Слоненок становится слоном

Прежде чем говорить об усилении слабых сигналов в приемнике, несколько слов о самом слове усиление. Различные производные от него — усиленный, усилитель, усилительный — широко применяются в радиоэлектронике. Эти слова всегда правильно отражают результат ряда физических процессов, но почти никогда не раскрывают их сущность. Непонятно? Попробуем пояснить.

В последнее время ваша любимая футбольная команда «Шайба» вписывает в свою турнирную таблицу один ноль за другим. Ее нападающие никак не могут прорваться к штрафной площадке противника, вратарь, словно нарочно, бросается в сторону от летящего мяча, ну а защитники… Одним словом, команда стала играть слабо, и болельщиков мучает одна мысль, как укрепить команду, как улучшить игру.

Из всех высказанных по этому поводу предложений остановимся на двух. Первое— ввести регулярные круглогодичные тренировки и занятия по тактике футбола, повысить физическую подготовку игроков. Результат — усиление команды.

Второе предложение — тренера сменить, команду расформировать, или, проще говоря, разогнать, пригласить новых, более сильных игроков. Результат — усиление команды. Правда, во втором случае фактически произойдет не усиление, а простая замена. Но это уже «физическая сущность», которая в данном случае болельщиков не интересует. На этот раз важен только результат — ваша команда с обычным количеством игроков (11 человек) в обычной форме (полосатые майки, фиолетовые трусы) и занимающая в турнирной таблице свое обычное место (последнее) вдруг стала играть сильнее. Разве это не усиление команды?

Примерно в том же смысле применяется слово усиление и в радиоэлектронике. Если у нас был слабый электрический сигнал, а затем по его образу был создан более мощный, то мы говорим: произошло усиление сигнала, хотя правильней было бы говорить о замене. Самым сложным здесь так же, как и в футболе, является процесс создания «мощной копии» усиливаемого сигнала. Именно с этим процессом мы сейчас познакомимся.

Начнем с наиболее простого случая — с усиления телеграфных сигналов. Для этой цели можно использовать такое сравнительно простое устройство, как электромагнитное реле (рис. 33, а). Его основой является электромагнит — катушка со стальным сердечником. Если по катушке проходит ток, сердечник сильно намагничивается и притягивает к себе подвижную пластинку — якорь, также сделанную из стали. Когда же ток прекратится, магнитное поле исчезнет, и якорь под действием пружины вернется в исходное положение. Переходя из одного крайнего положения в другое («притянут — отпущен»), якорь, подобно обычному выключателю, замыкает либо размыкает контакты (3, 4), расположенные на специальной изоляционной пластинке.

Распространенные типы простых реле срабатывают при токе в несколько миллиампер и напряжении около одного вольта, то есть при мощности сигнала во много раз меньше ватта. В то же время контакты реле обычно могут осуществлять переключение в цепях с довольно большим током (несколько ампер) и напряжением (несколько десятков вольт). Предельные величины в данном случае лимитируются в основном одним соображением — контакты не должны подгорать. Схема, иллюстрирующая усиление телеграфных сигналов с помощью реле, может быть предельно простой (рис. 33, б).

Последовательно с катушкой электромагнита включим телеграфный ключ и обычную батарейку, а контакты реле введем в цепь, состоящую из автомобильного аккумулятора и лампочки мощностью в несколько десятков ватт. Вот и все. Теперь попробуйте нажимать на ключ в соответствии с азбукой Морзе. При этом во входной цепи нашего усилителя, то есть в цепи катушки реле, появится тот сигнал, который нужно усилить, — возникнут слабые импульсы (толчки) тока, по длительности соответствующие точкам и тире. Под действием этих импульсов будет притягиваться якорь реле, будут замыкаться его контакты, и появятся точки и тире в виде сильных импульсов тока в выходной цепи, то есть в цепи аккумулятора. Эти сильные импульсы не что иное, как нужная нам «мощная копия» слабого телеграфного сигнала.

Итак, простейшая задача усиления решена. Что же потребовалось нам для этого? Во-первых, нужно было иметь сам сигнал — его мы получили с помощью батарейки и телеграфного ключа. Нельзя было обойтись и без источника энергии для создания «мощной копии», то есть без автомобильного аккумулятора. А для того, чтобы этот источник давал энергию не в виде постоянного тока, как обычно, а в виде нужных нам точек и тире, понадобилось еще одно, так называемое управляющее устройство — в нашем случае реле. Именно оно замыкало и размыкало цепь аккумулятора, заставляя его копировать точки и тире входного сигнала.

Следует упомянуть еще об одном элементе рассмотренной схемы — о лампочке в выходной цепи. В данном случае лампочка — это та нагрузка, где «работает» наша «мощная копия». Конечно, такая нагрузка взята лишь для простоты, хотя усилительная система, с которой мы познакомились, может найти и практическое применение, например, для передачи световых сигналов с корабля на берег. Наша схема могла бы работать и с другой нагрузкой, например, с какой-нибудь специальной электрической ручкой, которая записывала бы точки и тире на движущейся бумажной ленте.

Подведем итог. Для усиления слабых электрических сигналов необходимо иметь достаточно мощный источник энергии, управляющий элемент и, конечно, усиливаемый сигнал. Кроме того, если мы хотим использовать полученную «мощную копню», то есть усиленный сигнал, необходима нагрузка. Все эти элементы обязательно имеются в любых усилителях, в том числе и во всех усилителях приемника. Но здесь, конечно, электромагнитное реле в качестве управляющего устройства работать не может. Мы не будем разбирать всех причин этого. Достаточно одной.

В радиовещательном приемнике до детектора действует модулированное переменное напряжение высокой частоты, после детектора — переменное напряжение низкой частоты, но в обоих случаях это непрерывно изменяющиеся сигналы, которые могут иметь множество самых различных значений. Прежде всего этим они и отличаются от телеграфных сигналов, которые изменяются скачкообразно и могут иметь лишь два значения — нулевое и максимальное. С усилением телеграфных сигналов реле справляется прекрасно, здесь вполне хватает его «квалификации» — умения включать и выключать.

Ну, а что будет, если пропустить через обмотку реле низкочастотный ток сложной формы, например ток, протекающий в микрофонной цепи во время телефонного разговора?

В некоторые моменты времени, при достаточно сильном токе реле будет срабатывать, а на все остальные изменения тока реагировать вообще не будет. Подключив к контактам такого реле источник тока и нагрузку, мы получим в се цепи лишь беспорядочные прямоугольные импульсы различной длительности, которые в телефоне будут создавать неприятные щелчки. Это уже не точная копня, а какой-то абстрактный портрет нашего сложного усиливаемого сигнала.

Иногда, когда хотят в шутливой форме описать работу усилителя, говорят, что он действительно делает из мухи слона. Что касается чистой энергетики, то это удачное сравнение — реальный усилитель может в сотни и тысячи раз повысить мощность сигнала. Что же касается формы, то есть характера изменения сигнала, то здесь приведенная поговорка указывает на то, чего ни в коем случае не должно быть. В процессе усиления необходимо в точности сохранить форму сигнала, иначе вместо играющей в студии скрипки мы услышим тромбон. Образно говоря, большой слон должен получиться не из мухи, а из маленького слоненка — копия должна быть похожей на оригинал.

Для усиления плавно изменяющихся сигналов, что для этого прежде всего нужно найти устройство, которое позволило бы плавно и с достаточной быстротой управлять электрическим током, подобно тому, как легко и плавно нажимая на педали, мы управляем работой мощного автомобильного двигателя или железной рукой гигантского подъемного крана.