Беседа пятая ПИЛЫ ДЛЯ РЕЗКИ ВРЕМЕНИ

Беседа пятая

ПИЛЫ ДЛЯ РЕЗКИ ВРЕМЕНИ

Теперь, когда электронно-лучевая трубка не является для Незнайкина чем-то непонятным, Любознайкин изложит ему способы создания отклоняющих напряжений. Используемые как при передаче, так и при приеме, они обеспечивают развертку изображений. Какова должна быть их форма? Как их получать? Вот основные вопросы этой беседы, во время которой наши приятели обсудят следующие темы: пилообразные напряжения; их формирование с помощью механического устройства; вокруг света за два часа; заряд и разряд конденсатора; постоянная времени; экспоненциальная кривая; генератор развертки на неоновой лампе.

ПАТЕНТ НЕЗНАЙКИНА

Любознайкин. — В чем дело, Незнайкин? Почему это у тебя сегодня такой торжественный и в то же время полный ложной скромности вид?

Незнайкин. — О! Ничего особенного. Просто я думаю взять патент.

Л. — Ты изобрел что-нибудь интересное? Не будет с моей стороны нескромным узнать, в какой области проявилась твоя изобретательность?

Н. — Не издевайся надо мною! Понятно, что мое изобретение касается телевидения. С тех пор, как мы стали говорить о нем, я все больше и больше увлекаюсь этой отраслью техники. А так как ты мне ее объясняешь недостаточно быстро, я вынужден самостоятельно отыскивать решения тех проблем, которые волнуют мой ум. Вот так-то я и изобрел свой «вращающийся отклонитель».

Л. — Это что-то новое. Я по крайней мере никогда не слышал о таком устройстве.

Н. — Я тебе вполне доверяю, Любознайкин, и изложу свою идею, но, разумеется, под большим секретом. С тех пор, как ты мне рассказал об анатомии и физиологии электронно-лучевых трубок, я много размышлял о способе осуществления движения электронного пятна таким образом, чтобы заставить его чертить последовательные линии развертки.

Л. — Мы уже слегка коснулись этого вопроса в конце нашей третьей беседы, после того как рассмотрели трубку с электростатическим отклонением.

Н. — Да, я припоминаю. Мы тогда установили, что нужно прикладывать к горизонтально отклоняющим пластинам напряжение, постепенно переходящее от отрицательных значений к положительным, чтобы перемещать пятно с постоянной скоростью слева направо; затем, чтобы заставить его очень быстро вернуться налево, нужно резко перейти от положительного к отрицательному напряжению. Так развертывается одна строка. А затем все должно начинаться сначала.

Л. — Мог бы ты графически изобразить форму напряжения, необходимого для развертывания строк?

Н. — Ничего не может быть легче (рис. 27). Переход от отрицательного напряжения —U к положительному +U должен происходить постепенно, с постоянной скоростью, для того, чтобы пятно перемещалось тоже с постоянной скоростью. Таким образом, на моем рисунке этот переход я изображаю прямой линией, идущей от —U к +U в течение времени Т, равного длительности одной строки. Затем прямая вертикальная линия показывает мгновенное изменение +U на —U, определяющее возврат пятна. И все начинается сначала.

Рис. 27. Форма напряжения развертки.

ЭЛЕКТРОННАЯ ПИЛА

Л. — Тебе ничего не напоминает форма линий, которые ты начертил?

Н. — Да, напоминает. Это похоже на зубья пилы.

Л. — Правильно. Поэтому оно и называется «пилообразным напряжением».

Н. — Я думаю, что в трубке с электромагнитным отклонением нужно использовать ток такой же формы.

Л. — И ты не ошибаешься.

Н. — Такое же пилообразное напряжение (или ток) должно определять отклонение пятна в вертикальном направлении. Только частота его будет гораздо ниже, потому что здесь уже речь идет о количестве кадров в секунду или — в случае чересстрочной развертки — о количестве полукадров в секунду.

Л. — Я с удовольствием констатирую, что ты основательно продумал вопрос. Но все это мне не разъясняет принципа твоего «вращающегося отклонителя».

Н. — Мы к этому приближаемся. Прибор, который я имею f честь тебе представить (рис. 28), — это генератор пилообразных напряжений для горизонтального и вертикального отклонений пятна. В основном это цилиндр из изолирующего материала, являющийся каркасом для проволочного тороидально намотанного резистора. На оси цилиндра расположен вращающийся вал, на котором закреплен движок, создающий контакт с проволочным резистором на внутренней стороне цилиндра.

Рис. 28. Конструкция «вращающегося отклонителя» и схема его включения.

_{1 — источник питания; 2 — проволочный резистор; 3 — напряжение развертки; 4 — нулевая точка.}

Л. — Но, дорогой мой, то, что ты мне описываешь с такими подробностями, чрезвычайно похоже на самые обычные потенциометры, используемые во всех радиоприемниках.

Н. — Лучше ты и не мог сказать. Действительно, мой отклонитель — это настоящий потенциометр, который отличается от обычных только отсутствием ограничителей, что дает движку возможность бесконечно вращаться в одном и том же направлении.

Л. — Но как же действует этот прибор?

Н. — Послушай, Любознайкин! Неужели ты до сих пор не понял, что я подключаю к концам обмотки резистора источник достаточного напряжения. Поэтому при каждом обороте движок будет последовательно переходить от крайнего отрицательного значения напряжения к крайнему положительному; затем сразу же он опять попадет на крайнее отрицательное напряжение и т. д.

СЛАБЫЕ СТОРОНЫ МЕХАНИКИ

Л. — Поздравляю тебя с твоим изобретением. Это совсем не плохо придумано. И я бы с удовольствием увидел в радиошколах демонстрационный прибор, основанный на твоей идее.

Н. — Я, впрочем, еще не закончил свое изложение. У меня предусмотрен электродвигатель, который будет вращать движок отклонителя со скоростью 50 об/сек, чтобы столько же раз отклонять пятно в вертикальном направлении для получения чересстрочной развертки. При помощи редуктора с зубчатой передачей 2 оборотам первого отклонителя (или полному кадру) будут соответствовать 625 оборотов движка второго отклонителя, обеспечивающего развертку строк.

Л. — Это очень мило выглядит в теории. Но представляешь ли ты себе скорость, которой достигнет твой отклонитель строк?

Н. — Ее легко вычислить. 625 строк современного телевизионного стандарта развертываются 25 раз в секунду. Это дает в общем 625 — 25 = 15 625 об/сек.

Л. — Никакой движок не сможет оказать сопротивления центробежным силам, которые разовьются при таком вращении. Да и износ проволочного резистора оказался бы слишком быстрым.

Н. — Право, я об этом не подумал!.. Решительным образом, механика пережила себя. Держу пари, что ты меня заставишь свалить мои отклонители в кучу старого железного хлама, чтобы заменить их какой-нибудь чудо-системой на 100 % электронной…

Л. — Ты заранее выиграл. Твой прибор, как ты его замыслил, используется в некоторых радиолокационных установках с медленным вращением. Но при частотах и скоростях телевидения только электроны обладают достаточной скоростью для решения всех возникающих задач. Подумай только, в одном кадре шириной 30 см, разложенном на 625 строк, пятно пробегает 15 625 раз в секунду по 60 см туда и обратно по каждой строке. А это составляет путь в 9,4 км в секунду! При этой скорости пятно обежало бы весь земной шар вдоль экватора за час с небольшим и пересекло бы Париж в самом его широком месте за 1 сек.

ЭЛЕКТРОННЫЕ ПЕСОЧНЫЕ ЧАСЫ

Н. — Итак, сюда все диоды, триоды, пентоды и прочие «оды!». Вперед, электронные батальоны!

Л. — По правде сказать, лампы играют только вспомогательную роль в «развертках времени», или просто «развертках», как называют генераторы пилообразного напряжения.

Н. — Развертывающее устройство представляет собой, очевидно, нечто вроде песочных часов, где песчинки заменены электронами?

Л. — Ты правильно подметил. Как и в песочных часах (рис. 29), где уровень песка в нижней половине регулярно поднимается до тех пор, пока весь песок не пересыплется, после чего часы переворачивают и нижняя половина мгновенно пустеет, так и в развертках времени ток постепенно заряжает конденсатор до момента, когда конденсатор быстро разряжается; после этого цикл явлений повторяется.

Рис. 29. В песочных часах уровень песка постепенно поднимается вплоть до момента, когда их переворачивают, после чего все начинается сначала. То же происходит и с напряжением на зажимах конденсатора во временной развертке.

Н. — Таким образом, если я тебя правильно понял, развертка состоит в основном из конденсатора. Но почему разряд происходит быстрее, чем заряд?

Л. — Потому что его заряжают через большое сопротивление, а разряжают через весьма малое сопротивление. Вообрази себе, Незнайкин, источник постоянного напряжения U, который подключен через резистор R к конденсатору С (рис. 30).

Рис. 30. Принципиальная схема развертки в самом общем виде.

В тот момент, когда ты замкнешь такую цепь, возникнет ток, стремящийся зарядить конденсатор, т. е. создать между его обкладками ту же разность потенциалов, что и между зажимами источника напряжения. Но заряд не происходит мгновенно, так как сопротивление резистора R ограничивает величину тока.

Н. — Мне думается, что эту цепь можно было бы сравнить с резервуаром воды U большого объема, соединенным при помощи узкого трубопровода с другим резервуаром С значительно меньших размеров (рис. 31). Резервуар С не может наполниться мгновенно, ибо труба R ограничивает приток жидкости.

Рис. 31. Гидравлический эквивалент схемы на рис. 30.

Л. — Твое сравнение тем правильнее, чем большей емкостью обладает резервуар-источник U по сравнению с резервуаром-емкостью С. Нельзя допускать, чтобы заполнение резервуара С значительно понижало уровень воды в резервуаре U, т. е. напряжение источника.

Н. — Мне кажется, что время заряда зависит не только от сопротивления R, но также от емкости С. Чем емкость больше, тем больше нужно электронов, чтобы ее зарядить. И в моем гидравлическом сооружении чем больше объем резервуара С, тем больше нужно времени, чтобы поступившая туда вода достигла того же уровня, что и в резервуаре U.

Л. — Вот почему произведение сопротивления R на емкость С названо «постоянной времени» цепи. Если выразить R в омах, а С в фарадах, то эта постоянная времени будет измерять время в секундах, нужное для того, чтобы напряжение на обкладках конденсатора достигло около 2/3 напряжения источника U.

Н. — Таким образом, при резисторе сопротивлением 10 000 ом и конденсаторе емкостью 2 мкф постоянная времени будет составлять 20 000 сек.

Л. — Ах, Незнайкин, какой позор! Микрофарада в миллион раз меньше фарады. И у цепи будет постоянная времени 20 000, деленные на 1 000 000, или 2/100 сек.

Н. — Прости мне эту маленькую ошибку… Я догадываюсь теперь, что для получения мгновенного разряда нужно замкнуть конденсатор на очень малое сопротивление.

Л. — Практически это можно сделать, замкнув выключатель К.

Н. — Или в моей гидравлической модели — вылив воду из резервуара С при помощи крана К с большой пропускной способностью.

Л. — Твоя аналогия достаточно приемлема.

ИСТОРИЯ, КОТОРАЯ НИКОГДА НЕ ЗАКАНЧИВАЕТСЯ

Н. — Я все еще думаю о постоянной времени. Раз она выражает длительность заряда до уровня, равного двум третям напряжения источника, общая продолжительность заряда должна быть наполовину больше. Так, в примере, который мы рассмотрели, постоянная времени составляет 2/100 сек. Значит, конденсатор должен быть полностью заряжен 3/100 сек.

Л. — Неправильно! Трижды неправильно! Запомни, Незнайкин, что конденсатор никогда не заряжается до конца!

Н. — Что это, шутка? Я не могу попять, по правде говоря, почему по прошествии достаточного количества времени напряжение на обкладках конденсатора С не сможет достигнуть той же величины, что и у источника U.

Л. — Считаешь ли ты ток заряда постоянным?

Н. — Раз напряжение источника U постоянно, так же как сопротивление R и емкость С, то нет никакого основания считать, что величина тока изменяется.

Л. — А вот как раз основание и существует. То, что заставляет двигаться электроны через сопротивление по направлению к обкладке конденсатора, — это разность потенциалов между этой обкладкой и отрицательным полюсом источника U. В начале заряда эта разность потенциалов равна самому напряжению источника U. Но как только заряд начался, как только какое-то количество электронов накопилось на обкладках конденсатора, разность потенциалов уменьшается. И чем дольше длится заряд, тем меньше эта разность потенциалов. Что же произойдет с величиной тока?

Н. — Очевидно, она настолько же уменьшится. Итак, чем больше заряжен конденсатор, тем медленнее дальнейший темп заряда.

Л. — Будем считать, что наш источник напряжения равен 100 в. Если постоянная времени равна 2/100 сек, то через этот промежуток времени напряжение между обкладками конденсатора будет равно 65 в. Изморим его через следующие 2/100 сек; оно увеличится только на 2/3 разницы между 100 и 65 в. Мы получили около 89 в. Дадим возможность пройти еще 2/100 сек, и у нас будет 97 в.

Н. — Но это же никогда не кончится! Ведь в каждый данный промежуток времени мы будем увеличивать напряжение конденсатора только на одну часть того, чего ему не хватает, чтобы достигнуть напряжения источника. Для получения зарядного тока нужно, чтобы конденсатор не был полностью заряжен. А чтобы его зарядить полностью, необходим зарядный ток. Какой порочный круг!!!

Л. — Да, Незнайкин. Заряд конденсатора никогда не прекращается.

Н. — А мой резервуар С тоже никогда не будет заполнен водой до того же уровня, что и резервуар U. Ведь для того чтобы туда поступала вода, необходима разность уровней.

Л. — Вот кривая, показывающая закон изменения напряжения на конденсаторе во время заряда (рис. 32). Эту кривую называют «показательной» («экспоненциальной»)[5]. Точно так же кривая разряда тоже является экспонентной.

Рис. 32. Экспоненциальная кривая напряжения между обкладками конденсатора при заряде. За каждый интервал времени, равный постоянной времени Т, напряжение увеличивается на две трети того напряжения, которого еще не хватает до напряжения источника U.

Н. — Но ведь такие изменения напряжения не могут служить для управления перемещением пятна. Нам нужно линейное изменение напряжения, изображенное графически в виде прямой линии, а вовсе не эти экспоненциальные кривые.

Л. — Теоретически ты прав. Однако практически применяют и такие кривые, но при условии использования только небольшого начального участка, который можно рассматривать с известным приближением как прямой.

Н. — Подобно этому небольшая часть земной поверхности, которую может охватить наш взгляд, кажется плоской, хотя Земля и круглая.

Л. — Более того, удается исправить отсутствие линейности в развертках времени, создавая искусственно деформации обратного знака.

ЭЛЕКТРОННЫЙ ПРЕРЫВАТЕЛЬ

Н. — В заключение я должен сказать, что развертывающее устройство является очень простым приспособлением. Источник напряжения, конденсатор и сопротивление хорошо мне знакомы. Меня лишь слегка беспокоит разрядный выключатель. Каким образом можно открыть его и закрыть (на мгновение) 15 625 раз в секунду?

Л. — Ты, конечно, догадываешься, что это вовсе не механическое приспособление…

Н. — Да, это я понимаю. Электроника во всем, чего же еще! Но какая же вакуумная лампа будет выполнять в данном случае эту чудесную работу?

Л. — Это не вакуумная, а газоразрядная лампа. В простейших случаях это неоновая лампа.

Н. — Не может быть! Это из тех ламп дневного света, одну из которых я недавно разбил, так как она создавала массу помех?..

Л. — Неоновая лампа, которую мы применим, относится к другому типу ламп. Она выполнена в виде небольшой стеклянной колбы, содержащей два электрода в форме диска, спирали или цилиндра и наполненной неоном под слабым давлением.

Н. — И без нити накала?

Л. — Да, Незнайкин. Впрочем, нам с тобою уже приходилось помещать неоновую лампу за диском Нипкова, и у нее тоже не было нити. Неоновая лампа начинает светиться, когда напряжение между двумя электродами достигает некоторой величины, так называемого «напряжения ионизации» или «напряжения зажигания». В этот момент молекулы газа распадаются на положительные и отрицательные частицы (ионы и электроны), которые, перемещаясь по направлению к электродам противоположной полярности, образуют ток. Пространство между электродами становится тогда проводником. Чтобы ионизация (и свечение) прекратилась, следует снизить напряжение на некоторую величину. Например, для некоторых образцов ионизация происходит тогда, когда напряжение достигает 110 в. Чтобы прекратить ее и погасить лампу, нужно снизить напряжение до 80 в.

Н. — А каким образом используешь ты эту неоновую лампу в роли «автоматического разрядника»?

Л. — Просто включая ее вместо выключателя К (рис. 33).

Рис. 33. Схема генератора пилообразного напряжения с неоновой лампой.

Н. — Почему на схеме внутри неоновой лампы НЛ нарисована жирная точка?

Л. — Чтобы показать, что речь идет о газоразрядной лампе.

Н. — Мне кажется, я понимаю, что происходит. Напряжение источника U, без сомнения, выше напряжения ионизации неоновой лампы (рис. 34). И вот, пока напряжение на конденсаторе не достигло напряжения ионизации, заряд протекает нормально. Но в момент, когда напряжение конденсатора достигает напряжения ионизации, лампа зажигается, становится проводником и конденсатор быстро разряжается. Когда его напряжение падает до величины, при которой исчезает ионизация, разряд прекращается, возобновляется заряд и т. д.

Рис. 34. Пилообразное напряжение на выходных зажимах схемы на рис. 33.

Л. — Поздравляю. Твое объяснение замечательно. С лампой, взятой нами в качестве примера, напряжение будет колебаться между 110 и 80 в, что даст амплитуду 30 в. Что же касается частоты, ее определяют соответственным выбором сопротивления и емкости.

Н. — Я полагаю, что любой телевизионный приемник содержит два неоновых генератора: один — для горизонтальной, а другой — для вертикальной развертки.

Л. — Нет, Незнайкин. В телевидении никогда не применяют неоновых генераторов.

Н. — Конечно, это слишком хорошо и слишком просто!