Диапазоны	СДВ	ДВ
Частота, f	3-30 кГц	30-300 кГц
Длина волны, X	100-3 км	10-1 км
Диапазоны	СВ	KB	УКВ
Частота, f	0,3-3 МГц	3-30 МГц	80 МГц- 1 ТГц
Длина волны, X	1000-100 м	100-10 м	10 м- 0,3 мм

Ультракороткие волны, в свою очередь, делят на поддиапазоны: метровые (MB), дециметровые (ДМВ), сантиметровые (СМВ) и миллиметровые (ММВ).

Диапазоны	MB	ДМВ
Частота, f	30-300 МГц	0,3-3 ГГц
Длина волны, X	10-1 и	1 м- 0,1 и
Диапазоны	СМВ	ММВ
Частота, f	3-30 ГГц	30 ГГц- 1 ТГц
Длина волны, Я	100-10 мм	10-0,3 мм

В каждом из этих диапазонов радиоволны создаются (генерируются) с помощью весьма различных по конструкции генераторов-передатчиков. Радиоприемники отличаются меньше, но и в них можно обнаружить черты, свойственные только радиоаппаратуре именно этого диапазона. Разными по конструкции оказываются антенны - и приемные и передающие. Волны разных диапазонов по-разному распространяются над землей, водой, по-разному проникают в грунт и воду.

Радиоволны генерируются, чтобы устанавливать связь, поэтому о распространении их стоит поговорить подробнее.

Нашу планету окружает, словно скорлупа ядрышко ореха, ионосфера: слой заряженных частиц -электронов и ионов. Она, как зеркало, отражает все волны, кроме УКВ. Радиоволны идут к приемнику от передатчика двумя путями: тесно прижимаясь к Земле (это так называемая приземная волна) или, наоборот, уходя к ионосфере и отражаясь от нее (это пространственная волна). На очень дальние расстояния волна идет, отражаясь поочередно то от ионосферы, то от Земли. Но вот будет ли отражать ионосфера волну - зависит от Солнца: освещает оно ионосферу в этом месте или нет. Поэтому распространение радиоволн зависит от времени суток. Сверхдлинные и длинные волны Сверхдлинные и длинные волны - это приземные волны. Они распространяются и днем и ночью, за что их особенно ценят, хотя передатчики и антенны на этих диапазонах получаются громоздкими и дорогими. Есть у СДВ и ДВ еще одно достоинство: они мало поглощаются водой и поэтому очень удобны для связи с подводными лодками. Волны эти, однако, сильно ослабевают по мере удаления от передатчика, и, хотя на них можно связываться с любой точкой земного шара, для этого нужен передатчик огромной мощности. Средние волны

Средние волны используются главным образом для радиовещания. Днем ионосфера очень сильно поглощает их и до приемника доходит только приземная волна. Но она быстро ослабевает. Поэтому днем на средних волнах слышны только близкие станции. Зато ночью ионосфера уже не "съедает", а отражает средние волны и становятся слышны дальние станции.

Случилось, правда, так, что на шкалах радиоприемников этот диапазон разбили на два поддиапазо-на: от 200 до 600 м и от 750 до 2000 м. Первый назвали средневолновым, а второй - длинноволновым. На шкалах написали: СВ и ДВ. Но путать эти поддиапазоны с тем делением волн, о котором мы говорим, не нужно. Короткие волны

Короткие волны - пространственные волны. - приходят к приемнику, отражаясь от ионосферы. Днем ионосфера отражает более короткие волны - слышим радиостанции вещательных поддиапазонов 13, 16, 19 и 25 м. Ночью лучше отражаются более длинные волны - радиослушатель переключает приемник на поддиапазоны 31, 41, 49 и 75 м. Для KB уже легче, чем для ДВ и СВ, создавать антенны, которые излучают волны не во все стороны, а только в нужном направлении. Вся энергия передатчика тогда собирается в узкий луч и, не расплескиваясь по дороге, приходит к приемнику. Мощность сигнала в антенне приемника возрастает. Это значит, что можно взять менее чувствительный приемник, менее мощный передатчик - и связь не нарушится, хотя приемник и передатчик станут проще и дешевле.

Правда, на KB дает себя знать неприятное явление - замирание. Ведь волна может прийти к антенне приемника не по одному пути, а сразу по нескольким (рис. 3). Такие волны, соединяясь в антенне вместе, то "гасят", то усиливают друг друга. От замираний избавляются тем, что ведут прием не на одну, а сразу на несколько антенн (и приемников), далеко отстоящих одна от другой. Если в одной антенне в эту секунду волны "погасились", то в другой этого не происходит. И хотя бы один приемник работает нормально.

Распространение коротких волн ученые изучают особенно тщательно, потому что на этих волнах работает подавляющее большинство связных радиостанций: корабельных, самолетных, армейских, правительственных и др. На коротких волнах переговариваются между собой радиолюбители. Ультракороткие волны

Ультракороткие волны не отражаются от ионосферы и почти не поглощаются ею. Они ведут себя подобно лучам света: пронизывают ионосферу и уходят в космос. Поэтому связь на УКВ возможна только до тех пор, пока антенна приемника "видит" антенну передатчика. Едва лишь выпуклость земного шара или какой-то предмет (гора, дом, высокий лес) преградит им путь, как связь прерывается. Чтобы проложить радиолинию за пределы горизонта, антенны поднимают как можно выше или строят радиорелейные линии и запускают спутники связи (см. ст. "Радиосвязь-мост из радиоволн"). А так как УКВ отражаются от предметов, попавшихся на пути, в этом диапазоне оказывается возможной радиолокация. Для УКВ можно легко сделать не очень большие и вместе с тем исключительно направленные антенны: это также важно для локатора, который должен "увидеть", где именно находится самолет или ракета (см. ст. "Радиолокация: электромагнитные волны, делающие видимым невидимое").

Среди волн всех диапазонов только УКВ могут пробить броню ионосферы и уйти в космос,- значит, только они обеспечат связь со спутниками, космическими кораблями и межпланетными станциями. Астрономы слушают на УКВ "радиоголоса" звезд, Солнца и планет: ведь эти небесные тела-гигантские естественные "радиопередатчики".

Наконец, на УКВ ведет свои передачи телевидение, работают станции радиоуправления и радиотелеметрии (см. ст. "Радиоуправление: радиоволны ведут ракету"), всевозможные связные станции: армейские, диспетчерской службы такси, милиции, "Скорой помощи", Аэрофлота. На УКВ разрешается работать и радиолюбительским передатчикам. И самое замечательное, что все эти бесчисленные станции нисколько не мешают друг другу: на УКВ поместится в 10 тыс. раз больше станций, чем на всех остальных диапазонах, вместе взятых! Здесь нет замираний, поэтому связь оказывается очень надежной.

В начале 60-х годов инженеры начали осваивать световые волны: был изобретен лазер, который оказался лучшим передатчиком для волн светового диапазона (см. ст. "Свет работает (лазер)" и т. 3 ДЭ, ст. "Свет"). Свет открывает перед связистами колоссальные возможности хотя бы потому, что в одном только диапазоне видимых световых волн может уместиться в тысячи раз больше радиостанций, чем во всех диапазонах радиоволн.

Многие трудности, связанные с особенностями распространения радиоволн, исчезают, если эти волны пустить не в пространство, а в кабельную или волно-водную линию. Мы уже рассказывали о различных кабелях связи. Теперь можно сказать, что коаксиальный кабель передает радиоволны СВ и KB диапазонов, а обычный "симметричный" кабель - ДВ диапазона. Кабель позволяет полностью исключить замирания: ведь энергия приходит к приемнику лишь по одному-единственному пути.

Радиосвязь-мост из радиоволн

Радиовещание, телевидение, связь с кораблями, самолетами, спутниками и космическими станциями -все это в самом общем виде выглядит так: есть передатчик с антенной, приемник с антенной и пространство между ними, в котором распространяются радиоволны.

Самое главное качество любой связи, в том числе и радиосвязи,- надежность. Лишиться связи - это значит не получить вовремя извещения о шторме, потерять ориентировку в воздухе, проиграть сражение... От надежности связи очень часто зависит жизнь людей.

Специалиста, проектирующего линию радиосвязи, вначале вовсе не интересуют внешний вид и схемы приемников и передатчиков, формы антенн и содержание передач. Ему нужно знать расстояние между передатчиком и приемником и вид сигналов, передающихся по "радиомосту", который нужно навести. И еще: нужно ли вести связь в пределах Земли, или радиосигналам придется путешествовать по космосу?

Когда это известно, выбирают длину волны, тип антенны, мощность передатчика и чувствительность приемника. Особенно интересуют связистов УКВ: ведь в этом диапазоне могут работать, не мешая друг другу, десятки тысяч станций. Но, как вы знаете, УКВ распространяются, словно лучи света. За горизонтом их не примешь. Но есть вот какой выход.

Чтобы проникнуть радиолучом за горизонт, создают радиорелейные линии, состоящие из большого числа радиорелейных станций. Каждая станция -это приемник, передатчик и высокая башня с антеннами. Башни выстроились цепочкой на сотни километров. С каждой из них видны две соседние. Сигнал идет от одной станции к другой, принимается там приемником, усиливается передатчиком - и отправляется к следующей станции. По радиорелейной

линии можно передавать сразу несколько телевизионных программ и тысячи телефонных разговоров.

Ведут связь на далекие расстояния и через спутники (см. ст. "На орбите робот"). Связь с межпланетными станциями и спутниками ведут тоже на УКВ. Но мощность аккумуляторов и солнечных батарей на борту станции невелика, так что особо мощных передатчиков там не установишь. Вся тяжесть создания радиомоста в космос падает на Землю. Здесь строят грандиозные антенны, гигантские по мощности передатчики. Антенны делают такими большими для того, чтобы они, словно огромный невод, захватывали большой поток радиоволн. Потом весь этот поток отбрасывается на приемную головку невода-зеркала. Сигнал сразу усиливается чуть ли не в миллион раз! По радио ученые получали сведения о строении атмосферы Венеры и фотографии Марса, сделанные с расстояния всего в несколько тысяч километров от планеты.

Действия с электрическими колебаниями

Радиоволны - электромагнитные колебания - возникают, когда по проводу проходит переменный ток. Стало быть, электромагнитные колебания невозможны без колебаний электрических (рис. 4).

В радиотехнике используют колебания от долей герца до нескольких гигагерц. Их создают генераторами, а мощность их усиливают усилителями. Кроме того, радисты умеют складывать частоты колебаний, вычитать, умножать и делить (рис. 5).

Складывать и вычитать можно любые частоты. Делить и умножать - то же самое. Но деление более чем на 2, а умножение более чем на 10 в одном-единственном делящем или умножающем устройстве - "каскаде" - удается с большим трудом, и тогда приходится ставить последовательно несколько таких "каскадов". Заниматься арифметическими действиями с колебаниями приходится всюду: в приемниках, передатчиках, в устройствах радиотелеуправления и радиотелеметрии, в электронных вычислительных машинах.

Модуляция
Часто, впрочем, бывает нужно не складывать, а изменять "внешность" высокочастотных колебаний, модулировать их (латинское слово "модулятио" означает "изменение"), или, как говорят связисты, накладывать колебания низкой частоты на колебания высокой частоты. Для этого придуманы особые устройства - модуляторы. Одни модуляторы работают так, что выходящее из них колебание изменяется по величине (амплитуде) - это называется амплитудной модуляцией. Другие модуляторы оставляют амплитуду высокочастотного колебания неизменной, но то прерывают, то снова пропускают высокочастотный сигнал - это импульсная модуляция. Если же изменяется частота высокочастотного колебания - получается частотная модуляция (рис. 6).

Рис. 5. Четыре действия с электрическими колебаниями: сложение, вычитание, умножение, деление.

Амплитудная модуляция применяется главным образом в радиовещании, телевидении и связи; в радиолокации, телеуправлении и телеметрии, как правило, импульсная. А в радиовещании и связи на УКВ - частотная.

"Кирпичики" радиоустройств

Как современный дом строится из готовых блоков, так и приемник, передатчик или иное радиоустройство собирается из радиодеталей (иногда их называют радиоэлементами): сопротивлений, конденсаторов, катушек индуктивности и т. д. (рис. 7). Эти элементы применяются и в радиотехнике, и в электронике. Однако радиотехнические и электронные устройства используются не только в электросвязи. Сейчас, пожалуй, нет такой области техники, где бы они не работали.

Сопротивление
Сопротивление, или резистор,- это фарфоровая трубочка (или стержень), на которую снаружи напылена тончайшая пленка металла или сажи (углерода). Чем тоньше пленка, тем больше сопротивление току. Оно измеряется в омах (Ом), тысячах омов -килоомах (кОм) и миллионах омов - мегомах (МОм).

Рис. 6. Виды модуляций (сверху вниз): амплитудная, импульсная, частотная.

Кроме постоянных сопротивлений существуют и переменные сопротивления. Их значение меняется, когда вращают ось, выступающую из корпуса. В радиоприемнике или магнитофоне с помощью таких переменных сопротивлений регулируют громкость и тембр звука.

На схемах сопротивление обозначается буквой R.

Конденсатор
Как правило, самый простой конденсатор - это две металлические пластинки (обкладки) и воздух между ними. Вместо воздуха может быть бумага, слюда, фарфор или иной диэлектрик, т. е. материал, не проводящий ток. Каждый конденсатор обладает электрической емкостью, т. е. способностью накапливать (заряжаться) и хранить электрический заряд. Единица емкости - фарада (Ф). Это очень большая единица: конденсатор из двух пластин емкостью в 1 фараду был бы размером с Землю! Поэтому на практике пользуются меньшими единицами: микрофарадой (мкФ), т. е. миллионной долей фарады, и пикофарадой (пФ) - миллионной долей микрофарады. Чем больше площадь пластин и меньше толщина диэлектрика, тем больше емкость. Кроме того, емкость зависит еще от материала диэлектрика (точнее, от его диэлектрической проницаемости).

Конденсатор не пропускает через себя постоянный ток (иными словами, его сопротивление постоянному току равно бесконечности) и пропускает переменный. Поэтому его ставят там, где нужно отделить постоянный ток от переменного. Сопротивление переменному току уменьшается с ростом частоты.

В схемах конденсаторы обозначаются буквой С.

Типов конденсаторов множество. Они отличаются главным образом материалом диэлектрика и конструкцией. Называют их по типу диэлектрика, и поэтому бывают конденсаторы воздушные, слюдяные, бумажные, керамические и многие другие. Одни лучше работают на высоких частотах, но емкость у них маленькая. Другие при маленьких размерах имеют большую емкость, но предназначены для низких частот. Третьи могут работать при очень высоких напряжениях... Всех не перечислишь. Но об одном типе конденсаторов - электролитических (рис. 8) - стоит сказать несколько слов. В них диэлектриком служит тончайшая, в несколько микрометров (мкм), пленка окисла, специально созданная на металле. Другой обкладкой служит жидкость или похожая на желе паста. Они обладают огромной емкостью, доходящей до тысяч микрофарад.

Рис. 7. Простейшие элементы радиоустройств (сверху вниз): постоянные сопротивления; переменные сопротивления ; конденсаторы постоянной емкости; конденсаторы переменной емкости.

Рис. 8. Электролитические конденсаторы.

Рис. 9. Катушки индуктивности.

Рис. 10. Схема работы колебательного контура.

Катушка индуктивности
Катушка индуктивности (рис. 9), или просто катушка,- это трубка из диэлектрика, на которой намотана изолированная проволока. Если намотка сделана в один слой - катушка называется однослойной, если в несколько слоев - многослойной. Конденсатор запасает энергию в виде электрического поля, а катушка запасает ее в виде магнитного поля, образующегося вокруг витков проволоки. Иными словами, когда по катушке проходит ток, она становится своеобразным магнитом. Когда ток прекращается, катушка размагничивается не сразу, а спустя некоторое время. Какое - это зависит от ее индуктивности. Чем больше витков в катушке, чем меньше диаметр трубки, на которой намотана проволока, тем больше индуктивность. Особенно возрастает индуктивность, если в трубку вставлен железный стержень. Обычно этот стержень делают не сплошным, а собирают из множества тонких пластинок. Для катушек, работающих на высоких частотах, стержни изготавливают из мелко намолотого железного порошка или из хорошо намагничивающегося материала - феррита. Кстати, следует оговориться, что катушки индуктивности, работающие на очень высоких частотах, потеряли традиционную форму катушки и бывают в виде металлических полосок и т. д. В этом случае их называют уже не катушками, а просто индуктивностями.

Часто бывает нужно немного изменить индуктивность "катушки. Для этого вворачивают или выворачивают ферритовый стержень - сердечник. Такие катушки употребляются в приемниках. В передатчиках катушки обычно бывают без сердечника.

Измеряется индуктивность в генри (Гн), а также в тысячных долях генри - миллигенри (мГн) и миллионных - микрогенри (мкГн). На схемах катушку обозначают буквой L.

Сопротивление катушки постоянному току зависит от провода, которым она намотана. Сопротивление же переменному току увеличивается с ростом его частоты.

Колебательный контур
Колебательный контур - это параллельно (иногда последовательно) соединенные катушка и конденсатор (рис. 10). Работает контур так.

Предположим, что конденсатор был уже заряжен, когда его подключили к контуру. Тогда он начнет разряжаться, и по катушке потечет ток. Ток вызовет вокруг витков катушки магнитное поле. Когда конденсатор разрядится и напряжение в нем станет равно нулю, ток, поддерживавший магнитное поле, прекратится. Но поле не исчезнет мгновенно. Магнитные силовые линии поля начнут пересекать витки катушки и возбудят в них ток, но уже противоположного направления. Ток примется заряжать конденсатор, и, когда магнитное поле окончательно исчезнет, конденсатор окажется заряженным почти до прежнего напряжения, только с противоположным знаком. Конденсатор затем начнет разряжаться через катушку индуктивности, по ней потечет ток, и процесс повторится.

Таким образом, конденсатор будет то заряжаться, то разряжаться, а магнитное поле в катушке то возникать, то исчезать. Это немного напоминает колебания маятника. Но провод катушки обладает омическим сопротивлением, и ток будет каждый раз немного греть его.

Потери электрической энергии на этот нагрев приведут к тому, что раз от разу конденсатор будет заряжаться до меньшего напряжения и со временем ток прекратится, а весь первоначальный заряд конденсатора обратится в тепло. Колебания - они называются свободными - исчезнут.

Однако, если каждый раз каким-то образом подзаряжать конденсатор, колебания в контуре не затухнут. Больше того, даже если вначале не было колебаний, их можно возбудить. Для этого нужно подключить к контуру генератор колебаний высокой частоты. Чтобы изменять частоту свободных колебаний, обычно берут конденсатор не постоянной, а переменной емкости.

Радиолампа
Когда металл нагревают до высокой температуры, то имеющиеся в нем электроны приходят в такое сильное движение, что пробивают границу между металлом и воздухом (правда, лучше, если вместо воздуха будет пустота - вакуум) и вылетают наружу. Возникает термоэлектронная эмиссия. Она была открыта в 1883 г. А в 1904 г. изобрели первую электронную лампу - диод. Название взяли от греческого "ди" - дважды и (электр)од, потому что в стеклянном баллоне лампы поместились два электрода: анод и катод. Диод был первым электронным устройством.

Катод - это проволока, раскаляемая электрическим током. Анод - металлическая трубка, окружающая катод и улавливающая электроны, которые вылетают с катода. Из баллона лампы воздух выкачан, и ничто не мешает электронам лететь от катода к аноду. Но они не полетят, пока к электродам снаружи не подключат батарею.

Если батарея будет включена плюсом на анод, то электроны притянутся к полюсу батареи (т. е. к заряженному аноду) и как бы наведут через пустоту проводящий мостик. Через лампу пойдет ток, потому что на место улетевших с катода электронов будут приходить от батареи новые.

Если же к аноду подключен минус батареи, электроны оттолкнутся от анода, и никакого "мостика" не будет. Больше того, электроны, вылетевшие с катода, тотчас же притянутся положительным полюсом' батареи назад, к катоду. Ток через диод не пойдёт (рис. 11).

Диод напоминает клапан, стоящий где-нибудь в водопроводной трубе и пропускающий поток воды только в одну сторону". Поэтому его часто называют электрическим клапаном или электрическим вентилем.

Диод может превратить переменный ток в пульсирующий постоянный. Как это происходит, вы можете увидеть на рисунке на странице 130.

Через три года после диода изобрели триод - трех-электродную лампу, с которой, собственно, и началось широкое наступление радио во все области науки, техники и быта. Третий электрод назвали сеткой. Он действительно был вначале похож на редкую сетку. Сетку поставили между катодом и анодом, и сразу же лампа заработала по-иному, хотя, казалось бы, какой от сетки прок: веди электроны свободно пролетят сквозь нее к аноду.

Но оказалось, что пролететь им совсем не легко. Сетка ближе к катоду, чем анод, а потому и влияние ее на электроны гораздо заметнее. Если на нее подать большое отрицательное напряжение, она не пропустит к аноду ни одного электрона, и ток через лампу не пойдет, хотя на аноде по-прежнему будет плюс батареи (рис. 12).

Если же отрицательное напряжение на сетке будет не таким большим, часть электронов прорвется сквозь нее и долетит до анода. Ток через лампу пойдет, но он будет меньше того, каким он мог быть, если бы сетки совсем не было. Стало быть, регулируя напряжение на сетке, можно управлять током, проходящим 'через лампу: током анода. В этом и состоит великая ценность сетки.

Если последовательно с лампой включить сопротивление (рис. 14), то напряжение батареи распределится так: часть упадет на лампе, часть - на сопротивлении.

Рис. 11. Диод: а - так диод изображается на схемах ; б - схема реботы диода-выпрямителя; в -схема работы диода.

Рис. 12. Триод: в -так изображают триод; б -схема работы триода.

Рис. 13. Различные, электронные лампы.

Когда сила тока через лампу равна нулю, равно нулю и напряжение на сопротивлении. Когда же через лампу идет ток, на сопротивление упадет тем большее напряжение, чем больше сила тока. Но ведь током "заведует" сетка! Значит, небольшое изменение напряжения на сетке приведет к большому изменению напряжения на сопротивлении, т. е. лампа станет усилителем, напряжения. Если нужно усиливать колебания высокой частоты, вместо сопротивления ставят колебательный контур.

Иногда усилитель на триоде работает недостаточно хорошо. Тогда в лампу добавляют еще одну или даже несколько сеток - так получается тетрод, пентод и т. д. Часто в одном баллоне находится место для двух, а то и трех ламп сразу: двух диодов, двух триодов, триода и пентода, триода и двух диодов. Такие лампы употребляют в приемниках и усилителях. А в последнее время выпущена особая лампа - компактрон,- в баллоне которой кроме анода, катода и сеток находятся обычные радиодетали: сопротивления, конденсаторы. Телевизор на таких лампах получается много компактнее обычного.

Перегоревшую лампу от исправной отличить легко: она не светится красноватым светом раскаленного катода. Бывает, однако, что лампа не перегорает, а просто "стареет": ее катод хуже испускает электроны. Это происходит через два-три года после того, как лампу вставили в радиоаппарат. Поэтому, когда приемник или телевизор начинает работать плохо, верный способ исправить его - заменить старые лампы новыми, но только тогда, когда аппарат отключен от сети, иначе вас может ударить током высокого напряжения, а это очень опасно. Не перепутайте лампы. Вынимайте их по одной и заменяйте новой того же типа. После каждой замены лампы включите аппарат, посмотрите, не стал ли он работать лучше. Если да - других ламп можно не менять. Ну а если замена не помогает, тогда стоит вызвать мастера.

Лампы мощных передатчиков очень дороги, и, если перегорает нить накала (впрочем, какая это нить - проволока в 1 мм толщиной!), их не выбрасывают, а разбирают, заменяют неисправный электрод и вновь собирают. Каждая такая лампа может генерировать колебания высокой частоты мощностью до 1000 кВт - это мощность, которую потребляет 500-квартирный дом! Не удивительно, что лампы очень нагреваются, и их приходится охлаждать воздухом или проточной водой.

Полупроводниковые диоды и триоды

Полупроводниковый диод
Чем отличаются проводники от диэлектриков? Тем, что одни проводят ток, а другие - нет, скажете вы. Верно. Но если быть точным, надо сказать так: в проводнике есть свободные электроны, которые во множестве бесприютно блуждают среди атомов, а в диэлектрике все электроны "привязаны" к атомам и ни одного свободного нет. Проводники - это обычно металлы, а диэлектрики - неметаллы: стекло, слюда, фарфор, окислы металлов и многие другие вещества.

Рис. 14. Схема работы триода-усилителя.

Рис. 15. Конструкция лампового диода прямого накала: 1 - катод ; 2 - анод.

Рис. 16. Так устроен триод прямого накала: 1 - катод; 2 - сетка; 3 - анод.

Однако существуют вещества, стоящие между проводниками и диэлектриками,- это полупроводники: германий, кремний и др.

Обычно в них все электроны привязаны к "своим" атомам (рис. 17, а). В этом смысле полупроводник похож на диэлектрик. Однако иногда какой-нибудь наиболее шустрый электрон отрывается от атома и отправляется "гулять" по полупроводнику так, как если бы находился в металле. Возле атома, от которого он оторвался, возникает дырка (рис. 17, б). Условно дело выглядит так, как если бы там образовался положительный заряд, равный заряду электрона. Если в дырку перескочит электрон соседнего атома (а это вполне возможно), она передвинется на новое место (рис. 17, в). Значит, и электроны и дырки могут путешествовать, причем в совершенно чистом куске полупроводника число их равно.

Чтобы создать полупроводниковый диод, нужно иметь два куска полупроводника (скажем, германия) : один - с избытком электронов, другой - с избытком дырок. Но таких полупроводников в природе нет, и поэтому их изготовляют искусственно. Подмешивают к чистому куску германия, например, сурьму - и получают избыток электронов, а если вместо сурьмы взять индий - в германии окажется избыток дырок. (Вы понимаете, конечно, что все сказанное относится и к кремнию, и к другим полупроводникам, но ради наглядности мы везде будем в дальнейшем говорить только про германий.)

У электрона заряд отрицательный (по-английски negative), поэтому германий с лишними электронами называют германий "n"-типа. Дырку считают положительно заряженной (positive) и германий с избытком дырок называют германий "р"-типа. Примесей в полупроводнике очень мало: один атом на миллион атомов германия или кремния. Но этого вполне достаточно, чтобы создать диод.

Сделаем это так. Сложим, а еще лучше - спаяем "n" и "р" куски германия (рис. 18, а). Теперь подключим к этому составному куску батарею: плюсом - к электронной части, минусом - к дырочной (рис. 18, б). Все дырки сбегутся к отрицательному полюсу, все электроны - к положительному (ведь разноименные заряды притягиваются!). И никакой ток через диод не пройдет.

А теперь переменим полюсы батареи: плюс - к дыркам, минус - к электронам. Дырки снова побегут к минусу, а электроны - к плюсу. Но теперь уже они пересекут весь диод из конца в конец и замкнут цепь. Через диод пошел ток!

Все происходит точно так же, как и в электронной лампе, но ведь кусок полупроводника - это гораздо более простая конструкция, чем лампа с ее множеством деталей в стеклянном баллоне. Вот почему полупроводниковые диоды практически полностью вытеснили в радиоаппаратуре старые стеклянные диоды, даже там, где триоды и прочие лампы еще сохранились.

Рис. 17. Схема структуры полупроводника: а - свободных электронов и дырок нет; б- атом потерял один из электронов, образовались дырка и свободный электрон; в -дырки и свободные электроны движутся в разные стороны.

Рис. 18. Полупроводниковый диод: а - два куска полупроводника -"р" и "n" - сложены вместе, образовался диод; б - принцип действия полупроводникового диода: 1 - батарея включена плюсом на "п" - полупроводник, тока нет; 2-батарея включена правильно, ток идет.

Первые полупроводниковые диоды - их тогда называли детекторами - были придуманы в 1906 г., но объяснить, как они действуют, ученые не могли еще добрых 40 лет. Детекторы работали плохо, потому что их изготовляли наобум и все решал случай. Только после того как была создана теория полупроводников, научились делать отличные диоды с заранее заданными свойствами (см. т. 3 ДЭ, ст. "Полупроводники").

Существует множество типов диодов. Какой выбрать? Обычно на выбор влияют три основных признака. Во-первых, наибольшее напряжение, которое выдерживает диод без опасности быть пробитым в тот момент, когда он не проводит. У разных диодов оно разное и не превышает нескольких сотен вольт (если нужно выдерживать большее напряжение, включают несколько диодов последовательно). Во-вторых, максимальная сила тока, который диод пропускает без опасности перегреться и расплавиться (у самых мощных она достигает тысяч ампер). В третьих, наибольшая частота, на которой способен работать диод (она доходит до гигагерц).

Диоды превращают переменный ток в постоянный (так же как и ламповые диоды), работают в качестве детекторов в приемниках и телевизорах.

Особый класс диодов - туннельные. В них гораздо больше атомов примеси: раз в 20. Это делает их главной деталью усилителей и генераторов высокой частоты. Правда, эти усилители и генераторы маломощны, но зато они очень маленькие и помещаются там, где нет возможности поставить лампу или полупроводниковый триод - транзистор.

Диоды делают главным образом из кремния и германия. Они не выдерживают слишком большого нагрева : германиевый диод выходит из строя, если его температура поднимается свыше +70°C, кремниевый - если свыше +140° С. Поэтому физики ищут новые, более стойкие полупроводники. Оказалось, что можно изготовить диод из алмаза. Он выдерживает температуру +500° С. Одно плохо: диод получается фантастически дорогим - ведь это алмаз! Поиски продолжаются. И вот диод из карбида кремния, который гораздо дешевле, работает при + 700° С!

Полупроводниковый триод - транзистор Полупроводниковый триод - транзистор делают почти так же, как и диод, но из трех кусков германия: двух "р"-типа и одного "n"-типа. Изобретен транзистор в 1947 г. Он усиливает и генерирует колебания низкой и высокой частоты, как электронная лампа. Но в отличие от нее он работает при гораздо меньшем напряжении и не нуждается в энергии для питания нити накала: ее просто нет. Поэтому приемники, передатчики и другие устройства на транзисторах исключительно экономичны и работают на батарейках от карманного фонарика месяцами.

Для работы транзистору нужны две батареи (рис. 20). Одна включена плюсом на левую "р"-часть триода (эмиттер), а минусом - на среднюю "n"-часть (базу). Вторая батарея - плюсом на базу, а минусом - на правую "р"-часть (коллектор).

Рис. 19. Различные полупроводниковые диоды.

Положительный полюс первой батареи отталкивает дырки эмиттера, и они уходят в базу. Казалось бы, дальше идти им некуда: переход между базой и коллектором закрыт, потому что вторая батарея включена здесь так, что притягивает к своим полюсам электроны базы и дырки коллектора. Но закрыт этот переход лишь для "родных" электронов базы и дырок коллектора. А пришлые дырки, оказавшиеся в базе по милости первой батареи, свободно могут уйти в коллектор, тем более что в этом им помогает отрицательный полюс второй батареи. Стало быть, через обе батареи и триод пойдет "дырочный" ток.

Какая-то часть этого тока ответвится в базу и замкнется через первую батарею. Но триод конструируют так, чтобы сила этого тока была очень мала, во много раз меньше силы основного тока, текущего из эмиттера через базу в коллектор.

Если напряжение первой батареи увеличится, возрастет число дырок эмиттера, уходящих в базу, а следовательно, и дырок, добирающихся до коллектора. Значит, напряжение между базой и эмиттером управляет током коллектора, точно так же, как напряжение между сеткой и катодом управляло в лампе током анода. И триод - транзистор работает усилителем так же хорошо, как и лампа.

Вместо двух кусков "р"-типа и одного "n"-типа можно взять два "n" и один "р" - и транзистор будет работать так же хорошо. Нужно только поменять полюсы батарей.

Первые транзисторы усиливали ток частотой не выше нескольких килогерц. Им было очень далеко в этом смысле до электронных ламп. Сейчас транзисторы почти сравнялись с лампами: наибольшая частота тока, которую они усиливают, достигает 5 ГГц. Долгое время не удавалось сделать транзисторы мощными. Сейчас преодолена и эта трудность: на частотах до 20 МГц полупроводниковые триоды генерируют мощность до 1 кВт, а на частоте 1 ГГц их мощность достигает 1 Вт - это совсем не так мало, особенно если этой мощностью по-хозяйски распорядиться. Ведь даже на мощности 0,25 Вт можно поддерживать космическую радиосвязь на расстоянии до 160 тыс. км!

Рис. 20. Так подключают батареи к полупроводниковому триоду: 1 - эмиттер; 2 - база; 3 - коллектор.

Рис. 21. Различные полупроводниковые триоды.

А не очень высокочастотные "переключательные" триоды управляют мощностью до 5-10 кВт, регулируют частоту вращения двигателей постоянного тока, работают в системах электронного зажигания автомобилей и т. д.

Современные электронные вычислительные машины строятся полностью на транзисторах - их там десятки тысяч. Уже почти не выпускают ламповых приемников и магнитофонов, созданы полностью транзисторные телевизоры. Никакая переносная, космическая и другая аппаратура, работающая от батарей, немыслима сейчас без транзисторов. Можно смело сказать, что без транзисторов серьезное освоение космоса было бы невозможным.

Ученые придумали не только полупроводниковые триоды, но и более сложные транзисторы: из 4 и более кусков полупроводника. У них много преимуществ перед простыми транзисторами, но они более дорогие и поэтому не так распространены. Поэтому основным полупроводниковым прибором остается все-таки триод.

Триоды сделали радиоаппаратуру исключительно надежной: ведь они могут работать миллионы и десятки миллионов часов, т. е. десятки и сотни лет не выходя из строя. Они сделали ее фантастически маленькой ! Уже никого не удивишь сообщением о радиопередатчике, спрятанном под пломбой в зубе человека или ведущем передачу из человеческого желудка.

Заглянем в радиоприемник

Перед вами на столе приемник. Вы знаете: эта ручка регулирует громкость, с помощью этой настраиваются на станции, этой переключают диапазон. А что внутри? Почему ручки работают так, а не иначе? Как возникают из радиоволны звуки скрипки и голос диктора? Антенны

Начнем с антенны - "удочки" для вылавливания радиоволн.

Радиоволны, как вы помните, рождаются, когда по проводу проходит переменный ток. Когда же радиоволны проходят мимо провода или другого металлического предмета, они возбуждают в нем "(наводят", говорят радисты) переменный ток. Этот ток очень слабенький. Но, усиленный приемником, он становится весьма ощутимым: он превращается в музыку, слова комментатора футбольного матча или бой курантов Спасской башни. Нужно лишь подключить провод к гнезду "Антенна".

В качестве антенны можно использовать любой провод (только не электросеть!), металлическую решетку, даже металлическую кровать. Но лучше всего приемник будет работать с антенной, специально для него сделанной и подвешенной как можно выше. Помните, что чем дальше антенна от стен и крыш - домов, тем больше станций будет принимать приемник.

Часто устраивают комнатную антенну: это проще, чем- строить на крыше мачты, да в городе это и не разрешают делать. Комнатную антенну нужно протягивать подальше от стен. В современных домах из сборного железобетона она работает очень плохо, потому что железные прутья, заложенные в плиты стен, пола и потолка, почти полностью преграждают путь радиоволнам. Лучше выставить из окна короткую палку и на ней сделать метельчатую антенну.

Колебательный контур
На схеме вашего приемника (она есть в описании) вы увидите, что антенна подключена к колебательному контуру. Ведь в мире работают одновременно тысячи радиостанций, и слова всех языков мира и звуки множества оркестров перемешиваются. А вам нужна передача какой-то одной станции. Контур и выделяет из всего этого хаоса определенную станцию. Это происходит, когда собственная частота контура (она изменяется при вращении ручки конденсатора переменной емкости) совпадает с частотой, на которой работает станция. Слабые колебания, принятые антенной, возбуждают в контуре вынужденные колебания. Наступает резонанс. А при резонансе даже слабые колебания из антенны могут очень сильно "раскачать" колебания в контуре, точно так же, как слабыми толчками можно очень сильно раскачать качели, если действовать в такт.

Для разных диапазонов волн нужны разные катушки индуктивности. Вы переключаете их переключателем диапазонов. А конденсатор переменной емкости, который позволяет настраиваться на нужную волну внутри одного диапазона, остается тот же самый.

Усилитель высокой частоты
Однако сигналы в контуре еще очень слабы. Их нужно усилить. Этим занимается усилитель высокой частоты, - лампа, к сетке и аноду которой подключены два колебательных контура (рис. 22). Контуры совершенно одинаковые и перестраиваются переменными конденсаторами одновременно. Но одного каскада усиления недостаточно, поэтому ставят еще одну или даже несколько ламп - усилителей высокой частоты.

Приемник, построенный по такой схеме, называется приемником прямого усиления.

Однако это означает, что в приемнике придется иметь столько контуров и, следовательно, столько конденсаторов переменной емкости, сколько каскадов усиления. И столько же катушек, да еще умноженных на число диапазонов! Это неудобно: приемник получается громоздким. Поэтому придумали, как уменьшить число контуров, не только не ухудшив приемник, а, наоборот, сделав его еще более чувствительным. Гетеродин

Вы помните, что электрические колебания можно вычитать. Так вот, в приемнике устраивают маломощный генератор электрических колебаний - гетеродин. Его частота выбрана более низкой, нежели частота станции, которую принимает приемник.

Рис. 22. Схема усилителя высокой частоты.

Рис. 23. Схема работы смесителя.

Рис. 24. Схема работы детектора.

Рис. 25. Блок-схема супергетеродинного приемника.

А конденсатор колебательного контура гетеродина размещают на одной оси с конденсатором входного (т. е. подключенного к антенне контура). Стало быть, когда вы перестраиваете приемник, вы перестраиваете и гетеродин. Частота гетеродина все время будет отстоять на одну и ту же .величину от настройки входного контура, т. е. от частоты принятой станции.

Смеситель
Обе частоты - и от входного контура, и от гетеродина - приходят на лампу-вычитатель (ее называют обычно смесителем (рис. 23). И как бы ни перестраивали приемник, какие бы станции ни принимали, на выходе смесителя все время будет одна и та же постоянная частота: разность поступивших частот. Эту частоту называют промежуточной. Ее усиливать гораздо проще: ведь контуры усилителей будут настроены все время на одну-единственную частоту.

В приемнике же останется всего два конденсатора переменной емкости и два комплекта катушек, которые нужно переключать в зависимости от диапазона.

Такой приемник называется супергетеродинным (рис. 25). По схеме "супера" построены практически все выпускающиеся сейчас приемники. И лишь самые простейшие, работающие на одном, максимум на двух диапазонах, иногда все-таки делают по схеме прямого усиления. Детектор

Но вот сигнал усилен усилителем промежуточной частоты. Что дальше? А дальше он поступает на детектор - ламповый или полупроводниковой диод (рис. 24).

Радиоволны, покинувшие антенну передатчика и принятые приемником,- это модулированные колебания. Из них нужно выделить сигнал низкой частоты. Вот этим и занимается диод. Выделенные им низкочастотные колебания проходят на усилитель.

Усилитель построен также на лампах или транзисторах, но вместо колебательных контуров стоят сопротивления. Обычно в усилителе низкой частоты несколько каскадов. К последнему через трансформатор присоединен громкоговоритель (динамик). Он устроен так.

К конусу из плотной бумаги - диффузору - приклеена катушка (рис. 27 и 28). Она находится в щели, где сильным магнитом создано магнитное поле. Когда по катушке проходит ток (это тот же самый ток, что течет через лампу или транзистор, только преобразованный трансформатором), она колеблется взад и вперед. Колеблется и диффузор. Он толкает воздух, а колебания воздуха не что иное, как звук.

"Экскурсия" по передатчику

"Путешествие" по приемнику начиналось с рассказа об антенне. По передатчику "экскурсия" пойдет в противоположном направлении: начнется у задающего генератора, а закончится у антенны.

Рис. 26. Передатчик метеорологической ракеты.

Рис. 27. Схема устройства динамика.

Рис. 28. Различные динамики.

Генератор
Генератор - это лампа с колебательным контуром в анодной цепи и катушкой, подключенной к сетке (рис. 29). Он немного напоминает усилитель высокой частоты. Но если там катушки тщательно отделялись друг от друга металлическим экраном, то здесь, наоборот, они намотаны на одном каркасе. Чтобы генератор заработал, катушки должны быть намотаны так, как показано на рисунке ("н" - начало намотки, "к" - конец).

Когда генератор включают, ток начинает идти через лампу. В катушке L₁ (анодной) возникает магнитное поле. Его силовые линии пересекают витки катушки L₂ (сеточной) и возбуждают в ней напряжение (понятно, что ток, идущий через анодную катушку L₁, -возбуждает и на ней напряжение). Напряжение же на сеточной катушке сразу усилит анодный ток лампы. Он станет более мощным, напряжение на катушке L₁ увеличится, и соответственно напряжение на катушке L₂ возрастет. Такое включение катушек, когда напряжение анодной катушки возбуждает напряжение в катушке сеточной, а сеточное напряжение усиливает анодный ток и тем самым напряжение на анодной катушке, называется в технике положительной обратной связью (см. ст. "Положительные и отрицательные обратные связи").

Но сила тока в лампе не может возрастать бесконечно. В конце концов она перестанет увеличиваться хотя бы потому, что катод не сможет поставлять больше электронов. Но раз сила анодного тока перестала изменяться, перестало изменяться и магнитное поле катушки L₁. Поэтому напряжение на катушке уменьшится. От этого и напряжение на сетке станет уменьшаться. Однако уменьшение сеточного напряжения вызовет уменьшение силы анодного тока и магнитного поля катушки L₁. Это сразу же отзовется на катушке L₂: напряжение на ней станет еще меньше. Так будет продолжаться до тех пор, пока напряжение на сетке не запрет лампу и ток не прекратится.

Но раз ток прекратился - исчезло и магнитное поле катушки L₁, а с ним и напряжение в катушке L₂, запиравшее до сих пор лампу. Следовательно, через нее пойдет ток, и всё повторится сначала.

Итак, в генераторе возникли колебания. Их частота будет определяться настройкой анодного контура. Впоследствии эти колебания попадут на антенну, а с нее уйдут в пространство. Значит, частота генератора определяет, задает частоту, на которой работает передатчик. Чтобы вам не приходилось то и дело подстраивать приемник, ловя "убегающую" станцию, частота задающего генератора должна быть строго постоянной, стабильной. На Земле работают сотни тысяч радиовещательных, связных, радиолокационных, телевизионных, самолетных и многих других радиостанций. Все диапазоны забиты ими до отказа. На международных конференциях радиостанциям разных стран отводят определенные частоты: каждой станции - свою частоту. А рядом -уже другая станция. Если генератор будет нестабильным, станции будут мешать друг другу.

Усилитель высокой частоты
Мощность задающего генератора маленькая, а чтобы передать информацию на весь мир и тем более вести связь с космическими станциями, нужна энергия в сотни и тысячи киловатт. Поэтому колебания задающего генератора усиливают усилителем, высокой частоты. Но это уже не тот усилитель с миниатюрными лампами и транзисторами, который можно увидеть в приемнике. Нет, усилитель мощного передатчика - это большой шкаф, а то и несколько шкафов, занимающих целую комнату. Лампы, работающие в нем, иногда бывают выше человеческого роста. Их охлаждают воздухом, нагнетаемым мощными вентиляторами, или водой. Приходится охлаждать и катушки: катушка мощного передатчика греется так же сильно, как и лампа.

Конечно, существуют и миниатюрные, переносные передатчики. Некоторые даже прячутся вместе с приемником в телефонной трубке, а то и в брусочке размером с кусок сахара. Такие передатчики похожи

Рис. 29. Схема генератора высокой частоты.

Рис. 30. Блок-схема радиовещательного передатчика.

по конструкции на приемники, и в них используют обыкновенные лампы и транзисторы.

Усилитель низкой частоты
силитель низкой частоты, подающий пойманные микрофоном звуки к модулятору, у мощного вещательного передатчика также внушителен и мощен. Когда оркестр играет с самой большой громкостью, на какую способен, мощность усилителя низкой частоты равняется мощности передатчика. А ведь вещательная станция излучает в антенну сотни киловатт.

Вещательные станции работают, как правило, амплитудной модуляцией. А вот станции для связи с кораблями и самолетами очень часто применяют импульсную модуляцию. Длинные и короткие "вспышки" излучения станции складываются в "морзянку" - сигналы азбуки Морзе, которую знает каждый телеграфист. В "телеграфном" режиме связь на дальних расстояниях получается гораздо устойчивее, потому что помехам куда труднее забить писк "морзянки", чем человеческий голос: "морзянку" сразу отличишь от треска помех, а голос очень легко становится неразборчивым.

Антенны передатчиков
Антенны передатчиков совсем не так просты, как антенны приемников. Ведь они должны хорошо излучать ту энергию, которую им предоставляет передатчик. Мало толку, если передатчик развивает мощность 100 Вт, а с антенны уходит всего 10 Вт и вся остальная энергия бесполезно превращается в тепло. Поэтому передающие антенны тщательно рассчитывают, и для разных диапазонов они оказываются разными по конструкции.

Антенна ДВ и СДВ - это несколько мачт высотой 100-150 м, между которыми подвешены излучающие радиоволны провода. Мачты отстоят друг от друга на 100-120 м, так что антенна занимает несколько десятков гектаров. А под антенной закопаны в землю провода заземления (их называют противовесом). К антенне и заземлению подключают передатчик.

Антенны такого же- типа, но поменьше размером строят и для вещательных станций, работающих в диапазоне 750-2000 м.

Для станций диапазона 200-600 м в качестве антенны используют высокую вертикальную мачту.

Антенны KB диапазона подвешивают на мачтах высотой 20-50 м. Если расположить друг за другом несколько таких антенн и питать их от одного передатчика, они будут излучать волны только в одном направлении - по оси ряда - и станут единой направленной антенной. Есть направленные антенны, напоминающие ромб, подвешенный на мачтах. Они так и называются - ромбические. У них важная особенность: они отлично излучают на многих частотах, а не на одной-единственной частоте, как другие KB антенны.

На УКВ разнообразие антенн громадно: и диск с конусом под ним; и металлическая чаша-отражатель с антенной внутри нее; и диэлектрический стержень; и ряд щелей, прорезанных в металлической трубе -волноводе (на УКВ энергию к антенне подают не проводом, а, словно воду, по металлическим трубам -круглым или квадратным); и рупорная; и свернутая в спираль; и насаженные на палку куски трубок, направляющие энергию в заданном направлении от антенны. А ведь это лишь малая часть существующих типов антенн!

Телевидение-картинка, которую делают электроны

На многих станциях московского метро вы можете увидеть мозаику - картины, созданные художниками из разноцветных камешков. В телевидении картинка на экране телевизора сделана тоже по принципу мозаики, только не из камешков, а из черных и белых точек. В цветном телевидении точки цветные, а все остальное то же самое.

Экран, луч, трубка
"Все остальное" - это экран, луч и трубка.

Картинка, как вы знаете, возникает на экране, который довольно ярко светится (рис. 34). Но почему светится экран? Потому что на него изнутри нанесено вещество - люминофор, которое ярко вспыхивает, когда в него ударяется поток электронов -электронный луч. Луч возникает из электронов, выброшенных катодом, таким же, как катод электронной лампы, только немного другой формы. Катушка фокусировки, по которой течет постоянный ток, сжимает своим магнитным полем поток электронов в тонкий, как игла, луч, и под действием высокого напряжения, (10-15 кВ) они летят к экрану. В телевизоре очень высокое напряжение - вот почему ни в коем случае нельзя менять лампы, когда телевизор включен! Вас может сильно ударить и даже убить током. Экран и катод спрятаны в стеклянную колбу - электроннолучевую трубку. Из нее выкачан воздух.

В последнее время в телевизорах чаще стоят трубки, на которых вы не увидите катушки фокусиров-ки. Электроны сжимаются в луч в них по-другому: с помощью электрической линзы, которая действует на электроны так же, как стеклянная линза на лучи света.

Но как же электронный луч ухитряется не бить в одну точку, а "освещать" весь экран? Для этого на горло трубки надеты катушки отклонения: катушки кадров и строк. По ним проходит ток, и магнитное поле катушек отклоняет луч. Ведь провод с током (т. е. провод, по которому текут электроны) в магнитном поле начинает сам собой двигаться. Стало быть, и электронный луч обязан двигаться в магнитном поле: ведь он подчиняется тем же законам физики. Вот магнитное поле катушек и направляет его сначала в левый верхний угол экрана, а оттуда он начинает чертить строчки слева направо (этим заведуют строчные катушки), постепенно спускаясь после каждой строчки вниз (это заслуга кадровых катушек). Когда строчки - а их 625 - займут весь экран сверху донизу, луч рывком возвращается на свою "стартовую позицию" и начинает путешествие снова. Все это происходит чрезвычайно быстро: луч обходит весь экран и возвращается 50 раз в секунду. Генераторы строк и кадров создают в катушках ток особой пилообразной формы (рис. 31).

Трубка похожа на триод: у нее есть катод, анод и даже сетка, которая регулирует мощность электронного луча. Чем больше электронов в луче, тем сильнее светится экран. Когда на сетку поступает переменное напряжение, экран светится в одних местах сильнее, в других слабее, и вы видите изображение.

Ряс. 31. Ток, создаваемый генераторами кадров и строк.

А знаете ли вы, когда была изобретена электроннолучевая трубка? В 1897 г., через два года после изобретения радио!

Сигналы, управляющие яркостью, поступают с телецентра. Поэтому мы сейчас ненадолго заглянем на телестудию, а потом снова вернемся к телевизору.

Вот оператор нацелился объективом телекамеры на диктора за столом. Вся сцена залита ярким светом прожекторов. Оператор рукоятками заставляет камеру подниматься и опускаться, перемещаться в стороны: он ищет удобную точку съемки, чтобы кадр на экране был красивым и выразительным (рис. 32). Телекамера по принципу работы несколько похожа на фотоаппарат, только вместо фотопластинки в ней передающая телевизионная трубка. Трубки бывают разные, большие и маленькие, у самых маленьких диаметр 25 мм, а длина всего 150 мм. И хотя такая трубка гораздо меньше по размерам, чем трубка в телевизоре, она устроена примерно так же. В ней есть экран, по которому бегает электронный луч, катод, испускающий электроны, катушки отклонения. Только сетки нет: ведь луч не рисует картинку, а, наоборот, "снимает" ее с экрана, куда она попадает через объектив камеры, и превращает ее в электрический сигнал.

Вот как это происходит (рис. 33). Луч бегает по обращенной к нему части экрана, сделанной из металла селена, - мишени. Передняя часть экрана, обращенная к объективу, сделана из тончайшей металлической пленки, сквозь которую свободно проходит свет. Итак, сцена, разыгрывающаяся перед объективом камеры, оказалась спроецированной на мишень, словно на фотопластинку. Как и любая фотография, это изображение состоит из светлых и темных пятен. А селен в темноте очень плохо проводит ток, на свету во много раз лучше. Из-за этого в светлых местах картинки через мишень, металлическую пленку и сопротивление R течет ток луча большой силы, а в темных - малой силы. И на сопротивлении напряжение оказывается тоже то большим, то маленьким. Это напряжение подают на усилитель, потом на передатчик; радиоволны приносят радиосигнал, соответствующий напряжению, к антенне телевизора, в нем сигнал снова превращается в напряжение, попадает на сетку электроннолучевой трубки, и вы видите на ее экране то же самое, что в это мгновение {именно в это мгновение!) видит оператор телекамеры.

Рис. 32. Рабочий момент в телестудии.

Рис. 33. Схема передающей телевизионной трубки.

Здесь описана - да и то очень упрощенно - работа передающей трубки - видикона. Есть и другие трубки: иконоскоп (она была изобретена раньше всех), ортикон, суперортикон и др. Самая чувствительная к свету - суперортикон. С ней можно вести передачу даже при свете звезд! А обычным телекамерам подавай залитую светом студию.

Но вернемся к телевизору. Ведь он должен заставить луч не только бегать по экрану, но бегать строго согласованно с лучом в передающей камере -синхронно. Иначе картинка окажется разрезанной пополам или вообще на экране ничего не будет, одни хаотически мечущиеся строчки.

Для такого согласования в сигнал, управляющий яркостью, подмешивается другой сигнал, управляющий началом каждой строки (сигнал синхронизации строк), и еще один сигнал, обозначающий момент, когда лучу нужно вернуться на "стартовую позицию" (сигнал синхронизации кадров) (рис. 35). Особые лампы или транзисторы отделяют эти сигналы от сигнала яркости и отправляют каждый по своему адресу: к генераторам строк и кадров. Вот теперь луч в трубке телевизора будет бегать по экрану строго согласованно с движением луча в телекамере.

Цветной телевизор
Цветной телевизор куда сложнее обыкновенного. Главным образом из-за трубки: ведь она состоит как бы из трех трубок, соединенных воедино!

Любой цвет, в том числе и белый, можно получить, смешивая три основных: синий, зеленый и красный. Поэтому экран цветных трубок - это более миллиона точек, светящихся этими основными цветами. Они равномерно рассеяны по экрану - в этом одна из главных трудностей изготовления трубки. По каждой группе точек бегает "свой" электронный луч (этого тоже совсем не просто добиться!), они светятся с разной силой, и, так как вы смотрите телевизор издали, каждые три точки сливаются для вас в одну, а вся картинка оказывается цветной.

В последнее время придуманы новые, более простые и потому дешевые трубки. Так что в будущем цветные телевизоры будут так же доступны, как и черно-белые.

Телевизионные антенны
Чтобы телевизор хорошо работал, ему нужна хорошая антенна. Это значит, что, во-первых, она должна быть настроена на тот телевизионный канал, который собираются принимать (существуют антенны, способные принимать сразу несколько телевизионных каналов, но они также должны быть тщательно рассчитаны и настроены). Во-вторых, она должна быть поднята повыше над крышей дома, а в-третьих, соединить ее с телевизором должен особый коаксиальный кабель (рис. 36), похожий на тот, который используется для многоканальной связи.

Передающие телеантенны поднимают как можно выше, строят для них колоссальные башни, такие, как Останкинская в Москве, высотой более 500 м. Ведь УКВ, на которых ведется передача телевидения, можно принимать, как вы помните, лишь пока выпуклость Земли не сделает передающую антенну невидимой.

Сейчас почти во всех городах, где есть телецентр, над большими домами стоят коллективные антенны. От одной такой антенны работают все телевизоры дома или одного подъезда. Это лучше, чем лес антенн на крышах.

Рис. 34. Схема приемной телевизионной трубки.

Рис. 35. Сигналы синхронизации управляют током в катушках отклонения.

Рис. 36. Коаксиальный кабель.

Чтобы передавать изображение в другие города или даже на другие континенты, сейчас используют кабельные и радиорелейные линии, а также спутники связи. В нашей стране в 1965 г. построена система "Орбита": в нее входят наземные приемные станции и запущенные в космос спутники "Молния". Каждый спутник - это маленькая приемно-передающая станция. Она не очень мощная, и поэтому принимать ее передачу прямо на телевизор нельзя. Для этого служат наземные станции: они принимают сигнал своими огромными антеннами и очень чувствительными приемниками, усиливают его, подают на телецентр, а уж оттуда житель Владивостока принимает телепередачу из Москвы.

Промышленное и космическое телевидение А бывает еще и промышленное телевидение, передающееся не радиоволнами, а по проводам, - замкнутое. Оно используется в промышленности: диспетчер, управляющий шахтой, наблюдает, как идет работа; главный инженер завода с помощью телевизора может побывать в любом цехе, не выходя из кабинета; дежурный по станции видит, где и сколько вагонов стоит на путях. По замкнутому цветному телевидению студенты наблюдают за операцией, которую делает знаменитый хирург: ведь всем в операционную войти нельзя. Работники дорожной службы следят по телевидению за перекрестками, где часто бывают заторы, и в нужную минуту отключают автомат, регулирующий огни светофора, и берут управление на себя.

Есть и еще один вид телевидения: космическое. Мы видим космонавтов, работающих в своих кораблях; лунную поверхность; на Землю приходят фотографии поверхности загадочного Марса... Все это возможно только благодаря телевидению.

Радиолокация: электромагнитные волны, делающие видимым невидимое

Бели крикнуть перед стеной леса, звук вернется назад и вы услышите эхо. Звук отразился от деревьев. А радиоволны отражаются от любого предмета, оказавшегося на их пути. Радиолокатор посылает в пространство короткий всплеск радиоволн, а потом (той же антенной!) слушает: не вернется ли эхо? Если вернется,- значит, там, в том направлении есть какой-то предмет: может, самолет, ракета, а может быть, просто стая гусей. И ни ночь, ни туман, ни облака не помеха для всевидящего глаза радиолокатора. С его помощью летчик видит грозы, бушующие за сотни километров от самолета: молнии прекрасно отражают радиоволны. А раз видит - благополучно обходит их. Радиолокатор показывает пилоту и землю, закрытую сплошной пеленой облаков. Метеорологи с помощью радара (так иногда называют локатор) наблюдают облака, определяют, сколько выпало дождя. Капитаны морских кораблей спокойно ведут свои суда по узкому, извилистому фарватеру ночью в тумане: локатор точно показывает, где находится сейчас корабль. Придет время - и локаторы появятся на автомобилях и будут останавливать машину, если шофер не заметит препятствия на дороге. Созданы очень маленькие и легкие локаторы для слепых: они гораздо удобнее палки. Словом, радиолокация проникает буквально всюду и с каждым днем на пользу людям завоевывает все новые позиции.

Рис. 37. Радиолокатор определяет координаты цели.

Рис. 38. Современные антенны наземных радиолокаторов.

Рис. 39. Радиолуч локатора кругового обзора.

Рис. 40. Изображение на индикаторе кругового обзора.

Локатор должен ответить, в каком направлении (по какому азимуту), как высоко над землей и далеко (или, что то же самое, каковы угол места и дальность) находится, скажем, самолет, иными словами - должен указать координаты цели (рис. 37).

Для этого ему прежде всего нужна направленная антенна, которая бы посылала радиоволны тонким, словно игла, лучом. Как говорят радисты, у такого локатора игольчатая (или карандашная) диаграмма направленности. Антенна, создающая такую диаграмму направленности, похожа на автомобильную фару, только громадных размеров. Да еще зеркало этой "фары" не блестящее, а из простой крашеной сетки. Антенна поворачивается по кругу и может поднимать свою чашу и опускать, так что луч-иглу легко направить в любую точку небосвода. Понятно, что, когда "игла" упрется своим острием в самолет, очень легко измерить угол места и азимут, тем более что у оператора перед глазами шкалы указателей -индикаторов.

А как определить дальность? Дальность зависит от того, как долго будет путешествовать всплеск радиоволн - импульс - до цели и обратно, как скоро локатор услышит эхо.

Скорость радиоволн в воздухе известна: практически 300 000 км/с. Значит, нужно разделить время путешествия импульса пополам (ведь он прошел дорогу туда и обратно), а потом умножить на 300 000 км/с - и готова дальность. Но как измерить время? Ведь скорость радиоволны так громадна, что, даже если самолет находится на расстоянии 1000 км, импульс пропутешествует до него и назад за 6 с небольшим тысячных секунды. А если расстояния маленькие - так за десятитысячные и стотысячные. К тому же нужно помнить, что измерить расстояние надо с точностью до нескольких метров. Это уже заставляет считать время в десятимиллионных и стомиллионных долях секунды! Где- взять такой секундомер? Кто будет запускать его. и останавливать?

Ученые придумали такой секундомер, а вернее сказать, микросекундомер (т. е. измеряющий миллионные доли секунды - микросекунды). Они взяли телевизионную трубку и заставили луч чертить одну-единственную строчку, причем так, чтобы в дорогу он отправился в тот момент, когда импульс радиоволн уходит с антенны в свою разведку. Тотчас же запускается генератор, вырабатывающий особые сигналы - "метки" с частотой 1 МГц, т. е. миллион меток в секунду. Значит, время между двумя метками будет равно 1 мкс (микросекунде). Эти метки поступают на сетку трубки, и строчка оказывается испещрена светлыми точками - сигналами времени. Между точками - 1 мкс, за это время волна проходит 300 м. А поскольку ей приходится преодолевать двойной путь, до цели и обратно, то расстояние между точками соответствует 150 м дальности. Вернувшееся эхо поступает на катушки отклонения, так что в этот момент электронный луч, двигающийся горизонтально, совершает скачок по вертикали: на экране появляется зазубринка. Против какой точки она находится - такова и дальность. Если волна путешествует долго и точек так много, что считать их утомительно, их считают электронные счетчики, которые прямо цифрами показывают дальность.

У самолетного локатора антенна другая. Она создает радиоволну в виде тонкого и широкого ножа (рис. 39). Этот "нож" вращается вместе с антенной по кругу, и станция "видит" все, что делается под самолетом. Поэтому и экран у самолетного локатора выглядит по-иному: луч на нем ходит от центра к краю и вслед за антенной поворачивается по кругу. Отраженные же волны, пойманные локатором, уже не появляются в виде зазубринок, а, словно в телевизоре, изменяют яркость луча. Река плохо отражает радиоволны - и на экране локатора она выходит темной. Леса выглядят светлыми пятнами, а железные крыши домов ярко светятся. Летчики читают такую радиолокационную карту так же легко, как обычную топографическую, хотя -неопытному человеку она покажется хаотическим нагромождение" светлых и темных пятен.

Такой локатор называется станцией кругового обзора. Он чаще всего стоит на кораблях и самолетах, хотя используется и на суше,- скажем, для осмотра неба вокруг аэродрома (рис. 40).

Вражеские ракеты нужно обнаруживать как можно раньше, на большом расстоянии: ведь они летят со скоростью около 8 км/с. Дальность же действия локатора зависит от размеров антенны и мощности передатчика. Вот почему станции дальнего обнаружения отличаются громадными антеннами, высотой с 8-этажный дом, и передатчиками гигантской мощности. До нескольких десятков мегаватт посылают они в пространство - это мощность электростанции крупного города!

Но все эти локаторы активные, т. е. их передатчик посылает радиоволны и сам же локатор отраженные волны принимает. По есть и другие локаторы - пассивные, т. е. такие, у которых нет собственного передатчика.

Передатчик стоит где-нибудь на ракете, или на спутнике, или на космической станции. Он посылает непрерывно сигналы, словно обыкновенная радиостанция, а локатор на Земле измеряет его координаты, причем гораздо точнее, чем активный локатор. Пассивный локатор - это своеобразный измерительный прибор, правда, фантастически сложный, но все же прибор. О его возможностях говорят такие цифры: он может определить положение космической станции на расстоянии 400 млн. км с ошибкой не более одной миллионной, т. е. не более 400 км!

Есть пассивные локаторы, которым передатчик совсем не нужен. Ведь все предметы испускают радиоволны: в любом веществе атомы и молекулы непрерывно колеблются, не сдвигаясь с места. Эти колебания порождают радиоволны. А так как колебания возникают потому, что предметы более или менее нагреты, локатор, улавливающий колебания атомов, называют тепловым. Во время лесного пожара клубы дыма застилают воздух и не видно, где главные очаги огня и куда нужно сбрасывать пожарных. Тепловой локатор видит огонь сквозь дым так же хорошо, как обычный локатор - самолет или танк. Подводная лодка ушла на глубину, опущен перископ, и ничто не выдает ее движения. Но струя, отбрасываемая винтами, чуть-чуть теплее окружающей воды. Чуть-чуть, едва заметно, но достаточно, чтобы ее обнаружил бдительный теплолокатор. А вот геологи считают, что тепловой локатор - незаменимое средство для поисков новых месторождений полезных ископаемых прямо с воздуха. Разные породы по-разному проводят тепло, по-разному излучают тепловые радиоволны.

У радиолокации множество профессий, и рассказано здесь лишь о немногих.

Радиоастрономия: гиганты исследуют гигантов

Знаете ли вы, что Солнце, как и другие звезды,-радиостанция? Впрочем, в этом нет ничего удивительного. Если уж куда менее нагретые предметы испускают радиоволны, принимаемые радиолокаторами, то Солнце должно быть крайне мощным "передатчиком". Так оно и есть.

Правда, очень долго приемники локаторов были такими малочувствительными, что не могли принять даже радиосигналов Солнца. Лишь в 1944 г. впервые удалось это сделать. Появилась новая отрасль науки - радиоастрономия.

Астрономы сразу заинтересовались новой возможностью исследовать небесные тела в диапазоне волн от метров до сантиметров.

У радиоастрономов, как у обычных астрономов, есть свои приборы для исследования глубин Вселенной - радиотелескопы. Первое, что бросается в глаза, когда вы подходите к радиотелескопу,- это антенна. По конструкции антенны радиотелескопов бывают самые разнообразные, но общее у них есть - грандиозность. Сооружение массой 1,6-2 тыс. т и высотой с 25-этажный дом чересчур большим не считается. Антенну радиотелескопа в Аре-сибо (Пуэрто-Рико) построили в горной котловине диаметром более 300 м, потому что установить зеркало диаметром 300 м на равнине оказалось не под силу современной технике. И вот в котловине натянули сетку в виде огромной чаши, а над ней на тросах подвесили приемную головку. Антенна же советского радиотелескопа, расположенного около Харькова, занимает пространство в несколько квадратных километров. Несколько тысяч маленьких антенн, похожих на телевизионные, расположились длинными рядами, и каждая подключена к "своему" приемнику.

Рис. 41. Антенны радиотелескопа, установленного около Харькова.

Наконец, в последнее время созданы радиотелескопы с антеннами размером... с Землю! Это не значит, что они действительно равны по диаметру нашей планете. Речь идет об электрическом размере. Дело в том, что, если взять две антенны и поставить их в километре одна от другой, а потом принимать их сигналы на два приемника, окажется, что эта система из антенн и приемников работает так, как работала бы одна антенна длиной 1 км. И вот две антенны поставили не в километре, а в точках, удаленных одна от другой на 7000 км. И радиотелескоп стал видеть звезды, отстоящие друг от друга всего на 0,0015". Это равносильно тому, что с расстояния 2000 км, например, удалось бы различить глаза у мухи! Такое не под силу ни одному оптическому телескопу.

Радиотелескоп замечает в сотни раз более слабые звезды, чем те, которые еще можно запечатлеть на самых чувствительных фотопластинках, заменяющих астрономам в их охоте за звездами человеческий глаз.

Иногда радиотелескопы превращаются в радиолокаторы, и тогда астрономы измеряют расстояния до планет с неслыханной точностью. Так были измерены расстояния до Луны и Венеры, а по виду возвратившегося с Венеры сигнала удалось определить скорость ее вращения вокруг оси. С помощью радиотелескопа-локатора в Аресибо составили карту Венеры.

Но вот одно из самых удивительных достижений радиоастрономии - это работы советских ученых по изучению строения Луны. Подумайте только: радиоволнами изучают геологическое строение планеты! О таком даже не мечталось. Радиоастрономы выяснили, что никакого толстого слоя "лунной пыли" на Луне нет, задолго до того, как туда опустилась первая исследовательская станция "Луна-9".

Радиоуправление: радиоволны ведут ракету

Автомобилем управляет шофер, самолетом - летчик. А кто управляет ракетой? Ты скажешь: космонавт. Действительно, космонавт управляет космическим кораблем. Но полетом ракеты-носителя, когда она выносит корабль на орбиту, руководят с Земли.

Точно так же, как управляют с Земли полетом противосамолетных и противоракетных ракет, на которых нет пилота. И вообще, управлять ракетой с помощью автоматических устройств с Земли, как ни покажется странным, проще, удобнее, а главное - надежнее.

Есть и самонаводящиеся ракеты. Но мы будем говорить только о ракетах, наводящихся с Земли.

Вот, например, как выглядит одна из установок запуска антиракет (рис. 42). Радиолокатор дальнего обнаружения (кстати, это один из немногих локаторов, у которых передатчик и приемник не только помещаются в разных зданиях, но и работают с разными антеннами) видит ракету на расстоянии около 1600 км. Радиолокатор селекции (выделения) отличает головку с атомным зарядом от ложных головок - "приманок". Локатор слежения вычисляет траекторию полета боевой головки и решает "задачу встречи", т. е. рассчитывает с помощью ЭВМ точку, в которой антиракета должна подорвать головку ракеты, и время запуска антиракеты. Наконец, локатор наведения управляет антиракетой и выводит ее в точку встречи.

Но чтобы командовать полетом ракеты, нужно разговаривать с ней на понятном ей языке.

Рис. 42. Схема противоракетной установки.

Рис. 43. Различные виды импульсной модуляции.

Машине (а ракета - это тоже машина, механизм) не скажешь, как шоферу: "Поверните, пожалуйста, немного вправо!" И даже так нельзя сказать, как капитан рулевому: "Право на борт пять градусов!" Машина таких фраз не понимает. Ей нужно на понятном ей языке сказать точно: "Руль направления +5 градусов". И конечно, нужно заранее условиться, что "+" означает поворот вправо, а "-" - поворот влево, точно так же, как "+" руля высоты будет означать, что ракета поднимается, "-" - что она снижается.

Разведчики, дипломаты и военные пользуются шифрами. Слова донесения или приказа превращают в строчки цифр, и лишь только тот, кто знает шифр, сможет прочитать сообщение. Инженеры, разговаривая с машинами, тоже шифруют свои приказы, превращают их в разнообразные комбинации импульсов, немного напоминающих импульсы, которые излучает радиолокационная станция. Но если все импульсные сигналы локатора похожи друг на друга, то комбинации импульсов, создаваемых для разговора с машиной, различны, как различны слова, которые эти импульсы шифруют. Кстати, командные сигналы, понятные для машины, так и называют "словами". Мы их будем всегда ставить в кавычки.

Рис. 44. Электромагнитные реле.

Предположим, все "слова" состоят из 5 импульсов. Каким образом можно сделать сочетания импульсов разнообразными? Ну, хотя бы изменяя амплитуду (рис. 43) - это будет сигнал амплитудно-импульсно-модулированный (АИМ). Если менять импульсы по ширине - получится широтно-импулъсно-модулированный сигнал (ШИМ). А когда все импульсы равны и по амплитуде, и по ширине, а "слово" от "слова" отличается количеством и положением импульсов, команда передается кодово-импулъсной модуляцией (КИМ), чаще ее называют импулъсно-кодо-вой модуляцией (ИКМ).

Первое, что требуется от команды,- чтобы ее нельзя было перепутать с какой-нибудь другой, а второе - чтобы помехи (разряды молний, всякие шумы и нарочно созданные противником "забивающие" сигналы) не могли исказить код - машинный шифр - и сделать управление невозможным.

Можно создать такой код, который сам будет сигнализировать, если помехам все-таки удалось внести в него ошибку, и, больше того, сам будет подсказывать, как эту ошибку исправить.

Но вот команда добралась до ракеты. Как превратится она из набора импульсов в "нечто", включающее двигатель поворота рулей? Для этого ее направят в расшифровщик импульсов - дешифратор.

У дешифратора есть "память", где сохраняются все до единой команды, которые способна исполнять ракета. Когда поступает команда, принятая приемником, дешифратор сравнивает ее с имеющимися "эталонами". Какой из образцов совпал, ту команду и нужно выполнять. Если команду исказили помехи, дешифратор исправит ее.

Рис. 45. Коммутатор телеметрической системы метеорологической ракеты.

Рис. 46. Искровой самописец. К нему подходит сигнал одного из датчиков.

Ну а если исправление невозможно, он подождет, когда она будет передана еще раз: команды для надежности повторяют несколько раз, так что большинство одинаковых "слов" окажутся неискаженными. И дешифратор поймет какую команду выполнять.

Рис. 47. Схема включения датчика температуры.

Дешифратор превратил команду в напряжение постоянного тока, ток пошел в обмотку реле (см. ст. "Органы чувств" автоматов"), реле сработало - и электродвигатель отклонил руль направления ракеты (рули противосамолетных ракет похожи на рули самолета). Или, если нужно уменьшить скорость, автомат слегка перекроет клапан подачи топлива в двигатель. Или включит еще какой-нибудь исполнительный механизм.

Однако никакое управление невозможно, если оператор не знает, как ведет себя управляемый объект. И здесь на помощь ему приходит телеметрия - измерение на расстоянии.

Человек измеряет температуру термометром. Он смотрит на столбик ртути и читает по шкале, против какого деления остановилась ртуть. Но такой термометр для ракеты или межпланетной станции не годится: нет человека на борту, который мог бы прочитать показания. Поэтому нужно брать особый термометр, сразу превращающий температуру в элект-.рические сигналы, которые можно легко передавать по радио. Этот термометр - датчик температуры (см. ст. "Органы чувств" автоматов").

Датчиков множество, и самых разных конструкций. И хотя устройства эти и не очень заметны, от них зависит многое: одни докладывают о давлении в камерах сгорания двигателей, другие измеряют температуру топлива и окислителя, третьи прослушивают пульс или измеряют кардиограмму космонавта... Простое перечисление обязанностей датчиков заняло бы не одну страницу. Поэтому проследуем дальние по телеметрической системе.

Смотрите, что получается: датчиков много, а радиопередатчик один. Это напоминает собрание, на котором все хотят выступить, а трибуна для выступления одна.

Что делать? И председатель устанавливает очередь: "Говорите по одному!"

На собрании датчиков председательствует коммутатор, похожий на тот, что работает на АТС. Он подключает к передатчику сначала одного "оратора", потом другого, третьего и т. д. А когда все по разу выступят, разрешает говорить снова первому датчику - и так далее по порядку номеров (рис. 45). И хотя "выступление" датчика оказывается после этого разрезанным на кусочки, это никого не печалит. Ведь и по кусочкам информации можно восстановить ход явления. И ученые по отдельным точкам - "докладам" датчика - восстанавливают график изменения пульса человека или давления в двигателе.

Правда, вот беда: от передатчика к приемнику приходит смесь сигналов всех датчиков. Как выделить "голос" каждого датчика?

Для этого существует еще один коммутатор на Земле. Он "разводит" информацию от датчиков по самописцам', каждому свой самописец. А чтобы мы знали, где сигналы первого датчика, где второго, коммутаторы работают строго синхронно. Это значит, что и бортовой и наземный коммутаторы одновременно переключаются с датчика на датчик и начинают "опрос" именно с "оратора" № 1. Для этого в сигнал передатчика подмешивают синхронизирующие импульсы, точно так же, как были они подмешаны в телевизионный сигнал. И теперь уже ошибки не произойдет: на первом самописце идет запись информации именно первого датчика. Но как происходит запись?

Обычно полагают, что информацию записывают чернилами. Чем-то вроде шариковой ручки, которой водит по бумажной ленте металлическая "рука". Но такие самописцы остались лишь для записи сигналов очень низкой частоты, скажем, графиков пульса или кровяного давления. А космические ракеты летят со скоростью 8 км/с и даже быстрее. Только электрической искре угнаться за ними! И действительно, присмотритесь к самописцу на рисунке : тонкие проволочки (их бывают сотни!) нависли над лентой. Искра (рис. 46) соскакивает то с одной, то с другой, и на бумаге остаются черные точки: словно лиса пробежала по свежевыпавшему снегу. Подключенный к выходам коммутатора, такой самописец запишет принимаемую от датчиков информацию строго по своим дорожкам. По этим записям - графику информации - оператор за пультом управления без труда сможет определить, что в данный момент происходит на ракете.

Магнитофон: звук и картинка, записанные на пленку

Идея любого магнитофона крайне проста. Если через электромагнит (обмотку реле с сердечником) пропускать ток, кусок железа, находящийся возле сердечника, намагнитится. Если же этим намагниченным куском железа махать перед сердечником электромагнита, в его обмотке появится ток.

Рис. 48. Головки стирания, записи и воспроизведения: 1 - головка стирания; 2 - головка записи и воспроизведения.

Рис. 49. Схема записи звукового сигнала на пленку.

Миниатюрные электромагниты, стоящие в магнитофоне, называются головками записи, воспроизведения и стирания (рис. 48). Для чего нужны первые две - понятно, а третья подготавливает пленку к записи: стирает предыдущую запись. Вместо куска железа в магнитофоне движется пленка, пластмассовая лента с тонким слоем железного порошка. Пленку тянет электродвигатель, к валу которого ее прижимает ролик. Этот же двигатель вращает и кассеты (впрочем, иногда каждую кассету вращают своим двигателем).

Если теперь подключить через усилитель к головке записи микрофон, получится вот что: звуковые колебания воздуха превратятся в микрофоне в электрический ток, ток пройдет через обмотку головки записи и намагнитит ленту. Чем сильнее звук, тем больше намагнитится лента. А так как она бежит перед головкой, на ней в виде более или менее намагниченных участков остается "память" о звуках, произнесенных перед микрофоном (рис. 49).

Когда же пленка проходит мимо головки воспроизведения, намагниченные участки возбуждают в ее обмотке ток, точно совпадающий по форме с тем током, который намагничивал ленту с помощью головки записи. Этот возбужденный ток пройдет через катушку динамика, заставит колебаться диффузор -и мы услышим звук. Те самые слова, которые вы произносили в микрофон.

Усилитель же нужен вот зачем. Сила тока микрофона очень маленькая. А для работы головки записи нужен ток большей силы. Чтобы записать звук на пленку, ток микрофона усиливают усилителем записи. Точно так же и ток, возбуждаемый в головке воспроизведения, не сможет раскачать динамик. Его усиливают усилителем воспроизведения.

Часто для упрощения магнитофона объединяют оба эти усилителя и обе головки. Тогда при записи эту новую, универсальную головку включают на выход универсального же усилителя, а для воспроизведения, наоборот,- на вход.

Магнитофоны бывают самых разных видов и размеров. Большие, размером с обеденный стол,- на них записывают звук в радиостудиях, и качество записи и воспроизведения получается исключительно высокое. Средних размеров, с небольшой чемодан,- для домашней записи. У этих качество работы похуже. Совсем маленькие магнитофоны, которые помещаются даже в кармане, работают от батарей - это незаменимый спутник журналиста.

В конце 50-х годов были придуманы магнитофоны для записи изображений. Это гораздо более сложные устройства, нежели обычные магнитофоны. Главное - у них более высокая скорость движения пленки (пленка, кстати, в несколько раз шире) и весьма сложно устроенная система головок. Первые видеомагнитофоны занимали несколько шкафов. Теперь же выпускают видеомагнитофоны на полупроводниках для домашней записи прямо с телевизора и совсем миниатюрные репортерские модели. Но стоят такие магнитофоны дороже обычных, на которых записывается звук.

На видеомагнитофон записывают в телестудии многие телепередачи. Это очень удобно. Запись можно сделать в любое время, а воспроизвести - когда это нужно студии: поздно вечером или через неделю. Или вот телепередача через спутник "Молния": когда в Москве вечер, во Владивостоке раннее утро, и никто телевизор, конечно, не смотрит. Все идут на работу. Поэтому передачу запишут во Владивостоке на видеомагнитофон и покажут ее зрителям вечером.

Огромное значение имеет магнитофонная "память" для вычислительных машин. Ведь на пленку (или барабан, покрытый железным порошком, или на вращающийся магнитный диск) можно записать массу сведений. На 1 см² пленки умещается более 16 000 импульсов информации, грубо говоря, на 3 см² можно записать страницу этой книги, а сколько страниц вместит пленка шириной 12 мм и длиной 120 м - это уж вы подсчитайте сами. Магнитные пленки, барабаны и диски становятся настоящими кладовыми всевозможных сведений. Есть проекты, скажем, такого рода: перевести на магнитную "память" большинство книг в библиотеках. Тогда окажутся ненужными гигантские хранилища, а прочитать эту книгу сможет каждый, не выходя из дома: достаточно через сеть электросвязи подключиться к ЭВМ библиотеки и набрать шифр книги, под которым она числится.

Рис. 50. Ртутный выпрямитель в работе.

Рис. 51. Тонкопленочная схема (увеличено более чем в 100 раз).

Промышленная электроника: электроны и ионы за работой

Электросвязисты и радиоинженеры имеют дело с электромагнитными волнами и электрическими колебаниями, специалисты по электронике - с различными свойствами электронов и ионов. Теоретическая электроника изучает поведение этих частиц в вакууме, газах, жидкостях, твердых телах и плазме, а практическая - промышленная - строит всевозможные электронные приборы и применяет их в самых разных областях науки и техники.

История электроники начинается в глубокой древности, когда любознательные греки натирали куском шерсти янтарь (по-гречески - "электрон") и потом наблюдали, как он притягивает кусочки сухих листьев и птичьи перья. Но это были лишь забавы. Серьезные эксперименты с электрическим током начались только в первые годы прошлого века, после изобретения электрического элемента. Вскоре была открыта электрическая дуга (вольтова дуга). В 1850 г. подмечено, что ток может проходить через разреженный газ. Спустя 9 лет открыты катодные лучи, т. е. потоки электронов, летящих в вакууме от холодного катода к аноду, а в 1883 г.- термоэлектронная эмиссия. Это последнее открытие, казалось бы, должно было привести к созданию электронной лампы, но она не была придумана, пока не было изобретено радио, которое дало мощный толчок всевозможным новым идеям в области электроники. Радиотехника взяла на вооружение электронную лампу, электроннолучевую трубку, кристаллический детектор и другие изобретения. Радио вызвало к жизни гигантскую электронную промышленность, и поэтому его с полным основанием можно считать "родителем электроники".

Электроника, родившаяся из радиотехники, стала управлять станками, цехами, заводами, создала электронные вычислительные машины и многое другое. В свою очередь достижения электроники помогали развитию радиотехники. Вот почему об этих "сестрах" нельзя говорить в отдельности: рассказывая о радиотехнике, мы всегда думаем и об электронике, и наоборот.

Однако к середине 30-х годов нашего века электроника начинает заниматься делами, никакого отношения к радио не имеющими. Мощные генераторы высокой частоты принялись сушить дерево, греть стальные детали перед закалкой. В эти годы были созданы первые электронные микроскопы, в которых объект освещали не лучи света, а пучок электронов и увеличенное изображение создавали не стеклянные линзы, а невидимые магнитные и электрические поля. Перед самой Великой Отечественной войной появились первые термоэлектронные генераторы, в которых тепло костра или керосиновой лампы сразу, без всяких промежуточных устройств, превращалось в электричество (см. ст. "План ГОЭЛРО и будущее энергетики"). После изобретения полупроводникового триода возникла обширная область полупроводниковой электроники. В 60-е годы были созданы твердотельные приборы, в которых целые блоки из многих транзисторов, сопротивлений и конденсаторов сделаны из единого куска полупроводника. Особой отраслью электроники стала обработка металлов мощными электронными пучками: резание, сварка и другие процессы. Наконец, квантовая электроника подарила людям усилители - мазеры, без которых немыслима космическая радиосвязь, и генераторы -лазеры - генераторы невообразимо мощных пучков энергии, заставившие вспомнить самые невероятные фантастические романы, вроде "Гиперболоида инженера Гарина" А. Толстого (см. ст. "Новые методы обработки"). Так что теперь уже не радио открывало новые горизонты перед электроникой, а, наоборот, электроника стала открывать новые перспективы и возможности для радиотехники.

Рис. 52. Электронный микроскоп.

Ионы в стеклянной колбе
Очень часто бывает нужен постоянный ток: скажем, для производства алюминия, или чтобы покрывать металл блестящей пленкой никеля и хрома, или для зарядки аккумуляторов. А кругов только переменный ток. И тогда его превращают в постоянный: выпрямляют с помощью вакуумных илиполупроводниковых диодов. А порой, когда нужен ток силой в сотни ампер и напряжением в тысячи вольт, прибегают к услугам ламп, наполненных газом: диодов-газотронов и триодов-тиратронов. Газ (криптон, аргон, гелий, водород) находится в них под небольшим давлением.

Когда напряжение на аноде газотрона положительное, с нагретой нити накала к нему летят электроны. По пути они ударяются в молекулы газа, выбивают из них электроны и превращают молекулы в заряженные частицы - ионы. Таким образом, каждый вылетевший с катода электрон порождает мощный поток выбитых, вторичных электронов, летящих вместе с ним к аноду, и такой же по мощности поток ионов, двигающийся к катоду. Как говорят, в газе происходит электрический разряд. Главное же преимущество газотрона в том, что, хотя сила тока достигает 200 А при напряжении до 70 кВ, он греется гораздо меньше вакуумного диода-кенотрона.

Иногда бывает нужно иметь источник постоянного тока, напряжение которого можно было бы регулировать. В этом случае пользуются тиратронами. У тиратрона есть сетка, и, пока на ней существует отрицательное напряжение, ток через газ не проходит, хотя напряжение на аноде лампы и положительное. Но как только уберем отрицательное напряжение, в тиратроне начнется тот же процесс, что и в газотроне. Так вот, регулируя момент исчезновения запирающего напряжения на сетке, можно регулировать и напряжение постоянного тока, получаемое с тиратронного выпрямителя. Иными словами, в вашем распоряжении окажется источник постоянного тока в несколько десятков ампер, напряжение которого (а оно может достигать 30 кВ) вы сможете плавно регулировать.

Еще более мощны ртутные выпрямители: они дают ток силой в тысячи ампер при напряжении в сотни киловольт! У них нет подогреваемого катода, а вместо него на дно колбы (она может быть и стеклянной и металлической) налито немного ртути. Электрическое поле анода вырывает электроны из жидкого металла, и начинается мощный электрический разряд в парах ртути, которые наполняют колбу : ведь ртуть очень легко испаряется.

Очень важным стало в последние годы применение ртутных выпрямителей на линиях электропередачи (ЛЭП) (см. ст. "Электрический ток"). Линии электропередачи становятся все более высоковольтными, их напряжение вплотную приблизилось к миллиону вольт! А электрикам все мало: чем выше напряжение, тем выгоднее передача энергии. Но поднимать напряжение выше миллиона вольт бессмысленно: воздух не выдерживает и перестает быть изолятором. Если вместо переменного тока пустить по ЛЭП постоянный, напряжение можно увеличить до полутора миллионов вольт. Вот почему все чаще строятся линии постоянного тока по такой схеме: электростанция вырабатывает ток сравнительно низкого напряжения, его поднимают трансформаторами до миллиона (в будущем до полутора миллионов) вольт, потом ртутные выпрямители превращают его в постоянный, далее ток передается по ЛЭП, а затем с помощью ртутных преобразователей превращается снова в переменный. И хотя при таком способе передачи электроэнергии появляются два довольно сложных элемента: выпрямитель и преобразователь,- в целом линия постоянного тока оказывается выгоднее, чем линия переменного тока. -Ведь ее мощность гораздо выше, а потери в линии - меньше.

В последнее время вместо ионных приборов все чаще используют полупроводниковые триоды и управляемые диоды. Хотя каждый полупроводниковый прибор может пропустить ток сравнительно небольшой силы и выдерживает сравнительно небольшое напряжение, из них можно создать мощные и высоковольтные выпрямители. Для этого полупроводники включают параллельно (увеличивается сила проходящего тока) и последовательно (возрастает допустимое напряжение). В результате получаются полупроводниковые выпрямители на ток силой 50 кА и напряжение в сотни киловольт.

Полупроводник, усиливающий свет "С новым усилителем света вы можете видеть почти в полной темноте на расстоянии до 1200 м. Отличное по четкости изображение не хуже, чем на экране телевизора, обеспечивается даже при свете звезд. Усиление яркости достигает 40000. Масса усилителей : для дальности наблюдения 400 м - 2,5 кг, для дальности 1200м - 17кг". Такая заметка появилась в одном журнале и сразу привлекла внимание всех, кому приходится высматривать что-либо в темноте. Шутка ли, видеть ночью, как днем!

Электронные усилители света появились после того, как были изобретены фотосопротивления и люминофоры - вещества, светящиеся, когда по ним проходит ток. Чем больше сила тока, тем ярче они светятся.

Две пластинки - фртосопротивления и люминофора - сложили вместе и прикрыли с обеих сторон тончайшими, пропускающими свет пленками золота. Потом этот слоеный "пирог" вставили в фотоаппарат вместо пластинки и подключили к нему батарею. Пока сопротивления току обеих пластинок равны, напряжение батареи распределяется между ними поровну. Но вот затвор аппарата открыли, и свет упал на пластинку фотосопротивления. Там, где оказались более яркие места картины, открывшейся объективу, сопротивление фотосопротивления уменьшилось. И напряжение, которое до того распределялось поровну между фотосопротивлением и электролюминофором, распределилось иначе: на фотосопротивлении оно стало меньше, на люминофоре - больше. Ну, а коль напряжение на люминофоре в каких-то местах стало больше, он там светится сильнее. И на оборотной стороне непрозрачной пластинки возникло светящееся изображение. Каждый попавший на фотосопротивление фотон превращается в 10 фотонов, ушедших к глазу от люминофора. Изображение становится ярче в 10 раз. Но можно ведь поставить последовательно еще одну такую пластинку, за ней еще, еще... И тогда яркость будет в 100, 1000 или даже 10 000 раз сильнее!

Правда, тот усилитель, о котором шла речь в самом начале, устроен немного сложнее, но светящийся электролюминофор и вещество, чувствительное к свету, есть и в нем.

Микроэлектроника - электроника будущего

В любом радиоаппарате десятки и сотни деталей. Любая из них может выйти из строя: сопротивление - сгореть, конденсатор - пробиться, катушка -оборваться. Может отпаяться вывод сопротивления или конденсатора, любой провод, наконец. Когда "кирпичиков", из которых построен аппарат, много, начинается самое страшное: они то и дело портятся и аппаратура не столько работает, сколько находится в ремонте. А вместе с тем радиостанции и локаторы становятся все сложнее. Количество деталей, например, в радиоаппаратуре бомбардировщика достигло 150 тыс. штук.

Специалисты рассудили так: нужно взять несколько деталей и заставить их работать вместе, точно так же, как берут несколько веревок, когда прочности одной недостаточно. Если какая-то деталь и выйдет из строя, другие возьмут на себя ее нагрузку. И надежность такого "коллектива" деталей становится выше, чем надежность одной. Это называется резервированием. Так, например, на самолетах резервированы все ответственные системы (см. ст. "Машины нашего неба").

Трудность в том, однако, что поставить всюду вместо одной детали хотя бы две - это вдвое увеличить массу, размеры аппаратуры, расход энергии для питания. А в самолете, танке, на корабле и без того тесно. Расчеты же показывают, что второй детали, как правило, недостаточно. Нужна третья, а часто и четвертая. Тут уж совсем получается плохо.

Но со временем научились изготовлять детали гораздо меньших размеров, а вместо ламп почти всюду стоят транзисторы. А благодаря тому что детали уменьшились, стали миниатюрными, "похудели" и радиоприемники, вычислительные машины и т. д. Надежность вычислительных и других машин наряду с этим увеличилась неизмеримо.

И все это результат прихода в радиотехнику тонкопленочных и монолитных схем.

Тонкопленочная схема - это многослойный "пирог" из металлических и полупроводниковых пленок толщиной 0,2-1 мкм. Их напыляют через "маски"- металлические пластинки, в которых электронным лучом заранее вырезаны отверстия нужной формы. Вручную, конечно, изготовлять такие схемы очень трудно. Работа эта поручена автоматам, а управляет автоматами электронная вычислительная машина. В результате в кубике объемом 1 см³ размещается до 200 деталей, включая транзисторы. Но это не предел плотности упаковки (рис. 51).

В монолитных схемах все детали выполнены из одного куска полупроводника, так что в 1 см³ помещается до 1000 деталей. Усилитель мощности в 0,5 Вт (это вдвое выше, чем у "Спидолы"!) занимает объем 20 мм³, а усилитель мощности в несколько сотых ватта оказывается размером со спичечную головку!

Тонкопленочные и монолитные схемы изготовляются на одном основании - вафле, по нескольку сотен штук сразу. Это делает их очень дешевыми: достаточно разрезать вафлю на куски площадью около 2 мм² - и сотни усилителей готовы.

Но ведь можно и не резать вафлю, а объединить все созданные на ней схемы в достаточно сложное устройство! Особенно годится такой принцип при создании вычислительных машин, в которых практически всюду можно применять схемы одного и того же типа. Надежность такой функциональной схемы (на площади 4 X 4 мм в ней 750 транзисторов) оказывается исключительно высокой. Соответственно надежной становится и вычислительная машина.

Впрочем, нет никакого сомнения, что и это не предел плотности упаковки и надежности. Через 5-10 лет мы услышим о новых больших достижениях в этой области.

перейти к началу страницы