток обратного направления Германий Р; д + Ток прямого направления Рис. 11.2. Схема, иллюстрирующая одно- "-переход обладает одностороннюю проводимость р - п-перехода: сторонней проводимостью а-в схеме существует лишь небольшой ток об- ~-.,"-, тпииргкпгп токя Ппо-ратного направления; б -в схеме протекает ток, элсмричс^ли! \j lurid, nyu созданный основными носителями заряда (на- иодиМОСТЬ О - Я-ПбОеХОДа правление тока указано стрелкой) •"• ^ • " в прямом направлении (ток протекает из р-области в я-область) во много раз превышает проводимость в обратном направлении. ПРИНЦИП РАБОТЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДИОДОВ В радиотехнических устройствах применяются два типа полупроводниковых диодов: плоскостные и точечные. Внешний вид и внутреннее устройство одного из плоскостных германиевых диодов показаны на рис. 11.3, а. Диод изготовлен из пластинки кристаллического германия, обладающего "-проводимостью (электронная проводимость). Для образования р-п-перехода на поверхность пластинки помещают кусочек индия, который нагревают до расплавления. Атомы расплавленного индия проникают в пластинку германия и образуют объем с р-пррво- 320 димостью. На границе этого объема с остальным германием возникают запорный слой и р - /г-переход. Кристалл германия припаивается к металлическому основанию диода, а вывод от индия осуществляется при помощи тон- Л204 Вывод р-области. а Стекло Германий аи "-"И"----'"IHIIIIUil , • • ' • •••••••" • i"mui . i ,*Vf^rf\ "К .-ИМИ '/////////Л ИПМТ1 шптрпппп Вывод п-области Д1 Красной точной обозначен вывод р-облает и Рис. 11.3. Внешний вид и внутреннее устройство плоскостного (а) и точечного (б) германиевого диода. Внизу показано условное обозначение диодов в схеме (стрелка указывает путь тока в прямом направлении) кой проволочки, изолированной от корпуса. На корпусе диода указывается направление прямого тока от изолированного вывода к корпусу. Конструкция диода такова, что он может крепиться непосредственно к металлическому шасси. Корпус и винт для крепления диода изолируются от шасси изолирующими шайбами. Плоскостные диоды имеют сравнительно большую поверхность раздела между областями различной проводимости, и 321 поэтому они применяются для выпрямления больших по величине переменных токов, Эта особенность плоскостных диодов определила область их применения в качестве выпрямителей для электропитания радиоустановок. Для улучшения отвода тепла от пластинки германия при монтаже диодов в радиоаппаратуре под них подкладывают большие металлические шайбы из металла, хорошо проводящего тепло. hpM I Ток А I прямого 12 - I направления Ю . 90 80 70 SO 50 40 30 20 JO Q , тон г\- оаратного направления i-обр 4I- ~л 1.2 3 ?лр$ ioopM Рис. 11.4. Вольтамперн'ая характеристика германиевого диода Выпускаемые промышленностью плоскостные диодьг обладают сравнительно большой емкостью между электродами. Она достигает 20 пф. Поэтому на высоких частотах плоскостной диод перестает работать как выпрямитель, а начинает работать как обычный конденсатор постоянной емкости. В связи с этим плоскестные диоды применяются для выпрямления переменных токов только низкой частоты. Внешний вид и внутреннее устройство точечного диода показаны на рис. 11.3,6. Диод изготовлен из пластинки кристалла германия, обладающей электронной проводимостью, к которой приварена-вольфрамовая проволочка. Переходный слой образуется у места соединения кристалла германия с вольфрамовой проволокой. Точечные диоды по сравнению с плоскостными имеют меньшую поверхность контакта, поэтому применяются для выпрямления небольших токов, главным образом для детектирования сигналов. На рис. 11.4 показана вольтамперная характеристика герма- 322 ниевого диода. С увеличением напряжения ток прямого направления сначала растет медленно, но, начиная примерно с одного вольта, резко возрастает и далее увеличивается пропорционально прикладываемому напряжению. При обратной полярности приложенного напряжения существует ток обратного направления, но величина его намного меньше, чем тока прямого направления. Наличие обратного тока ухудшает свойства полупроводникового диода как выпрямителя и не позволяет использовать его во всех случаях вместо ламповых диодов, у которых обратного тока нет. Из приведенной характеристики видно, что увеличение обратного напряжения на диоде свыше 100 в приводит к резкому возрастанию обратного тока. Происходит это потому, что при повышенном напряжении сила электрического поля р - "-перехода возрастает настолько, что начинается вырывание электронов из атомов германия и наступает пробой запирающего слоя. Работа диода нарушается, а сам он становится негодным для дальнейшего использования. Чтобы избежать пробоя диодов, напряжение на них обычно устанавливают не больше 30%! пробивного. Серьезным недостатком германиевых диодов является значительное уменьшение пробивного напряжения при повышении температуры, которое неизбежно происходит при работе диода. Кремниевые диоды по .принципу работы не отличаются от германиевых. Как и германиевые, они изготовляются плоскостными и точечными. Внешний вид и внутреннее устройство кремниевых диодов показаны на рис. 11.5. В качестве примесного элемента для получения р - "-перехода в плоскостных кремниевых диодах используется алюминий. Объясняется это тем, что индий, применяющийся в германиевых диодах, не дает сплавов с кремнием, а сплав кремния с алюминием (силумин) широко известен и используется в промышленности. Для придания кремнию проводимости "-типа применяется сплав золота и сурьмы, который хорошо сплавляется с кремнием. Высокая температура плавления сплавов кремния позволяет применять кремниевые диоды при более высоких температурах, чем германиевые. На рис. 11.5, а показано устройство плоскостного кремниевого диода. Пластинка кремния б, сплавленная с кусочком фольги 7 из сплава золото-сурьма и обладающая "-проводимостью, помещается на кристаллодержателе 10. Сверху на пластинку кремния устанавливается никелевый стаканчик / с алюминиевым стержнем; от стаканчика делается вывод наружу герметизированного баллона. Алюминий сплавляется с кремнием и образует р - "-переход. Для увеличения теплоотдачи кристал-лодержатель припаивают к медному основанию. Кристалл кремния с алюминием и сплавом золото-сурьма покрывают изолирующим лаком. 323 Существенным преимуществом кремниевых диодов является почти полное отсутствие изменения величины прямого тока при изменении температуры диода. Кроме того, кремниевые диоды допускают более высокие обратные напряжения, чем германиевые. Обратное напряжение кремниевых диодов может достигать нескольких сотен вольт. Обратные токи у кремниевых дио- •Д203 ДЮЗ ч " Рис. 11.5. Внешний вид и внутреннее устройство плоскостного (а) и точечного (б) кремниевого диодов: /-никелевый стакан с алюминиевым стержнем; 2- никелевый вывод; 3- -РУбка из ковара; 4 - стеклянный изолятор; 5 - герметичный корпус из ковара; 6- *Р""(tm)": 7-фольга из сплава золото-сурьма; 8 - припой; 9 - крепежный стержень - гайками 10 - кристалл-держатель; 7/- медное основание; 11- шайба из слюды; 13 ~ изолирую щая втулка; 14-лепесток; 15-покрытие из изоляционного лака дов значительно меньше, чем у германиевых. Так как разброс характеристик кремниевых диодов гораздо меньше, чем у германиевых, их можно без специального подбора соединять последовательно друг с другом. Недостатком кремниевых диодов по сравнению с германиевыми является несколько большее падение напряжения на них при прямом токе, достигающее одного вольта. В соответствии с общесоюзным стандартом всем полупроводниковым диодам присваивается буква "Д" с соответствующим типу номером. Точечные германиевые диоды обозначаются но- 324 мерами от 1 до 100, а плоскостные - от 301 до 400. Точечным кремниевым диодам присваиваются номера от 101 до 200, а плоскостным - от 201 до 300. Схемы однополупериодного и двухполупериодного выпрямителей с полупроводниковыми диодами представлены на рис. 11.6. Работа полупроводниковых выпрямителей ничем не отличается от работы кенотронных. Переменное напряжение, возникающее на вторичной обмотке трансформатора, в течение одной поло- ff тр i "| 1 D D •/1ИР- 1 Ля п 5 /-J "ч п> S' ''п ь, f ? *: у " -> -> -> • с С Рис. 11.6. Принципиальные схемы однополупериодного (с) и двухполупериодного (б) выпрямителей с полупроводниковыми диодами вины каждого полупериода создает в цепи ток прямого направления, а в течение второй половины периода - ток обратного направления. Так как ток прямого направления во много раз превышает величину обратного тока, то на сопротивлении нагрузки образуется напряжение одного знака, которое при помощи конденсатора фильтра поддерживается неизменным. В большинстве случаев схемы, показанные на рис. 11.6, практически непригодны. Дело в том, что при работе с фильтром в виде конденсатора обратное напряжение, которое возникает на диоде в моменты, когда через него протекает обратный ток, может почти в два раза превосходить величину амплитуды напряжения, развиваемого на концах вторичной обмотки трансформатора. Так как пробивное напряжение полупроводниковых диодов измеряется всего сотнями вольт, а у германиевых оно еще сильно снижается с повышением температуры, то обратное напряжение может оказаться больше пробивного. Поэтому приходится включать вместо одного несколько последовательно соединенных диодов, как показано на рис. 11.7. Но при этом обратное напряжение должно распределяться между ними примерно поровну и ни на одном из диодов не достигать величины напряжения пробоя. По условиям производства диоды не могут быть изготовлены с совершенно одинаковым сопротивлением току обратного направления. В связи с этим для выравнивания падения напряжения на диодах параллельно каждому из них 325 включают одинаковые сопротивления (несколько десятков тысяч ом), величина которых меньше сопротивления диода в обратном направлении. На рис. 11.7 показаны три последовательно включенных диода. Обратное напряжение, образующееся на каждом из них, составляет одну треть удвоенной амплитуды напряжения вторичной обмотки трансформатора. /Л;/, , К ц, Лц, -I ___ 1- < г*Й - 1 ___ - * _ I- < 4- - 1 ___ 1- - М- -^WOTO^-I О о й1- =^ С\] "э ^ ^ *, - АР 0 о ^> # >§• ^0 tq r)c f'n _ ' ч г' fi\ ' 1 %ит )' Ci Рис. 11.7. Практическая схема однополупериодного выпрямителя с германиевыми диодами (Um - амплитуда напряжения на вторичной обмотке; ?/0бр - обратное напряжение; /?ш - сопротивление, шунтирующее диоды; R - сопротивление нагрузки) Выпрямители с полупроводниковыми диодами обладают существенными преимуществами по сравнению с кенотронными. К таким преимуществам относится малюе падение напряжения даже при больших величинах выпрямленного тока. При токе в несколько сотен миллиампер падение напряжения на германиевом диоде составляет около 0,5 в, на кремниевом - около 1 б; падение же напряжения на кенотронах составляет несколько десятков вольт (40-50 в). Вследствие этого выпрямленное напряжение в схемах с полупроводниковыми диодами получается больше, чем в кенотронных выпрямителях. Для полупроводниковых выпрямителей не требуется тока накала, а поэтому они обладают более высоким коэффициентом полезного действия и начинают работать сразу же после включения источника переменного тока (для кенотронных выпрямителей требуется время на разогрев катода). Недостаток полупроводниковых выпрямителей с германиевыми диодами-сильная зависимость выпрямленного тока и напряжения пробоя от температуры диодов. Схема полупроводникового диодного детектора в принципе ничем не отличается от схемы лампового диодного детектора, описанной в главе 9. Однако исключительно малое внутреннее сопротивление полупроводникового диода току прямого направ- 326 ления позволяет применить наряду с описанными несколько иную схему детектора. Эта схема отличается от обычной только тем, что нагрузкой детектора является не большое сопротивление в несколько сотен килоом, а лишь небольшое сопротивление в несколько десятков ом (такое сопротивление имеет, как будет показано дальше, входная цепь полупроводниковых триодов). Схема диодного детектора с низкоомным сопротивлением нагрузки показана на рис. 11.8. Принцип работы ее заключается Контур усилителя б.ч. ± U^ Дроссель в. ч. -ошг-, '.Диод Тон Рис. 11.8. Схема диодного детектора с низкоомным сопротивлением нагрузки в том, что когда переменное напряжение, индуктированное в катушке детектора, имеет полярность, при которой ток через диод не протекает, сопротивление диода оказывается большим и весь ток протекает через сопротивление нагрузки. При смене полярности напряжения на обратную диод становится проводящим, сопротивление его оказывается меньше, чем сопротивление нагрузки, весь ток протечет через диод, а нагрузка оказывается обесточенной. Таким образом, через нагрузку протекают импульсы тока только одного направления. Величина этих импульсов пропорциональна амплитуде приложенного напряжения. Включенная последовательно с сопротивлением нагрузки индуктивность дросселя, как и емкость в обычной схеме диодного детектора, сглаживает пульсации тока, и через нагрузку протекает выпрямленный ток, величина которого изменяется по закону изменения амплитуды детектируемого напряжения. Для детектирования высокочастотных напряжений, как'уже отмечалось, применяются только точечные диоды, так как они обладают малой междуэлектродной емкостью. Междуэлектродная емкость шунтирует диод, и на высоких частотах, когда сопротивление .емкости становится малым, диод работает как обычный конденсатор; выпрямляющее действие его прекращается. ПРИНЦИП РАБОТЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ТРИОДОВ Полупроводниковые.- триоды, как и полупроводниковые диоды, разделяются на плоскостные (слоистые)* и точечные. Плоскостной германиевый триод состоит из пластинки кри- 327 сталла германия, содержащей три области с разными типами проводимости (рис. 11.9). Для работы триода необходимо, чтобы две крайние области обладали одинаковым типом проводимости, а средняя - проводимостью противоположного типа. Возможны два способа комбинации областей проводимости: первый- средняя область имеет проводимость "-типа, крайние - проводимость р-типа (рис. 11.9,а), второй - средняя область имеет проводимость р-типа, крайние - я-типа (рис. 11.9,6). Со- ++++•-**:+-: + + + •м" *4* ""-"" + ~-~ + - + + + + -4>4> - + + + + а мм" ••• 1 -~ -1 + - - + = + : + : - + + + - + _ _ + -~-4- - - d --- Рис. 11.9. Схема пластинок германиевого триода: а - типа р - п - р; б - типа п - р - п ответственно этому триоды с пластинками первого вида называют триодами р - п - р-типа, а триоды с пластинками второго вида - триодами п - р -"-типа. И в том и. в другом типе триодов содержится два р - "-перехода, образующиеся на границах раздела объемов с проводимостями различного типа. Если к триоду не приложены никакие электрические напряжения, то по сторонам переходных слоев образуется такое же распределение зарядов, как и в плоскостном диоде. Если к левому объему пластинки (рис. 11.10), именуемому эмиттером, подключить положительный полюс источника постоянного тока, а отрицательный полюс соединить со средней частью пластинки - базой, то через р - "-переход / установится некоторый ток постоянной величины. ,Через переход от эмиттера будут двигаться основные носители тока - положительные заряды, которые содержатся в избытке в области эмиттера. Попадая в среднюю часть пластинки, где в изобилии находятся электроны, положительные заряды медленно передвигаются между ними, частично соединяясь с электронами и образуя нейтральные атомы и молекулы германия. Чем больше величина приложенного между эмиттером и базой напряжения, тем большее число положительных зарядов окажется переброшенным через переходный слой из эмиттера в область базы. Таким образом, эмиттер играет роль катода, эмитирующего (излучающего) электрические заряды в среднюю часть полупроводника. 328 В триоде п - р - я-типа эмиттер обладает "-проводимостью. Поэтому положительный полюс источника постоянного тока подключается не к эмиттеру, а к базе. Эмиттер же соединяется I п Эмиттер -г^т- Т^ Коллектор - + +- + + + ъ § X ' ^ ^ - ,v * + -ь + У, \ч /_ \ч '/ 4- " Nv + + +• + + + \ 1 1 X' 1 / 1 1 \ •*• , ч ' / I 1 ..::tf Т + f"~ -- - ' 1"*0 - + + - Рис. 11.10. Физический процесс, происходящий в полупроводниковом триоде: а - движение положительных зарядов от эмиттера к базе через эмиттерный переход; в области базы накапливаются положительно заряженные частицы; б - электрическое поле, созданное батареей коллектора, охватывает всю область базы, но так как в базе не содержится положительных зарядов (тока эмиттера нет), то ток в цепи коллектора отсутствует; в - электрическое поле коллектора увлекает положительные заряды, попавшие из эмиттера в базу!-в цепи коллектора существует электрический ток ' с отрицательным полюсом. Через переход из эмиттера в базу перебрасываются уже не положительные заряды, а электроны, которые и движутся медленно среди положительных зарядов базы. Как видно из рис. 11.10, к другому крайнему объему пла- 22-261 329 стинки, именуемому коллектором, подключается отрицательный полюс другого источника постоянного тока. Положительный полюс этого источника подключается к базе. Как правило, напряжение источника тока в цепи коллектора всегда больше, чем в цепи эмиттера. Такое включение источника тока не может создать движения основных носителей тока (либо электронов базы к коллектору, либо положительных зарядов коллектора к базе). Поэтому если бы эмиттер не поставлял в область базы положительных зарядов, то тока в цепи коллектора практиче- 0,1 0,125 0,15 0,175 0,2 U3[e] Рис. 11.11. Семейство входных характеристик полупроводникового триода (при включении по схеме с общей базой) ски не существовало бы. Но так как от эмиттера в область базы непрерывно перебрасываются положительные заряды, которые медленно движутся по базе, то электрическое поле, созданное батареей коллектора, подхватывает их и уносит через р - "-переход II на коллектор. В цепи коллектора появляется электрический ток. Величина этого тока зависит не только от величины напряжения на коллекторе, но и от величины тока эмиттера. Чем ток эмиттера больше, тем большее число заряженных частиц перебрасывается в область базы, тем больше их попадает в электрическое поле коллектора. Практически почти все заряды, поступающие от эмиттера в базу, перехватываются полем коллектора. Поэтому считают, что ток коллектора равен по величине току эмиттера. В триоде п - р - n-типа происходит совершенно такой же процесс захвата электронов, попавших из эмиттера' в базу, электрическим полем коллектора. Очевидно, что положительный полюс батареи коллектора в этом случае должен быть подключен к коллектору, а отрицательный к базе. Описанные свойства полупроводникового триода иллюстрируются семействами входных и выходных характеристик. Вход- 330 ные характеристики представляют собой графическое изображение зависимости тока в цепи эмиттера от величины приложенного напряжения между эмиттером и базой при неизменном напряжении на коллекторе. На рис. 11.11 показано семейство входных характеристик одного из полупроводниковых триодов. Характеристика по виду аналогична характеристике полупроводникового диода. Увеличение напряжения на коллекторе приводит к некоторому увеличению тока эмиттера. Входные харак- 1э=3ма 10 20 (Ш Рис. 11.12. Семейство выходных характеристик полупроводникового триода (при включении по схеме с общей базой) теристики позволяют определить необходимое напряжение батареи в цепи эмиттера для обеспечения нужного потока зарядов из эмиттера в базу (тока эмиттера). По входным характеристикам находят входное сопротивление полупроводникового триода. Оно вычисляется делением величины изменения напряжения А С/э на величину изменения тока в цепи эмиттера Д/э, вызванного этим изменением напряжения: о ^j^/a. f\Bx д/э • Для примера укажем величину входного сопротивления триода в точке А характеристики (рис. 11.11). Эта точка характеризуется тем, что на эмиттер приложено напряжение (/э=0,15 в и через него протекает ток /э=1 ма. Изменение напряжения А (/э=0,025 в вызывает изменение тока А/э = 0,5 ма. Следовательно, входное сопротивление получается 50 ом. Приведенные цифры свидетельствуют о том, что полупроводниковыйтриод в отличие от лампового потребляет большой ток во входной цепи (в цепи управления). На рис. 11.12 представлено семейство выходных характеристик. Эти характеристики графически изображают зависимость 22* 331 тока коллектора от величины напряжения яа нем при неизменной величине тока эмиттера. Внешне выходные характеристики напоминают анодные характеристики лампового пентода. При малых напряжениях на коллекторе его ток увеличивается пропорционально величине напряжения на коллекторе, но, начиная с некоторой величины (несколько вольт), увеличение напряжения на коллекторе перестает сопровождаться пропорциональным увеличением тока коллектора. Такое состояние со- ./ЛСмо) ин=юв 3 1Э\.Щ Рис. 11.13. Семейство характеристик передачи полупроводникового триода: / - нижний сгиб характеристики; // - прямолинейный участок; III <- верхний сгиб характеристики ответствует режиму, при котором все эмиттируемые в базу заряды увлекаются полем коллектора. Увеличение тока при этом режиме может быть достигнуто только за счет увеличения тока' эмиттера, т. е. только за счет увеличения эмиссии зарядов из эмиттера в базу. Вследствие этого по мере увеличения тока эмиттера характеристики смещаются вверх параллельно друг другу. Выходные характеристики полупроводниковых триодов позволяют определить необходимые величины тока эмиттера для получения требующейся величины тока коллектора. Иногда удобно пользоваться так называемой характеристикой передачи, которая представляет собой графическое изображение зависимости тока коллектора от величины тока эмиттера при неизменной величине напряжения между коллектором и базой. Вид семейства характеристик передачи показан на рис. 11.13. Характеристика передачи показывает, что увеличение тока эмиттера сопровождается одновременным ростом тока коллек- 332 тора. При малой величине тока эмиттера приращение тока коллектора происходит не пропорционально изменению тока эмиттера, а поэтому начало характеристики имеет вид изогнутой кривой. При дальнейшем увеличении тока эмиттера приращение тока коллектора становится пропорциональным приращению тока эмиттера (прямолинейный участок характеристики) и, наконец, при очень больших токах эмиттера приращение тока коллектора замедляется (верхний загиб характеристики). Внешний вид и схематическое устройство плоскостных германиевых триодов показаны на рис. 11.14. Пластинка германия укреплена на металлическом основании. С двух сторон ее впаяны кусочки индия; один кусочек является выводом эмиттера, другой- коллектора. Вся конструкция помещена в металлический герметизированный корпус. Триоды большой мощности (например, П602) отличаются от описанного типа триодов кольцевой конструкцией эмиттера и коллектора, благодаря чему достигается большая площадь переходного слоя, наличием медной шайбы, улучшающей теплоотдачу, и рядом других конструктивных особенностей. На том же рис. 11.14 показаны условные обозначения полупроводниковых триодов. Точечные полупроводниковые триоды изготовляются из пластинок германия толщиной около 0,5 мм. Используемый германий обладает л-проводимостью. К пластинке германия прижимаются две металлические иглы из вольфрама. Расстояние между ними не превышает 0,05 мм. Внешний вид и схематическое устройство точечного триода показаны на рис. 11.15. Принцип работы точечного триода аналогичен принципу работы плоскостного. Области с р-проводимостью образуются вблизи вольфрамового контакта, а на границе областей с различной проводимостью создаются переходные слои. Точечные триоды, как правило, обладают меньшей междуэлектродной емкостью, чем плоскостные, и поэтому применяются в схемах высокочастотных устройств. По*мощности точечные триоды значительно уступают плоскостным. Современные методы изготовления плоскостных триодов позволяют делать и их с весьма малыми междуэлёктродными емкостями и повышенной скоростью движения зарядов. Вследствие этого целый ряд плоскостных триодов изготавливается специально для применения в высокочастотной аппаратуре. Плоскостной триод П402 (см. рис. 11.14) успешно может работать на частотах до 120 Мгц, плоскостной триод П410 - до 200 Мгц. По государственному стандарту всем плоскостным полупроводниковым триодам присвоена буква П, а точечным - буква С. При обозначении типа триода к буквам добавляются соответствующие номера. Маломощные германиевые триоды имеют номера от 1 до 100, кремниевые - от 101 до 200, мощные германиевые - от 201 до 300, мощные кремниевые - от 301 до 333 GO О? кЬ. База Оранжевая точка Металлический корпус \- Эмиттер 1! М'Ч\ 1- Шими^ ?Р 1 - юр . /* Эмиттер Ваза Коллектор П 602 I I 111! J 1^1 М МИШИН! unmiiiiiiiiiiiiiiiiniiiiiniT Эмиттер Оранжевая точна База Коллектор - База Гибкие выводы (германий пятила) Ч?Щ%Ц!!%а\ Змиттер Коллектор . Эмиттер коллектор [ г " \ Эмиттерл (индий]/ база Триод п-р~п База Триод р-п-р Корпус Коллектор (индий) Изолятор Вывод эмиттера Триод р-п-р - /740? Изолирующее покрытие Кристаллодер' " жатель 'Изолятор Вывод ноллентора.. 'Вывод базы Рис. 11.14. Внешний вид и схематическое устройство плоскостных германиевых триодов. Рядом показаны условные изображения триодов в схемах 400. Триоды, предназначенные для работы в цепях высокой частоты, имеют номера-: германиевые от 401 до 500, кремниевые от 501 до 600. Устройство и работа кремниевых триодов принципиально не отличаются от устройства и работы описанных германиевых три- Ml'! I f --- ^ Рис. 11.15. Внешний вид и схематическое устройство точечного полупроводникового триода: / - металлический кожух; 2 - металлический корпус; 3 - кристаллодержатель; 4 - пластинка германия; 5-вольфрамовые иглы - пружинки; 6 - изолирующее покрытие; 7 - изоляционная втулка; 8 - выводы эмиттера и коллектора; 9 - вывод базы (соединяется с корпусом) одов. Положительным свойством кремниевых триодов является надежная работа при более высоких температурах, чем допускаемые для германиевых триодов. УСИЛИТЕЛЬНЫЕ СВОЙСТВА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ТРИОДОВ Усилительные свойства полупроводникового триода объясним на простейшей схеме усилителя, показанной на рис. 11.16. Полупроводниковый триод типа р - п - р используется для усиления колебаний, подведенных к эмиттеру от генератора переменного тока. Сопротивление нагрузки включено между коллектором и базой. Налич.ие в цепи эмиттера ^источника постоянного тока" в виде батареи напряжением Ua приводит к образованию тока эмиттера /э, протекающего через .эмиттерный переход /. Этот ток переносит положительные заряды из области эмиттера в область базы. Большая часть перенесенных зарядов увлекается электрическим полем, созданным батареей коллектора, и собирается на коллектор. В цепи коллектора течет электрический ток. Так как в цепь коллектора 335 включено сопротивление нагрузки /?, то протекающий по нему ток коллектора создает на сопротивлении тем большее падение напряжения, чем больше величина коллекторного тока. Ток эмиттера в процессе работы усилителя не остается неизменным. Источник переменного тока, включенный в цепь эмиттера, изменяет величину приложенного напряжения ?/э-б> I n П_________ Элшттер(3)\ ^__-|+ ~ +р ! | Коллектор(К) Um( я- База \ "з + •- + 1 1 1 UK II U*6 UR ^\ 777777 /7?\ Цель коллектора J&. -"~t ^л/vл Рис. 11.16. Простейшая схема усилителя с полупроводниковым триодом и график токов и напряжений в схеме как показано на графике. Вследствие этого и ток эмиттера изменяется пропорционально напряжению. Но изменение величины тока эмиттера сопровождается изменением количества зарядов, переходящих из эмиттера в базу, а следовательно, и изменением величины тока коллектора. Так как почти все заряды (95-99%), участвующие в создании тока эмиттера, переходят в цепь коллектора, то ток коллектора практически оказывается равным току эмиттера и изменяется в тех же пределах, что и ток эмиттера. На сопротивлении нагрузки получается падение напряжения, изменяющееся по величине пропорционально изменению напряжения, подведенного к эмиттеру. Но пределы изменения напряжения на нагрузке R получаются гораздо больше, чем пределы изменения входного напряжения, 336 В самом деле, пусть к эмиттеру приложено постоянное напряжение ?/э=0,15 в и переменное с амплитудой ?/от-=0,025 в. Тогда напряжение на эмиттере будет изменяться от 0,125 в до 0,175 в. Пусть напряжение на коллекторе будет UK=- 3 в. По входным характеристикам рис. 11.11 находим, что ток эмиттера при этом изменяется от 1,1 ма до 3,5 ма. Будем считать, что ток коллектора равен по величине току эмиттера. Выберем сопротивление нагрузки jR = 800 ом; тогда падение напряжения на нем будет изменяться от 0,88 в до 2,80 в, т. е. амплитуда переменной составляющей падения напряжения на сопротивлении нагрузки составит '/2 • (2,80 - 0,88) =0,96 в, что в 38,5 раза больше амплитуды приложенного напряжения (0,025 в). Аналогично можно подсчитать и коэффициент усиления по мощности. Мощность равняется произведению напряжения (эффективного значения) на эффективную величину переменной составляющей тока. Так как величина тока коллектора равна току эмиттера, а напряжение на нагрузке в 38,5 раза больше подводимого, то коэффициент усиления по мощности будет равен коэффициенту усиления по напряжению. Таким образом, правиль-н1им выбором сопротивления нагрузки и напряжения на коллекторе можно добиться необходимого усиления. f) -чь + 11 - Рис. 11.17. Схемы усилителя с общей базой ТИПОВЫЕ СХЕМЫ УСИЛИТЕЛЕЙ С ПОЛУПРОВОДНИКОВЫМИ ТРИОДАМИ Схемы усилителей с полупроводниковыми триодами бывают трех видов: с общей базой, с общим эмиттером и с общим коллектором. Схема усилителя с общей базой представлена на рис. 11.17. Эту схему мы рассматривали при объяснении физического процесса в полупроводниковом триоде, но на рис. 11.17 она представлена в несколько ином виде: батарея эмиттера и источник переменного тока включены параллельно друг другу. В связи.с этим в цепь эмиттера пришлось ввести конденсатор Сс, преграждающий путь постоянному току в цепь источника переменного напряжения, и сопротивление /?с, необходимое для того, чтобы источник постоянного тока не шунтировал источник переменного тока. Рядом со схемой, содержащей две батареи, показана и практическая схема, в которой вместо двух батарей используется одна. Напряжения на эмиттер и коллектор снимаются с делителя, составленного из сопротивлений RI и #2- Для устранения обратных связей между цепью коллектора и эмиттера сопротивления •Rl и R2 шунтируются конденса- 337 торами большой емкости С\ и С2. В обеих схемах сопротивление нагрузки включается в цепь коллектора. Отличительной особенностью схемы является то, что общим элементом для цепей коллектора и эмиттера является база триода; база находится под нулевым потенциалом по переменному току относительно корпуса усилителя. Поэтому схема и называется схемой с общей или заземленной базой. >с RH П ВыхоЗ - 4- + 1 - 1 1 1 п < = )---- || ' -" Бн ^•^ тт, т а Выход Рис. 11.18. Схема усилителя с общим эмиттером Схема характеризуется большой величиной тока, потребляемого триодом от источника усиливаемого сигнала, т. е. весьма низким входным сопротивлением, которое составляет несколько десятков ом у плоскостных триодов и несколько сотен ом - у точечных. Выходное сопротивление составляет сотни килоом. Достоинство схемы - ее устойчивость против самовозбуждения. Это свойство является, весьма ценным для точечных триодов, в которых база обладает сравнительно большим сопротивле-, нием. Поэтому точечные триоды используются, как правило, в такой схеме. Наиболее распространенной является схема с общим (заземленным) эмиттером, показанная на рис. 11.18. Схема питается от одной батареи. Избыток напряжения, подводимого к базе, гасится, на сопротивлении /?д. В схеме общим электродом для цепи эмиттера и коллектора является эмиттер, который имеет нулевой потенциал по переменному току и потому заземлен. Входное сопротивление схемы равняется нескольким десяткам ом, выходное - нескольким десяткам килоом. Большое входное сопротивление схемы с общим эмиттером по сравнению со схемой с общей базой объясняется тем, что ток базы является разностью токов эмиттера и коллектора и поэтому всегда намного меньше тока эмиттера. Так как ток коллектора составляет 0,95 - 0,99 величины тока эмиттера, то ток базы по- 338 лучается в 10-20 раз меньше тока эмиттера. Соответственно входное сопротивление увеличивается во столько же раз. Схемы с общей базой и общим эмиттером позволяют получать усиление по напряжению в несколько сотен раз. Схема с общим эмиттером позволяет получить усиление по току в 10- 30 раз и усиление по мощности до 10000 раз. Схема с общей базой позволяет получить усиление по мощности не t f .X \------* более чем в 1000-раз. Г"^---------------^ * i Третья схема - схема с общим (заземленным) коллектором (рис. 11.19) аналогична схеме лампо- ' ' Би вого катодного повторителя. Схема фактически "' не дает усиления. Она РИС> ---19. Схема усилителя с общим кол-применяется для согласо- лектором вания цепей, имеющих большое сопротивление, с цепями, обладающими малым сопротивлением. У схемы большое входное сопротивление (несколько миллионов ом) и малое выходное (несколько сотен ом). Чаще всего такая схема применяется для связи между двумя усилительными каскадами на 'полупроводниковых триодах с общим эмиттером или с общей базой. В схеме с общим коллектором сопротивление нагрузки включается в цепь эмиттера; поэтому напряжение на сопротивлении нагрузки не может быть больше подводимого напряжения. Приведенное описание устройства и работы полупроводниковых приборов позволяет уяснить работу полупроводников в различных каскадах приемников и передатчиков. Работа усилителей низкой и высокой частоты, генераторов, детекторов, смесителей, модуляторов и других устройств с полупроводниковыми приборами принципиально не отличается от работы этих устройств на электронных лампах. Однако схемы на полупроводниках имеют некоторые особенности. Так, большое потребление энергии в цепях управления полупроводниковых триодов требует обязательного согласования входных цепей триодов с источниками переменного тока (выходными цепями предыдущих каскадов). Малое входное сопротивление полупроводниковых триодов заставляет применять для связи между каскадами конденсаторы очень большой емкости (несколько микрофарад там, где с электронными лампами использовались только сотые доли микрофарады). Полупроводниковые триоды обладают большими, междуэлектродными емкостями, что усложняет усиление колебаний 339 высокой частоты, заставляет применять схемы компенсации емкостных токов. Кроме того, так как междуэлектродные емкости полупроводниковых триодов сильно зависят от величины протекающих токов, то при использовании триодов в генераторных схемах наблюдается заметная нестабильность частоты генерируемых колебаний. Эти и ряд других трудностей в применении полупроводниковых приборов пока еще не преодолены. Однако со временем, несомненно, полупроводники найдут самое широкое применение в радиотехнической аппаратуре. ОГЛАВЛЕНИЕ Предисловие........................... 3 Глава 1. Наша страна - Родина радио.............. 5 А. С. Попов - изобретатель радио............ 5 Развитие советского радио ................ 7 Глава 2. Общие понятия о линии радиосвязи.......... 13 Глава 3. Колебательные системы...... .......... 20 Свободные колебания в контуре............... 20 Вынужденные колебания в контуре.............. 25 Резонанс.......................... 26 Виды связи контуров...... .............. 34 Детали колебательных контуров ............... 38 Пьезоэлектрический эффект................. 46 Кварцевые фильтры ...................... 49 Электромеханические фильтры................ 51 Глава 4. Антенны....................... 53 Свободные колебания в антенне................. 54 Вынужденные колебания в антенне.............. .56 Способы настройки антенн в резонанс ............. 57 Излучение электромагнитной энергии ............. 59 Характеристики излучения антенны.............. . 60 Влияние земли на характеристику излучения.......... 62 Влияние земли на величину излучаемой мощности........ 62 Антенны коротких радиоволн ....... ..... ..... 63 Антенны метровых волн.................. . 68 Приемные антенны....................... 72% Рамочные антенны...................... 74 Магнитная (ферритовая) антенна ....... ....... 75 Глава 5. Распространение радиоволн.............. 77 Образование радиоволн ......... ........... 77 Ослабление радиоволн .... ................ 78 Строение атмосферы .................... 80 Строение ионосферы..................... 81 Распространение радиоволн вдоль поверхности Земли ...... 83 Распространение поверхностных радиоволн............ 84 Волна, отраженная от поверхности Земли........... 89 Пространственная волна.................... 91 Дальнее распространение УКВ.................. 96 Глава 6. Электронные лампы.................. 99 Принцип работы и устройство двухэлектродной лампы...... 99 Схема включения и основные свойства диода........... 101 Типы катодов........................ 104 Характеристика диода ... . ....... 106 Выпрямители......., . ............... 108 Типы и конструкции диодов.................. 114 Устройство и работа триода ..... ............ 116 Характеристики триода ........ ............ 119 Параметры триода...................... 122 Мощность потерь на аноде................. 124 Типы и конструкции триодов . ................ 125 Недостатки триода..................... 127 Устройство и работа тетрода............... . 127 Характеристики и параметры тетрода . ........... 129 Ток вторичной эмиссии в тетроде . . ............. 130 Устройство и работа пентода ............. .... 132 Характеристики пентодов . ................ 133 Лучевые тетроды....................... 135 Пентоды с удлиненной характеристикой............ 136 Типы тетродов и пентодов....... . . ....... 136 Гептоды и комбинированные лампы.............. 138 Стержневые лампы . ................... 139 Электронные лампы для сверхвысоких частот . . . . .... 140 Простейшие способы испытания ламп .............. 141 Неоновая лампа ... ..................... 142 Стабилитроны (ионные стабилизаторы напряжения)....... 143 Бареттеры (стабилизаторы) тока.............. . 145 Глава 7. Ламповые усилители................. 145 Работа простейшего усилительного каскада .......... 145 Работа лампы в усилительном каскаде............ 150 Графическое изображение работы усилительного каскада , . . . . 152 Тетроды и пентоды в усилительном каскаде.......... 155 Усилители колебаний низкой частоты............. 157 Усилитель низкой частоты на сопротивлениях......... 161 Дроссельный усилитель................... 164 Трансформаторный усилитель................. 165 Способы получения напряжения смещения в усилителях..... 167 Выходной каскад' усилителя низкой частоты.......... 171 Усилитель с катодной нагрузкой (катодный повторитель) ..... 173 Многокаскадные усилители низкой частоты........... 174 Отрицательная обратная связь в усилителях . ......... 178 Двухтактные усилители....... .......... 182 Усилители высокой частоты.................. 183 Глава 8. Ламповые генераторы и передатчики.......... 187 Назначение и устройство лампового генератора ......... 187 Схемы генераторов с самовозбуждением............. 193 Усилитель мощности ... ................. 196 Генератор с самовозбуждением на пентоде........... 198 Умножение частоты колебаний................. 199 Блокинг-генератор..................... 200 Транзитронный генератор................... 202 Связь генератора с антенной . . . . ............ 204 Схема двухкаскадного передатчика .............. 205 Стабилизация частоты колебаний передатчика кварцем ..... 206 Применение кварцевого генератора для стабилизации частоты колебаний в диапазоне частот................. 209 Применение кварцевого генератора для получения ряда стабилизированных частот....... ............ 210 Управление колебаниями передатчика при телеграфной работе ключом.......................... 218 Телеграфирование с применением буквопечатающих аппаратов 221 Модуляция колебаний передатчика речью .......... 225 Однополосная модуляция ................... 229 Одновременная манипуляция и модуляция в передатчиках .... 231 Управление колебаниями передатчика по телефонно-телеграфной линии........................... 231 Глава 9. Радиоприемные устройства . . ,........... 233 Общие сведения о радиоприемниках . . . . ......... 233 Требования к приемникам.................. 235 Детектирование....... ............... 237 Диодный детектор...................... 239 Сеточный детектор...................... 241 Анодный и катодный детекторы............... 242 Входной контур и усилитель высокой частоты......... 244 Супергетеродинные приемники................. 246 Преобразователи частоты................... 253 . Усилитель промежуточной частоты............... 258 Детектор и второй гетеродин................ 261 Регулировка громкости .................... 263 Прием частотно-модулированных (ЧМ) сигналов......... 265 Автоматическая подстройка частоты............. 271 Регенеративный прием.................... 272 Сверхрегенеративный прием................. 274 Прием однополосных радиотелефонных сигналов........ 279 Оконечные каскады радиоприемников............. . 280 Схемы приемников..................... 285 Глава 10. Основы радиорелейной связи............ . 286 Общие сведения о радиорелейной связи .......... ... 286 Принцип устройства радиорелейной линии .......... 287 Основы многоканальной связи ................ 293 Частотное разделение каналов . . . . ........... 294 Временное разделение каналов..... ........... 301 Импульсная модуляция .................... 304 Глава 11. Полупроводниковые приборы............. 317 Свойства переходного слоя................... 318 Принцип работы полупроводниковых диодов .......... 320 Работа выпрямителя с полупроводниковым диодом....... 325 Диодный полупроводниковый детектор............ 326 Принцип работы полупроводниковых триодов .......... 327 Усилительные свойства полупроводниковых триодов...... 335 Типовые схемы усилителей с полупроводниковыми триодами ... . 337 Сергей Львович Давыдов, Иван Петрович Жеребцов, Федор Львович Левинзон-Александров РАДИОТЕХНИКА М., Воениздат, 1963, с. 344. Редактор В. Т. Владимиров Переплет художника Я. А. Усачева Технический редактор Соколова Г. Ф. Корректоры Королева Л. В, и Катышева Т. Т. Сдано в набор 14.7.62. Г-84751 Подписано к печати 3.12.62 Формат бумаги 60Х90"/" - 21"/" пёч. л. =21,5 усл. печ. л. = 21,724 уч.-изд. л. Изд. № 6/1689 Тираж 150 000 .______________Зак. № 261 2-я Типография Военного издательства Министерства обороны СССР Ленинград, Д-65, Дворцовая пл., 10 Цена 86 коп.