Валерий Родиков - Приключения радиолуча

Но диод не мог усиливать возбуждаемых радиоволнами в антенне приемника высокочастотных электрических токов. Он мог их лишь выпрямлять: пропускать ток только в одном направлении, когда на аноде напряжение станет «положительнее», чем на катоде. Если мы представим себе высокочастотные колебания электрического тока в виде синусоиды, то диод пропустит только верхнюю ее часть и отсечет нижнюю.

Такое преобразование сигнала называется нелинейным. Вообще любая нелинейность так или иначе изменяет форму сигнала. А это не проходит бесследно для его частотного спектра: он «обогащается», в нем появляются новые частотные составляющие. Не всегда такое обогащение благо. Иногда новые частоты рассматривают как помехи, которые вызывают так называемые нелинейные искажения. Кстати, их наличие, а это сличается в некачественных усилителях низкой, звуковой частоты, чутко улавливает наше ухо. А в других случаях новые частотные составляющие и есть полезный эффект. В частности, благодаря нелинейным свойствам диода в спектре принятого сигнала появляются звуковые частоты, которые в телефонных наушниках превращаются в телеграфные точки и тире, речь, музыку… Диод в данном случае выполняет роль знакомого нам со школьных лет детектора.

За несколько лет, прошедших со дня открытия радио, оно многого достигло. Но его возможности, особенно в части приемных устройств, были практически исчерпаны. Специалистам стало ясно: без электронных усилителей электрических сигналов не обойтись. Почему именно электронных? Да потому, что ток в проводнике есть движение электронов, а в большинстве случаев лучше иметь дело с самим первоисточником.

Если первый шаг на пути к электронному усилителю, можно сказать, сделал Эдисон, второй — Флеминг, то решающий, третий шаг был за американским инженером Ли де Форестом. 25 октября 1906 года он подал заявку на выдачу патента. Предметом изобретения была трехэлектродная лампа, названная Форестом аудионом от латинского слова «аудире» (что значит в переводе на русский «слушать»). Такое звучное имя она получила потому, что стала главной деталью усилителя электрических сигналов звуковой частоты. Единой терминологии в то время не было. Наряду с аудионом, электронные лампы называли «вакуумными трубками», а в России — «катодными реле». Но потом для трехэлектродной лампы прижилось короткое слово «триод», которым мы и поныне пользуемся. Правда, вакуумные триоды теперь уже в подавляющем большинстве уступили свои места полупроводниковым.

Новую лампу называли в печати «чудесным маленьким гигантом» и даже «величайшим изобретением со времен огня, рычага и колеса».

Что же такое особенное сделал Ли де Форест, что привело к революции в области радио? Изобретатель всего лишь поместил в ламповый диод еще один электрод, названный им сеткой. (Недаром говорят: до гениального просто.) Изменяя напряжение на вновь введенном электроде, можно было изменять текущий через лампу ток, замыкать или прерывать его. Инженер заметил, что очень малые изменения напряжения на сетке приводят к заметным изменениям тока лампы, а это и есть эффект столь долгожданного электронного усилителя…

Правда, революция в радио совершилась не сразу. Первые аудионы Фореста имели настолько низкое усиление, что были не намного лучше диодов. Потребовались еще годы усилий многих ученых, чтобы из аудиона выпестовалась усилительная лампа, которую уже имело смысл широко применять на практике. С 1913—1916 годов и началась по-настоящему эпоха радио. Открытия следовали одно за другим. Ламповая радиотехника набирала силу.

Наиболее заметные перемены произошли в технике радиоприема. Что содержал приемник доламповой поры? Резонансный контур, кристаллический детектор да наушники. Даже вакуумный диод Флеминга мало что изменил. Лампа-детектор нуждалась в источнике питания для разогревания нити накала, а срок ее службы был существенно меньше долговечности кристаллических детекторов.

И триоды тоже прибавили забот: для их работы нужна была не только батарея для подогрева нити накала, но еще и анодная батарея. Помню, в 50-х годах на витринах магазинов лежали анодные батареи для батарейных радиоприемников напряжением вольт под сто. Обычная батарейка для карманного фонаря казалась на их фоне миниатюрной. Но все эти неудобства с лихвой компенсировались возможностью многократного усиления сигналов.

В опытах с ламповыми усилителями «выплыла» одна из важнейших для радиотехники проблем — проблема обратной связи. Она касается не только радиотехники, а имеет довольно общий характер. Суть ее в том, что результат какого-либо процесса из-за определенных связей влияет на его ход или, как говорят специалисты, выход влияет на вход. Если процесс усиливается, то обратная связь называется положительной, если ослабевает, стабилизируется, то отрицательной.

Врезалось мне в память забавное пояснение принципа обратной связи в одном из популярных журналов, которое довелось видеть лет двадцать назад. На рисунке был изображен мушкетер, которому наступают на ногу. Какова будет реакция мушкетера на такое внешнее воздействие? Положительную обратную связь художник изобразил следующим образом. Несмотря на извинение, мушкетер хватается за шпагу и кричит: «Это оскорбление смоет только кровь!» Реакция довольно бурная. Мушкетер «загенерировал». При отрицательной обратной связи мушкетер подавил в себе раздражение, он сама любезность: «Ну что вы, это такой пустяк».

Многие скачкообразные и лавинные процессы, такие, как, например, взрыв — следствие положительной обратной связи. В разного рода автоколебаниях — незатухающих колебаниях, — возникших от внешнего толчка, тоже работает положительная обратная связь. Известные шимми и флатеры в авиации — пример автоколебаний.

На принципе положительной обратной связи зиждется и явление вынужденного излучения, на котором основана работа лазеров и мазеров. Химические и ядерные цепные реакции, смычковые инструменты и орган, депрессии и кризисы в экономике — вот только некоторые примеры, где работает принцип положительной обратной связи. Перечисленные проявления — следствие так называемой внутренней обратной связи, свойственной самому процессу, взаимосвязям между его элементарными актами. Внешняя же обратная связь, как положительная, так и отрицательная, вводится специальной электрической цепью или каким-либо регулятором.

В системах автоматического регулирования обратная связь, как правило, отрицательная, ибо ее задача уменьшить отклонения от заданного режима работы. Автопилоты, системы наведения ракет на цель, радиолокаторы слежения за целью — лишь крошечная толика устройств, где используется отрицательная обратная связь.