6-34. Трансляционные усилители
Электронная лампа может усилить весьма слабый электрический сигнал. Применяя каскадное включение ламп, можно увеличить мощность сигнала в тысячу раз, в миллион раз... По первому впечатлению усилитель на приемном конце вполне решает проблему связи по длинной линии. Но это не так.
Электроны в проводах линии находятся в непрестанном движении — тепловом движении. Это движение хаотично, беспорядочно, оно заключает в себе токи всех возможных частот. Тепловое движение электронов порождает белый шум, т. е. шум, в котором есть все звуковые частоты, как в белом свете все световые.
Когда ток сигнала чрезмерно ослабеет, он может стать меньше тока шумов. Сигнал затеряется среди шумов. Усилитель станет усиливать и сигнал, и шумы, и разделить их уже не будет возможности.
Единственный способ осуществить дальнюю проводную связь — это не давать сигналу значительно слабеть в линии, ослабление в пути компенсировать усилением же в пути.
Впервые в 1922 г. проф. В. И. Коваленков применил в СССР промежуточные усилители на длинных линиях связи.
Линия разбивается на участки. Затухание каждого должно быть не больше 2 неп. После каждого участка ставится усилитель, который подымает мощность передачи до начального уровня.
Рис. 6-31.’ Схема двухстороннего включения трансляционных усилителей.
Л1 и Л2 — линии, S1 и S2— усилители. Z'Nи Z"N— балансные контуры. Их сопротивления должны быть по возможности точно равны сопротивлениям соответствующих линий. Т1 и Т2 — дифференциальные трансформаторы.
Вот что писал В. И. Коваленков в своей статье «Ближайшие задачи междугородного телефонирования» (журнал «Техника связи», № 2, 1922 г.).
«Практическое проведение телефонных трансляций совершает переворот в междугородном телефонировании. Только при наличии телефонных трансляций возможно рациональное проектирование гибкой телефонной сети в государственном масштабе. Только при наличии трансляции возможна та высота государственной сети, при которой любой гражданин, где бы он ни находился, может с легкостью вызвать другого гражданина, находящегося от него хотя бы за тысячи верст, хотя бы в глубокой провинции. Только при наличии трансляций возможно свести расходы меди по телефонной сети до минимума и ввести в широких размерах применение стали для линий, примыкающих к магистралям. Только при наличии трансляции возможны удобные комбинированные линии проволочного и беспроволочного телефона... Вот почему придаю я такое большое значение этому вопросу».
Последующий опыт действительно показал, что только с применением трансляций можно решать задачу о создании междугородней связи по принципу «соединение любого абонента с любым».
Идея телефонной трансляции была впервые высказана еще в начале нашего столетия А. С. Поповым, но понадобилась длительная, многолетняя работа, прежде чем промежуточные усилители на длинных телефонных линиях получили практическое применение. Трансляционные усилители многим отличаются от усилителей, применяемых в радиоприемных устройствах.
В радиоприемнике сигнал всегда идет в одном направлении: от антенны к громкоговорителю, усиливаясь от каскада к каскаду, от лампы к лампе. Но в телефонной линии разговорные токи должны иметь возможность свободно циркулировать в обоих направлениях. Для телефонных линий нужны двухсторонние усилители.
Один сигнал приходит слева и передается направо в усиленном виде. Другой сигнал прибывает справа и после усиления идет налево. Возникает опасность работы усилителей вкруговую. Они могут перейти в режим генерирования незатухающих колебаний, которые пойдут и вправо, и влево по линиям связи и забьют, заглушат разговорные токи.
Чтобы предотвратить такое паразитное самовозбуждение, между усилителями и линиями ставятся своеобразные ловушки и лабиринты для вредных круговых токов. Схемы, не допускающие круговой циркуляции, составляются по типу мостового, дифференциального включения. Линия уравновешивается искусственным контуром (балансным контуром), который должен иметь характеристики, по возможности более близкие к характеристике линии.
При длинных линиях приходится ставить не один, а несколько промежуточных усилителей. Чем больше их число, тем точнее должны быть сбалансированы схемы их включения. Но характеристики самих линий не остаются постоянными. Они меняются в зависимости от температуры, от влажности. При большой длине двухпроводной линии работа ее становится неустойчивой. Лучшими свойствами обладает четырехпроводная связь. По одной паре проводов идут токи в одну сторону, а по другой — в обратную. При этой системе усилители работают только в одном направлении.
А чтобы хорошо использовать линию, такая связь всегда делается многоканальной. В каждом направлении идет множество разговорных токов. Известны системы на 480 разговоров.
На промежуточных усилительных пунктах токи не разделяются. Это было бы чересчур сложно и громоздко на каждом промежуточном пункте ставить 480 отдельных усилителей в одну сторону и еще 480 в другую.
Рис. 6-32. Четырехпроводная система дальней связи.
При многоканальной связи усиливают сразу смесь частот. Это все равно, что высевать в поле зерновую смесь. Но в пути благодаря разной утечке разных составляющих состав зерновой смеси изменился. И урожай разные сорта дают разный. Одни могут уродить сам-тысяча, а другие только сам-десять. Можно так подобрать обработку почвы и ввести в нее различные химические вещества, чтобы урожайность была пропорциональна потерям. Те составляющие, что сильно затухли в пути, получают большое усиление, а те, что затухли мало, и усиление получают поменьше.
В трансляционных усилителях имеются специальные корректирующие контуры. Они восстанавливают первоначальное соотношение токов разных частот. С изменением температуры меняется затухание в линии и по-разному для различных частот. Усилители снабжаются автоматической регулировкой, применяются «наклонные» и «выпуклые» регулировки, которые при всех условиях обеспечивают выравнивание частотного состава смеси токов, циркулирующих в линии.
Еще одна опасность подстерегает многоканальную связь с промежуточным усилением. Если уж до конца продолжить сравнение «биологического усиления» и электрического, то можно заметить, что когда в поле высевается смесь семян вместо того, чтобы каждый copт сеять на своем отдельном участке, то возможно взаимное влияние растений друг на друга. Может произойти опыление не своим сортом, а каким-то другим. Появятся совсем неожиданные, быть может и вовсе нежелательные скрещивания.
Рис. 6-33. Схема радиорелейной линии.
Конечные станции состоят каждая из одного приемника и одного передатчика, работающих на разных волнах, чтобы не мешать одна другой. И передача и прием производятся на сантиметровых волнах. Они распространяются, так же как и световые волны, прямолинейным лучом. Чтобы обеспечить прямую видимость на расстоянии до 100 км, приемник и передатчик располагаются на вершине мачты высотой около 20 м.
Чтобы дать связь на большое расстояние, ставятся промежуточные станции. Каждая из них имеет два приемника и два передатчика, укрепленных на верхушке высокой мачты. Приемник воспринимает смесь импульсов всех каналов (восьми, двенадцати, двадцати четырех — в зависимости от системы связи), затем вся эта смесь без разделения усиливается и излучается передатчиком на следующую промежуточную или конечную станцию.
В усилителях есть опасность наложения одного разговора на другой. Ясно, что подобные гибриды всегда нежелательны. Но здесь уже все аналогии кончаются. Методы борьбы с таким смешением разговорных токов — с перекрестной модуляцией, как ее называют, весьма просты. Надо только, чтобы характеристики усилителей были линейны. Тогда наложение не будет происходить.
Чтобы связь работала надежно и устойчиво, есть еще множество вспомогательных устройств. Телефонные токи к усилителю проходят через ограничитель амплитуд, который срезает слишком большую мощность, возникающую при выкриках. Для отражения токов, которые могли бы блуждать взад и вперед от одного абонента к другому, ставят на длинных линиях эхозаградители, ловушки.
Самые надежные, самые долговечные электронные лампы ставятся в аппаратуре для линий дальней связи.
Кроме того, многие усилители снабжаются приспособлениями для автоматической замены ламп в случае их выхода из строя. Есть усилители, работающие в герметических ящиках, опущенных на дно моря.
Надежно и бесперебойно работает дальняя связь в СССР, и близко то время, когда междугородная телефонная связь так же прочно войдет в быт населения, как вошла сейчас городская телефонная связь.
МАСТЕР ТОЧНЫХ ПРОПОРЦИЙ
А. А. Чернышев (1881—1940 гг.)
После первой мировой войны электротехника настолько усложнилась и разветвилась, что инженер уже не мог сказать: «я электрик». Он должен был уточнять: тяговик, аппаратостроителъ, вакуумщик. Академик Александр Алексеевич Чернышев был одним из немногих мировых ученых, который еще охватывал весь предмет. Это был инженер-электрик в самом широком и полном понимании этого слова.
А. А. Чернышев был продолжателем А. С. Попова в области высокочастотной техники и М. О. Долива- Добровольского в области дальних передач больших мощностей. После Октябрьской революции А. А. Чернышев в течение ряда лет руководил исследованиями в Ленинградском электрофизическом институте. Он провел пионерские исследования над применением сверхвысоких напряжений для дальних линий передач. Им был составлен проект и сооружен опытный участок трехфазной линии на напряжение в полмиллиона вольт. Он первый предложил принцип «нерезонирующих» трансформаторов, которые не боятся волн перенапряжения. В Электрофизическом институте были разработаны аппараты (посты) для высокочастотной связи по линиям передач высокого напряжения. Нынче ни одна крупная энергосистема не обходится без высокочастотной связи. И сам Чернышев, и его сотрудники много работали над преобразованием тока. Ими были усовершенствованы конструкции и схемы мощных преобразователей. Здесь же были предложены ионные разрядники для защиты линий связи от напряжений, наводимых сильноточными линиями при авариях.
Замечательное изобретение Чернышева — это подогревный катод для электровакуумных приборов. До первой мировой войны катоды во всех электровакуумных приборах выполнялись в виде нитей, по которым пропускался ток — ток накала. Он и доводил температуру катода до требуемой величины. И в настоящее время ряд электровакуумных приборов успешно работает с катодами прямого накала. Но для многих применений катоды прямого накала непригодны. В чувствительных радиоприемных лампах такие катоды нельзя питать переменным током. В ионных приборах трудно получать равномерное распределение тока нагрузки по всей поверхности такого катода при больших мощностях.
Чернышев предложил подогревные катоды. В них поверхность, испускающая электроны, подогревается отдельной изолированной грелкой из вольфрамовой проволоки. Подобные катоды применяются в лампах для радиоприемников, питаемых от сети. В мощных газотронах и тиратронах, в магнетронах, клистронах, электронно-лучевых трубках и во многих других важных электровакуумных приборах работают подогревные катоды.
А. А. Чернышев — это инженер, который умел всегда находить самые правильные, самые точные пропорции для любой сложной электротехнической конструкции. Инженерные решения Чернышева всегда соответствовали правилу — наибольший результат с наименьшей затратой материалов и сил.
