Радио

С помощью радиолампы электрические колебания можно усилить в десятки раз. Но часто такое усиление оказывается недостаточным. Так, например, чтобы разобрать слабые сигналы далекой радиостанции, их энергию приходится иногда усиливать в миллионы раз. При таком усилении едва уловимый шорох воспринимался бы нашим ухом как оглушительный грохот.

Как же осуществляется это колоссальное усиление?

Когда нужно подняться на верхний этаж дома, пользуются лестницей. Поднимаясь по лестнице, мы последовательно преодолеваем ступень за ступенью. Каждая следующая ступень поднимает нас все выше.

По такому же «ступенчатому» принципу строятся и радиоусилители. Обычно они состоят из нескольких ламповых «ступеней», каждая из которых представляет собой самостоятельный усилитель на одной лампе. Вход каждой последующей ступени подключается к выходу предыдущей.

Предположим, что каждая ступень усиливает колебания в 10 раз. Тогда общее усиление двух ступеней будет равно 10X10=100, трех — 10Х10Х10=1000 и т. д. Чем больше ламп в усилителе, тем выше его усиление. Вот почему в чувствительных радиоприемниках для дальнего приема бывает по десяти и более ламп.

В современной радиоаппаратуре часто применяются многосеточные лампы — четырехэлектродные (тетроды), пятиэлектродные (пентоды) и т. д. С помощью таких ламп можно усиливать токи с частотами свыше десяти миллионов колебаний в секунду. Обычные триоды для этой цели уже мало пригодны.

По мере развития радиолампы она становилась все менее похожей на своего предка — лампочку накаливания. Хрупкая стеклянная оболочка во многих радиолампах сменилась прочным железным панцырем. Такие лампы стали называться металлическими. Ясно, что они совсем не дают света и сохраняют название ламп лишь в силу укоренившейся традиции.

Лампы различны и по внешнему виду, и по размерам. Миниатюрные лампы — «желуди» — очень похожи на желудь как величиной, так и формой. Другое дело мощные радиолампы, применяемые в радиопередатчиках. Их величина близка к росту человека.

РАДИОЛАМПА В ПЕРЕДАТЧИКЕ

Ламповый генератор отличается от усилителя лишь одной интересной особенностью. Эта особенность состоит в том, что генератор усиливает свои же собственные колебания.

Ламповый усилитель очень легко превратить в радиопередатчик. Для этого нужно только, чтобы часть энергии с выхода лампы все время возвращалась на ее вход.

Устройство лампового генератора показано на рис. 12.

Рис. 12. Схема лампового генератора.

Как видно из рисунка, между катодом и сеткой лампы включена дополнительная катушка индуктивности 1. Она называется катушкой «обратной связи». Катушка обратной связи находится в электромагнитном поле катушки индуктивности 2 основного колебательного контура. Под влиянием этого поля в ней возбуждаются электрические колебания, которые затем усиливаются лампой и «раскачивают» контур.

Получается замкнутый круг: колебательный процесс, происходящий в контуре, порождает колебания в катушке обратной связи, а последние в свою очередь усиливаются лампой и поддерживают колебания в контуре. Генератор все время как бы сам себя возбуждает. Поэтому он получил название генератора с самовозбуждением.

Но в самый первый момент в контуре еще нет колебаний, и, стало быть, нечего усиливать. Как же зарождаются колебания? Ведь для того чтобы, например, начал колебаться маятник в стенных часах, необходим внешний толчок, который вывел бы его из положения равновесия.

В радиопередатчике роль такого толчка играет мгновенный импульс тока, возникающий при включении батареи.

В начальный момент колебательный контур генератора находится как бы в состоянии неустойчивого равновесия. Достаточно незначительно измениться анодному току генераторной лампы, и в контуре появляются едва заметные колебания. Тотчас часть их энергии «ответвляется» через катушку обратной связи во входную цепь лампы, усиливается и вновь попадает в контур. Размах электрических колебаний в контуре постепенно возрастает, пока не достигнет своей максимальной величины.

Современные передатчики устроены более сложно. В них, как и в радиоусилителях, много ламп. Это объясняется тем, что простейший генератор с самовозбуждением создает колебания с устойчивой частотой только тогда, когда его мощность невелика (намного меньше, чем у обычной осветительной электролампочки). Поэтому мощность радиопередатчика приходится усиливать с помощью ряда усилительных ступеней.

Имеются сложные генераторы, в которых колебания, создаваемые в первой ступени, усиливаются последующими. Такие генераторы называются генераторами с независимым возбуждением. Передатчики, подобные тому, с устройством которого мы сейчас познакомились, применяются для передачи телеграфных сигналов — коротких и длинных серий электромагнитных волн.

С этой целью периодически включают и выключают генератор по правилам телеграфной азбуки. Радист на приемной станции слышит работу передатчика не все время, а только в те моменты, когда включен ток. Комбинируя в уме услышанные сигналы, радист записывает радиограмму на листе бумаги.

Сигналы такого передатчика могут быть приняты и автоматическим радиотелеграфным аппаратом, прообраз которого был создан А. С. Поповым.

Сложнее обстоит дело при радиотелефонной передаче. Ведь здесь передается живая человеческая речь и музыка, а не точки и тире телеграфной азбуки!

ЗВУК ПРЕВРАЩАЕТСЯ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК

Мы знаем, что звук и электрический ток — явления совершенно разные. Звук — это колебания частиц воздуха, электрический ток — движение электронов.

Радиосвязь основана на электрических процессах — излучении, распространении и приеме электромагнитных волн. Значит, чтобы передать речь, музыку или иные звуки по радио, их нужно каким-то путем преобразовать в колебания электрического тока. Впрочем, это умели делать еще задолго до изобретения радио и применяли в обычной проводной телефонии.

Взгляните на рис. 13. Он поясняет устройство простейшего микрофона — прибора, превращающего звук в колебания электронов.

Рис. 13. Устройство простейшего микрофона.

Микрофон состоит из металлического корпуса 1, тонкой графитовой пластинки — мембраны 2, изолированного контакта 3 и угольного порошка 4, заполняющего пространство между мембраной и контактом.

Если включить микрофон в цепь электрической батареи, то через угольный порошок потечет ток. Сила этого тока будет зависеть от того, насколько сдавлен порошок. Рыхлая порошковая масса, состоящая из множества крупинок угля, оказывает электрическому току большое сопротивление. Если же надавить на мембрану, то порошок станет более плотным, его крупинки теснее сомкнутся друг с другом и их сопротивление электрическому току уменьшится. А от величины сопротивления цепи зависит сила тока в ней. Чем меньше сопротивление, тем больше сила тока. Периодически надавливая на мембрану, можно изменять сопротивление угольного порошка, а значит, и силу тока, проходящего через микрофон.

То же самое происходит, когда на микрофон «давят» звуковые волны. Встречая мембрану, они заставляют ее колебаться с частотой звука. При этом и сила тока в цепи микрофона также начинает пульсировать в полном соответствии со звуковыми колебаниями, как это показано на рис. 14.

Рис. 14. Пульсация тока в цепи микрофона.

Так осуществляется превращение звука в колебания электрического тока. Как бы ни был сложен звук, какие бы тончайшие оттенки он ни принимал, всегда можно получить колебания электрического тока, в точности ему соответствующие.

«Озвученное» электричество можно передать по проводам на любое расстояние, как передают обычный электрический ток.

Обратная задача — превращение колебаний электрического тока в звук — решается с помощью всем известных приборов — телефонных наушников и громкоговорителей.

Устройство простейшего телефонного наушника можно видеть на рис. 15.

Рис. 15. Устройство простейшего телефонного наушника.

На магнитный сердечник С надета проволочная катушка К. Поблизости от сердечника расположена мембрана из тонкой жести М. Эта мембрана притягивается к сердечнику с определенной силой.

Если через катушку пропустить постоянный электрический ток, то возбуждаемые им магнитные силы, взаимодействуя с магнитной силой сердечника, увеличивают или уменьшают притяжение мембраны (это зависит от направления тока). Если через катушку течет переменный ток, то сила, воздействующая на мембрану, изменяется периодически, с частотой этого тока. Поэтому мембрана начинает колебаться. Ее колебания передаются окружающему воздуху, и в нем возникают звуковые волны. Так электричество превращается в звук.

На таком принципе основана обычная телефонная связь. А в области радиотелефонии приходится прибегать к более сложным преобразованиям.

Дело в том, что электрические колебания звуковой частоты можно передать на значительное расстояние только по проводам, а в воздухе они быстро затухают. Да и много ли толку было бы, если бы такие колебания хорошо распространялись в пространстве! Отдельные передачи «накладывались» бы друг на друга, и в эфире царил бы сплошной хаос, как в огромной толпе, где каждый говорит в полный голос.

И все же ученые нашли способ передавать электрические колебания звуковых частот без проводов на любые расстояния.

Для этой цели используются электрические колебания радиочастот, в десятки, сотни и тысячи раз более высоких, чем звуковые.

ЗВУК УПРАВЛЯЕТ РАДИОВОЛНАМИ

Телеграфный радиопередатчик создает электрические колебания, размах которых все время постоянен (рис. 16).

Рис. 16. Электрические колебания, создаваемые телеграфным радиопередатчиком.

Иная картина наблюдается при работе телефонного передатчика. Размах генерируемых им колебаний то и дело изменяется, на первый взгляд, без всякой закономерности (рис. 17).

Рис. 17. Электрические колебания при радиотелефонной работе.

Но на самом деле закономерность есть.

Присмотритесь к линии, которая огибает пики «высокочастотных» колебаний, создаваемых радиопередатчиком. Ее извилины нам уже знакомы. Ведь именно такой характер имеет пульсация тока, текущего через микрофон, когда на мембрану «давят» звуковые волны (см рис. 14).

Значит, при радиотелефонной передаче звук управляет размахом колебаний в контуре передатчика, а следовательно, и энергией электромагнитных волн.

Вот как это получается.

В радиотелефонном передатчике на управляющую сетку лампы одновременно с высокочастотными колебаниями, идущими через катушку обратной связи, поступают колебания низкой звуковой частоты от микрофона. Ясно, что при этом величина электрического заряда на сетке изменяется двояко: во-первых, очень быстро с высокой частотой и, во-вторых, сравнительно медленно с низкой частотой.

Высокочастотные колебания, усиливаясь лампой, «раскачивают» колебательный контур, так как он настроен точно на их частоту. Низкочастотные колебания «раскачивать» контур не могут, поскольку он очень далек от их частоты. Зато они периодически изменяют усиление лампы, а значит, и размах высокочастотных колебаний в контуре.

Пока диктор молчит, размах высокочастотных колебаний не изменяется. Но стоит ему произнести слово, и размах колебаний начнет увеличиваться и уменьшаться в соответствии с характером звука.

Такой процесс носит название модуляции, а колебания высокой частоты, размах которых меняется по закону звуковых колебаний, называются модулированными.

Итак, при радиотелефонной передаче звук последовательно превращается сначала в электрические колебания звуковой частоты, как и при обычной проводной телефонии, а затем в модулированные колебания высокой частоты. А во время приема решается обратная задача: модулированные колебания, улавливаемые приемником, преобразуются в колебания низкой частоты, а потом в звук.

Посмотрим, как это происходит.

ПРЕОБРАЗОВАНИЕ РАДИОВОЛН В ЗВУК

Ежедневно во всех концах земли можно слышать голоса дикторов: «Внимание, говорит Москва». Эти слова принесены радиоволнами.

Но далеко не просто преобразовать электромагнитные волны в звук.

Модулированные колебания — переносчики звука. Они напоминают заснятую, но еще не проявленную фотопластинку. На такой пластинке не увидишь никакого изображения. Но это не значит, что его нет. Оно существует в скрытом виде. Чтобы увидеть изображение, нужно обработать пластинку в специальном химическом растворе — проявителе, который выявляет изображение, делает его видимым для человеческого глаза.

Подобно тому, как нельзя видеть непроявленный фотоснимок, невозможно услышать и модулированные колебания. Представьте, что антенна радиоприемника присоединена прямо к телефонному наушнику или громкоговорителю. Будет ли слышна радиопередача? Конечно, нет.

Дело здесь не только в том, что энергия радиоволн, улавливаемая антенной, весьма слаба. Даже усилив модулированные колебания во много раз, мы не услышали бы звука.

Когда переменный ток высокой частоты проходит через катушку телефонного наушника, магнитная сила, воздействующая на мембрану, изменяется с частотой этого тока, то есть чрезвычайно быстро. В силу инерции мембрана попросту не успевает отклониться в какую-либо одну сторону — так часто меняется направление магнитной силы.

Но допустим на минуту, что мы нашли мембрану, которая совсем не имеет инерции, и что такая «идеальная», не существующая в природе мембрана может колебаться под влиянием магнитного поля высокой частоты. Все равно такие колебания нельзя услышать, потому что их частота лежит далеко за пределами звуковых частот.

Чтобы можно было услышать радиопередачу, модулированные колебания высокой частоты необходимо выпрямить — превратить в короткие, следующие друг за другом импульсы постоянного тока. Для этого высокочастотные колебания нужно пропустить через двухэлектродную лампу, которая, как нам известно, обладает способностью выпрямлять переменные токи.

На рис. 18 показано, как выглядят модулированные колебания после выпрямления.

Рис. 18. Так выглядят модулированные колебания после выпрямления.

Теперь это ряд одинаково направленных пиков — импульсов постоянного тока, высота которых меняется в соответствии со звуковыми колебаниями.

Импульсы постоянного тока, проходя через катушку телефонного наушника, возбуждают в окружающем пространстве магнитные силы, действующие в одном направлении. При этом мембрана испытывает быстрые, следующие друг за другом толчки. Из-за своей инерционности она не успевает «откликаться» на каждый толчок в отдельности, но поскольку на этот раз толчки происходят в одну сторону, они сливаются в единую силу, величина которой изменяется в соответствии с линией, огибающей импульсы выпрямленного тока, то есть по закону звуковых колебаний.

Эта сила заставляет мембрану колебаться, и мы слышим звук, в точности такой, какой был произнесен перед микрофоном передатчика и управлял размахом высокочастотных колебаний.

Выявление колебаний звуковой частоты, происходящее в радиоприемнике, называется детектированием (это слово по-русски означает обнаружение).

Прибор, в котором происходит процесс детектирования, носит название детектора. Двухэлектродная лампа — это ламповый детектор. Существуют также безламповые детекторы. Простейший безламповый детектор состоит из кусочка сернистого свинца (галена) и стальной пружинки, острие которой упирается в поверхность галена. Этот детектор, подобно диоду, может выпрямлять переменные токи.

На рис. 19 показано устройство простейшего безлампового радиоприемника. Такой приемник называют детекторным. В нем отсутствует усиление колебаний высокой частоты. Колебания, улавливаемые антенной, поступают на колебательный контур, а от него через детектор прямо в обмотку телефонных наушников. Поэтому громкость передач, принимаемых на детекторный приемник, невелика.