34. Схема для получения коротких волн с помощью кристалла цинкита.
Оглавление базы знаний о О. В. Лосеве
ГЛАВА X
ТРАНСГЕНЕРАЦИЯ.
Перспективы, открывавшиеся для радиотехники применением коротких волн, привлекли к этой области внимание многих исследователей. Короткие волны, менее ста метров, до начала 20-х годов не находили применения ни в коммерческой, ни в военной радиосвязи, и были выделены для опытов радиолюбителей. После успехов радиолюбителей, которые на коротких волнах с маломощными передатчиками добились больших дальностей связи, чем длинноволновые коммерческие станции, короткие волны стали подробно изучаться.
- «Какие самые короткие волны может принимать кристадин?», - с таким вопросом неоднократно обращались к Олегу Лосеву.
Он выполнил специальное экспериментальное исследование и напечатал статью «Получение коротких волн от генерирующего контактного детектора». Оказалось, что без особых предосторожностей, с обычными радиодеталями ему удалось получить колебания с длиной волны в 24,3 метра, которая соответствует частоте 12,3 мегагерца. На этой частоте была уже возможна дальняя связь.
На рис 34 дана схема, разработанная 0.В. Лосевым, для получения «колебаний ультрарадиочастоты». Катушка индуктивности L состояла всего из семи витков медной проволоки диаметром в 2 мм. Радиус катушки был равен 5,5 см, L2 и L4 -дроссельные катушки с большим числом витков, отделяющие источник постоянного тока от высокочастотного колебательного контура.
34. Схема для получения коротких волн с помощью кристалла цинкита.
С катушкой L1 Лосев индуктивно связывал катушку L3 коротковолнового волномера. Волномер он градуировал методом стоячих волн на проволоках, хорошо разработанным В.В. Татариновым.
«Можно получить еще более короткие волны, но с укорочением волны наблюдения делаются все более затруднительны, так как мощность колебаний становится малой» - пишет Лосев. Получение коротких волн от генерирующего детектора указывает, что «инерция происходящих в генерирующем кристалле процессов очень мала», и, следовательно, они могут быть обусловлены только самыми легкими, самыми подвижными частицами – электронами. Отсюда, между прочим, следовало, что совершенно исключалось объяснение появления в кристаллах цинкита отрицательного сопротивления ионной проводимостью, а также несостоятельностью термических теорий для объяснения падающей характеристики.
Так постепенно, ощупью, Лосев приближался к основным предпосылкам теории полупроводников. Однако сделать определенные выводы о природе электропроводности в кристаллах в 1925-26 годах, даже на основании этих замечательных опытов Лосева с короткими волнами, было нельзя. Эти опыты Лосева с генерированием кристаллами коротких волн оказали радиотехнике большую услугу значительно позже - через 20 лет.
Тем не менее, детальное изучение эмпирических закономерностей, связывающих отрицательное сопротивление в генерирующей точке кристалла цинкита с режимом колебаний и различными элементами схемы, привело Лосева к более полному выяснению тех условий, при которых электрическая энергия батареи превращается в энергию электрических колебаний.
Изучая, как изменение величин сопротивлений, емкостей и индуктивностей схемы влияет на длину волны, Лосев обнаружил появление в ней колебаний двух различных частот. При некоторых комбинациях элементов схемы электрические колебания в основной части колебательного контура сопровождались появлением колебаний добавочной, более низкой частоты, причем интенсивность основных колебаний уменьшалась. Новые колебания возникали за счет энергии основных колебаний. Так Лосев открыл новое явление, названное им, по аналогии с трансформацией напряжения, «трансгенерацией».
Оказалось возможным в процессе детектирования колебаний одной частоты за их счет получить новые колебания более низкой или более высокой частоты. Вначале явление трансгенерации было им обнаружено в схеме гетеродинного кристадина (Рис. 35). Новая низкая частота возникала с собственным периодом контура, состоящего из индуктивности телефона T и блокирующего его конденсатора С1.
35. Типичная схема "трансгенерации" с кристаллами.
У Лосева создавалось даже впечатление, что при некоторой регулировке галеновый детектор d сам как будто генерирует колебания низкой частоты в контуре TС1; однако это впечатление рассеялось, когда к катушке индуктивности L2 было подведено постоянное напряжение (вместо высокочастотного, подведенного к детектору d) такой же величины и направления, как и напряжение, получаемое от детектирования высокой частоты. В контуре телефона колебаний не возникало.
Лосеву удалось таким путем доказать, что наличие колебаний в одном из двух связанных контуров создавало в другом отрицательное сопротивление, если в состав первого входили так называемые «нелинейные элементы», то есть такие проводники, в которых ток не подчиняется закону Ома (детекторы, электронные лампы, катушки с железом и пр.). Трансгенерация получалась при наличии сильной связи между контуром высокой частоты и детекторным контуром, когда к нему подводилась значительная мощность.
Уже раньше, довольно часто во многих ламповых схемах обнаруживали неожиданное возникновение паразитной генерации колебаний (обычно звуковой частоты) в контурах, образованных из обмоток трансформаторов, телефонов и блокировочных конденсаторов, однако, объяснения этим явлениям не было.
Появление трансгенерации в детекторной схеме дало ключ для понимания и анализа этих явлений (Рис.36). Изучать трансгенерацию в ламповых схемах оказалось даже удобнее; управлять ими было гораздо проще. Особый интерес представило при этом новое решение задачи понижения частоты - получение низких частот за счет энергии высоких. Задача обратная - умножение частоты – была уже давно удачно разрешена и при том несколькими способами. Деление частоты простыми способами в то время не удавалось.
36. Лабораторная установка для изучения трансгенерации.
Трансгенерация получается в схеме, если увеличение сопротивления приводит не к уменьшению, а к возрастанию силы выпрямленного тока. Такой эффект при правильно подобранной связи соответствует введению в контур детектора отрицательного сопротивления.
Включение сопротивления R, параллельного детектору, и последовательно с ним другого сопротивления r, которое можно изменять так, чтобы сопротивление всей цепи не менялось, позволяет управлять возникновением трансгенерации. При нормальной работе схемы детектор только выпрямлял колебания, и в телефоне звука не было. При особо сильной связи в телефоне появлялись колебания новой паразитной частоты, величина которой зависела как от основной частоты, так и от значения емкости и индуктивности цепи телефона.
Лосев поставил себе задачу установить условия появления и прекращения трансгенерации, а также попытаться найти для такой генерации применение в радиотехнике. Оказалось, что изменением параллельного и последовательного сопротивлений R и r можно добиться почти прекращения трансгенерацми (R=7000 Ом, r =500 Ом). Последовательное включение в детекторный контур конденсатора очень большой емкости, действовавшего аналогично сопротивлению r, предотвращало возникновение трансгенерации.
Чтобы совсем исключить влияние специфических свойств кристаллического детектора, Лосев заменил его в схеме ламповым диодным детектором (соединив в обычной трехэлектродной лампе сетку с анодом), а телефон шунтировал дополнительными сопротивлениями R1 и R2 (Рис. 37).
37. Схема трансгенерации с ламповым детектором.
Заслуживает внимания, что схемы трансгенерации, предложенные и испытанные Лосевым, позволяют получать почти любые соотношения между основной частотой и той, в которую она трансформируется.
Лосев попытался применить явление трансгенерации при радиоприеме. Трансгенерация в схеме возникала и прекращалась одновременно с приходящими знаками азбуки Морзе. Он несколько видоизменил схему, и для увеличения связи между генераторным и выпрямительным контуром им была подобрана надлежащая автотрансформаторная связь. Вследствие возникающей трансгенерации в этой схеме «на слух эффект получался раза в три больший, чем при простом регенеративном приеме». Однако эта схема Лосева не получала распространения ввиду ее меньшей устойчивости в работе по сравнению с рядом других схем, выполнявших ту же задачу.
При наличии одного генератора высокой частоты Лосеву удалось даже получить одновременно два периода низкой частоты (двоякая трансгенерация). Для этой цели индуктивная связь с генератором высокой частоты каждого выпрямительного контура подбиралась во время его работы. При достаточно малой связи между контурами K и K’, содержащими детекторы (Рис. 38), в них возникали колебания с собственными периодами, определяемыми LtCt и L’Ct. Период низкой частоты трансгенерации в каждом выпрямительном контуре совершенно не зависел от периода соседнего контура.
38. Схема двойной трансгенерации.
Дальнейшими исследованиями Лосев установил возможность нескольких типов трансгенерации. К его удивлению оказалось, что трансгенерация может быть получена в контуре, состоящем только из омического сопротивления и емкости, - он назвал это новое явление емкостной трансгенерацией. В то время релаксационные колебания, так называемые «RC - колебания», получившие в наши дни такое широкое распространение, были изучены мало, и почти не применялись на практике.
Как выяснил Лосев, для емкостной трансгенерации (рис. 39) период колебаний довольно точно подсчитывается по формуле T=aR+Ct, где a - коэффициент, зависящий от формы контуров. С увеличением связи между катушками L1 и L2 период заметно увеличивается («иногда даже больше чем в 2 раза»).
39. Схема емкостной трансгенерации.
Форма колебаний емкостной трансгенерации оказалась отличиной от синусоидальной. На рис. 40 даны зарисовки, проделанные О.В. Лосевым, по движению стрелки гальванометра при очень медленных колебаниях тока при трансгенерации; она точно воспроизводит характерные особенности релаксационных колебаний. Релаксационные колебания резко отличны от обычных колебаний в контуре из емкости и самоиндукции - в «томсоновском контуре», как его тогда называли.
40. Осциллограмма колебаний при емкостной трансгенерации (релаксационные колебания).
Олег обратился к проф. М.А. Бонч-Бруевичу с вопросом о возможных причинах такого отклонения.
Михаил Александрович, рассмотрев все схемы Лосева, указал на физические особенности релаксационных колебаний и высказал предположение о возможности еще одного вида трансгенерации, индуктивной, подобной емкостной. Она должна наблюдаться в контуре, состоящем из сопротивления и индуктивности (катушки) без конденсатора.
- «Паразитные колебания почти всегда встречаются в радиотехнических схемах. Общих закономерностей в них не существует. Ваши исследования трансгенерации вряд ли смогут охватить все случаи паразитной генерации. Большинство таких явлений, с которыми мне удавалось встречаться, не подчиняются никаким закономерностям. Эти нелинейные процессы крайне сложны», - мог только сказать проф. Бонч-Бруевич в то время.
Изучив в университетском курсе уравнения математической физики, Лосев теперь уже понимал пессимизм М.А. Бонч-Бруевича, не видевшего возможности полного теоретического объяснения открытых им причудливых явлений трансгенерации. Они приводили к нелинейным дифференциальным уравнениям, решать которые математики в те годы еще не умели. С тех пор этот отдел математической физики трудами академиков Мандельштамма и Папалекси и целого ряда их учеников получил значительное развитие, и сам М.А. Бонч-Бруевич в своем «Курсе радиотехники», часть II, указал несколько простых решений вопросов, связанных с нелинейными радиосхемами.
Индуктивная трансгенерация, предсказанная Бонч-Бруевичем, действительно была Лосевым осуществлена экспериментально, но законов ее, даже эмпирических, установить ему не удалось. Форма колебаний индуктивной трансгенерации получалась весьма далекой от синусоидальной формы, «а при очень низких частотах были слышны только отдельные толчки».
Олег экспериментально показал, что величина отрицательного сопротивления, даваемого детектором (кристаллическим или ламповым) в трансгенераторных схемах, зависит от целого ряда причин: некоторые из них, как величина связи между индуктивными катушками, влияют на возникновение трансгенерации и на величину отрицательного сопротивления в контуре детектора. Другие причины - коэффициент трансформации между катушек индуктивности, отношение индуктивности и емкости в первичном генераторе - определяют только частоту и характер отрицательного сопротивления в контуре детектора.
Было установлено, что емкостная трансгенерация получается с отрицательным сопротивлением, включенным в контур последовательно. При некоторых значениях его емкости и индуктивности удалось получить колебания трансгенерации, период которых был определен законом T=2p(LC)1/2. Это вид Лосев назвал «томсоновская трансгенерация».
Исследование схем трансгенерации привело его к весьма важному выводу: все схемы с электронными лампами, служащими в качестве регенераторов и детекторов, можно привести к общей принципиальной скелетной схеме. Эта схема (рис. 41) характеризуется тем, что отрицательное сопротивление имеет характер утечки и присоединено параллельно непосредственно к контуру высокой частоты, а через детектор к контуру низкой частоты.
41. Скелетная схема тренсгенерации.
Сопротивление детектора в направлении пропускания тока должно быть меньше, чем минимальное отрицательное сопротивление регенератора; в противоположном направлении сопротивление детектора должно быть много больше сопротивления регенератора. Характер изменения напряжений в различных частях схем Лосев изучал с помощью катодного осциллографа. Он фотографировал различные типы колебаний трансгенерации (томсоновской, индуктивной и емкостной).
Осциллограммы дали ему возможность устанавливать и основную частоту трансгенерации и наличие в ней гармоник. Олег Лосев хорошо помнил замечания М.А. Бонч-Бруевича. Все сложные схемы приемников, усилителей и передатчиков содержат в себе комбинации таких деталей, определенное соединение которых неизбежно приводит к трансгенерации. Рассмотрение их с этой точки зрения может помочь предотвратить паразитную трансгенерацию. Для этого можно или шунтировать телефон омическим сопротивлением, или включая последовательно и параллельно к телефону очень большие емкости (много больше блокировочной). Свои выводы он экспериментально проверил на ряде сконструированных им двух и трехламповых регенеративных и рефлексных приемников с устраненной трансгенерацией.
Конструируя новый оригинальный приемник, он разрабатывал «способ предотвращения возникновения электрических колебаний в приемных контурах междуламповых трансформаторов низкой частоты». Этот способ явился предметом авторского свидетельства, где описано предотвращение возникновения колебаний, достигавшееся путем изменения характера отрицательного сопротивления, введенного в контуры (рис. 42). Отрицательное сопротивление в контуре изменяется параллельным включением сопротивления R и кондесатора С, специально рассчитанных.
42. Предотвращение паразитных колебаний.
Такое подробное изучение условий возникновения трансгенерации на схемах ламповых генераторов позволило Лосеву найти новый метод прерывания основной частоты лампового генератора включением в цепь сетки обычного лампового генератора утечки сетки и конденсатора (Рис.43). Этот результат послужил так же предметом авторского свидетельства на. способ прерывания основной частоты генератора, «характеризующийся тем, что последовательно с конденсатором сетки генераторной лампы включается катушка самоиндукции Lg».
43. Прерывание основной частоты лампового генератора.
Однако все его «попытки создания схемы, использующей явление трансгенерации для решения назревших задач коротковолновой техники, не увенчались успехом». Получить короткие волны этим путем он не мог.
Основная задача, выдвинутая в то время практикой связи, по мнению Лосева, заключалась в дальнейших попытках продвижения «единственно в сторону усовершенствования стабилизации генерирующей частоты». Явление трансгенерации само по себе не обеспечивает еще стабильности (постоянства во времени) частоты. Период колебаний при трансгенерации очень сильно «зависит от нагрузочных сопротивлений и других случайных факторов.
Все надежды на существенное повышение стабильности частоты уже в то время возлагались на включение в схемы специальных пьезокварцевых стабилизаторов. Эти приборы основаны на свойстве пластинок, вырезанных из монокристаллов кварца, давать при сжатии или растяжении на своих гранях электрические заряда - отсюда и получилось их название. Оказалось, что пьезоэлектрический эффект обратим. При сообщении различных зарядов противоположным граням кварцевой пластинки, она сжимается или растягивается в зависимости от знаков зарядов, а при подведении к граням переменного напряжения от генератора электрических колебаний начинает сама механически колебаться. Оказывается возможным превращение энергии электрических колебаний в энергию механических и обратно. Пластинка кварца имеет собственную частоту механических колебаний (даже несколько частот, в зависимости от направления ее деформаций –по толщине, по ширине или по длине). Поэтому ее механические колебания получаются особенно интенсивными, когда возбуждающие их электрические колебания совпадают по частоте с собственными механическими частотами пластинки, то есть, наблюдается резонанс. Такие пьезокварцевые резонаторы отличаются исключительной остротой настройки и могут стабилизировать колебания лампового генератора, их возбуждающего.
В дальнейшем пьезокварц полностью оправдал возлагавшиеся на него надежды. Нужно было только научиться возбуждать его собственные колебания. Лосев это прекрасно понимал и надеялся воспользоваться для этого трансгенерацией. Однако перед возможностью применения схем трансгенерации «в качестве последовательного отрицательного сопротивления для приведения в колебания кварцевого кристалла в стабилизаторе», встретились непреодолимые трудности, ввиду несогласованности возможных величин отрицательных сопротивлений детекторов с полным сопротивлением кварца высокой частоте - они оказались слишком малыми.
Получив отрицательный результат с применением обычных ламповых схем трансгенерации для возбуждения кварцевого резонатора, Лосев решил попробовать применить для этой цели непосредственно кристадинный генератор. Представлялось заманчивой возможность раскачать «кристалл кристаллом» (кварц - цинкитом). Задачу предполагалось решить следующим способом: цинкитный генерирующий детектор был взят в качестве источника отрицательного сопротивления для кварцевого резонатора, как это представлено на рисунке 44, где L1C1 и L2C2 являются лишь вспомогательными контурами для нахождения генерирующих точек.
44. Опыты возбуждения колебаний кварца кристадинным генератором.
Вначале генерирующая точка находилась с помощью контура низкой частоты по появлению звука в телефоне T, затем контур отключался и присоединялся контур L1C1. Колебательный процесс в контуре можно было обнаружить по изменению отклонения гальванометра (mA) в моменты включения или выключения контуров L1C1 или при изменении емкости переменного конденсатора C1.
Этими экспериментами можно было установить, что детектор начинает генерировать колебания при заданной величине отрицательного сопротивления, только начиная с некоторой величины отношения C1/L1. В момент возникновения или прекращения колебаний сила постоянного тока, идущего через детектор, резко изменялась.
Лосев подобрал такие условия, чтобы колебания прекращались только при минимальной величине емкости, при постоянной индуктивности, - следовательно, при наименьшем значении отношения C1/L1 (L1постоянное). Это соотношение между емкостью и индуктивностью в опытах Лосева доходило почти до миллионных долей (C1/L1=3*10-5), но и этого оказалось недостаточно. Для возбуждения кварцевых пластинок, имевшихся в Радиолаборатории, это отношение должно было быть еще больше, порядка миллиардных долей.
Таким образом, опыт непосредственного использования кристадина как отрицательного сопротивления для возбуждения кварцевых пластин также не дал ожидавшегося результата. Заставить кварц колебаться с собственной частотой за счет простого введения в контур отрицательного сопротивления оказалось невозможно (Рис.45).
45. Три способа возбуждения резонансных колебаний кварцевой пластинки с помощью генератора с цинкитом.
Тем не менее, Лосев показал, что кварцевую пластинку все же можно возбуждать от колебаний генерирующего кристалла -, так же как и от колебаний обычного лампового генератора, когда они настроены в резонанс с ней. Он указал три способа включения кварцевой пластинки в кристадинный генератор (соединение 1,2,3) (Рис. 47), и действительно наблюдал резонанс. Он воспользовался тем, что при изменении емкости C частота кристадинного генератора менялась, и ее можно было подбирать равной собственной частоте кварцевых пластинок. Характерный звук в телефоне T был слышен при всех трех способах включения кварцевого кристалла.
Опыты с трансгенерацией и с пьезокварцами привели Лосева к мысли о возможности осуществления новых своеобразных схем с генерирующими кристаллами. Оказалось возможным получить генерацию колебаний релаксационного типа или, как назвал ее Лосев, «генерацию (не трансгенерацию) с емкостным периодом». Для этой цели в схеме включался (рис. 46) генерирующий цинкитный детектор, а в качестве сопротивления R употреблялось как металлическое безиндукционное сопротивление, так и графитовое.
46. Емкостная генерация с кристаллом (релаксационные колебания).
Емкостный характер полученной генерации Лосев довольно просто доказал. Длина всех соединительных проводов между сопротивлением, конденсатором и кристаллом равнялась 65 см. Включение индуктивности из 7 витков диаметром 9 см из медной проволоки последовательно с сопротивлением R и конденсатором C заметно не меняло периода колебаний схемы. Частоту колебаний он определял гетеродинным волномером, включенным параллельно телефону T.
47. Авторское свидетельство на способ трансгенерации частоты.
Так же, как и для емкостей трансгенерации частоту колебаний при емкостной генерации кристадина можно было рассчитать по формуле 1=1/aCR, где a - постоянный коэффициент, определяемый экспериментально. Лосев определил значение постоянной величины a для волн от 460 метров до 2200. Измеряя полученную частоту, сопротивление и емкость, он подсчитывал коэффициент a. В пределах ошибок опыта, величина a действительно была постоянна. Это давало возможность применять эту формулу для приближенных расчетов.
Наконец, сложная зависимость, связывающая частоты, полученная при трансгенерации, натолкнула Лосева на мысль подробнее изучить формы колебаний в кристадинном генераторе старого образца.
Им было установлено кроме обычных колебаний еще наличие колебаний II рода, особых несинусоидальных колебаний в колебательном контуре кристадинного генератора, содержащем как обычно и емкости, и индуктивность.
Именно благодаря наличию этих несинусоидальных колебаний, по мнению О.В. Лосева, формула T=2p(LC’)1/2 не всегда могла быть применимой к кристадинному генератору. Фактически получавшиеся значения индуктивности L и емкости C при настройке на определенную длину волны не совпадали с расчетными данными «и могут сильно изменяться, в зависимости от различных причин (L, C, нагрузка)».
Расхождения между расчетной величиной частоты и измеренной достигали иногда более 200%. Несинусоидальность колебаний обычно проявлялась при попытках увеличить амплитуду колебаний и при нарушении режима работы генерирующего кристалла.
Только значительно позднее теория нелинейных цепей, разработанная русскими учеными и радиоинженерами, позволила объяснить те причудливые явления, которые обнаруживаются в них вследствие особых специфических свойств различных нелинейных элементов. В то время, когда Лосев занимался изучением трансгенерации, он не мог опираться на законченные теоретические выводы, и только его удивительная интуиция и выработавшаяся привычка с необычайным напряжением внимания учитывать мельчайшие подробности условий своих экспериментов давали ему возможность с успехом продвигаться вперед среди лабиринта новых и непонятных явлений.