6-31. Потери при транспорте
Предположим, что изобретатель транспортировки различных зерен в виде смеси без упаковки добился все- таки осуществления своей идеи.
И вот поток маково-гречнево-фасольной смеси двинулся из одного склада в другой. И, о ужас! В пути поток зерновой смеси становится все слабее и реже. Транспортер оказался с утечкой. Зерно по мере продвижения от пункта отправки к пункту назначения теряется, пропадает. Поток зерновой смеси тает, затухает.
Тогда изобретатель, не теряясь, предлагает новое усовершенствование: делается промежуточная станция, собирается все, что осталось от первоначального мощного потока зерновой смеси, эти остатки засеваются. Собирается урожай, который должен в несколько раз превысить количество посеянного материала. Все собранное зерно отправляется дальше по транспортеру.
Когда же и этот вторичный поток значительно рассеется и ослабеет в пути, операция засева остатков повторяется. А весь сбор урожая отправляется дальше.
6-32. Потери в линиях связи
Электрические токи в пути по длинной линии неизбежно слабеют и затухают. Проводники линии всегда обладают сопротивлением (омическим, активным сопротивлением). Проводники нагреваются, когда по ним проходит электрический ток. На этот нагрев расходуется мощность. Нагрев может быть незначительный, ничтожные доли градуса. Но если линия длинная, то токи все слабеют и мощность их в конце концов становится очень малой.
Второй источник потерь — это несовершенная изоляция между проводниками линии. Даже воздух не является идеальной изоляцией. Еще менее совершенны любые твердые и жидкие изоляторы. Между проводниками линии всегда существуют токи утечки, они вызывают выделение тепла в изоляции, вызывают поглощение мощности.
Для токов разной частоты проводники линии имеют разное активное сопротивление. А именно — чем выше частота тока, тем сильнее концентрируется ток в тонком поверхностном слое проводника. И чем неравномернее распределен ток в проводнике, тем большая часть его энергии теряется на единицу длины проводника.
Рис. 6-25. Зависимость затухания от частоты тока для силового кабеля на напряжение 6,6 кВ.
И потери в изоляции между проводами линии также растут с частотой тока. Для токов низких частот многие материалы являются хорошими изоляторами. Для токов же высоких частот в этих материалах велики потери.
Поэтому чем выше частота тока, тем больше его затухание в линии (рис. 6-25).
Так, в щелястом транспортере раньше и легче всего теряются в пути мелкие составляющие. Сначала раструсятся в пути маковые зерна, потом гречневые, а позже всего крупные бобы.
Процентный состав смеси меняется в пути.
Когда по длинной линии связи передаются токи телефонного разговора, то составляющие более высоких частот затухают скорее. Человеческая речь становится глухой, неразборчивой.
Затухание в длинной линии происходит по закону геометрической прогрессии. Распространяясь по среднего качества двухпроводной линии из стальных проводов, переменный ток с частотой 800 Гц (это средняя звуковая частота) теряет половину своей мощности на длине 20 км. На следующих 20 км он потеряет еще половину от оставшейся половины. Через 200 км останется меньше одной тысячной от начальной мощности. А еще через 200 км останется меньше одной миллионной.
Существуют специальные единицы для затухания (рис. 6-26). Одна из них названа «бел». Один бел — это затухание, которое уменьшает начальную мощность в 10 раз. Так как мощность пропорциональна квадрату силы тока или напряжения, то затухание в один бел уменьшает ток или напряжение в √10≈3,15 раза. Бел — крупная единица затухания, часто применяется одна десятая ее часть, один децибел, он обозначается дб. Это затухание соответствует изменению мощности в 1,25 раза и изменению тока или напряжения в 1,12 раза.
Другая единица затухания, которая также часто применяется, это непер (неп). Непер соответствует ослаблению тока или напряжения в 2,7 раза (основание натуральных, или, как их еще иногда называют, неперовых логарифмов) и, следовательно, ослаблению мощности в 2,72 = 7,3 раза. 1 неп = 8,7 дб.
При нормальной громкости разговора обычный телефонный аппарат с угольным микрофоном развивает мощность около одной тысячной ватта. В проводной связи с этой мощностью часто сравнивают всякие другие мощности. Одну тысячную ватта принимают за нулевой уровень. Нормальное человеческое ухо может еще разобрать разговор, когда к телефону среднего качества подходит мощность в одну миллионную ватта, т. е. в одну тысячную нулевого уровня.
Между двумя нормальными телефонными аппаратами допустимо, следовательно, ослабление в тысячу раз, т. е. затухание примерно в 3,5 неп.
Рис. 6-26. График для пересчета отношений мощностей, токов и напряжений в единицы затухания.
По нижней горизонтальной оси отложены децибелы, по верхней горизонтальной оси неперы. По вертикальной оси отложены отношения токов, напряжений и мощностей.
В самой лучшей линии из медных 4-миллиметровых проводов такое затухание будет на длине 1200 км. Но так как затухание существует еще и в самих аппаратах в соединительных станционных устройствах, то практическая дальность связи на хорошей линии не превышает 500 км.
Страшная штука — затухание по геометрической прогрессии. Чтобы получить миллионную ватта на приемном конце линии длиной 7 тыс. км (это меньше расстояния от Москвы до Хабаровска), к началу этой линии надо бы подвести мощность в миллиард киловатт — больше, чем мощность всех электростанций на земном шаре.
Радиоволны и лучи света в пространстве без потерь слабеют пропорционально квадрату расстояния от излучателя. На малых расстояниях этот закон дает более быстрое падение принимаемой мощности, нежели закон геометрической прогрессии — логарифмический закон. На малые расстояния очень выгодно передавать по проводам. Но на больших расстояниях мощность в проводе слабеет куда быстрее, нежели мощность в луче.
6-33. Усиление и борьба с потерями
За счет энергии солнечных лучей, за счет питательных веществ, находящихся в почве, вырастает богатый урожай из малого количества посевного материала. Это есть усиление. Из одного зерна возникает множество ему подобных. На опытной базе Академии сельскохозяйственных наук одно семечко проса дало 26 157 зерен.
Усилителем можно назвать всякую систему, где малые силы управляют большими, формируют эти большие силы по своему подобию.
Первые паровые машины, которые строились два века тому назад, — это были примитивные усилители. Приставленный к машине рабочий то открывал кран на трубе от котла к паровому цилиндру, то запирал его и выпускал пар в холодильник. Поршень повторял (усиливал) движения рабочего. (Позже был придуман золотник, механически соединенный с поршнем, и паровая машина превратилась в генератор с самовозбуждением.)
Паровые усилители имели много важных практических применений. На больших судах, чтобы переложить с борта на борт тяжелый руль, нужна мощность в десятки лошадиных сил. Штурвальный поворачивает легкое колесо, направляя потоки пара то по одной, то по другой трубе, и паровая машина ведет руль вправо или влево, точно следя за штурвальным колесом. В прошлом веке эту машину сравнивали с рабом, повинующимся команде. По-латыни раб — сервус. Отсюда возникли термины «сервомашина», «сервопривод», «серводвигатель».
Можно назвать усилителем и паровой молот. Многотонный боек взлетает вверх и обрушивается на наковальню, следуя за движениями легкого рычага, управляемого рукой кузнеца.
В последние годы молоты вместо пара часто приводят в действие сжатым воздухом. Такой молот — это пневматический усилитель. Привод сжатым воздухом применяется в мощных высоковольтных выключателях. Небольшой электромагнит, потребляющий несколько ватт, открывает путь воздушному потоку, который развивает в рабочем цилиндре мощность в несколько киловатт. Пневматические усилители применяются для управления рулями самолетов и еще во многих других случаях.
С древних времен можно вести историю гидравлических усилителей. Заслонка в лотке мельничного водяного колеса — это прообраз гидравлических усилительных устройств. На современных металлообрабатывающих станках, например, на шлифовальных, на копировальнофрезерных, обрабатываемое изделие и суппорты с рабочими инструментами движутся гидравлическими цилиндрами. Масляный насос создает давление в резервуаре. Золотники управляют подачей масла в рабочие цилиндры. Повинуясь движению маломощного датчика, тяжелый массивный суппорт движется вверх — вниз, вправо — влево, повторяя форму, которую надо вырезать в обрабатываемом металле. Гидравлический усилитель работает с высокой точностью.
Электротехника вооружила промышленность и науку множеством весьма совершенных усилителей. Самый старый из них — это электромашинный. Если вращать якорь машины с постоянной скоростью и изменять ток в обмотках возбуждения машины, то отдаваемая машиной мощность будет следовать за изменениями тока возбуждения.
Рис. 6-27. Водоналивное колесо.
Из книги Георгия Агрикола «О металлургическом искусстве» (1556 г.). По его свидетельству, подобные колеса применялись для подъема воды из шахт: «Машинист стоит в подвесной будке около резервуара. Он управляет заслонками бака и направляет струи воды, чтобы вращать колесо то в одном, то в другом направлении. Когда же ему не удается вовремя закрыть отверстие бака и тем самым остановить воду, он велит своему помощнику прижать поднятую тормозную колодку ко второму барабану и таким образом остановить колесо».
Эта машина — далекий предшественник современных сервомеханизмов, современных гидравлических усилительных систем.
Можно построить специальную машину, которая довольствуется малым током возбуждения, а в якоре создается вспомогательный поперечный магнитный поток, усиливающий действие первичного потока возбуждения. Подобные машины стали применяться в промышленной практике незадолго до Отечественной войны. Они сначала получили неудачное название амплидины (от латинского слова — усиливать).
Рис. 6-28. Принципиальные схемы электромашинного усилителя.
Управляющий ток поступает в обмотку У. При вращении якоря возникает ток в цепи короткозамкнутых щеток 1—1'. Сила этого тока пропорциональна силе управляющего тока. Ток короткозамкнутой цепи возбуждает в якоре напряжение, снимаемое второй парой щеток 2—2'. В — выходные зажимы, К — компенсационная обмотка. Машина на левой схеме снабжена еще дополнительными компенсационными обмотками C1 и С2.
Машина с поперечным полем представляет собой как бы двухкаскадную усилительную систему. Первый каскад — от обмотки управления до короткозамкнутых щеток. Второй — от короткозамкнутых щеток до выходных.
С помощью электромашинных усилителей управляют передвижением электродов в мощных дуговых печах, управляют сложными электроприводами (например, на прокатных станах). Электромашинные усилители дают усиление мощности до 10 000 раз.
Существенные применения получили магнитные усилители. Они устроены так: на стальном сердечнике помещены две обмотки. Через одну пропускается переменный ток, а другая, управляющая обмотка обтекается постоянным током. Он создает в стальном сердечнике подмагничивание. Как было сказано во второй главе, магнитная проницаемость стали сильно зависит от пронизывающего ее магнитного потока. Когда в управляющей обмотке ток мал, то магнитная проницаемость стального сердечника велика. Обмотка переменного тока при этом имеет высокое индуктивное сопротивление и пропускает через себя небольшой ток.
Если увеличить ток в управляющей обмотке, то стальной сердечник насыщается, индуктивное сопротивление обмотки переменного тока падает, ток через нее возрастает.
Рис. 6-29. Принципиальная схема трехкаскадного магнитного усилителя.
Энергия для усиления черпается из сети переменного тока. Управляющее напряжение подается на обмотку В зависимости от силы тока через эту обмотку меняется индуктивное сопротивление обмоток L1 и L'1 и меняется напряжение на выпрямителе В. Через обмотку У2 проходит ток, пропорциональный току в У1. Он меняет индуктивное сопротивление обмоток L2 и L'2, Zн — нагрузка.
Таким образом, переменный ток меняется в такт подмагничивающему току. На одном таком усилителе (на одном каскаде) обычно получают выигрыш по мощности не больше нескольких десятков. Но можно такие усилители включать несколько каскадов один за другим. Переменный ток из первого каскада выпрямляют и направляют в обмотку подмагничивания следующего, более мощного каскада.
В цепях постоянного тока применяются иногда угольные усилители. Стопка угольных дисков помещается в изоляционную трубку. Электрическое сопротивление этой стопки меняется в зависимости от ее сжатия. Иногда к этой стопке приделывают электромагнит, якорь которого нажимает на угольные диски сильнее или слабее в зависимости от силы тока в обмотке этого электромагнита. Иногда таким угольным усилителем управляют от механического датчика.
Угольным усилителем является и микрофон. Есть еще много типов электрических усилителей, но, безусловно, самый замечательный в настоящее время это — электронная лампа.
В электронной лампе от раскаленного катода движется поток электронов, на пути которого стоит управляющая сетка. Сила электронного потока меняется в такт изменению напряжения на управляющей сетке. Чтобы повысить коэффициент усиления, вводят в лампу еще добавочные сетки (экранные, противодинатронные).
Рис. 6-30. Одна из схем одноламповой трансляции В. И. Коваленкова.
Самое ценное свойство лампы — ее малая инерционность. Электронный ток следует за изменениями управляющего напряжения, совершающегося в миллиардные доли секунды.
Н’о и для электронных потоков есть свой предел. Колебания с частотой в сотни миллиардов герц (миллиметровые волны) уже невозможно усиливать при помощи управляемых сеткой электронных потоков.
При изучении усилителей часто вводится такое понятие — постоянная времени.
Между моментом приложения к усилителю управляющего воздействия и моментом выхода из усилителя этого воздействия в усиленном виде всегда проходит некоторое время. Нет такого усилителя, у которого не было бы этого запаздывания. Отдача всякого усилителя начинает нарастать с нуля и только постепенно, через более или менее длительный отрезок времени достигает установившегося значения.
Иногда за постоянную времени принимают то время, в течение которого отдача усилителя достигает 38% (1/е) от установившегося значения.
У электронной лампы постоянная времени — всего лишь миллиардные или даже десятимиллиардные доли секунды. Постоянные времени электромашинного усилителя — это десятые доли, в лучшем случае, сотые доли секунды. Многие гидравлические усилители имеют постоянные времени в единицы, а иногда и десятки секунд.
От посева зерна до уборки урожая должно пройти несколько месяцев. Постоянная времени поля, засеянного злаками, — почти треть года. Но бактерии, размножающиеся в питательном растворе, распадаются каждая на две через 20—30 мин. Разница между постоянной времени этой системы и постоянными времени гидравлических усилителей много меньше, нежели разница в постоянных у гидравлических устройств и электронных ламп.
Кстати, микробиологи используют в своей работе усиление. Отдельные бактерии считать трудно. Делают посев бактерий в питательную среду, дают бактериям прорасти и потом имеют дело уже с целыми колониями.
Итак, усилитель — это устройство, которое может нарастить мощность, восстановить или даже превысить начальное значение ослабевшей мощности.
Возникает вопрос, стоит ли вообще заботиться о потерях в линии, улучшать эти линии, снижать их затухание?
