Посвящение в радиоэлектронику - Страница 5

Попробуйте отвернуть водопроводный кран и пустить холодную воду. Поворачиваем ручку крана, и из него льется струя холодной воды. Разве мы потратили много сил и энергии на поворот крана? Вовсе нет, а струя тем не менее сильная. А если мы откроем ворота шлюза в плотине? Хлынет вода, она приведет в действие гидроагрегат, и тысячи киловатт электроэнергии поступят в единую энергетическую сеть страны. Разве это мы затратили столько энергии? Вовсе нет, мы просто управляли шлюзом.

Водитель тяжелого грузовика слегка нажимает педаль акселератора, и многотонная махина резко набирает скорость. Не водитель же ее двигает! Разумеется, двигатель, водитель только управляет. Вы сами можете придумать тысячи примеров непосредственного управления — управления в его простейшем виде.

В школьном курсе физики изучают устройство радиолампы — катод, анод, управляющая сетка… Стоп! Опять управление! Кстати, если английское слово valve — лампа перевести дословно, то получим «клапан» или «кран».

Электронный клапан — триод.

Чем же этот «кран» управляет? Не потоком воды, разумеется, а потоком электронов. Накаленный катод лампы испускает электроны. В любом проводнике, а хорошим проводником электрического тока являются металлы, имеется так называемый электронный газ — множество свободных отрицательных электрических зарядов — электронов. Атомы металла объединены в общей кристаллической структуре твердого тела, причем внешние электроны атомов, слабее всех связанные со своим «родным» ядром, получают возможность переходить от атома к атому, т. е. блуждать по всему металлу, как киплинговская кошка, которая «гуляла сама по себе». Но покинуть металл электроны не могут, потому что они несут отрицательный заряд. Заряд одного электрона весьма мал, е = 1,6-10^-19 Кл. Тем не менее, если один электрон вырвется из металла, металл приобретет точно такой же по величине положительный заряд. Заряды противоположных знаков притягиваются (обратите внимание, как часто в жизни даже противоположные характеры тянутся друг к другу), и эти силы притяжения как бы втягивают электрон обратно в металл. Работа, которая требуется, чтобы удалить один электрон из металла, называется работой выхода. У разных металлов она разная, поэтому катод радиолампы стараются изготовить из металла с наименьшей работой выхода, например бария. Ну а если такой металл механически недостаточно прочен, его напыляют на более жесткий и тугоплавкий материал катода, обычно вольфрам. Когда катод разогревается током, проходящим по нити накала, до светло-красного каления, электроны в катоде двигаются быстрее. Они участвуют в тепловом движении — как бы сутолоке атомов, молекул, образующих нагретое вещество.

Пока вещество не расплавилось от нагрева, атомы остаются на своих местах в кристаллической решетке, они лишь колеблются все быстрее и быстрее. А вот электронам приходится туго. Как легкие мячики, их швыряют от атома к атому. И при достаточно сильном броске электрон приобретает кинетическую энергию, достаточную для совершения работы выхода. Таким образом, когда кинетическая энергия теплового движения электронов, пропорциональная температуре катода, становится сравнимой с работой выхода, происходит термоэлектронная эмиссия-излучение электронов нагретым катодом.

Термоэлектронная эмиссия.

Анод, заряженный положительно, притягивает и собирает вылетевшие из катода электроны. Несмотря на то, что в баллоне лампы глубокий вакуум, а катод и анод изолированы друг от друга, между этими электродами появляется электрический ток — направленное движение электронов, носителей заряда. Управляющая сетка, помещенная между катодом и анодом, служит тем самым «шлюзом», или «краном». Если сетка заряжена отрицательно по отношению к катоду, она отталкивает электроны, не пропуская их к аноду. По мере уменьшения отрицательного потенциала сетки все большая часть наиболее «шустрых» электронов (обладающих максимальной скоростью) проникает сквозь нее и попадает на анод. Анодный ток при этом увеличивается. При нулевом потенциале сетки почти все электроны достигают анода и анодный ток стремится к максимальному значению.

На сетке большое отрицательное напряжение.

Так действует электронная лампа — подобно вентилю, регулирующему поток воды из крана. Главным достоинством электронной лампы по сравнению с любыми другими вентилями и кранами является исключительно высокое быстродействие. Процесс включения и выключения анодного тока у современных ламп может длиться всего 10^-9 с, или 1 нс. Благодаря столь высокому быстродействию электронные лампы пригодны для усиления и генерирования колебаний очень высокой частоты, а также для создания быстродействующих управляющих, логических и вычислительных устройств. Правда, в последних из перечисленных областей применения электронные лампы практически полностью вытеснены полупроводниковыми элементами. Тем не менее с помощью электронной лампы можно проиллюстрировать процесс управления, поэтому мы рассмотрели ее так подробно.

Напряжение на сетке близко у нулю.

«Капитан взмахнул платком, наколотым на острие шпаги, и канониры тут же поднесли горящие фитили к запальным отверстиям пушек. Борт фрегата окутался густым пороховым дымом, а когда дым рассеялся под порывом свежего северо-западного ветра, люди с преследуемого галиона увидели «Веселый Роджер», взвившийся к ноку бизань-рея фрегата». Нам сейчас неважно, откуда взят этот отрывок, обратите внимание лишь на то, что капитан фрегата сам не прикасался к фитилям, не стрелял из пушек, он только взмахнул платком. И этот взмах послужил сигналом к выстрелу.

Управлял ли капитан атакой? Безусловно! Но управление происходило путем сигнализации, что очень существенно. Сигнализация может быть и многозвенной. Например, взмах платка на шпаге капитана видели только командиры батарей, они устно отдавали приказ канонирам (тоже сигнал), а те уже стреляли.

Один из способов сигнализации.

«Пушки с пристани палят, кораблю пристать велят». Разумеется, вы знаете, откуда эта строка. Здесь все происходило наоборот — выстрел пушки послужил сигналом к повороту корабля и предпринятого ряда действий для его швартовки у пристани. Здесь ясно усматривается управление кораблем посредством сигнализации. Классический пример передачи сигналов — костры на сторожевых башнях, зажигавшиеся при приближении неприятеля. Этот примитивный световой телеграф был очень распространенным средством связи и в древней Осетии, и на Руси, и в Литве и во многих других местах. Существенным недостатком такого телеграфа было лишь то, что днем его эффективность резко падала. Днем приходилось переходить на другой вид сигналов: либо разводить густой дым, либо махать с башни уже не платками, а большими флагами.

Кстати, флажный семафор на флотах с успехом просуществовал долгое время. Скорость передачи сообщений с помощью костров на башнях была удивительно велика, например для передачи сообщения вдоль всего балийского побережья требовалось менее часа. Ну а где же здесь управление? Да на всех этапах процесса передачи: маленькая искра, высеченная кремнем, управляла зажиганием большого огня костра, свет одного костра управлял зажиганием другого, и, наконец, свет последнего костра управлял, говоря современным языком, мобилизацией войск.