Радио и телевидение?.. Это очень просто!

Беседа девятая ЗАМИРАНИЕ И АВТОМАТИЧЕСКАЯ РЕГУЛИРОВКА УСИЛЕНИЯ

Незнайкин. — Твой дядюшка и ты, мой дорогой друг, объяснили мне, как устроены и как работают радиопередатчики и ламповые радиоприемники. А из того, что происходит в пространстве между ними, я знаю лишь, что радиоволны распространяются со скоростью света, т. е. 300000 км/с. Ты не сказал мне, по какому пути они идут. Не проходят ли они через земной шар, что позволяет нам принимать коротковолновые передатчики, расположенные по ту сторону Земли?

Любознайкин. — Нет, Незнайкин. Волны не проходят сквозь землю. Все то, что хотя бы в небольшой степени является проводником электричества — земная кора как раз относится к этому случаю — поглощает волны или в лучшем случае отражает их. Отражение происходит, если волны падают на проводящий слой под относительно небольшим углом.

Характер распространения зависит в основном от частоты передаваемых сигналов. Длинные волны (ДВ) распространяются вдоль поверхности земного шара. Встречая на своем пути проводники, они теряют энергию. Это означает, что дальность действия ДВ передатчиков ограничена.

Н. — В самом деле, я хорошо принимаю ДВ передатчики из соседних стран, например из Люксембурга или Лондона, но мне никогда не удавалось принять станции из более удаленных городов. Вместе с тем я принимаю средние волны (СВ) на значительно больших расстояниях, особенно с наступлением ночи. Что же касается коротких волн (КВ), то они приходят ко мне со всего света. Я предполагаю, что у них траектория более гибкая, чем у ДВ, что легко позволяет нм обогнуть, половину земного шара.

Л. — Твое предположение неправильное. Чем короче волны, тем более прямолинейно они распространяются. Вспомни, Незнайкин, о распространении таких сверхультракоротких волн, как световые. Можно ли себе представить что-нибудь более прямое, чем луч света?

Н. — Тогда я совершенно не понимаю, как, несмотря на кривизну земной поверхности, нам удастся принимать КВ, приходящие даже с другой стороны Земли. Если эти волны действительно распространяются по прямой линии, они должны затеряться во внеземном пространстве.

Л. — Действительно, имеются волны, проникающие в космическое пространство. Именно с их помощью устанавливают связь с космонавтами, которые летят в своих кораблях, прогуливаются по Луне или по более далекой планете.

Вернемся, однако, на Землю, как это делают и радиоволны. А они это делают, потому что на высотах от 100 до 125 км они отражаются проводящим электричество слоем атмосферы. Это слой ионосферы, состоящей из воздуха, ионизированного воздействием ультрафиолетовых лучей солнца. А ты знаешь, что ионизация делает вещество проводником.

Н. — Следовательно, после отражения в ионосфере средние и короткие волны вновь падают на Землю. Однако теперь я не понимаю, как можно установить космическую связь, о которой ты только что упомянул.

Л. — Все зависит от угла, под которым волны входят в ионосферу. Если он превышает некоторую величину, волны проникают в ионосферу, проходят сквозь нее и затем свободно распространяются в космическом пространстве. И наоборот) если угол меньше некоторой предельной величины, волна под этим же углом отражается к Земле.

Н. — И она поглощается поверхностью земного шара?

Л. — Не обязательно. В зависимости от угла между волнами и земной поверхностью последняя также способна отражать волны. Таким образом, волны могут совершать несколько путешествий туда и обратно между ионосферой и Землей, что позволяет им пройти очень далеко и даже обогнуть весь наш земной шар.

Н. — Теперь я понимаю, как принимают передачи очень далеких станций. Однако громкость звучания таких передач временами изменяется. Не является ли это результатом того, что волны не всегда хорошо отражаются ионосферой?

Л. — Эти изменения громкости называются «фединг», что означает замирание. А вызывается это явление тем, что одновременно принимаются волны, излучаемые одним и тем же передатчиком, но доходящие до приемника по различным путям.

Примером может служить случай приема прямой и отраженной волн, что часто случается при приеме СВ. Эти волны способны огибать часть поверхности земного шара, если передатчик имеет достаточно большую мощность. На некотором расстоянии принимают одновременно прямую волну и волну, отраженную ионосферой. Пройденное ими расстояние неодинаково; отраженная волна проделала путь значительно больший, чем прямая (рис. 111).

Рис. 111. Волна передатчика А доходит до приемника Б двумя разными путями: прямо и после отражения в верхних слоях атмосферы от ионизированного слоя воздуха.

Н. — Прости, что перебиваю тебя, но мне кажется, что теперь я понимаю причины замирания. Когда волны приходят на приемную антенну в фазе, все идет хорошо. Наводимые ими токи складываются, и прием происходит хорошо. Однако, если отраженная и прямая волны оказываются не в фазе, наводимые в антенне токи мешают друг другу. А если волны находятся явно в противофазе, токи взаимно уничтожаются. Не в этом ли кроется причина замирания?

Л. — Ты превосходно уяснил эту причину.

Н. — Однако не вижу, как происходит замирание на КВ, излучаемых очень далекими передатчиками. Ты сказал, что эти волны не способны огибать поверхность земного шара. В этом случае мы принимаем только отраженные волны. И я напрасно ломал себе голову — я не вижу, что здесь может вызывать замирание.

Л. — Причина кроется в одновременном приеме волн, которые отразились между ионосферой и Землей разнос количество раз (рис. 112).

Рис. 112. Одновременный прием двух волн, исходящих из одного передатчика, но отраженных неодинаковое количество раз в ионосфере (здесь 1 и 2 раза).

Н. — Понял, но как объяснить характеризующие замирание изменения? Разве длина пути, проходимого отраженными волнами, изменяется?

Л. — И еще как! Не нужно думать, что ионосфера похожа на твердое зеркало. Она колеблется, ее высота изменяется в зависимости от направления солнечных лучей, а ее поверхность далеко не однородна. Вот почему сдвиг по фазе принимаемых одновременно волн тоже быстро или медленно изменяется.

Н. — У меня возник вопрос, нельзя ли во избежание неприятного явления замирания воспользоваться направленным приемом?

Л. — Это, несомненно, возможно. И для установления постоянной связи между двумя точками на земном шаре применяют направленные антенны как при передаче, так и при приеме. Однако в радиовещании такой способ рекомендовать нельзя. Для того чтобы радиостанцию могли принимать повсюду, передающая антенна не должна посылать свои волны только в одном направлении. А приемник для легкой перестройки с одной станции на другую тоже не может оснащаться антенной направленного действия.

Н. — Иначе говоря, мы должны терпеть замирания, так как воспрепятствовать им не можем?

Л. — Успокойся, Незнайкин. Все приемники оснащены антифединговым устройством, которое называется также автоматической регулировкой усиления (АРУ). Это устройство позволяет избежать воздействия замирания на громкость звучания громкоговорителя. АРУ изменяет чувствительность приемника, уменьшая ее при увеличении мощности принимаемых волн и повышая, когда замирание ослабляет принимаемые волны.

Н. — Как я понял, это устройство воздействует на лампы в УВЧ и УПЧ, от которых зависит чувствительность приемника? И если это так, то воздействует ли оно на характеристики ламп?

Л. — На оба твои вопроса я отвечаю утвердительно. Да, устройство воздействует на усиление этих ламп. Величина же усиления в основном зависит от крутизны. Поэтому для достижения поставленной цели применяют лампы с переменной крутизной.

Н. — Как же можно изменять крутизну? Ведь ты объяснил мне, что на сетки ламп подается такое смещение, чтобы рабочая точка лампы находилась на прямолинейном участке кривой, характеризующей изменение анодного тока в зависимости от потенциала сетки. А я знаю, что, если рабочая точка расположена на нижнем изгибе характеристики, лампа совершенно не усиливает, а детектирует.

Л. — Все это, мой дорогой друг, правильно, когда мы имеем дело с лампами, обладающими прямолинейной характеристикой, о чем ты только что сказал. А для обеспечения АРУ используют лампы с переменной крутизной. Кривая… есть кривая.

Как ты видишь, по мере того как отрицательный потенциал рабочей точки становится меньше, крутизна повышается. В точке В она выше, чем в точке А (рис. 113). Кривизна характеристики, однако, очень плавная, в результате чего небольшой участок этой кривой практически не отличается от отрезка прямой линии. Следовательно, колебания с малой амплитудой напряжения U_c не способны вызвать искажений анодного тока.

Рис. 113. Характеристика с переменной крутизной позволяет при разных амплитудах напряжения на сетке получить одинаковые амплитуды анодного тока. Для этого перемещают рабочую точку, изменяя потенциал сетки.

Н. — Так вот в чем дело! Благодаря рисунку, который ты мне показал, я понял, что происходит. В точке А с малой крутизной ты прилагаешь напряжение с большей амплитудой, чем в точке В, где крутизна выше. И оба напряжения на сетке порождают колебания анодного тока с одинаковыми амплитудами. Я предполагаю, что проблема решается путем перемещения рабочей точки в зависимости от амплитуды колебаний, поступающих на вход приемника. Чем слабее эти колебания, тем сильнее они сдвигают рабочую точку вправо, чтобы более высокая крутизна обеспечила лучшее усиление.

Л. — Именно это происходит в лампах с переменной крутизной.

Н. — Подведем итоги: чем мощнее принимаемые волны, тем большее отрицательное напряжение нужно подать на сетку ламп УВЧ и УПЧ. Как это осуществляется системой АРУ?

Л. — Очень просто. Для этого используют напряжение, полученное после диода детектора. Это напряжение пропорционально амплитуде колебаний, принимаемых антенной. Напряжение АРУ, подаваемое на сетки предшествующих детектору ламп, снимается с резистора R, по которому протекает продетектированный ток (рис. 114).

Рис. 114. Напряжение АРУ, снимаемое с резистора R₁ нагрузки детектора, после прохождения через фильтр R₁С₁ подается на сетки обеих ламп УВЧ.

Н. — Но, мой дорогой Любознайкин, то, что ты делаешь, просто безумие! В точке А мы имеем продетектированное напряжение, т. е. напряжение НЧ. Ты же не станешь устраивать своеобразную обратную связь, я бы даже сказал отрицательную обратную связь, прилагая напряжения НЧ к сеткам ламп, стоящим перед детектором.

Л. — Успокойся Незнайкин. К названным тобою сеткам это напряжение НЧ непосредственно не прикладывается. На своем пути оно проходит через резистор с высоким сопротивлением, который препятствует прохождению быстро изменяющихся напряжении. А те из них, которым все же удается пройти через резистор, конденсатором С₁ с большой емкостью возвращаются на катод диода — детектора.

Н. — Цепочка R₁С₁ сейчас напоминает мне звено сглаживающего фильтра. Теперь-то я понимаю, что на сетки ламп с переменной крутизной подаются не напряжения НЧ, а только отрицательные потенциалы, изменяющиеся в зависимости от наведенного в антенне сигнала. Чем мощнее принимаемые волны, тем больше становится отрицательное напряжение, подаваемое на сетки ламп с переменной крутизной, что снижает чувствительность приемника. Так, несмотря на замирание, громкость звучания может удерживаться на одном уровне.

Л. — Я вижу, что ты хорошо понял принцип действия системы АРУ. Мне остается лишь добавить, что часто используют лампу, содержащую два диода с общим катодом. Один из диодов служит для детектирования сигнала, т. е. выделения колебаний НЧ, другой — детектирует колебания для создания напряжения АРУ, которое подается на сетки ламп УВЧ и УПЧ (рис. 115). Такое разделение функций позволяет создать задержанную АРУ, регулирующее действие которой начинается только после того, как мощность принимаемых волн превысит некоторую величину. Если мощность меньше этой величины, снижения чувствительности приемника не происходит. В отсутствие напряжения АРУ приемник работает с максимальной чувствительностью.

Рис. 115. Использование двойного диода позволяет разделить функции детектора и автоматической регулировки усиления и сделать последнюю задержанной, что повышает чувствительность преемника.

Задержанная АРУ осуществляется путем подачи отрицательного напряжения на анод диода, служащего для создания напряжения АРУ. Причем АРУ начинает действовать тогда, когда подаваемые на этот диод колебания по своей амплитуде превосходят отрицательное напряжение на аноде.

Н. — Ты очень понятно объяснил мне действие системы АРУ, поддерживающей постоянной громкость звучания приемника несмотря на воздействия изменений мощности электромагнитных волн. Могу ли я теперь спросить тебя, каким образом регулируют громкость звука, чтобы не досаждать соседям?

Л. — Эта регулировка осуществляется после детектирования с помощью потенциометра, позволяющего передавать на следующий каскад УНЧ большую или меньшую часть получаемого напряжения.

На схеме, которую я нарисовал тебе для объяснения задержанной АРУ, ты видишь такой потенциометр R, включенный в цепь детектора. Его также можно установить между первым и вторым каскадами УНЧ (рис. 116).

Рис. 116. Потенциометр R позволяет регулировать громкость звука приемника.