Детекторы электрических колебаний

Беспроводная телеграфия, 1914

Детекторы, применяемые в радиотелеграфии, могут быть подразделены на два класса: приводящиеся в действие током или напряжением. Приводящиеся в действие напряжением детекторы всегда подключают параллельно конденсатору, поскольку на выводах конденсатора имеется большая разность потенциалов, а детекторы, приводящиеся в действие током включают последовательно с этим конденсатором. Типы детекторов можно подразделить далее на разные классы, а именно:

• детекторы на основе плохого контакта, например, когерер Маркони;
• выпрямительные детекторы, например лампа Флеминга и карборудный детектор;
• электролитические детекторы, например детекторы Фессендена и Шломилча;
• термоэлектрический детектор, на основе пары галена и графита или других пар;
• детектор на основе изменения магнитных свойств - магнитный детектор Маркони.

Когерер

Когерер является результатом работы разных людей - Хьюза, Лоджа, Бранли, Попова и других. Он состоит из небольшого количества металлических опилок, помещённых между двумя электродами. Первый практический образец когерера для радиотелеграфии был создан Маркони. Он состоял из небольшого количества никелевых опилок и добавленных к ним небольшого процента серебрянных опилок, помещённых между серебрянными электродами, имеющими скошенные концы, так что пространство между ними, в которое помещаются опилки, имело клинообразную форму.

Назначение электродов такой формы в том, чтобы получить возможность регулирования чувствительности когерера. Наибольшая чувствительность достигается тогда, когда вытянутые части клиньев расположены снизу, и наоборот, если их перевернуть на 180°, то чувствительность когерера будет минимальной.

Электроды и металлические опилки помещены в герметичную стеклянную трубку, в которой создано небольшое разряжение. Контакты электродов, к которым подключают провода, выведены из трубки с помощью гермовводов (рис. 1.).

Рис. 1. Когерер Маркони.

Принцип работы когерера основан на том, что если на его выводах появится напряжение величиной выше некоторого определённого значения, то сопротивление когерера, довольно высокое из-за плохого контакта между металлическими опилками и электродами, резко падает до значительно меньшей величины. Некоторые думают, что это происходит из-за электростатического притяжения между металлическими опилками; другие же полагают, что между опилками проскакивают микроскопические искры, которые слегка сваривают опилки между собой. Однако по какой-бы причине это не происходило, важен сам факт того, что если когерер подвергается разности потенциалов при подаче на него какого-либо сигнала, то его сопротивление очень сильно падает, и если когерер соединить последовательно с реле и батареей питания, а контактами реле коммутировать самописец, то наличие электрических колебаний будут фиксироваться на бумаге, так как реле будет замыкаться каждый раз при наличии электрических колебаний. Однако когерер сам по себе не восстанавливает своё прежнее состояние с высоким сопротивлением, поэтому используется небольшой электромагнитный молоточек, который аккуратно постукивает по нижней стороне когерера, встряхивая железные опилки, что приводит к восстановлению прежнего высокого сопротивления и снова делает когерер чувствительным к электрическим колебаниям.

Рис. 2. Схема приёмника Маркони с когерером.

На Рис. 2 показана схема приёмника Маркони с когерером. Антенная цепь состоит из настроечной индуктивности и первичной обмотки резонансного трансформатора, соединённых последовательно и подключённых к антенне и заземлению. Вторичная обмотка резонансного трансформатора состоит из двух частей, соединённых последовательно между собой конденсатором, что препятствует прохождению постоянного тока через обмотки. Концы обмоток вторичной катушки соединены с выводами переменного конденсатора, которым настраивают обмотку на резонансную частоту первичной обмотки, и параллельно этому конденсатору подключён когерер.

Реле и элемент питания, соединённые последовательно, включены параллельно конденсатору, который соединяет обе части вторичной обмотки резонансного трансформатора. К контактам реле подключается батарея элементов, соединённая с самописцем (принтер кода Морзе), и параллельно самописцу подключается электромагнитный молоточек, действием которого когерер приводится в исходное высокоомное состояние после того, как он сработал в результате действия высокочастотного сигнала.

Из-за высокой самоиндукции катушек реле, самописца и молоточка, важно, чтобы они, а также контакты реле и молоточка были бы зашунтированы высоким безиндуктивным сопротивлением для устранения возможного искрения, которое может привести к ложному срабатыванию когерера.

Настройка различных схем и частей аппаратуры, описанной выше, как правило, считается трудным делом, но если отнестись к настройке систематически, то выполнить её довольно просто. Оператор должен поступить следующим образом: во-первых, с помощью регулировочного винта установите магнит молоточка настолько далеко от своей арматуры, насколько это возможно, а затем отрегулируйте ручку молоточка так, что бы она находилась на расстоянии около одного миллиметра от когерера.

Рис. 3. Декогерер Маркони.

Далее вращайте регулировочный винт реле, что бы цепь замкнулась, а затем медленно поверните его в обратном направлении до тех пор, пока цепь не разомкнётся. Теперь передайте какой-нибудь текст с помощью зуммера (зуммер - это небольшой прерыватель, работающий от батарейки и генерирующий слабые электрические колебания), и одновременно с этим сближайте магнит молоточка с его арматурой до тех пор, пока удары не достигнут достаточной силы, что бы можно было чётко принимать сигналы азбуки Морзе.

Если удары слишком слабые, то принимаемые сигналы будут сливаться, а если удары слишком сильные, то они будут разрывать сигналы, то есть тире будет выглядеть как ряд точек. Весь аппарат, описанный выше, за исключением самописца, заключён в металлический ящик, что предотвращает повреждение когерера мощными сигналами, которые возникают в цепях при работе передатчика.

Когерер Лоджа-Муирхеда

Это когерер, который может быть использован как с телефоном, так и с самописцем, устроен следующим образом: маленькая металлическая чашка (рис. 4) содержит шарик ртути, на котором расположена небольшая капля масла, образующая бесконечно тонкую изолирующую плёнку над ним. Над шариком ртути расположен маленький железный диск с острым краем, этот диск медленно поворачивается. С помощью регулировочного винта нижний край диска опускается до соприкосновения с плёнкой масла на поверхности ртути, но если давление при этом не слишком велико, то повреждения плёнки масла не происходит. Последовательно с когерером включены гальванический элемент и головные телефоны или самописец. При прохождении электрического сигнала по цепи в результате пробоя тонкой плёнки изоляции когерер переходит в проводящее состояние и в результате ток гальванического элемента активизирует головные телефоны или самописец. Этот тип когереров восстанавливается сам и для него не требуется встряхивание.

Электролитический детектор

Этот детектор состоит из платиновой чашки с раствором разбавленной кислоты. Чашка является одним электродом, другой электрод состоит из проволоки Волластона (это платиновая проволока, с толщиной менее 0,01 мм, покрытая серебром), запечатанной в стеклянную трубку, которую чуть-чуть погружают в раствор так, что бы там оказался самый кончик проволоки Волластона. Подключение к проводам осуществляется при помощи металлической трубы, в которой установлены электроды. Детектор последовательно с высокоомными телефонами подключается к подвижному контакту потенциометра, крайние выводы которого соединены с батареей питания. Небольшой ток, который проходит через детектор, поляризует его - на электродах образуется газ, в результате чего сопротивление детектора увеличивается. Если теперь устройство подвергнуть чередованию небольших потенциалов и токов, поступающих из приёмной цепи, то под воздействием электрических колебаний произойдёт деполяризация и сопротивление электролитической ячейки упадёт, через телефоны будет проходить небольшой ток, слышимый оператором. После окончания прохождения сигнала по цепи батарея снова поляризует ячейку, то есть устройство самовосстанавливается. Чтобы отрегулировать ячейку, небольшой электрод вставляется в держатель и его кончик погружают в электролит, ручку потенциометра вращают до тех пор, пока в наушниках не появится шипящий звук, затем ручку вращают в обратном направлении, пока шум не прекратиться. В этой точке детектор имеет наибольшую чувствительность.

Рис. 5. Электрод с проволокой Волластона.

Рис. 6. Электролитический детектор.

Этот тип детектора широко применяется и является очень чувствительным и надёжным. Однако было обнаружено, что сильные атмосферные помехи временно снижают чувствительность устройства, но ненадолго, так как когерер самовосстанавливается через несколько секунд. Восстановление может быть ускорено путём кратковременного повышения напряжения на клеммах, это можно сделать если немного покрутить ручку потенциометра.

На рисунке рисунке 5 изображён электрод с проволокой Волластона, а на рисунке 6 показан способ подключения детектора к батарее и потенциометру.

Карборудный детектор

Карборундный детектор очень прост в изготовлении, его конструкция состоит из небольшого кристалла карборунда, помещённого между двумя медными пружинами. Он работает в силу того, что карбид кремния имеет свойство, называемое односторонней проводимостью. Предположим, что кристалл карборунда соединён последовательно с батареей и гальванометром, измерим величину тока, протекающего по цепи, теперь поменяем полярность подключения батареи и снова измерим ток. Мы обнаружим, что величина тока в обоих измерениях сильно отличаются, хотя ЭДС батареи осталась неизменной. Это показывает, что для токов идущих в одном направлении карборунд имеет очень высокое сопротивление и является практически изолятором, а для токов, идущих в обратном направлении карборунд является сравнительно хорошим проводником. Следовательно, кристалл карборунда может работать в качестве выпрямителя и преобразовывать колебания или переменный ток в постоянный. Кроме карборуна многие кристаллы имеют свойства односторонней проводимости, хотя и менее выраженные.

Было также обнаружено, что при при одних напряжениях односторонняя проводимость кристалла больше, чем при других, и на практике для этого на кристалл подают напряжение от батареи через потенциометр. Этот детектор является достаточно чувствительным и надёжным, и широко используется в Соединённых Штатах Америки.

Лампа Флеминга

Рис. 7. Лампа Флеминга и её включение в схему.

Ламповый детектор Флеминга состоит из лампы с углеродной или вольфрамовой нитью накала, в колбу лампы помещена металлическая пластина, изолированная от накальной нити, и соединённая с проводником, вывод которого проходит через стеклянную стенку лампы наружу и является третьим электродом. Если нить накаливания раскалить путём подключения к её выводам подходящей батареи питания, то пространство между нитью и изолированной пластиной будет обладать односторонней проводимостью, и если теперь лампу включить в схему, в которой присутствует переменный ток, то из-за выпрямительных свойств лампы переменный ток будет преобразован в однонаправленный ток, который можно будет услышать в телефонной трубке. Выпрямительная лампа изображена на рисунке 7, на этом же рисунке так же показан способ включения лампы в схему.

Термоэлектрический детектор

Если место контакта между двумя разнородными металлами, входящих в замкнутый контур, нагреть, то в цепи появится ток. Например, возьмём кусочек висмута и немного сурьмы, соединим их между собой и подключим к их свободных концам подходящий гальванометр и мы увидим, что если место контакта нагревается до более высокой температуры, чем остальные части схемы, то ток будет течь от висмута в сторону сурьмы, величина тока будет пропорциональна разнице температур между горячей и холодной частями соединения. В почти любом учебнике по электротехнике есть таблица, показывающая термоэлектрический ряд металлов и их термоэлектрические потенциалы или ЭДС на один градус Цельсия при использовании в паре со свинцом. Например, предположим, мы создали пару теллур-свинец и нагрели её на 1 градус по Цельсию выше холодной части схемы, при этом появится ЭДС величиной около 500 микровольт.

Было обнаружено, что некоторые из металлических сульфидов, например, галенит, имеют очень существенные теплоэлектрические свойства, и поэтому галенит обычно является одним из элементов термопары, используемой в качестве детектора для беспроводной телеграфии.

Рис. 8. Термоэлектрический детектор.

Двумя очень эффективными комбинациями являются пары галенит-графит или галенит-теллур, причём обе пары имеют высокую чувствительность. Конструкция такого детектора показана на рисунке 8. Кристалл галенита припаян к держателю сплавом Вуда (этот металл плавится в кипящей воде), графит можно взять из любого достаточно жёсткого карандаша, очень удобны продающиеся сменные грифели для карандашей.

Нажим регулируют с помощью небольшого винтика. Являясь токовым устройством, в схеме термоспай подключается последовательно с конденсатором, и при наличии высокочастотных колебаний в цепи термоспай нагревается и в результате образуется небольшая разность потенциалов, которая и заряжает конденсатор, который затем разряжается через головные телефоны.

С хорошим кристаллом галенита детектора работает очень стабильно, но прохождение сильных атмосферных помех иногда выводит его из строя, очевидно этот детектор ведёт себя как когерер и поверхности электродов слегка свариваются вместе. Если контакт графит-галенит временно разъединить, а затем вернуть в прежнее положение, то чувствительность детектора полностью восстанавливается.

Магнитный детектор

Магнитный детектор Маркони состоит из бесконечной ленты, которая содержит 70 нитей железной проволоки №40 (0,08 мм), покрытой шёлком. Лента проходит через два шкива, которые приводятся во вращение часовым механизмом, и в какой-то момент каждая точка ленты проходит через стеклянную трубку, на которую намотан медный провод №36 (0,13 мм) в шёлковой изоляции, длина обмотки около двух сантиметров. Это первичная обмотка, к её концам подсоединены клеммы. Над этой обмоткой помещена катушка со вторичной обмоткой, намотанная тем же проводом, сопротивление обмотки составляет 140 Ом, концы обмотки подсоединены к клеммам, к которым подключаются головные телефоны. Над катушками размещаются два подковообразных магнита с одноимёнными полюсами, расположенными рядом, как показано на рисунке 9-1. Принцип работы детектора основан на том, что электрические колебания могут влиять на магнитный гистерезис железа. Рисунок 9-2, возможно, поможет разобраться в принципе работы детектора. Предположим, что кусок мягкого железа от трансформатора переменного тока подвергается намагничиванию силой Н, которая вначале увеличивается до максимума, затем опускается до нуля, далее достигает отрицательного максимума и снова снижается до нуля, мы обнаружим, что если на одной оси графика откладывать величину намагничивающей силы Н, а по другой оси - плотность силовых линий В, то кривая примет вид, показанный на рис. 9. Начиная с нуля, если намагничивающая сила постепенно увеличивается до максимума и если мы будем отмечать величину плотности потока для каждого приращения намагничивающей силы, то получаем кривую 0, 1. Если же сила снизилась до нуля, то кривая не вернётся обратно в исходную позицию, но будет следовать в направлении 1, 2, и если теперь железо подвергнуть действию намагничивающей силы обратной полярности, то кривая займёт положение 2, 3, 4, 5. Таким образом видно, что магнитное воздействие на железо из-за гистерезиса отстаёт от намагничивающей силы, и что после намагничивания железо сохраняет свой магнетизм в течение некоторого времени после действия намагничивающей силы. Именно это отставание и нейтрализуют электрические колебания, проходящие через первичную обмотку.

Рис. 9-1.

Рассмотрим теперь сам магнитный детектор. Лента из мягкого железа, проходящая перед полюсами двух постоянных магнитов, и по мере того, как каждая часть ленты проходит перед этими полюсами, она намагничивается и под действием часового механизма эти намагниченные части движутся далее. Если теперь электрические колебания пройдут через первичную обмотку, то гистерезис ленты исчезнет и та намагниченная часть ленты, которая вышла из поля магнита, размагнитится и произойдёт перераспределение силовых линий через вторую обмотку, что приведёт к возникновению в ней тока, а поскольку головные телефоны соединены со вторичной обмоткой, то и в них будет протекать этот ток, который можно будет услышать.

Рис. 9-2.

На Рисунке 10 показан аппарат производства компании Маркони, здесь видно, что имеется два набора катушек и магнитов, а часовой механизм и подвижная металлическая лента являются общими для них. В случае выхода из строя детектора на одной стороне можно будет легко переключиться на другую сторону. С левой стороны прибора находится заводной ключ и ключ для включения или остановки, регулировочный винт справа наверху предназначен для регулирования натяжения подвижной железной ленты.

Рис. 10. Магнитный детектор Маркони (со снятой крышкой) и телефонный конденсатор

На Рисунке 11 изображена схема детектора и показаны магниты в положении наибольшей чувствительности, то есть с одноимёнными полюсами друг к другу. Хотя в этом положении система очень чувствительна, но шум, иногда слышимый в телефонах, очень мешает при приёме слабых сигналов.

Рис. 11.

Рис. 12.

Этот недостаток может быть преодолён путём размещения магнитов, как показано на рисунке 12, при этом магниты расположены противоположными полюсами друг к другу, и кроме того, край одного из магнитов находится чуть выше края другого путём отодвигания магнита от ленты, лучшее положение находится экспериментально. Магниты, используемые в этом детекторе, с одной стороны ярко отполированы, а с другой зачернены. Когда обе отполированные или зачернённые стороны находятся спереди, то магниты будут повёрнуты друг к другу одноимёнными полюсами, когда же спереди находится одна отполированная и одна зачернённая стороны, то магниты будут расположены друг к другу разноимёнными полюсами. Практическое использование этого детектора зарекомендовало его высокую надёжность. Он также имеет хорошую чувствительность и практически не требует никакого ухода кроме периодической подзаводки. Именно магнитный детектор Маркони был установлен на затонувшем лайнере "Титаник".

Телефонные трубки

Телефонные трубки для приёма беспроводных сообщений по существу не отличаются от обычных коммерческих. Отличие имеется только в незначительных деталях конструкции. Как известно, телефонная трубка в основном состоит из постоянного подковообразного магнита, на полюсах которых установлено расширение из мягкого железа, на которые установлены катушки с обмотками из изолированной медной проволоки, эти две катушки соединены последовательно, и концы обмоток подключены к клеммам. Непосредственно перед полюсами, близко к ним, расположен гибкий диск (мембрана) из мягкого железа, закреплённый жёстко по краям. На рисунке 13 конструкция показана наглядно. Две такие телефонные трубки, соединённые последовательно и прикреплённые к соединительной дуге, образуют головные телефоны (наушники). Телефоны, как правило, применяются в схемах с высокоомным детектором, их эффективность зависит от ампер-витков, обычно их обмотки имеют гораздо более высокое сопротивление, чем у обычных коммерческих телефонов, сопротивление обмоток может находиться в пределах от 500 Ом до 5 кОм и зависит от типа схемы, в которой они будут использоваться. Поскольку медным проводом в шёлковой или бумажной изоляции было бы невозможно получить необходимое количество витков в небольшом пространстве катушек, то катушки намотаны медным эмалированным проводом, который занимает гораздо меньше места.

Рис. 13. Устройство телефонной трубки.

Телефонные трубки признаны одним из самых чувствительных приборов из когда-либо изобретённых для определения наличия электрического тока, о их чувствительности можно судить по тому, что прерывистый ток величиной всего несколько микроампер производит легко слышимый в трубках звук. Громкость звука, однако, зависит не только от величины тока, но и от его частоты. Было установлено, что телефонная трубка имеет максимальную чувствительность на частотах, лежащих между 600 и 1000 Гц. Это, несомненно, связано с тем, что собственная частота мембраны примерно такого же порядка, а также, возможно, играет роль тот факт, что человеческое ухо лучше всего воспринимает звуки, лежащие на этих частотах.

В. Марчант

BACK