Посвящение в радиоэлектронику
Шрифт:
Теперь взглянем на самого себя. У человека есть энергетическая система, для которой пища, вода и кислород воздуха становятся источником жизненных сил, есть двигательные механизмы мышцы и конечности, есть органы чувств и, наконец, самое главное — голова.
Мозг перерабатывает всю информацию, поступающую и из внешнего мира, и от внутренних органов. Мозг управляет работой всех органов, определяет наше поведение во внешнем мире — одним словом, делает человека человеком. Опять автор излагает прописные истины — это же прекрасно всем известно!
Вернемся немного назад, к тем механизмам и машинам, которые мы уже упомянули. Электронику в станке, электровозе, системе управления производством, корабле, самолете справедливо называют электронным мозгом, думающей, управляющей частью любой машины.
Так что же самое главное в человеке? Разумеется, важны все органы, но главное мозг человека, его разум. Так и электроника
Важны для человека и органы чувств, поставляющие нам информацию о внешнем мире. Главный из них — зрение. Глаза поставляют нам около 90 % информации. На втором месте — слух (еще примерно 9 %). И лишь мизерная часть приходится на долю обоняния, осязания и вкуса.
Посмотрим внимательнее, как электроника помогает нашему зрению и слуху. Электронное зрение — телевидение — показывает нам события, происходящие повсюду в мире, а не только в пределах прямой видимости при отсутствии тумана и дождя. Радио позволяет людям услышать друг друга на расстояниях в тысячи и десятки тысяч километров. Не зря же любого робота на научно-фантастических картинках рисуют с антеннами вместо ушей и телекамерами вместо глаз! Итак, вывод ясен: электроника — всему голова!
Возможно, это и слишком смелое высказывание, но пока все движется именно в этом направлении. А почему именно электроника? Может быть, есть и другие средства переработки, запоминания информации, использования ее для целей управления? Есть, конечно. Например, на некоторых двигателях в условиях высоких температур и вибраций успешно используют пневматические системы управления. Возникла и соответствующая область техники — пневмоника. Для хранения информации успешно использовали папирусы, кожаные и берестяные свитки, а тетради, книги, перфокарты и кинопленку широко применяют до сих нор. Но самые современные из этих средств либо органически дополняют электронику, либо просто не выдерживают конкуренции с ней. Чтобы разобраться, почему электронике сопутствует такой успех, посмотрим, что же такое управление, чем и как оно осуществляется и какие понятия ему сопутствуют.
2. УПРАВЛЕНИЕ, СИГНАЛЫ, ИНФОРМАЦИЯ
В этой главе мы поговорим о плотинах, шлюзах и термоэлектронной эмиссии, кострах на башнях и узелках на веревочках, объяснениях в любви, автопилотах и термостатах, двоичном коде, цифровых сообщениях и «плитках» информации, а также о многом другом, имеющем отношение к теме, указанной в заголовке.
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.