Рассылка "Вестник старого радио". Выпуск 29 (Июль 2009) ( /oldradio/subsc/029.htm)

Добрый день!

Историческая справка: Звуковой генератор - когда он появился?

     60 лет назад, в сентябре 1939 г. американский изобретатель Вильям Р. Хьюлетт получил патент N 2268872 на изобретение "Перестраиваемый генератор звуковой частоты" - тот самый "звуковичок", которым с удовольствием пользуются и инженеры, и радиолюбители, и без которого сейчас немыслима никакая радиолаборатория.

Конечно, до 1939 г. инженеры могли настраивать усилители низкой частоты, ведь радиоприемники уже давно выпускались, однако для этого выпускали генераторы, работавшие по другому принципу. Поскольку тогда знали только LC-автогенераторы, а на частотах в десятки герц пришлось бы применять катушки, содержащие сотни тысяч витков и весящие десятки килограммов, то устанавливали два высокочастотных LC-автогенератора с близкими частотами: один с постоянной частотой генерации, другой перестраиваемый, затем в смесителе выделялся сигнал разностной частоты. Кратковременная относительная стабильность LC-автогенератора составляет примерно 10-4, что на частоте генерации 1 МГц дает абсолютную величину флюктуации частоты 100 Гц. Например, если был нужен звуковой сигнал с частотой 100 Гц, то на таком генераторе на биениях можно было получить сигнал, у которого частота будет самопроизвольно перемещаться от 0 до 200 Гц. Работать с таким звуковым генератором было довольно мучительно.

Вильям Хьюлетт пошел по принципиально другому пути. Он построил автогенератор, в котором катушек индуктивности не было, частота генерации определялась сопротивлением резисторов и емкостью конденсаторов, стабильность амплитуды колебаний обеспечивалась введением нелинейного резистора. Генератор был построен всего на двух лампах и был весьма компактным. Появление такого генератора звуковой частоты произвело настоящую революцию в технике измерений.

Вильям Р. Хьюлетт родился 20 мая 1913 г. в Анн-Арборе (штат Мичиган). После окончания школы он поступил в Стенфордский университет в Калифорнии, который окончил в 1934 г., получив степень бакалавра. Ученую степень магистра Хьюлетт получил в 1936 г. в Массачузетском технологическом институте.

Во время учебы в Стенфордском университете Хьюлетт познакомился и подружился с Дэвидом Паккардом. Когда Хьюлетт получил патент на звуковой генератор, друзья решили выпускать его серийно и с этой целью в 1939 г. основали компанию Хьюлетт-Паккард. Первоначальный капитал компании составлял всего $538, а первым "цехом" компании был маленький гараж в Поло-Апьто (Калифорния), сейчас в этом гараже открыт музей компании.

Хьюлетт был одним из руководителей компании до 1987 г. за исключением периода второй мировой войны, когда он был армейским офицером и занимался электронным армейским оборудованием. В 1947 г. он демобилизовался и снова стал вице-президентом компании Хьюлетт-Паккард (президентом был Д. Паккард).

В послевоенные годы компания Хьюлетт-Паккард бурно развивалась. В настоящее время это одна из крупнейших промышленных компаний мира. Она производит разнообразную измерительную аппаратуру: осциллографы, генераторы сигналов, спектроанализаторы и многое другое. Другой сферой, в которой компания Хьюлетт-Паккард завоевала мировое лидерство, стала оптоэлектроника. Компания производит разнообразное оптоэлектронное оборудование: светодиоды, светодиодные индикаторы, оптоэлектронные микросхемы, устройства световолоконной оптики и т.д.

Изобретение Хьюлеттом звукового генератора было важной вехой в развитии радиотехники, и об этом стоит помнить.

(Использованы материалы из журнала РадиоАматор (http://www.sea.com/ua). - 1999. - #9. - С.17)

     Звуковой генератор типа "ЗГ-10" представляет собой переносный лабораторный прибор, предназначенный для получения синусоидальных напряжений переменного тока низкой частоты.

Он изготавливался по техническим условиям ТУ № 0.506.020-54 и рассчитан для эксплуатации при температуре окружающего воздуха от +10 до +30 град. С и относительной влажности до 80%.

Прибор типа "ЗГ-10" применяется для регулировки и испытания низкочастотных ступеней радиоаппаратуры в лабораторной и цеховой практике.

Продолжение...

     Первым детектором, который позволял обнаружить электромагнитные волны в пространстве были мышцы лягушки в опытах профессора анатомии и медицины из итальянского города Болонья Луиджи Гальвани (Galvani, Luigi Aloisio). В 1791г. он опубликовал научный труд под названием "Трактат о силах электричества при мышечном движении", в котором привел произведенный им опыт. На дворе во время грозы прикасались скальпелем к бедренному нерву лягушки, что можно трактовать как присоединение небольшой антенны. Вот тот момент, когда раздавался грозовой разряд, мышцы лягушки начинали резко сокращаться. Это был своеобразный "лягушачий" радиоприемник. Если исследования Л. Гальвани не касались непосредственно электромагнитных волн, то работы немецкого физика Г. Герца (Hertz, Heinrich Rudolf) были посвящены именно этому вопросу. В качестве индикатора электромагнитных волн Г. Герц в 1887 г. использовал резонатор, названный впоследствии его именем, сделанный из проволоки в виде большого круга с искровым промежутком в 3 мм. В момент появления электромагнитных волн в пространстве в промежутке вспыхивала искорка, которую можно было разглядеть в лупу. Резонатор Г. Герца получил название "электрического глаза", хотя и не совсем совершенного. В 1890 г. было предложено два детектора для обнаружения волн: Э. Лехер предложил пользоваться гейслеровой трубкой, а французский физик Э. Бранли (Branly Edouard) - трубкой с опилками, названной английским физиком О. Лоджем (Lodge, sir Oliver Joseph ) " когерер ". В 1899 г. А.С. Попов с сотрудниками обнаружил способность когерера работать в режиме амплитудно-линейного детектирования радиосигналов. Параллельно, русским ученым велись разработки других конструкций детекторов. На следующий год появилась его новая конструкция детектора. Это был первый кристаллический точечный диод с контактом стальные иголки - уголь. Диод был выполнен в виде цилиндрического корпуса, внутри которого, в основаниях помещались угольные диски, а по образующей - стальные иголки. С двух сторон диски прижимались к иглам. Для работы такого диода требовалась гальваническая батарея. Радиоприемники с таким типом диода заняли основное место в системах радиосвязи того времени. В 1901 г. А. С. Попов не взирая на создание кристаллического детектора вернулся опять к когереру и создал радиоприемник на его основе, добавив батарею и наушники, который впервые позволил принимать радиосигналы на слух. Отметим, что в этой схеме когерер не имел автоматического устройства для встряхивания металлических опилок. В этой конструкции, по существу когерер выполнял роль детектора в современном понимании (лат. detector - открыватель, от detego - выявляю). Устройство, которое позволяет преобразовывать высокочастотные колебания в колебания меньшей частоты или постоянный ток, называется детектором. В 1902 г. появился магнитный детектор Г. Маркони (Marconi, Guglielmo Marchese), основанный на явлении ослабления магнитного гистерезиса под действием электромагнитных волн. Нужно отметить, что еще в 1897 г. тогдашний сотрудник Ново - Зеланского университета, будущий всемирно известный атомник Эрнест Резерфорд (Rutherford E.) создал также магнитный детектор, но основанный на другом явлении, на уменьшении намагничивания стального стержня под влиянием электромагнитных волн.

В 1903 г. немецкий инженер В. Шлемильх (Schlomilch W.) построил чувствительный электролитический детектор, основной частью, которого была тонкая платиновая игла касающаяся поверхности электролита (разбавленная серная кислота). Если теперь подключить платиновую иглу и электрод опущенный в жидкость в цепь с быстроизменяющимся переменным током, то благодаря тому, что сопротивление в направлении от острия к жидкости меньше, чем в обратном направлении, прибор будет действовать как выпрямитель или детектор. Для понимания работы детекторов имела большое значение научная монография русского ученого В.М. Ковалева "О детекторе Schlomilch'a" изданная в Киеве Императорским Университетом св. Владимира в 1909 г. В книге дан анализ существовавших конструкций детекторов, сделана их классификация, подробно исследована работа детектора Шлемильха и предложена теория описывающая его работу. Большое распространение в радиотехнике получил электролитический детектор конструкции Р. Фессендена (Fessenden Reginald Aubrey). Детектор состоял из болометрической проволоки, помещенной в маленький столб электролита. В течении десятилетия этот детектор был наиболее чувствительным по сравнению с имевшимися в то время конструкциями, пока его не вытеснили другие более совершенные. В 1907 г. немецкий ученый Л.Остин (Austin L. W.) предложил термодетектор. Термодетектор представлял эбонитовую стойку в верхней части, располагалась алюминиевая пластинка, к которой под действием пружины прикасался теллуровый шарик. Степень прижатия шарика к алюминиевой пластинке регулировалась винтом и позволяла выбирать необходимую плотность контакта. При включении этого детектора в цепь переменного электрического тока на зажимах прибора возникала термоэлектродвижущая сила определенного направления и вследствие этого сила тока в обеих направлениях получалась различной.

Со временем выяснилось, что для прогресса в радиотехнике необходим детектор более совершенной конструкции. Таким детектором в начале оказался кристаллический детектор. Этому способствовали работы немецкого физика К.Ф.Брауна по исследованию проводимости различных полупроводников проведенные в 1906 г. В том же году, американским ученым Х. Денвуди (H.H. Dunwoody) была предложена конструкция детектора, в котором использовалась пара карборунд - стальная игла. Потом последовали конструкции французских ученых Г.Пикара (Picrard G. W.) с парой кристалл цинкит - халькопирит и детектор К.Тиссо (Tissot C.) с парой кристалл свинцового блеска - стальное или серебряное острие. Эти кристаллические детекторы работали неустойчиво и их вытеснили появившиеся двухэлектронные катодные лампы, получившие название "вакуумный диод". Отсюда по аналогии кристаллические детекторы стали называть кристаллическими диодами. Слово "диод" образовалось от греческой приставки "ди" - "дважды" и сокращения слова "электрод". Интересно, в энциклопедии изданной в 30 годы, отмечено, что слово " диод " есть устаревшее название электронной лампы с двумя электродами. Несмотря на появление лампового диода кристаллический детектор с пружинистой иглой пользовался популярностью у радиолюбителей до середины пятидесятых годов. Кристаллический детектор сразу занял достойное место в детекторном приемнике. Радиоприемник с таким детектором не требовал гальванической батареи и работал от энергии электромагнитных волн излучаемых радиостанцией. Детектор тех лет представлял собою проволочку с острым концом, который легко касался поверхности кристалла полупроводника (это был гален или карборунд). В месте касания проволочки с кристаллом двунаправленные токи высокой частоты преобразовывались в приемлемый для приема однонаправленный ток. В 20-е годы имел распространение также упрощенный вариант кристаллического детектора конструкции А.С. Попова, пара металлическая монета - кусочек угля. Кристаллические детекторы тех лет представляли собой полупроводниковые диоды с запирающим слоем, о чем тогда не было известно. На поверхности кристалла образовывалась пленка с другой проводимостью и вследствие этого между пленкой и телом кристалла создавался запирающий слой, обладающий односторонней проводимостью. Это и приводило к детектированию сигналов. Все было хорошо, если бы кристаллический детектор не был очень капризным пленка была невысокого качества, неоднородна, малой прочности, что и приводило к неустойчивой работе детектора. Для поиска хорошей точки контакта необходима была кропотливая работа. Маленький толчок и чувствительность падала, в лучшем случае, в худшем, что было чаще, детектор переставал вообще работать. Поиск новой точки чувствительности приходилось начинать снова, царапая кончиком проволоки поверхность кристалла. Необходимо было искать другой выход. И он нашелся.

На некоторое время кристаллический детектор уступил свое место в радиоприемнике электронной лампе. Двухэлектродная лампа, используемая для преобразования токов высокой частоты в токи звуковой (низкой) частоты, в радиоприемной и измерительной аппаратуре носит название диод - детектор. Широкое внедрение в радиотехнику электронных ламп не остановило исследований по совершенствованию кристаллических детекторов. В феврале 1922 г. 19-летний научный сотрудник Нижегородской лаборатории Олег Лосев в результате целенаправленного исследования обнаружил короткий падающий участок вольт-амперной характеристики кристаллического детектора, используя, который можно было приводить к самовозбуждению колебательный контур. Он сконструировал радиоприемник с генерирующим кристаллом названный "Кристадином", что означало кристаллический гетеродин. В детекторе этого приемника использовалась пара цинкит-угольная нить, на которую подавалось постоянное напряжение определенной величины, порядка 10 В. Он установил, что основным условием генерирования и усиления такой пары есть отрицательное сопротивление контактной пары детектора. Позже, вместо цинкита стали использовать галенит. "Кристадинные" приемники были очень популярны длительное время среди радиолюбителей, так как позволяли принимать радиопередачи с большей громкостью, чем детекторные и имели большую помехоустойчивость. 9 марта 1927 г. О. Лосев сообщил о результатах своих исследований детекторной пары " карборунд-стальная игла". Им было обнаружено слабое свечение на стыке исследуемой пары разнородных материалов при прохождении через нее тока. Характеристики свечения, отмеченные им в то время, сегодня являются важнейшими для современных светодиодов, индикаторов, оптронов, излучателей инфракрасного света. Только, после освоения производства полупроводников началось использование эффекта свечения О. Лосева.

Прошло более тридцати лет, прежде, чем кристаллический детектор вернулся на свое место. За это время были выяснены принципы работы полупроводников и налажено их производство. Сейчас промышленность выпускает большой ассортимент кристаллических детекторов, по современной классификации они носят название полупроводниковых точечных диодов. При их изготовлении используют метод электрической формовки, то есть мощные кратковременные импульсы токов пропускают через точечный контакт. При этом контакт разогревается, а кончик иглы сплавляется с полупроводником, обеспечивая механическую прочность. В области контакта образуется маленький полусферический p-n переход. Такие диоды имеют устойчивые электрические параметры. Так как в настоящее время ламповые диоды используются очень редко и наибольшее распространение получили полупроводники, то полупроводниковые диоды называют просто диодами. Сравнение вольт-амперных характеристик вакуумного и полупроводникового диодов показывает, что в области прямого напряжения характеристика полупроводникового диода напоминает ламповую. Разница лишь в том, что один и тот же ток для полупроводникового диода получается при значительно меньших напряжениях. Это и является преимуществом полупроводниковых диодов при использовании их в выпрямителях. Недостатком полупроводникового диода есть наличие обратного тока, хотя и небольшого в сравнении с прямым током. Диоды, используемые в схемах выпрямления называют также вентилями. В 1957 г. класс диодов пополнился новыми приборами, управляемыми полупроводниковыми вентилями. Международная электротехническая комиссия (МЭК) дала им название тиристоры. Слово "тиристор" состоит из двух слов, греческого - " thyra " (дверь, вход) и английского - "resister" (сопротивление). Тиристоры представляют класс полупроводниковых приборов, который подразделяется на диодные (динисторы), триодные (тринисторы), запираемые и симметричные (симисторы).

Профессор Пестриков В. М. Радиокомпоненты: диоды // Радiоаматор (http://www.sea.com/ua). 1996. - #1. - С.28.

(Продолжение следует)

     Можно показать, что усиление, даваемое лампой в рассмотрением случае, является наибольшим из возможных. Мы не будем однако, доказывать этого для всех случаев, а сравним усиление, получающееся в двух рассмотренных выше крайних случаях, т.е. в случаях очень малого и очень большого Ra. В случае очень малого Ra усиление К=SRa. Но так как это справедливо только при условии, что Ra меньше Ri то, значит, усиление лампы в этом случае меньше, чем SRi.

Из этого, а также из приведенного ранее соотношения между тремя основными параметрами лампы (SRi=m ) видно, что в случае малого Ra усиление, даваемое лампой, во всяком случае меньше m.

Итак, усиление, даваемое лампой, зависит как от параметров лампы, так и от величины анодной нагрузки Ra. По мере увеличения Ra это усиление растет, постепенно приближаясь к величине коэффициента усиления лампы m. Эта величина определяет то наибольшее усиление, которое может дать лампа.

Принцип действия лампы как усилителя, который мы только что изложили, очевидно, в одинаковой степени относится к усилению колебаний как высокой, так и низкой частоты. И те и другие колебания являются медленными по сравнению с теми скоростями, с которыми происходят процессы внутри лампы, и, в частности, по сравнению с тем временем, в течение которого электроны пролетают путь от катода к аноду. Только в случае колебаний наиболее высокой частоты, превышающей 100 МГц (т.е. в случае, волн короче 3 м), продолжительность периода колебаний уже столь мала, что становится сравнимой с временем пролета электронов от нити к аноду. Для всех же более длинных волн можно считать, что за время пролета электронов от катода до анода напряжения на электродах лампы не успевают заметно измениться. Поэтому процессы усиления как высокой, так и низкой частоты протекают в самой лампе принципиально одинаково. Однако когда лампа работает в схеме, то напряжения к ней должны быть подведены от одних каких-то элементов схемы, а проходящие в ней токи должны быть подведены к другим элементам схемы. Между тем свойства этих элементов (сопротивлений, емкостей и т. д.), а также и всех соединительных проводов схемы и выводов лампы (которые также обладают сопротивлением, емкостью и индуктивностью) совершенно различны для токов разной частоты. Поэтому не только в самих схемах, но даже и в конструкции ламп, предназначенных для усиления различных частот, существуют значительные различия. Эти различия будут отмечены при рассмотрении схем усилителей, предназначенных для той или иной цели. Сейчас же мы рассматриваем работу самой лампы, предназначенной для усиления электрических колебаний.

Поскольку независимо от частоты усиливаемых колебаний и типа усилителя все лампы, работающие в качестве усилительных, выполняют принципиально одну и ту же задачу, они должны работать вообще в одинаковом режиме. Только в некоторых специальных схемах усиления или генераторных схемах приходится ставить лампы в специальный режим. Рассмотрим подробнее режим, в котором обычно работают усилительные лампы.

Если подводить к лампе некоторые переменные напряжения, то на анодной нагрузке мы будем иметь такие же переменные напряжения, но усиленные в определенное число раз. Поэтому, чем больше будут напряжения, подводимые к сетке лампы, тем больше будут и напряжения, получающиеся в анодной цепи. Однако в этом направлении нельзя идти как угодно далеко. Ведь задача заключается не только в том, чтобы получить в анодной цепи большие напряжения. Нужно также, чтобы форма этого переменного напряжения, которое подводится к сетке, оставалась после усиления неизменной, т.е. в анодной цепи ток должен иметь ту же форму, какую имеет напряжение, подведенное к сетке. Ясно, почему это необходимо. Определенной форме кривой соответствуют вполне определенные звуки или сигналы, и если форма кривой при усилении будет искажена, то вместе с тем будут искажены и те звуки или сигналы, которые получаются на выходе усилителя, т. е. усилитель будет искажать передачу. Это требование - сохранение формы кривой подводимых колебаний является весьма существенные при усилении. Оно как раз и ставит предел тем напряжениям, которые могут быть подведены к сетке лампы, а следовательно, и тем напряжениям, которые могут быть получены в анодной цепи лампы после усиления. Рассмотри подробнее, чем обусловлен этот предел.

Положим, что к сетке усилительной лампы подводится переменное напряжение (постоянное напряжение не подается), и будем считать для простоты, что это напряжение имеет синусоидальную форму. Чтобы определить, как будет при этом изменяться сила тока в анодной цели лампы, обратимся к анодно-сеточной характеристике лампы.

Строго говоря, мы должны были бы взять семейство анодно-сеточных характеристик и построить динамическую характеристику лампы. Но выяснить интересующий нас вопрос можно и пренебрегая анодной реакцией, т. е. рассматривая только одну статическую характеристику. Будем откладывать подводимое к сетке переменное (синусоидальное) напряжение вниз по вертикальной оси. Каждому значению переменного напряжения на сетке будет соответствовать определенное значение анодного тока, которое мы найдем, проведя вертикальную линию от значения напряжения до пересечения с характеристикой лампы. Найденные значения анодного тока мы расположим также последовательно одно за другим, считая, что время растет по горизонтальной оси вправо. Из этого построения видно, что пока характеристика лампы прямолинейна, последовательные значения анодного тока также образуют синусоиду. Поэтому при не слишком больших значениях напряжения на сетке, пока эти напряжения не выходят за пределы прямолинейной части характеристики лампы, мы получим в анодной цепи также синусоидальные изменения силы анодного тока, т.е. в конечном счете синусоидальные же изменения напряжения на анодной нагрузке. Таким образом, форма кривой напряжения, подведенного к сетке, будет сохранена, и усилитель будет работать без искажении.

В случае же, если напряжение, подводимое к сетке, будет настолько велико, что оно станет заходить за пределы прямолинейной части характеристики, то, очевидно, форма кривой анодного тока уже не будет совпадать с формой кривой напряжения, подводимого к сетке.

Продолжение следует.

Использованы материалы из книги Комарова Е.Ф. Учебное пособие радиотелемастера. Москва: "Издательство Досааф", 1970. - С.66-82.

Журнал QST