Телефонный приёмник депеш Попова

Телефо́нный приёмник депе́ш — это устройство, на которое русский физик и изобретатель в области радиосвязи Александр Степанович Попов (1859—1906) получил патенты в России, Великобритании, Франции, Швейцарии, США, Бельгии и Испании в 1899—1900 гг. В аппаратах, предназначенных для приема сигналов, впервые в качестве устройства, фиксирующего прием электромагнитных волн (в том числе и в современных времени приемниках системы Маркони), использовался не повсеместно применяющийся когерер Бранли, а запатентованное устройство, называвшееся Поповым «чувствительной трубкой» или «радиокондуктором», и представляющее собой, при современном рассмотрении, полупроводниковое устройство, эквивалентная схема которого представляет собой диодную сборку — два включенных встречно-параллельно полупроводниковых диода.

История открытия

Когерер 1902 года.

Изобретенный французским физиком и изобретателем Эдуардом Бранли (1844—1940) в 1890 году когерер (трубка Бранли) представлял собой стеклянную трубку с насыпанными в неё металлическими опилками (металлическим порошком) и двумя контактами. В обычном состоянии металлические опилки проводят электрический ток очень плохо, и при включении последовательно с когерером электрической батареи и реле (звонка, электромагнитного печатающего аппарата), реле не срабатывает вследствие малости протекающего через него тока.

Принцип работы когерера Бранли

При подключении к когереру антенны и заземления (для увеличения дальности приема) и приеме антенной электромагнитных колебаний достаточной интенсивности, порошок в когерере сцепляется (на основе чего данное устройство названо английским физиком Оливером Лоджем в 1894 году «когерером» от лат. cohaerere — сцеплять, хотя проходящие в когерере физические процессы до настоящего времени окончательно не выяснены; сам Бранли называл изобретенное им устройство радиокондуктором), его сопротивление падает до нескольких сотен или десятков омов, в цепи когерера возрастает ток и срабатывает реле (молоточек звонка ударяет по чашечке, печатающий аппарат делает отметку на движущейся бумажной ленте).

Грозоотметчик Попова 1895 года.

Но когерер обладает «триггерным» эффектом — при пропаже электромагнитных колебаний исходное (непроводящее) состояние когерера не восстанавливается, металлические опилки остаются сцепленными. Для восстановления работы аппарата в ожидании прихода следующей электромагнитной волны достаточно было когерер встряхнуть — частицы металла расцеплялись, и когерер терял проводимость. Встряхивание когерера осуществлялось периодически часовым механизмом (Лодж), молоточком звонка при обратном его ходе (Попов) либо особым встряхивателем при прямом ходе (Маркони).

Попов, повторивший опыты Генриха Герца в 1905 году, сконструировал устройство с когерером Бранли под названием «грозоотметчик», позволявшее фиксировать вызываемые грозовым разрядом электромагнитные волны. В дальнейшем подобное устройство использовалось Поповым и другими пионерами радио для создания линий связи с использованием искровых передатчиков на основе катушки Румкорфа.

Открытие возможности приема на телефонную трубку

История открытия (возможности приема электромагнитных волн на телефонную трубку) описывается со слов помощника Попова П. Н. Рыбкина. Открытие было сделано 9 июня (28 мая по старому стилю) 1899 года. Главное инженерное управление Российской империи разрешило команде Попова проверить возможность обмена радиосообщениями между фортами крепости Кронштадт. Попов в это время находился в заграничной командировке от Морского ведомства, и проведение опытов было поручено ассистенту Минного класса Кронштадта Рыбкину и начальнику телеграфа Кронштадта капитану Д. С. Троицкому.

Целью командировки Попова во Францию и Германию являлось ознакомление с состоянием дел в области беспроводной телеграфии; в Германии Попов навещал немецкого пионера электроники Адольфа Слаби (1849—1913) и знакомился с его аппаратурой. Слаби, в свою очередь, годом ранее знакомился с работами Попова.

Попов перед отъездом дал своим помощникам точный инструктаж по проведению опытов. На форте «Милютин» была установлена приемная антенна высотой 14 метров, передатчик был установлен на форте «Константин», но чувствительность аппаратуры оказалась слабой для срабатывания реле. В качестве возможной причины была выдвинута неисправность реле, и поскольку под рукой запасного реле не оказалось, вместо него включили телефонную трубку, и, что оказалось неожиданностью для участников эксперимента, все передаваемые сигналы азбуки Морзе стали отчетливо приниматься на слух в виде хорошо слышимых щелчков. Рыбкин становится первым радистом, надевшим наушники для приема на слух отправляемого радиосообщения.

Опыты, теперь уже с телефонной трубкой, было решено повторить через 3 дня. Передающая станция по-прежнему работала на форте «Константин», а приемная станция — на шлюпке для возможности изменения расстояния между передающей и приемной станциями. Но опыты пришлось прекратить в самом начале — стоящая вблизи форта шлюпка не принимала отправляемый сигнал на телефоны.

Причина была найдена при исследовании влияния на когерер сильных и слабых электрических сигналов, путем изменения мощности искры передатчика. При сильных сигналах когерер работал традиционно, то есть начинал проводить при поступлении сигнала и оставался в проводящем состоянии при его исчезновении, уже не реагируя на последующие сигналы щелчками в телефоне (что и вело к необходимости встряхивания когерера после каждого прихода сигнала, как в грозоотметчике).

И лишь при слабых сигналах встряхивания не требовалось — после прекращения воздействия электромагнитных волн первоначальное состояние когерера полностью восстанавливалось — триггерный эффект пропадал. Схема приемного устройства с телефонной трубкой упростилась — исчезла необходимость в ударном молоточке для встряхивания когерера. 11 июня (здесь и далее все даты по новому стилю) удалось принять на телефонную трубку сообщение, посланное с расстояния 38 км.

Исследования Поповым возможностей телефонного приема

Рыбкин, ввиду несомненной важности обнаруженного феномена, решил послать Попову телеграмму об открытии нового свойства когерера. Телеграмма застает Попова в Цюрихе, он немедленно отменяет пребывание в Швейцарии, и 14 июня возвращается в Кронштадт, где ещё раз проводит опыты и разрабатывает схему телефонного приёмника на основе сделанного открытия, которую и патентует впоследствии. По русскому патенту название общее — «Приёмник депеш, принимаемых с помощью электромагнитных волн», в английском патенте назначение устройства конкретизировано как «Улучшение когерера для приема телефонных и телеграфных сигналов».

Александр Степанович Попов

Первым делом Попов обнаружил, что эффект приема на телефонную трубку был неустойчив; объяснения феномена в то время не существовало, и Попов взялся за выявление на опыте оптимальных параметров когерера и схемы его включения. Изобретенное им не требующее встряхивания устройство (называемое Поповым чувствительной трубкой, а в патентах радиокондуктором), Попов описывает как стеклянную трубку диаметром 8-12 мм и длиной 6-8 см, с приклеенными внутри лаком двумя платиновыми полосками на расстоянии 0,5-1,5 мм одна от другой. Между полосками размещены один или два зерна, от полосок через пробки выведены проволочные выводы.

Трубка герметично закрыта и заполнена на 30-50 % своего объёма крупинками стали с окисленной поверхностью, но лучший результат дает раздавленный или растолчённый стальной бисер с номерами от 3 до 10 (к подобному заключению Попов пришел ещё в 1897 году). Бисер раздавливается плоскогубцами до получения свежего излома с острыми выступами, свободными от окисла. Для защиты от мешающих приему депеш механических воздействий трубка подвешена на резиновых подвесах. К приёмнику Попов подключал антенну и заземление в виде зарытого в грунт металлического листа.

Попов указывает, что последовательность длинных и коротких сигналов, в соответствии с азбукой Морзе, позволяет отправлять и принимать депеши. Другое интересное замечание Попова состоит в том, что в телефоне (применялись 2 соединенных последовательно телефонных капсюля) на слух различается тональность сигналов различных станций на основе особенностей прерывателя индукционной катушки (катушки Румкорфа). Чувствительность «телефонного приёмника депеш», по сути первого в мире детекторного приемника, в несколько раз превышала чувствительность приемника с когерером и реле. Также, для повышения избирательности приёма Попов воспользовался индуктивной связью антенной цепи с цепью «радиокондуктор-батарея-телефон», включив в схему высокочастотный трансформатор.

Приемник с подобным радиокондуктором позволял принимать даже передаваемую речь (с плохим качеством, что определялось не приёмником, а способом передачи речи посредством изобретенного российским изобретателем С. Я. Лифшицем (1881-?) в 1902 году искрового передатчика с угольным микрофоном).

Описан телефонный приёмник депеш был Поповым 14 июля 1899 года в статье «Описание телефонного приёмника для депеш, посылаемых с помощью электромагнитных волн». Патент (привилегия) № 6066 был выдан А. С. Попову через 2 года, 13 декабря (30 ноября по старому стилю) 1901 года.

Детектору Попова на основе стального бисера был присущ существенный недостаток — бисер ржавел в условиях повышенной влажности, и ржавчина нарушала работу устройства. В описании чувствительной трубки Попов особое внимание уделяет тому, что трубка хорошо просушивается и герметизируется.

Конструкция телефонного приемника с выходным трансформатором

Схема телефонного приемника депеш А. С. Попова с выходным трансформатором.

В один из вариантов телефонного приёмника Попова было внедрено новое усовершенствование — согласование нагрузки (телефонов) и выходного сопротивления детекторного приемника посредством согласующего трансформатора (названного Поповым индукционной катушкой или индукционной бобиной). Индукционная катушка применена «обычно употребляемая в микротелефонных станциях».

Попов не указывает количества витков или их соотношение в индукционной катушке, но из приведенной схемы следует, что число витков во вторичной (подключенной к телефонам) обмотке меньше числа витков, чем в первичной, включенной в цепь детектора и батареи. В силу известных свойств электрического трансформатора по преобразованию сопротивления на переменном токе, высокое выходное сопротивление приёмника согласуется с низким входным сопротивлением телефонов (которое обычно составляет десятки омов). В последующем к детекторным приемникам подключали высокоомные телефоны, которые хорошо согласовывались с выходным сопротивлением приёмника без трансформатора.

Индукционная бобина Попова — прямой предшественник выходного трансформатора ламповых приемников последующих лет выпуска с низкоомными громкоговорителями.

Изобретение Поповым кристаллического детектора

В последующие годы на замену «чувствительной трубки» Попова пришли кристаллические детекторы, и в последующих конструкциях телефонных приёмников «Попов-Дюкрете» использовался точечный детектор на основе контакта стальных иголок с угольной пластиной. Детектор Попова представлял собой эбонитовый цилиндрический корпус с двумя навинченными на торцах крышками, с угольными дисками внутри. Между дисками располагались прижатые крышками стальные острые иглы, Первенство Попова в изобретении детекторного приемника следует считать по американскому патенту 1903 года, с приоритетом от 1900 года.

Подобные детекторы использовались и в последующем, радиолюбители делали детекторные приемники с детекторами из прокаленного лезвия бритвы в контакте с карандашным графитовым стержнем.

Броненосец «Генерал-адмирал Апраксин» на камнях у острова Гогланд, апрель 1900 года.

Практическое применение телефонного приемника депеш

Приёмник депеш с радиокондуктором Попова был задействован в операции по спасению наскочившего на камни вблизи острова Гогланд в Финском заливе броненосца береговой обороны «Генерал-адмирал Апраксин». Для радиосвязи использовалась изготовленная фирмой Дюкрете радиостанция конструкции Попова 1899 года, дальность связи составляла 47 км.

Тогда же, 6 февраля 1900 года, благодаря вовремя посланной радиограмме, ледоколом «Ермак» были спасены 27 рыбаков с оторванной около острова в Финском заливе Лавенсари льдины. «Апраксин» был снят с мели в апреле 1900 года, в ходе длившейся 84 дня спасательной операции было послано 440 радиограмм.

За разработку аппаратуры, использованной в спасательной операции, Попов награждается званием почетного инженера-электрика Электротехнического института, и получает благодарность (подкрепленную денежным вознаграждением) Морского министерства. Запатентованный Поповым приёмник награждается золотой медалью парижской Всемирной выставки 1900 года.

Принцип действия «Радиокондуктора Попова» исходя из современного знания

Очень важно то, что Попов установил, что прием на телефон возможен с когерерами всех систем, а не только с усовершенствованным им, т.е полупроводниковыми свойствами в той или иной степени обладают многие несовершенные контакты. Попов установил, что действующим веществом чувствительной трубки является не сталь (железо Fe с незначительным включением углерода C), а окисел железа (оксид железа FeO). Оксид железа является оксидным полупроводником с p-проводимостью (дырочной) и шириной запрещённой зоны 2,2 эВ. (Для сравнения: ширина запрещённой зоны германия 0,67 эВ, а кремния 1,12 эВ).

Чтобы создать детекторный приёмник на основе стального прокаленного бисера, необходимо включить в схему трубку с бисером как полупроводниковый диод с 2 выводами — анодом (поверхностью бисеринки) и катодом (внутренностью бисеринки). Но при целостном бисере доступ к его внутренней области невозможен. Раздавив бисер плоскогубцами, Попов добился контакта и с внутренней областью отдельных бисеринок. При заполнении трубки бисеринками в силу законов комбинаторики реализуются все возможные варианты их соединения между собой, в том числе и встречно-последовательное соединение образованных ими полупроводниковых p-n-переходов, что выключает бисеринки из схемы (при любой полярности приложенного напряжения один из 2 последовательно включенных полупроводниковых переходов заперт).

Эквивалентная схема радиокондуктора Попова.

Вариант однополярного включения всего множества образовавшихся полупроводниковых переходов маловероятен, и на практике реализуется и начинает работать в схеме вариант со встречно-параллельным включением переходов.

Случайность этого варианта и непредсказуемость параметров образующегося полупроводникового устройства и обуславливает обнаруженную Поповым неустойчивость приёма. Работоспособный вариант изображен на рисунке — между платиновыми (или угольными) выводами трубки включена сборка встречно-параллельно включенных полупроводниковых диодов.

Вольт-амперная характеристика радиокондуктора Попова.

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) подобной структуры отображена на рисунке. При включении в схему трубки последовательно с телефоном эффект детектирования отсутствует — при подаче на вход устройства сигнала высокой частоты в силу симметричности левой и правой ветвей ВАХ трубки (работа в точке A ВАХ) постоянная составляющая сигнала (низкочастотная составляющая в случае амплитудно-модулированного сигнала, что имеет место в искровом передатчике в силу затухания сигнала после проскакивания искры) на выходе отсутствует.

Попов нашел достойное решение для создания уверенного телефонного приема. В схему была включена гальваническая батарея (1 или 2 элемента Лекланше), и была создана окончательная схема телефонного приёмника (по патенту 1900 года). Трубка начинала работать в точке B (или C, в зависимости от полярности подключения батареи), и в силу кривизны ВАХ в данных точках проявлялся детекторный эффект.

Схема детекторного приемника с установкой рабочей точки диода потенциометром R1.

В силу симметричности ВАХ трубки полярность подключения батареи роли не играет, а вот её напряжение сказывается на работе устройства весьма существенно — наибольшая чувствительность достигается в точке ВАХ с максимумом второй производной функции тока от напряжения. При близости точки максимальной чувствительности к напряжению отсечки полупроводникового диода (которое можно принять за оценку барьерной разности потенциалов), подобранное Поповым на опыте напряжение смещения в 1,5-3 В (соответственно 1 или 2 элемента Лекланше при ЭДС каждого элемента в 1,5 В) оказывается соответствующим параметрам созданного им устройства. (Поскольку числовое значение барьерной разности потенциалов в вольтах совпадает с числовым значением высоты потенциального барьера полупроводника, выраженном в электрон-вольтах - для полупроводникового диода на основе оксида железа с шириной запрещенной зоны 2,2 эВ).

Схема с выбором рабочей точки полупроводникового диода с успехом применялась в последующие годы конструкторами детекторных приемников и радиолюбителями, для подбора оптимального режима работы детектора (называемого «кошачьими усами» в силу создания контакта с кристаллом полупроводника стальной проволочкой, напоминающей кошачий ус). Напряжение батареи выбиралось заведомо выше необходимого, и оптимальное значение выбиралось потенциометром (делителем напряжения).

Сотрудничество Попова с фирмой Дюкрете

Эжен Адриан Дюкрете

Осенью 1897 года А. С. Попов выступал с докладами о беспроволочной телеграфии перед различными аудиториями: в Кронштадтском морском собрании (март), на 4-м совещательном съезде железнодорожных электротехников в Одессе (сентябрь), в Петербурге — в Императорском Русском техническом обществе (сентябрь), в Электротехническом институте (октябрь), в Петербургском университете (декабрь). Доклады сопровождались демонстрациями систем радиосвязи.

Телефонный приемник Дюкрете системы Попова 1901 года.

Эти выступления становятся известными французскому инженеру и владельцу предприятия Эжену Андриену Дюкрете (1844—1915), и между ученым и предпринимателем устанавливается деловое сотрудничество.

В начале 1898 года на фирме Дюкрете начинается производство аппаратуры разработки Попова, всего было разработано 4 варианта аппаратов. Первоначальные варианты аппаратуры были релейными (телеграфными приемниками с когерерами), последующие телефонными. С 1900 года выпускается приемник с кристаллическим диодом в качестве детектора. Внутреннее устройство аппаратов защищалось от влаги высушивающими средствами.

В мае 1899 года в ходе зарубежной командировки Попов навещает фирму Дюкрете, с которым совершает прогулку в Версаль. Морское ведомство передает Дюкрете заказ на поставку в течение 5 лет 50 корабельных радиостанций.

В ноябре-декабре 1901 года Попов письменно извещает Дюкрете об экспериментах с радиостанциями, о чём Дюкрете выступает 31 декабря 1901 года с докладом на заседании Парижской академии наук. В январе 1902 года Дюкрете уже рекламирует в проспекте приёмник дальней связи Popoff-Ducretet. В 1903 году аппарат усовершенствуется и продолжает выпускаться.