Беседа восемнадцатая

Беседа восемнадцатая

Проблемы регулировки и поддержания одинакового уровня громкости приема составляют одну из наиболее увлекательных глав радио. Осуществить регулировку громкости звука легко, но поддержать ее на постоянном уровне труднее, так как замирания очень сильно влияют на постоянство уровня приема… Любознайкин расскажет об этом неприятном явлении и покажет, каким образом в современных радиоприемниках применение автоматической регулировки усиления (АРУ) позволяет значительно ослабить влияние замираний.

РАЗМЫШЛЕНИЯ ОБ ОТРАЖЕНИИ ВОЛН

Незнайкин. — Ты обещал рассказать мне об АРУ. Что это такое?

Любознайкин. — Это сокращение термина автоматическая регулировка усиления. Такая регулировка позволяет поддерживать постоянство уровня громкости приема, несмотря на влияние замираний.

Н. — Но я не знаю, что такое замирание?

Л. — 3амирание — это уже давно известное явление, заключающееся в том, что прием отдаленных станций без видимой причины происходит иногда со значительными колебаниями интенсивности. Эти изменения силы приема, которые могут быть продолжительными или кратковременными, причем временами прием может полностью прекращаться, очень интересовали ученых.

Н. — Я думаю, что замирания приема очень мешали слушателям, потому что такое ослабление приема совершенно не соответствовало намерениям композиторов, произведения которых явно искажались. Но я уверен, что уже найдены причины замираний и средств борьбы с ними.

Л. — Так было бы, если бы причины возникновения замираний зависели от передатчика или приемника. Но это явление происходит как раз между ними. Волны, возбуждаемые передатчиком с постоянной интенсивностью, достигают приемника со значительными колебаниями интенсивности.

Н. — Значит, замирания являются аномалией в распространении электромагнитных волн?

Л. — Да. Согласно современной теории волны распространяются различными путями. Один путь лежит вдоль поверхности Земли; по нему распространяется так называемая земная волна. Она сравнительно быстро затухает из-за поглощения энергии всеми проводниками, встречающимися на ее пути, в которых она наводит токи высокой частоты. Имеются также волны пространственные, которые распространяются от антенны по пути, лежащему под большим или меньшим углом к поверхности Земли…

Н. — Эти волны для нас потеряны; они уходят, вероятно, в межпланетное пространство.

Л. — Ошибаешься! На некоторой высоте (приблизительно 120 км) волны встречаются со слоем ионизированного газа, образующего для них настоящее зеркало, от которого они отражаются обратно на землю. Этот слой называется ионосферой или по имени тех, которые впервые высказали предположение об его существовании, слоем Кенели — Хивисайда (рис. 103).

Рис. 103. Волна передатчика А доходит до приемной антенны Б двумя различными путями: следуя вдоль поверхности земли и после отражения в высоких слоях атмосферы.

Н. — Значит, может получиться так, что антенна окажется сразу под воздействием двух волн, идущих от одного и того же передатчика: земной волны и волны, отраженной ионосферой.

Л. — Правильно. Ты замечаешь, что длина путей этих волн различна. В то время как одна, следуя вдоль поверхности земного шара, идет по кратчайшему пути, другая заходит далеко в верхние слои атмосферы, прежде чем достигнет своего назначения. Когда обе волны встречаются в приемной антенне, они могут очутиться в фазе. Тогда возбуждаемый ими сигнал будет усилен. Если же они встретятся в противофазе, то возбуждаемые в антенне сигналы будут ослаблены или взаимно компенсированы.

Н. — Однако это не объясняет причины, почему интенсивность приема непрерывно изменяется. Ведь две волны, поступая с одного и того же передатчика на одну и ту же приемную антенну, всегда должны создавать усиленный или ослабленный сигнал, интенсивность которого, однако, не должна изменяться во времени.

Л. — Да, так оно и было бы, будь ионосфера неподвижным и жестким зеркалом. На самом же деле она может быть уподоблена морю с его волнами, бурями и приливами. Поверхность ионосферы постоянно движется, а ее высота подвержена суточным и сезонным изменениям. Поэтому длина пути отраженных волн будет различной и они будут то усиливать, то ослаблять земную волну. Именно это и вызывает постоянные изменения в интенсивности приема.

Н. — Но ты сказал, что наземная волна ослабляется относительно быстро по мере того, как она удаляется от передатчика. Я думаю, что, начиная с некоторого расстояния, приемная антенна будет находиться в поле только одной пространственной отраженной волны. В этом случае не будет замираний.

Л. — Увы, на антенну обычно попадает несколько отраженных волн, которые следовали по различным траекториям и подверглись многократным отражениям от ионосферы и Земли, также отражающей волны наподобие зеркала.

Н. — Словом, нет средства для устранения замираний?

БОРЬБА С ЗАМИРАНИЯМИ

Л. — До тех пор, пока антенна приемника будет одновременно принимать несколько волн, замирания будут существовать. Их можно уменьшить, применяя на передающих станциях, специальные антенны, которые излучают волны, направленные под заданным углом к горизонту, а также используя на приемной стороне антенну направленного действия, которая выбирала бы из всех поступающих на нее волн одну, приходящую под определенным углом.

Н. — Если в этом и заключается борьба с замираниями, то это должно быть дьявольски сложно!

Л. — Нет, дорогой Незнайкин. Кроме усовершенствования передающих антенн, для уменьшения интенсивности замираний применяют и другие способы борьбы, уже в самом приемнике. Зная, что к приемной антенне приходят волны с сильно изменяющейся напряженностью, пытаются поддержать постоянство громкости приема на выходе приемника путем соответствующей регулировки усиления.

Н. — Значит, если я правильно понял, изменение в напряженности компенсируется изменением степени усиления. Когда интенсивность волны ослабевает, усиление увеличивают и, наоборот, когда напряженность волны возрастает, усиление уменьшают.

Л. — Именно так и поступают. Когда вследствие замираний сигнал доходит очень ослабленным, мы увеличиваем чувствительность приемника, повышая усиление каскадов высокой частоты (а если это супергетеродин — то и каскадов промежуточной частоты).

Н. — Однако я не вижу, каким способом можно регулировать усиление электронной лампы.

ТАИНСТВЕННАЯ «ТОЧКА X»

Л. — Ты уже знаешь, что чем больше крутизна характеристики лампы, тем лучше она усиливает. Для одной и той же лампы крутизна изменяется в зависимости от того, на каком участке характеристики лампа работает. Положение рабочей точки на характеристике определяется величиной поданного на ее сетку отрицательного смещения…

Н. — Я тебя перебью, Любознайкин. Я отлично помню, что характеристика лампы в разных точках имеет различную крутизну. Наибольшее ее значение относится к прямолинейной части кривой. Если мы будем увеличивать смещение, то войдем в зону нижнего изгиба характеристики, где крутизна будет стремительно убывать (рис. 104,а). Однако ты мне много раз повторял, что эта часть характеристики является запретной зоной. Ведь усиление без искажений возможно только на прямолинейном участке.

Рис. 104. Характеристики лампы.

_{а — с короткой характеристикой; б — с переменной крутизной (с удлиненной характеристикой).}

Л. — Это так, когда мы имеем дело с обычными лампами и значительными амплитудами сигнала, как, например, в каскадах низкой частоты. Но на высокой и промежуточной частотах амплитуда сигнала еще очень мала и в этом случае достаточно иметь приблизительно прямолинейный участок в области рабочей точки. Для этого созданы специальные лампы, крутизна характеристики которых изменяется сравнительно плавно, так что изгиб характеристики нерезко выражен (рис. 104,б). Такие лампы называются лампами с переменной крутизной. Конечно, это не означает, что крутизна всех других ламп постоянна, а лишь то, что в этих специальных лампах можно выбирать рабочую точку на участках с различной крутизной.

Н. — Если бы я знал о существовании ламп с переменной крутизной, я бы не стал возражать. Характеристика с переменной крутизной показывает, что если на сетку лампы дать большое напряжение смещения, она не только не усилит, но даже ослабит поданные на ее сетку сигналы.

Л. — Это то, что нужно. Благодаря этому нам удается поддерживать нормальный выходной уровень громкости даже при очень интенсивных сигналах. Чтобы регулировать усиление при помощи ламп с переменной крутизной, можно использовать потенциометр R₁, позволяющий регулировать величину сеточного смещения (рис. 105).

Рис. 105. Регулировка усиления с помощью потенциометра R, изменяющего отрицательное напряжение на сетке лампы.

Н. — Но это ужасно! Тогда надо, чтобы слушатель, не отпуская ручки потенциометра, постоянно вертел ее для компенсации изменений силы приема при наличии замираний. Какое же удовольствие может быть от музыкальной передачи при таких условиях!..

Л. — К счастью, имеется возможность сделать такую регулировку автоматической. Для этого в приемнике надо найти точку, потенциал которой становится более отрицательным, когда принимаемые сигналы усиливаются.

— Посмотри на схему диодного детектора (рис. 106), которую ты знаешь уже давно. Точка, о которой идет речь, является концом резистора R, обозначенным буквой X. Ток высокой частоты, выпрямленный. Диодом, создает на этом резисторе падение напряжения, примем потенциал точки X но отношению к корпусу имеет отрицательный знак. Это напряжение пропорционально средней интенсивности поданного на диод сигнала.

Рис. 106. В точке X образуется отрицательное напряжение, пропорциональное средней интенсивности высокочастотного сигнала.

Н. — Я понял! Ты подаешь напряжение из точки X на сетки ламп усиления высокой или промежуточной частоты, причем лампы должны быть с переменной крутизной. Когда сигнал увеличивается, отрицательное напряжение в точке X и соответственно на сетках ламп ВЧ и УПЧ каскадов возрастает, вследствие чего уменьшается усиление. Наоборот, когда из-за замирания сигнал ослабевает, отрицательное напряжение в точке X падает и усиление ламп высокой и промежуточной частоты повышается. В конце-концов такая система будет выравнивать все изменения в интенсивности сигналов и поддерживать постоянный уровень звукового сигнала, что нам и нужно.

Л. — Я вижу, что ты хорошо понял смысл автоматической регулировки усиления. Заметь, то здесь осуществляется регулировка по самому низкому уровню. Только на самых слабых сигналах используется весь резерв приемника по чувствительности. По мере того как сила сигналов растет, автоматическая регулировка усиления уменьшает усиление пропорционально увеличению силы приходящего сигнала,

РАДИОПРИЕМНИК, КОТОРЫЙ МОЖЕТ НАСТРОИТЬ ГЛУХОЙ

Н. — Одно возражение, если позволишь. Предположи, что передается музыка и что ударили в барабан. Разве в этот момент АРУ не произведет мгновенное уменьшение усиления? Ведь, судя по твоему описанию работы АРУ, она должна «подавлять» в какой-то степени оттенки в громкости звучания.

Л. — Твое возражение, Незнайкин, веское. Чтобы система АРУ действовала не от мгновенных изменений продетектированного диодом напряжения и чтобы на лампы каскадов высокой и промежуточной частоты действовала только средняя величина модулированного сигнала, между точкой X и сетками ламп включают цепь задержки — сглаживающее устройство, пропускающее только постоянную составляющую. Это устройство (рис. 107) состоит из резистора R₁ и конденсатора С₁. Резистор препятствует мгновенному прохождению напряжения, а конденсатор сглаживает мгновенные изменения напряжения. Совместное действие системы R₁C₁ представляет собой некоторую аналогию с действием дросселя и конденсатора в фильтре питания.

Рис. 107. Схема управления двумя лампами напряжением автоматической регулировки усиления, поданным из точки X через резистор R₁.

Н. — Я вижу, что в любом приемнике с диодным детектированием достаточно прибавить резистор и конденсатор, чтобы получить автоматическую регулировку усиления. Ведь это совсем просто!

Л. — Я хочу отметить, что иногда напряжение для АРУ получают от отдельного диода (рис. 108). Второй диод находится в том же баллоне, что и первый (служащий для детектирования сигнала), причем используется один и тот же катод. Переменное напряжение подводится ко второму аноду через маленький конденсатор связи С₁. Выпрямленный ток создает на резисторе R₁ падение напряжения, которое (от точки X) подается через фильтр на сетки лампы с переменной крутизной.

Рис. 108. Использование двойного диода позволяет разделить цепи нагрузки детектора и схемы АРУ.

Н. — Я предпочитаю схему с двойным диодом, так как она дает возможность разделить функции детектирования и регулировки громкости.

Л. — Мог бы ты, Незнайкин, ответить мне на один каверзный вопрос? Знаешь ли ты, как изменяется средний анодный ток лампы в каскаде высокой или промежуточной частоты, управляемом системой АРУ?

Н. — Конечно, когда сигнал увеличится, отрицательное напряжение в точке X возрастет и, следовательно, анодный ток ламп уменьшится.

Л. — Отлично. Заметь теперь, что то же произойдет, когда, вращая конденсатор переменной емкости, ты точно настроишься на какую-нибудь станцию. При этом напряжение на диоде будет наибольшим, а анодный ток регулируемых ламп — наименьшим. И если теперь в анодную цепь какой-либо из регулируемых системой АРУ ламп включить миллиамперметр, то по его показаниям мы сможем судить о точной настройке приемника на принимаемую волну.

Н. — Словом, с таким прибором даже глухой может точно настроить приемник?

Л. — Конечно, потому что этот прибор является визуальным индикатором настройки. Однако должен тебе сказать, что в приемниках для этой цели применяют не миллиамперметр, а специальную лампу, называемую электронно-световым индикатором настройки.

Н. — Уж не тот ли это зеленый глазок, который я видел в некоторых приемниках?

Л. — Конечно! Это и есть электронно-световой индикатор. Такая лампа, кроме катода, анода и сетки, имеет еще электрод, способный светиться под действием попадающих на него электронов. Если сетку этой лампы соединить с точкой X на нашей схеме, то световой индикатор будет указывать точность настройки.