ДЕТЕКТОР-ГЕНЕРАТОР; ДЕТЕКТОР-УСИЛИТЕЛЬ [4]

1. Описание явления

Так как некоторые контакты между металлами, или металлом и углем, или металлом и кристаллом не подчиняются закону Ома, вполне вероятно, что в колебательном контуре, подключенном к такому контакту, могут возникнуть незатухающие колебания. Последнее и подтверждается на опыте.[1]

Легче всего колебания получаются с детектором цинкит — угольная нить. Вполне устойчивые колебания получаются уже при 4в, причем на сам детектор подается постоянный ток всего 1 ма (рис. 1). Одинаково легко получить колебания как звуковой, так и высокой частоты. Конденсатор С имеет емкость 2 мкф, индуктивность L —106 см, балластное сопротивление ρ — 1000 ом.

Генерирующий детектор — не новость, но раньше, должно быть, колебания удавалось получать лишь с высоким напряжением или даже с дугой между минералами. Упоминаются опыты с галеновым детектором (свинцовый блеск),[2] а с ним мне при таком низком напряжении совершенно не удалось получить колебаний.

Период генерируемых колебаний довольно сильно зависит от величины приложенного напряжения; в большинстве случаев с его увеличением период уменьшается. Ниже представлены изменения длины волны с изменением напряжения:

Постоянство длины волны, возбуждаемой детектором, контролировалось посредством приема московской затухающей радиостанции MSK по методу биений (получался наиболее низкий тон), и емкость, соответствующая этой настройке цинкитного генератора, приведена выше.

Потом длина московской волны была промерена волномером по настройке приемника. Самоиндукция колебательного контура генератора L была равна 1 406 600 см и оставалась все время постоянной; сопротивление ρ в цепи постоянного тока было равно 2000 ом. Как видно, для того чтобы длина волны, возбуждаемой детектором, оставалась постоянной при увеличении напряжения на потенциометре, необходимо все время увеличивать емкость контура. При вычислении собственной длины волны контура сопротивление детектора по причинам, выясняющимся ниже, не учитывалось. Собственная длина волны колебательного контура генератора лишь только при емкости 5610 см была равна длине волны московской радиостанции (5328м), что и было промерено волномером.

Также уменьшался (а не увеличивался, как следовало бы из формулы Томсона) период генерируемых колебаний от введения в колебательный контур детектора некоторого сопротивления, и при некоторой величине его колебания совсем прекращались (для данных рис. 1 колебания были невозможны при введении в колебательный контур сопротивления 400 ом). Устойчивость колебаний уменьшалась также с уменьшением сопротивления ρ в цепи постоянного тока. Точка кристалла, на которой получались колебания, совершенно другая, чем та, на которой происходило наилучшее детектирование без приложенного извне постоянного напряжения. С одним детектором можно также получить колебания одновременно двух различных периодов, а также прерывистые. Легкость получения колебаний с детектором повышается при увеличении емкости в колебательном контуре, но зато устойчивость их частоты понижается; изменения самоиндукции действуют наоборот.

2. Ряд контактов

Детектор цинкит—уголь представляет резкое исключение: с ним очень легко получить колебания. Регулировать его, правда, труднее, чем при обычном детектировании, но когда точка найдена, колебания очень устойчивы и могут продолжаться без регулировки неопределенно долгое время, что с другими детекторами было недостижимо. Я перепробовал несколько других контактов, но ни с одним не получил таких устойчивых и сильных колебаний, как с цинкитом (табл. 1; устойчивость, легкость получения, а также сила колебаний обозначены цифрами, 7 — наиболее устойчивые и сильные). Разность потенциалов менялась в пределах ±10 в, сопротивление в цепи постоянного тока ρ=1000 ом. В табл. 1 приведены данные для наиболее чувствительных точек каждого кристалла.

Таблица 1

В табл. 1 приводится ряд минералов и металлов, очень похожий на ряд Вольты. Например, как видно, с цинкитом колебания легко получаются, когда к нему приложен положительный потенциал, причем с углем колебания наиболее сильные, дальше все слабее, наконец, с алюминием надо переменить знак приложенного напряжения. Колебания, очень неустойчивые, получались также с обыкновенным когерером и даже с микрофонным контактом.

3. Различные схемы генераторов и усилителей

Для генерации колебаний с детектором возможны четыре схемы (рис. 2), которые принципиально друг от друга не отличаются.

Удалось также осуществить цинкитный усилитель. Схема усилителя показана на рис. 3, на котором изображены два колебательных контура: контур высокой частоты — антенна, удлинительная катушка, конденсатор переменной емкости, земля, контур низкой частоты —удлинительная катушка, конденсатор С 2 мкф, детектор. (Может показаться, что последний контур — апериодический вследствие большого сопротивления детектора,но, как увидим ниже, именно благодаря действию детектора сопротивление контура приближается к нулю). Для того чтобы усилитель начал действовать, надо подогнать напряжение посредством потенциометра так, чтобы при небольшом его увеличение детектор начинал генерировать; но позволить ему генерировать нельзя, так как биения дают звуковую частоту. Происходит сразу и усиление, и детектирование, причем звук в телефоне усиливается примерно раза в три.

Можно работать также следующим образом: заранее подрегулировать потенциометр так, чтобы в такт приходящим колебаниям возникали и прекращались собственные звуковые колебания, в результате получается усиление звука раз в 15. Если телефон малоомный (не больше 120 ом), выгоднее пользоваться схемой рис. 4, т. е. включать его в колебательный контур низкой частоты и шунтировать небольшим блокировочным конденсатором для того, чтобы мог пройти ток высокой частоты. Вообще в этом случае лучше, чтобы телефон служил самоиндукцией контура низкой частоты.

Для усиления сигналов одной только низкой частоты применялась схема рис. 5 (сопротивление ρ=1500 ом). Здесь усиление получалось небольшое.

Но лучше всего цинкитный детектор может пригодиться на практике для приема незатухающих и затухающих станций по методу биений, тогда возможны две схемы:

1) ультрааудион, или цинкитный прерыватель, подобный ультрааудиону де Фореста или «катодному прерывателю Тверской радиостанции» проф. М. А. Бонч-Бруевича;[3]

2) генератор высокой частоты отдельно от приемника, индуктивно связанного с ним.

На рис. 6 изображена схема цинкитного ультрааудиона («прерывателя») для малоомного телефона (100 ом); если телефон многоомный, ни сопротивление ρ=1500 ом, ни конденсатор С1=0.1 мкф не нужны, конденсатор С2 не более 5000 см. Схема для приема (приемник б) с отдельным генератором (а) приведена на рис. 7. Работа с такими схемами очень устойчива, можно работать в продолжение нескольких часов и ни разу не сбиться, достаточно лишь найти генерирующую точку. При соответствующей настройке слышны почти все незатухающие и затухающие станции, причем у последних получается хрипящий тон, но зато их сигналы значительно усиливаются. Необходимое напряжение для действия этих схем — около 10 в, но если сопротивление в цепи постоянного тока очень большое, напряжение необходимо соответственно повысить.

4. Условия генерации и усиления, общие для всех диодов.

Отрицательное сопротивление

На рис. 8 изображена характеристика генерирующей точки цинкитного детектора, снятая при помощи схемы рис. 9. Здесь независимой переменной является не напряжение (V, в) в цепи, а сила тока (i, ма), которая и отложена по оси абсцисс.

В промежутке от А до В dV/di отрицательно; этого и нужно было ожидать, потому что, как сейчас увидим, всякий диод, будь то детектор, двухэлектродная лампа, вольтова дуга и т. п., в отличие от триода может быть усилителем или генератором только на той части характеристики, где так называемое внутреннее сопротивление Rm=dV/di отрицательно. Это можно увидеть из следующего. Если считать, что усиление с диодом может иметь место и при положительном Rm, то, казалось бы, по аналогии с триодом оно должно быть больше на крутой части характеристики, которую мы и будем иметь в виду. Пусть имеется характеристика диода А (рис. 10). Такой диод можно заменить просто каким-либо металлическим сопротивлением с характеристикой B. Ясно, что изменение силы тока при данном изменении напряжения в обоих случаях одинаково, т. е. никакого усиления не будет.

Теперь рассмотрим такой случай, когда меняется ток и нам надо получить возможно большее изменение разности потенциалов. На рис. 11 изображена такая характеристика (кривая А). Опять работа идет на крутой части. Но то же самое изменение напряжения при данном изменении силы тока можно получить и с простым металлическим сопротивлением (кривая В), т. е. усиления не произойдет. Все это также можно показать на основании следующего соображения: при положительном Rm разность потенциалов на зажимах обратна приложенной извне переменной эдс (в данный момент), т. е. сопротивление поглощает энергию, приходящую извне. Но так как мы имеем дело с диодом, равная разность потенциалов будет и на зажимах телефона, если он соединен параллельно (ток через телефон только уменьшается), при последовательном соединении диод также является лишь поглотителем энергии. Теперь пусть его сопротивление отрицательно. Конечно, и здесь подразумевается величина Rm=dV/di. Ясно, что настоящее сопротивление не может быть отрицательным как существенно положительная физическая величина, но по отношению к изменениям тока или колебаниям важной величиной является лишь Rm;[4] по отношению к колебаниям Rm ведет себя совершенно как обычное сопротивление, и эдс, появившаяся на нем, будет направлена в одну сторону с переменной эдс, приходящей извне (конечно, в данный момент), т. е. диод будет усилителем. Проще: мощность Р=i2(-Rm) (здесь i — среднее квадратичное значение) будет отрицательна, а это и значит, что она не отнимается от приходящей извне, а наоборот, прибавляется к ней.

Коэффициент усиления мощности для всякого диода выразится через

где Rm — внутреннее сопротивление диода; r — сопротивление приемника; i — среднее квадратичное значение силы переменного тока, мощность которого надо усилить.

Это выражение удобно для случаев последовательного соединения диода с приемником, так как тогда сила тока во всех частях цепи одинакова. Как видно, в знаменателе стоит полная мощность, приходящая извне и затрачиваемая в цепи диода и приемника, обладающего лишь положительным сопротивлением, а в числителе — полезная мощность, затрачиваемая только в одном приемнике. Легко видеть, что лишь при отрицательном Rm коэффициент усиления будет больше единицы. Коэффициент α может стать равным бесконечности или отрицательным в случае, когда алгебраическая сумма сопротивлений диода и других сопротивлений цепи сделается равной нулю или будет меньше нуля. Тогда, очевидно, изменения тока могут быть сколько угодно большими, причем обратное напряжение будет равно нулю [5] или даже не будет обратным. На практике такое большое значение коэффициента не получить, потому что, как правило, диод (в частности, цинкитный детектор) обладает отрицательным сопротивлением на очень малом участке характеристики, так что, если изменение силы тока превысит некоторую величину, мы сойдём с участка, имеющего отрицательный наклон характеристики (этим и объясняется как раз детектирование в схемах рис. 3 и 6). Отсюда ясно, что, например, слабые сигналы можно усилить в большее число раз, чем сильные. В вышеприведенном выражении для α мощность постоянного тока не рассматривается совершенно, но ясно, что все усиление получается именно за счет этой мощности; энергия постоянного тока тратится непрерывно на сопротивлении диода, потому что для величины тока важным является истинное сопротивление диода.

Посмотрим теперь, как изменится в действительности характеристика цепи с металлическим сопротивлением (нашим приемником) от последовательного включения диода, обладающего в некоторой части своей характеристики (рис. 8, участок АВ) отрицательным сопротивлением. На рис. 12 прямая А — характеристика металлического положительного сопротивления в 1000 ом, В — характеристика диода (взята характеристика рис. 8), С — характеристика последовательной цепи с диодом и металлическим сопротивлением. Как видно, в промежутке от а до в характеристики С мы можем изменять силу тока довольно сильно при небольшом измерении напряжения V по сравнению с одним металлическим сопротивлением r = 1000 ом (прямая А). Если обозначить изменение напряжения на зажимах всей цепи через ΔV0, изменение напряжения на положительном сопротивлении через ΔV1 и на зажимах диода через ΔV2, будем иметь

ΔV0=Δi(Rm+r); ΔV1=Δir; ΔV2=Δi(Rm).

Отсюда

.

Это и будет коэффициент усиления потенциала. Возьмем для примера изменение силы тока от 1 до 2 ма, т. е. Δi=0.001 а. Как видно из рис. 12, ΔV0=0.1 в, а ΔV1=1 в, т. е. на металлическом сопротивлении 1000 ом нашего приемника получено в десять раз большее изменение потенциала, чем затраченное извне . Из рис. 12 видно, что это произошло благодаря компенсации 0.9 в отрицательным сопротивлением детектора. Значит, при последовательном соединении диод с отрицательным сопротивлением служит усилителем потенциала.

Нетрудно видеть после аналогичного рассуждения, что при параллельном соединении с положительным сопротивлением диод с отрицательным сопротивлением служит усилителем тока. Проводимость такой цепи при положительном сопротивлении, близком по величине отрицательному, можно сделать сколь угодно малой. Хотя токи в отдельных ветвях могут иметь большие величины, они направлены в разные стороны, так что во внешней цепи тока почти не будет и она почти не затратит своей мощности.

После этого мне совершенно непонятно, каким путем мог получиться коэффициент усиления мощности для диода с положительным внутренним сопротивлением (короткое соединение анода и сетки), равный 4.9 (статья «Исследование характеристик и параметров триода» [6]). Мне кажется, что так можно было бы получить подобные коэффициенты усиления и для обыкновенных металлических сопротивлений.

Теперь также ясно, почему самые короткие волны, которые удалось до сих пор получить с катодной лампой, так называемые электронные колебания,[7] получаются лишь тогда, когда сетка лампы находится под большим положительным напряжением [8] (рис. 13). Только в этом случае триод обладает отрицательным внутренним сопротивлением, т. е. с ним можно получить колебания, как с диодом. Для этой цели служат трубки специальной конструкции (динатроны),[9] впервые описанные Гуллом. Так что все объяснения «электронных и ионных колебаний» вылетом электронов, падением назад на нить и т. п. сводятся к объяснению получения характеристики с отрицательным наклоном. Рис. 13 представляет собой анодную характеристику триода при сеточных напряжениях, соответственно равных -4 (кривая 1), 0 (2), +4 (3), 20 (4), 80 (5), 150 (6), 220 (7) и 300 в (8).

Вообще с диодом легче получить короткие волны, чем с триодом, так как у диода контур составляют индуктивность и емкость соединительных проводов и отпадает необходимость связи между отдельными цепями (например, анода и сетки у катодного реле).

Несколько слов о характеристике цинкитного детектора (рис. 8). Если снимать характеристику, меняя напряжение и измеряя изменения силы тока, т. е. выключив сопротивление ρ (рис. 9) и перейдя к схеме рис. 14, мы не получим характеристики рис. 8, перевернутой на 90°. Настоящая характеристика, перевернутая на 90°, показана прерывистой линией на рис. 15. На самом деле в условиях рис. 14 получится кривая, показанная на рис. 15 сплошной линией, которая нам ничего полезного не даст, так как из нее не видна исследуемая характеристика с отрицательным наклоном (прерывистая линия), только лишь при наличии которой можно получить усиление и генерацию.

Однако из рис. 15 видно, каким образом получается отрицательный наклон у прерывистой кривой (настоящей характеристики): при некотором предельном напряжении кристалл сразу испускает поток электронов, вследствие чего при наличии последовательно соединенного сопротивления возникает падение напряжениям

Ввиду этого во всех схемах генераторов и усилителей с диодом, у которого характеристика с отрицательным наклоном получается только при независимой переменной i, в цепь постоянного тока подключается сопротивление ρ так, чтобы напряжение на зажимах самого диода (детектора, вольтовой дуги) менялось совершенно свободно и зависело только от i. Тут частью схемы, заставляющей диод генерировать, является емкость С (рис. 1). О процессе получения колебаний в такой схеме см. статью Острякова.[10] Но если характеристика с отрицательным наклоном получается, когда независимая переменная — напряжение, т. е. в случае динатрона (рис. 13), тогда сопротивление ρ не нужно и колебания можно получить по схеме рис. 16, где батарея I — 300 в, II —150 в. Здесь частью схемы, заставляющей диод генерировать, является самоиндукция.

5. Влияние проводимости толщи кристалла

Обратимся снова к практике получения колебаний с детектором. Если точка контакта обладает некоторым отрицательным сопротивлением, а вся остальная толща кристалла — большим положительным, алгебраическая сумма будет положительная и, значит, колебаний получиться не может. Действительно, из кристаллов одинакового химического состава лучше генерирует тот, у которого проводимость всей толщи больше. Впрочем, тут играет роль не только одна проводимость, но и большая или меньшая ребристость поверхности (интересно отметить, например, что большие правильные кристаллы свинцового блеска хорошо генерируют, а для генерации с цинкитом или пиритом лучше выбирать более ребристые кристаллы). Конечно, это относится только к кристаллам с одинаковым химическим составом. Если сравнивать кристаллы различных составов, то большая проводимость толщи отнюдь не сочетается с большей способностью к возбуждению колебаний, что видно из табл. 1 и 2.

Таблица 2

В табл. 2 мерой проводимости считается отклонение гальванометра, в цепь которого вводится отшлифованная пластинка кристалла, помещаемая между двумя металлическими поверхностями; данные интенсивности колебаний взяты из табл. 1.[11] В последней графе табл. 2 приведена сила постоянного тока, пропускаемого через кристалл, необходимая для того, чтобы попасть на отрицательный наклон характеристики: как видно, она оказалась больше для более проводящих кристаллов. Поэтому для получения колебаний, например, со свинцовым блеском, приходится или увеличивать напряжение, или уменьшать сопротивление в цепи постоянного тока, хотя в последнем случае уменьшается устойчивость колебаний. Для некоторых хорошо проводящих кристаллов цинкита колебательную точку находить так же легко, как и обычную детектирующую.

Приношу благодарность профессору Владимиру Константиновичу Лебединскому за различные ценные для меня указания.

Нижегородская радиолаборатория.

Февраль 1922 г.