Беседа девятая

Беседа девятая

В этой беседе, целиком посвященной радиотелефонной передаче, Любознайкин излагает принцип работы лампового генератора и процесс модуляции, служащий для передачи низкой частоты на высокой частоте.

СТРАННЫЕ ПУТЕШЕСТВИЯ НИЗКОЙ ЧАСТОТЫ

Незнайкин. — Извини, что я возвращаюсь к своим горестям, но ты обещал объяснить, почему собранная мною схема не могла работать.

Любознайкин. — Чтобы это понять, надо знать, какова форма тока, который электромагнитные волны наводят в твоей антенне. А для этого мне необходимо объяснить действие радиотелефонного передатчика.

Н. — Я знаю, что существует студия, а в ней микрофон.

Л. — Отлично. Я вижу, что ты «основательно» изучил вопрос. Однако знаешь ли ты, что такое микрофон?

Н. — Конечно. Один из них имеется в нашем телефонном аппарате. На днях я вскрыл микрофон и нашел там маленькие крупинки угля. Именно с этого дня наш телефон стал так плохо работать…

Л. — Итак, ты знаешь, что микрофон служит для улавливания звуков и для…

Н. — …преобразования их в электрический ток.

Л. — Это еще не все. Микрофон состоит из тонкой металлической мембраны и металлической чашечки, наполненной угольным порошком (рис. 35). Мембрана изолирована от металлической коробочки и соединяется с нею только через угольный порошок. Ток от батареи идет от мембраны к металлической чашечке через угольный порошок. Величина этого тока зависит, очевидно, от сопротивления угольного порошка. Сопротивление порошка может изменяться в зависимости от давления, производимого на него мембраной.

Рис. 35. Микрофон.

_{1 — мембрана; 2 — изолятор; 3 — угольный порошок; 4 — чашечка.}

Н. — Я понимаю: при сжатии порошка мембраной крупинки имеют большую поверхность соприкосновения и ток проходит легче. Но что может изменить давление мембраны на порошок?

Л. — Звуковые волны, которые заставляют ее вибрировать. Не учил ли ты, мой дорогой, в курсе физики, что звук — это не что иное, как колебания молекул воздуха, распространяющиеся в направлении звуковой волны. Звуковые колебания имеют частоту от 16 колебаний в секунду (герц) для самого низкого слышимого тона до 16 000 для самого высокого. Впрочем, некоторые ученые полагают, что особо чувствительные уши ощущают звуки с частотой колебаний 40 000 гц. Собаки, например, воспринимают эти звуки.

Н. — Значит, если я хорошо понял, звуковые волны ударяются о мембрану микрофона и, заставляя ее колебаться, сжимают больше или меньше угольный порошок и изменяют проходящий через него ток.

Л. — Это правильно. Таким путем микрофонный ток точно повторяет все колебания звука. Впрочем, в радио мы имеем дело со звуком только на концах передающей цепи: вначале — перед микрофоном, а в конце — после громкоговорителя. Между ними звук будет представлен микрофонным током, который называют током низкой частоты, так как его частота много меньше частоты токов, служащих для образования электромагнитных волн и называемых токами высокой частоты.

Н. — Какое несчастье! Еще одна мысль, которая потеряла смысл прежде, чем я ее изложил!.. Я только что собирался предложить послать микрофонный ток прямо в антенну передатчика так, чтобы он создал радиоволны…. и я вижу, что для этого следует использовать токи высокой частоты.

Л. — Видишь ли, Незнайка, микрофонный ток можно уподобить пассажиру, который использует поезд токов высокой частоты, чтобы добраться до отдаленного места назначения. Он садится на станции отправления (передатчик) и сходит на станции назначения (приемник). Таким образом, высокая частота играет вспомогательную роль средства передвижения для тока низкой частоты.

Н. — То, что ты объясняешь, очень просто, но в действительности это должно быть дьявольски сложно, потому что я совсем не представляю себе, как низкая частота «садится» на высокую, переносится ею, а затем оставляет ее.

Л. — Однако все это очень просто и ты это поймешь, когда я объясню тебе действие генератора, который в некоторых случаях применения называется гетеродином.

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.