Владислав Пристинский - 100 знаменитых изобретений
Другое возникшее вслед за первым техническое требование оказалось не менее важным. Необходимо было найти средства зашиты приемника от воздействия на него других работавших поблизости передающих станций, а также разного рода атмосферных помех. Эта задача, сводившаяся к повышению избирательности (селективности) приемного устройства, стала особенно настойчиво требовать своего разрешения после заметного расширения сети и увеличения мощностей передающих радиотелеграфных станций.
Наконец в полной, если не в большей мере, относилось к приемным устройствам общее для технической аппаратуры требование, заключающееся в надежности ее работы в условиях практической эксплуатации. Совершенно очевидно, что первые когерерные приемники были чрезвычайно капризными и требовали больших навыков и внимания от обслуживавшего персонала.
Перечисленные здесь требования на многие годы определили основные линии развития техники радиоприема. Чувствительность, избирательность и надежность работы до сих пор остаются главнейшими качественными показателями любой современной радиоприемной установки.
Какие же технические средства и пути использовались для улучшения этих показателей, какие методы и принципы лежали в то или иное время в основе построения приемных электрических схем?
Как уже было отмечено, чувствительность приемника с первых же дней появления радиосвязи была именно той его характеристикой, улучшение которой самым непосредственным образом влияло на увеличение дальности передачи. В настоящее время технические средства позволяют доводить чувствительность приемной аппаратуры до невероятно больших значений и обеспечивать усиление принимаемых сигналов в десятки миллионов раз.
Радиолампа
В 1883 году Т. Эдисон, пытаясь продлить срок службы осветительной лампы с угольной нитью накаливания и разобраться, почему на ее стекле образуется черный налет, ввел в баллон металлический электрод. При включении между электродом, названным впоследствии анодом, и одним из концов нити накаливания батареи и гальванометра в цепи обнаружился ток, меняющий направление в зависимости от полярности присоединения батареи. При подключении к аноду плюса батареи ток был интенсивным, при смене полярности – резко ослабевал или вовсе не возникал. Кроме того, величина тока зависела от степени разогрева нити. Эдисон предположил, что поток угольных частичек, испускаемых отрицательной стороной нити, делает участок пути между нитью и пластинкой проводящим и установил, что поток этот пропорционален степени нагрева самой нити.
Американский изобретатель и представить себе не мог, на пороге каких величайших научных открытий он стоял. Прошло почти двадцать лет, прежде чем наблюдавшееся Эдисоном явление, или, как его стали называть, «эффект Эдисона», получило свое правильное и всестороннее объяснение. Только работы Рентгена, Дж. Томсона и других физиков, приведшие к открытию электрона и пролившие свет на многие неясные вопросы, касавшиеся прохождения электрических токов в газах, односторонней проводимости и испускания электронных потоков в вакууме нагретыми телами, привели к полному пониманию действительных причин затемнения стеклянных баллонов в лампах Эдисона.
Мысль о возможности практического использования «эффекта Эдисона впервые пришла к голову английскому ученому Флемингу, который в 1904 г. создал основанный на этом принципе детектор, получивший название «двухэлектродной трубки», «термионной лампы» или «диода Флеминга».
Лампа Флеминга представляла собой обычный стеклянный баллон заполненный разреженным газом. Внутри баллона помещалась нить накала вместе с охватывавшим ее металлическим цилиндром. Будучи включенной в приемную схему, лампа действовала, подобно выпрямителю, пропуская ток в одном направлении и не пропуская в обратном, и могла служить, таким образом, волноуказателем-детектором. Для некоторого повышения чувствительности лампы на ее металлический цилиндр (анод) подавался соответствующим образом подобранный положительный потенциал. Приемная схема с лампой Флеминга практически ничем не отличалась от ранее описанных детекторных схем. Она несколько уступала в чувствительности схемам с детектором магнитного и кристаллического типа, но обладала, безусловно, более высокой надежностью в эксплуатации.
Вакуумный диод Флеминга позволял лишь выпрямлять переменные токи, но не усиливать их, а быстро развивающаяся радиотехника настоятельно требовала усиления улавливаемых антенной слабых сигналов. Решающий шаг в этом направлении сделал американский инженер Ли Де Форест. 25 октября 1906 года он подал заявку на выдачу патента. Предметом изобретения стала трехэлектродная лампа, названная автором «аудионом», поскольку предназначалась им для усиления сигналов звуковой частоты. Единой терминологии тогда не было, и наряду с «аудионом» лампу называли «вакуумной трубкой», в России – «катодным реле», но прижилось короткое слово «триод».
К аудиону Ли Де Форест пришел через открытие явления, сходного с эффектом Эдисона. В 1906 году он обнаружил, что раскаленное тело может работать как детектор даже в отсутствии вакуума. В опыте Де Фореста два электрода соединялись так: один – с антенной, другой – с землей, параллельно им присоединялась батарея и телефон. Электроды (позднее – один из них) нагревались пламенем горелки, и наблюдалось интересное явление. При отсутствии сигнала в антенне в цепи телефона протекал слабый ток, так как пламя горелки делало промежуток между электродами проводящим. Но как только в антенне возникали колебания, ток через телефон заметно менялся, электроды работали как вентиль. Для управления током был введен между электродами третий. В результате получился триод, патент на который был выдан Ли Де Форесту в январе 1908 года. Поместив электроды в вакуумный баллон, Ли Де Форест назвал третий электрод сеткой. Было замечено, что слабые изменения напряжения на сетке приводят к заметному изменению тока лампы, в чем и состоял эффект электронного усиления. Вначале триод использовался в качестве детектора и усилителя, но в дальнейшем стал основой генераторов высокой частоты.
В 1910 г. немецкие инженеры Либен, Рейсе и Штраусе предложили трехэлектродную лампу, в которой сетка выполнялась в форме перфорированного листа алюминия и помещалась в центре баллона, деля его на две части. В нижней части лампы находилась нить накала, в верхней – анод. Такое расположение сетки позволяло усиливать ее управляющее действие, так как через нее проходил весь электронный поток. Она служила также некоторым заслоном для нити накала, предохраняя ее от разрушительной бомбардировки со стороны положительных ионов. Анод в этой лампе имел форму прутка или спирали из алюминиевой проволоки, а катодом служила платиновая нить. Особое внимание изобретатели обратили на повышение эмиссионных свойств лампы. В этих целях впервые было предложено покрытие нити накала тонким слоем окисла кальция или бария. Кроме того, в баллон вводились ртутные пары, которые должны были, по замыслу авторов, создавать дополнительную ионизацию и тем самым увеличивать анодный ток.
В 1911 г. американский ученый Кулидж предложил применять в качестве покрытия вольфрамовой нити накала окись тория, что значительно повышало эмиссионные свойства ламп. В лампах с торированным или оксидированным катодом для получения необходимого анодного тока уже не требовался большой разогрев нити накала, расход тока накала при этом заметно снижался.
Важное усовершенствование в первоначальную конструкцию лампы внес в 1913 г. английский инженер Раунд. Для предотвращения попадания катодного потока на стеклянный баллон Раунд полностью окружил нить накала проволочной сеткой, а анод сделал в форме цилиндра.
Аудионы Ли Де Фореста имели низкий коэффициент усиления, причиной чего оказался весьма неглубокий вакуум. Благодаря работам В. Годе в Германии, М. Ленгмюра в США и С. А. Боровика в России, были найдены способы откачки воздуха ламп до очень малых давлений, и с 1916–1917 гг. начали использоваться вакуумные лампы с чисто электронными процессами.
Если для детектирования и усиления принимаемых сигналов подходили лампы очень малых мощностей, то для генераторов передатчиков потребовались мощные лампы. С ростом мощностей ламп возникла задача охлаждения их баллонов и электродов. Среди первых простейших ламп с принудительным охлаждением можно отметить триоды Ли Де Фореста и Никольсона (1915–1916 гг.). В лампе Де Фореста анод был выполнен в виде металлического сосуда с вмонтированными внутри него электродами. Вводы проходили сквозь герметически закрытую пробку, а анод помещался в сосуд с водой и отдавал ей тепло. В лампе Никольсона также помимо воздушного охлаждения применялось водяное.
