Как получить высокую частоту

Н. – Я читал в объявлениях о продаже «супергетеродинов», но никогда не слыхал просто о гетеродинах. Не рекламное ли это преувеличение?

Л. – Нет, успокойся. Супергетеродин – приемная схема, о которой я тебе позже расскажу. А просто гетеродин – это устройство, служащее для создания переменных токов высокой или низкой частоты. Генератор, производящий мощные токи высокой частоты, которые направляются в антенну, называется радиопередатчиком. Если, кроме того, микрофонный ток воздействует на ток высокой частоты или, как говорят, он его модулирует, мы имеем дело с радиотелефонным передатчиком.

Н. – Но я бы очень хотел узнать, как устроен генератор. Не похож ли он на генераторы переменного тока, которые установлены на центральных электростанциях?

Л. – Нет, дружище. Так же, как искусный повар знает тысячи способов приготовления яиц, так и радиотехники умеют приспособить лампу для различных применений. Очень простая схема генератора изображена на рис. 36,а. Что ты на ней видишь?

Н. – Я вижу колебательный контур LC, включенный между сеткой и катодом лампы. С правой стороны изображена катушка L₁, включенная в анодную цепь лампы. Наконец, имеется батарея Б_с, создающая отрицательное напряжение на сетке лампы относительно ее катода.

Л. – Заметь также, что катушки L и L₁ располагаются так, что между ними существует индуктивная связь, а обмотки их идут в одном направлении, т.е. ток от катода к сетке в катушке L идет в том же направлении, что и в катушке L₁ (от анода к положительному полюсу батареи высокого напряжения Б_а).

Н. – Все это ясно из рисунка, но для чего все это?

Л. – Подумай. Что произойдет в момент включения схемы?

Н. – Ничего особенного… Излученные катодом электроны притянутся анодом через сетку; затем они пройдут по катушке L₁ слева направо и через батарею Б_а снова вернутся на катод. Больше я ничего не вижу.

 

 

Л. – Не забудь, что между катушками L и L₁ имеется индуктивная связь, поэтому произойдет еще что‑то…

Н. – Это верно… Значит, когда через катушку L₁ пойдет ток слева направо, в катушке L наведется по закону индукции ток противоположного направления.

Л. – Правильно. Так как ток в катушке L₁ увеличивается, то индуктированный ток в катушке L будет иметь противоположное направление, чтобы оказать сопротивление возрастанию индуктирующего тока.

Н. – Теперь этот ток, идущий через катушку L справа налево, увлечет электроны сетки и правой пластины конденсатора С и соберет их на катоде и левой пластине (рис. 36,б).

Л. – Ты видишь, что сетка станет более положительной.

 

 

Рис. 36. Четыре фазы колебаний тока в генераторе.

_{1 – кривая изменения тока в анодной катушке L1; 2 – то же в сеточной катушке L.}

_{Обратите внимание на распределение электронов на пластинах конденсатора С.}

 

Н. – Но тогда она будет способствовать увеличению тока анода, который наведет в катушке L еще более сильный ток, сделающий сетку еще более положительной, и…

Л. – Стой!.. Если ты будешь продолжать в том же духе, то договоришься вскоре до миллиона ампер. Не забудь, однако, что анодный ток не может бесконечно возрастать.

 

 

Н. – Действительно, он ограничен величиной тока насыщения. Стало быть, когда сетка будет достаточно положительной, чтобы анодный ток достиг насыщения, он больше не будет увеличиваться. А так как он больше не будет изменяться, никакого тока в катушке L не будет.

Л. – Какое заблуждение! Конечно, не будет больше тока, индуктированного катушкой L₁. Однако разве ты не видишь, что тогда конденсатор С будет заряжен?

Н. – В самом деле. И он начнет, следовательно, разряжаться, причем потенциал сетки лампы окажется более отрицательным. Но мне кажется, что в этих условиях анодный ток начнет убывать.

Л. – Конечно. И это новое изменение тока в катушке L₁ вызовет в катушке L новый индуктированный ток; но в каком направлении он пойдет теперь?

Н. – Несомненно, слева направо. Прежде всего потому, что ты спрашиваешь таким тоном…, а затем и потому, что ток в катушке L₁ уменьшается, а ток в катушке L с его духом противоречия пойдет в том же направлении, т. е. слева направо, чтобы оказать сопротивление этому уменьшению.

Л. – Вот это логично! И, таким образом, когда конденсатор С будет разряжен (рис. 36, в), процесс на этом не закончится. Ток в катушке L₁ будет продолжать индуктировать ток в катушке L, в результате чего потенциал сетки лампы будет становиться все более и более отрицательным и анодный ток в конце концов совсем прекратится.

 

 

 

…И ВСЕ НАЧИНАЕТСЯ СНАЧАЛА!

Н. – Однако, как я вижу (рис. 36,г), конденсатор будет в этот момент снова заряжен. Следовательно, он начнет разряжаться. Потенциал сетки лампы станет менее отрицательным. Снова появится анодный ток, который начнет возрастать…

Л. – И все начнется сначала! Разве ты не видишь, что мы вернулись к исходной точке наших рассуждений?

Н. – Это правда. Но это ведь дьявольски сложно!

Л. – Не настолько, как тебе кажется. Рассмотрим токи в сеточной и анодной цепях. Ты видишь, что в сеточной цепи ток идет сначала в одном направлении, увеличивается и уменьшается, затем меняет направление и снова увеличивается…

Н. – Следовательно, это переменный ток?

Л. – Да. А какова его частота?

Н. – Конечно, его частота равна собственной частоте колебательного контура LC, находящегося в сеточной цепи лампы. Ведь в этом контуре, как ты мне раньше объяснял, конденсатор С попеременно заряжается и разряжается на катушку индуктивности L.

Л. – Это правильно. Только эти колебания не затухают и не прекращаются после нескольких колебаний, а поддерживаются путем постоянного добавления энергии, которую поставляет анодная батарея Б_а через катушку L₁, связанную индуктивно с катушкой контура L.

 

 

Н. – Мне кажется, что я понял. Итак, движение электронов в колебательном контуре похоже, как мы уже отмечали, на движение маятника стенных часов. Точно так же, как маятник останавливается после определенного количества колебаний, если ничто не поддерживает это движение, так и электроны колебательного контура не будут постоянно двигаться через катушку индуктивности попеременно с одной пластины конденсатора на другую. Чтобы поддерживать движение маятника, имеющаяся в часах натянутая пружина должна сообщать каждому колебанию маятника совсем небольшой толчок. В генераторе роль пружины играет батарея Б_а.

 

Л. – А что же играет роль спускового устройства?

Н. – Сетка.

Л. – Незнайкин, я тебя поздравляю и предсказываю блестящую карьеру в радио.

Н. – Спасибо! Но теперь, когда я знаю, как генератор вырабатывает незатухающие колебания высокой частоты, можешь ты мне объяснить, как происходит излучение колебаний?

Л. – Это очень просто. Вырабатываемый переменный ток высокой частоты необходимо направить в антенну. Это можно сделать, связав индуктивно катушку L с катушкой L₂, включенной между проводом антенны и землей (рис. 37). Поместив в анодную цепь манипулятор К (ключ Морзе), мы сможем подавать короткие или длинные сигналы, соответствующие точкам и тире азбуки Морзе. Таким образом происходит радиотелеграфная передача.

 

Рис. 37. Простейшие схемы радиопередатчиков.

_{а – радиотелеграфный с ключом К; б – радиотелефонный с микрофоном М.}

 

Н. – Но меня интересует радиотелефонная передача. И ты мне обещал объяснить, как усаживаются пассажиры низкой частоты в поезд тока высокой частоты.

Л. – Ты прав. Это очень легко сделать. Мы можем, например, включить микрофон в цепь антенны. Так как сопротивление микрофона меняется под действием звуковых волн, ток в антенне будет меняться в свою очередь. Иначе говоря, вместо незатухающих колебаний с постоянной амплитудой (рис. 38, а) мы будем иметь колебания с изменяющейся амплитудой (рис. 38, в), или модулированный ток высокой частоты.

 

 

Рис. 38. Диаграммы токов в радиопередатчике.

_{а – немодулированный ток высокой частоты; б – модулирующие низкочастотные колебания; в – модулированный высокочастотный ток.}

 

Н. – Я понимаю. Когда сопротивление микрофона увеличивается, амплитуда высокочастотных колебаний уменьшается. Именно в этом изменении амплитуд высокой частоты и заложен низкочастотный ток.

 

 

 

Беседа десятая

 

 

В простейшем приемнике необходимы три элемента: приемная антенна, детектор и телефонные наушники. В этой беседе два наших друга обсуждают назначение и механизм детектирования. Само собой разумеется, что сначала они рассмотрят простейший метод – диодное детектирование. Не забудут они и о кристаллическом детекторе, который до сих пор имеет горячих сторонников. Затем Любознайкин расскажет об анодном детектировании.

 

ПРИБЫТИЕ ПОЕЗДА НА ВОКЗАЛ

Незнайкин. – Я очень сержусь, что ты меня бросил для сдачи своих экзаменов в самый захватывающий момент. Мы остановились на том, что посадив пассажира (низкую частоту) в поезд (высокую частоту), мы дали сигнал отправления… и наш поезд высокой частоты все еще движется.

Любознайкин. – В самом деле, наступило время его остановить. Ты знаешь, конечно, что волны остановятся на станции назначения, которую называют приемной антенной. В антенне эти волны возбуждают модулированный ток высокой частоты, который является точным, хотя и более слабым повторением тока, текущего в передающей антенне.

Н. – Я вспоминаю даже, что для получения определенной избирательности мы включаем в приемную антенну (или связываем с нею индуктивно) колебательный контур, на зажимах которого образуется переменное напряжение. Я хотел подать это напряжение на телефонные наушники, но ты сказал, что я ничего не услышу. И, действительно, я ничего не мог обнаружить.

Л. – Сегодня ты легко поймешь причины неудачи. Не забывай, что на наушники ты хотел подать модулированное напряжение высокой частоты. Мембрана наушников слишком «тяжела», чтобы колебаться на высокой модулированной частоте. Этому препятствует инерция мембраны.

Н. – Но если бы сумели изготовить тонкую и легкую мембрану, которая могла бы вибрировать при высокой частоте….

Л. – …то и тогда бы ты ничего не услышал, так как твое ухо не воспринимает звука столь высокой частоты. Мало того, ток такой частоты не пройдет через обмотки наушников, индуктивность которых представляет для него трудно преодолимое препятствие.

Н. – Но ведь в действительности ток высокой частоты нас совсем не интересует. Мы хотим сделать слышимой модулирующую низкую частоту. Что касается высокой частоты, то ее роль поезда сыграна. Нам ничего не остается, как заставить выйти пассажира низкой частоты.

Л. – Ты совершенно прав. Операция, целью которой является извлечение низкой частоты из модулированного тока высокой частоты, называется детектированием.

Н. – Если я хорошо понял, процесс детектирования противоположен процессу модуляции.

Л. – Это так. В модулированном токе низкая частота присутствует в виде изменения амплитуд тока высокой частоты. Выпрямив этот ток, мы вызовем появление низкой частоты.

Н. – Я не знаю, как это сделать.

Л. – Однако это просто. Чтобы выпрямить ток, достаточно поместить на его пути проводник с односторонней проводимостью, т.е. проводник, который позволяет току легко протекать в одном направлении и не пропускает его, когда он течет в противоположном направлении.

Н. – Я совсем не представляю себе, как можно изготовить такой проводник‑выпрямитель.

Л. – Но ты уже знаком с одним из них; это диод – лампа, в которой электроны могут идти от катода к аноду, но не наоборот.

Н. – Это верно… Об этом я не подумал.

 

 

 

ВОТ КАК ДЕТЕКТИРУЮТ…

Л. – Итак, вместо того, чтобы соединить с зажимами колебательного контура непосредственно наушники, мы включим последовательно с ними диод (рис. 39).

 

Рис. 39. Диод Д выпрямляет высокочастотные модулированные колебания, благодаря чему они слышны в наушниках Т.

 

В этом случае модулированное напряжение высокой частоты (рис. 40,а) создаст в цепи диода Д и телефонных наушников Т ток только одного направления (рис. 40,б). Без диода мы имели бы импульсы высокой частоты, идущие поочередно в противоположных направлениях. Благодаря выпрямительному действию диода все эти импульсы будут действовать уже в одном направлении.

 

 

Рис. 40. Графическое изображение процесса детектирования.

_{а – модулированные колебания высокой частоты; б – выпрямленные высокочастотные импульсы, в – ток низкой частоты.}

 

Н. – Эврика! Я понял!.. Так как импульсы идут в одном направлении, они окажут на мембрану наушников совместные действия, которые будут в бóльшей или меньшей степени притягивать ее. Я говорю больше или меньше, так как амплитуды этих импульсов неодинаковы: они изменяются в соответствии с низкой частотой, которая заставит вибрировать в такт мембрану наушников.

 

 

 

РЕЗЕРВУАР, ЯВЛЯЮЩИЙСЯ АККУМУЛЯТОРОМ‑РАСПРЕДЕЛИТЕЛЕМ ЭЛЕКТРОНОВ

Л. – В основном ты правильно догадался о сущности явления. Однако в наших рассуждениях мы не приняли во внимание тот факт, что импульсы высокой частоты, даже односторонние (рис. 40,б), не могут пройти через обмотки наушников из‑за их большого индуктивного сопротивления.

Н. – И что же?… Опять мы ничего не услышим?

Л. – Услышим, но при условии сглаживания этих импульсов перед подачей их на наушники. Для этого параллельно наушникам мы присоединяем конденсатор С небольшой емкости (см. рис. 39), который будет заряжаться в бóльшей или меньшей степени импульсами модулированного тока и разряжаться через обмотку наушников. Заряд будет больше или меньше в зависимости от амплитуды импульсов. Отсюда следует также и то, что разрядный ток (рис. 40,в), который пройдет через наушники, и будет настоящим током низкой частоты

Н. – Словом, конденсатор С играет роль резервуара, который накапливает стремительно следующие один за другим заряды импульсов, а затем непрерывно отдает их телефонным наушникам.

Л. – Твое сравнение великолепно. Видимо, ты это хорошо понял Продолжая аналогию дальше, ты можешь сравнить конденсатор С с резервуаром, предназначенным для сбора дождевых капель, из крана которого потечет непрерывная струя, более или менее сильная в зависимости от силы дождя.