Михайлов В.А. Эвристика - 2. Методические указания к решению творческих технических задач - файл n1.doc

Михайлов В.А. Эвристика - 2. Методические указания к решению творческих технических задач
скачать (538.5 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc539kb.21.10.2012 19:55скачать

n1.doc

  1   2   3   4
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Чувашский государственный университет имени И.Н. Ульянова


ЭВРИСТИКА-2

Методические указания к решению творческих технических задач

Чебоксары 2002
УДК 658.572
ЭВРИСТИКА-2: Метод. указания к решению творческих технических задач /Сост. Воронина Э.П., Михайлов В.А, Митюшина С.А. Чуваш. ун-т. Чебоксары, 2002, 60 с.
Содержат творческие технические задачи, часть которых приводится с вариантами решений студентов, часть задач – в виде описаний изобретений.

Для студентов 2 - 5 курсов технических, химико-фармакологического факультетов и факультета информатики, изучающих дисциплины "Эвристика (на основе ТРИЗ)", "Теория решения творческих задач", "Принципы инженерного творчества" и "Методология научного творчества".
Ответственный редактор канд. техн. наук, проф. В.П. Желтов

Утверждено Методическим советом университета


© Составление.

Э.П. Воронина

В.А. Михайлов

С.А. Митюшина

Чебоксары - 2002
СПОСОБЫ РЕШЕНИЯ ТВОРЧЕСКИХ ТЕХНИЧЕСКИХ ЗАДАЧ НА ОСНОВЕ ТРИЗ
К началу XXI века разработаны такие способы:

1) Система 40 приемов разрешения технических противоречий (РТП) или 50 приемов в программе IM-p. Она является азбукой изобретательства, содержит основные понятия ТРИЗ и позволяет решать простые творческие задачи.

2) Система 75 стандартов решения изобретательских задач и программа IM-s опираются на вепольную модель технической системы (ТС) и позволяет находить идеи решения несложных практических проблем, прогнозировать развитие выбранной ТС.

3) Комплексы программ (IM-tut+IM-FSA+IM-1.3/1.5), TechnoOptimizer, использующие функционально-стоимостный анализ (ФСА) для выявления решаемой задачи в изобретательской ситуации и ИМ-пакет для разрешения противоречий в выявленной задаче.

4) Самые сложные задачи по РТП решаются с помощью АРИЗ (алгоритма решения изобретательских задач).

Задачи, включенные в данное издание, частично разобраны в качестве зачетных заданий студентами разных факультетов ЧувГУ (это задачи 2.1 - 2..). Задачи 3.1 - 3.59 взяты из патентов России, опубликованных в 1990 - 2000 г.г.


2. ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ НА ОСНОВЕ ТРИЗ

Задача 2.1. Потери энергии на вихревые токи в литом сердечнике.

Решение, полученное в результате работы с алгоритмом решения творческих задач по программе "Машина открытий-1". 28.12.2000 выполнил магистрант группы МП-17-00 В.А. Наумов.

Ход решения:

Рассмотрим задачу о дополнительных потерях при нагреве литого железного сердечника трансформатора тока.

В то время, когда впервые были применены трансформаторы тока с литым сердечником, еще не задумывались над проблемой его нагрева и дополнительных потерях энергии в нем. Решение, примененное со временем, нам ныне известно. Рассмотрим, как мог бы повести себя изобретатель в сложившейся ситуации, имей он в арсенале программу "Машина открытий-1".
Шаг 1 Сформулируем техническое противоречие (ТП).

Никаких дополнительных потерь, нагрева сердечника не может быть (почему?). Нет причин, вследствие которых ток, протекающий через обмотки трансформатора, вызывал бы нагрев сердечника и дополнительные потери. Однако, как показывает опыт, потери энергии и нагрев существуют (почему?).
Шаг 2 Разбор идеальных экспериментов.

Идеальный эксперимент 1: Известен следующий опыт, который можно рассматривать как идеальный эксперимент. Трансформатор тока подключили к сети постоянного тока. Через некоторое время, потрогав его, сотрудники обнаружили, что он нагрелся гораздо меньше, чем при таком же по силе переменном токе.

Идеальный эксперимент 2: Другой случай, который также можно рассматривать как идеальный эксперимент. Трансформатор тока с непроводящим сердечником подключили к сети переменного тока. Через некоторое время, потрогав его, сотрудники обнаружили, что он нагрелся гораздо меньше, чем при проводящем сердечнике.

Идеальный эксперимент 3: Третий опыт. Трансформатор тока с тонким сердечником подключили к сети переменного тока. Через некоторое время обнаружилось, что он нагрелся гораздо меньше, чем при более толстом сердечнике.

Идеальный эксперимент 4: Если в переменное электромагнитное поле поместить кусок металла, то он греется.

ИКР-1: Этот случай показывает, что потери в сердечнике сильно зависят от формы тока (постоянный или переменный ?), наверное, и от его частоты, толщины сердечника и его проводимости.

ИКР-2: Если в переменное электромагнитное поле поместить кусок металла, то он греется.

Имеющаяся диссимметрия. Под действием переменного электромагнитного поля во вторичной обмотке трансформатора наводится ток с иным напряжением, но в литом проводящем толстом сердечнике наводятся большие токи, вызывающие его нагрев. Необходимо избавиться от мешающего влияния наведенных токов в проводящем сердечнике трансформатора.

Взаимодействия. Переменное электромагнитное поле вызывает токи и во вторичной обмотке (это хорошо), и в сердечнике (это плохо) и токи нагревают их. Нагрев деталей трансформатора приводит к большим потерям энергии (мощности) при изменении напряжения во время трансформации тока. (Неужели эти потери неизбежны ? Нельзя ли, поняв причину, уменьшить эти потери ?)

Объяснение наведенных токов: Первое уравнение Максвелла говорит о том, что в любом месте пространства, где существуют токи проводимости (а в общем случае и токи смещения), обязательно возникают вихревые (соленоидальные) магнитные поля.

Второе уравнение Максвелла определяет возникновение вихревого электрического поля в любом месте пространства, где происходит изменение вектора магнитной индукции. Следует заметить, что вихревые токи перпендикулярны линиям магнитной индукции.

Таким образом, поскольку сердечник железный, то электрическое сопротивление по линии действия наводимой ЭДС мало, т.к. велико сечение этого пути, а т.к. этот путь мал, то потери энергии получаются большими.

Если сердечник достаточно тонок, то сечение пути распространения вихревых токов уменьшается, т.е. увеличивается сопротивление этого пути, но мала также и плотность магнитного потока, что уменьшает мощность трансформатора.

Освобождение от навязчивой идеи. Первое, что приходит на ум, - применить сердечник с большим электрическим сопротивлением, но материалов с нужными для трансформаторов тока магнитными характеристиками, большим электри-ческим сопротивлением и доступных для массового производства не найдено (какой материал наиболее близок по параметрам ?). Отказ от оптимальных магнитных характеристик приводит к существенному росту погрешностей (чего ?) и уменьшению выходной мощности. Еще один вариант - применение тонкого сердечника - приводит к аналогичным последствиям.

Шаг 3 Поиск места возникновения противоречия:

(таблица взаимодействующих элементов)

Переменное поле (электромагнитное)

Сердечник железный

Ток, наводимый в сердечнике

Мощность

Трансформатора

Сильное

Толстый

Сильный (-)

Большая (+)

Слабое

Тонкий

Слабый (+)

Малая (-)

Постоянное

Любой

Очень слабый(+)

Нулевая (-)


Проблемы имеются при взаимодействии поля в материале сердечника.

Ресурсы: электрические свойства, магнитные свойства

ферромагнитные свойства

Рассмотрим сердечник с точки зрения закона полноты частей ТС.

Рабочий орган: вторичная обмотка, в которой наводится ЭДС.

Двигатель: электромагнитное поле.

Трансмиссия: сердечник - через него осуществляется передача

электромагнитного поля.

Источник энергии: ток.

Система управления: как осуществляется регулирование параметров

передачи электромагнитной энергии к сердечнику ?

Итак, видим, что в данной системе отсутствует система управления

передачи энергии от тока к сердечнику.

Шаг 4 Уточнение технического противоречия (физическое противоречие):

сердечник трансформатора должен хорошо проводить

магнитное поле в продольном направлении и плохо - в поперечном.

Шаг 7 Противоположный эксперимент. Сделав сердечник максимально тонким, наблюдаем, что потери энергии сильно уменьшаются.

Объяснение. При утоньшении сердечника его сопротивление по линии действия наведенных токов возрастает, т.е. потери энергии уменьшаются.

Техническое противоречие: Если сердечник тонкий, то потери энергии меньше, но для достижения требуемой точности трансформации он должен иметь определенную площадь сечения - увеличиваются размеры.

Выдвижение гипотезы. Как видим, применив МО-1, изобретатель уже на 7-м шаге предлагаемого алгоритма пришел бы к выдвижению гипотезы (относи-тельно решения своей проблемы) о том, что необходимо использовать толстый сердечник, а для уменьшения его размеров свернуть его или сделать состоящим из тонких пластин (сердечник “дробится” на тонкие пластины, которые “объединяют в пакет до толщины, требуемой для достижения большой его толщины и большой мощности трансформатора) - задействованы два дополни-тельных принципа. Далее требуется еще один, третий принцип – “изменение физико-химического” параметра среды между пластинами пакета магнито-провода).

Шаг 14 Остается лишь проверить нашу гипотезу, проведя эксперимент с учетом выдвинутого решения. Как показала практика, эксперимент удался. Изобретение оказалось простым и дешевым в изготовлении, не требовало эксплуатационных затрат, отлично решало поставленную задачу и практически не влияло на другие параметры трансформаторов (не совсем так: при плохом сжатии тонких пластин или непрочном склеивании их может возникнуть гудение трансформатора).
Задача 2.2. Продольный магнитооптический эффект Фарадея

Решение, полученное в результате работы с алгоритмом решения творческих задач по программе "МО-1". 28.12.2000 выполнил: магистрант группы МП-17-00 А.В. Никитин.

Ход решения

Шаг 1. Я решил описать процесс научного открытия эффекта Фарадея по алгоритму ТРИЗ – в соответствии с МО-1. Несмотря на то, что эффект был открыт еще в 1846 г., практическое применение получил только в последние десятилетия. Изучение магнитооптических эффектов очень актуально в век компьютерных технологий и информатизации.

Основные свойства эффекта.

Продольный магнитооптический эффект состоит в повороте плоскости поля-ризации луча света, проходящего через прозрачную среду, находящуюся в поле магнита. Открытие магнитооптического эффекта долгое время имело только научное значение, но за последние десятилетия оно дало много практических выходов. Были открыты другие магнитооптические эффекты, в частности эффект Зеемана и эффект Керра, проявляющийся в повороте плоскости поляризации луча, отраженного от намагниченной среды. Наш интерес к эффектам Фарадея и Керра обусловлен применением их в физике, оптике и электронике. К ним относятся :

- определение эффективной массы носителей заряда или их плотности в полупроводниках;

- амплитудная модуляция лазерного излучения для оптических линий связи и оп-ределение времени жизни неравновесных носителей заряда в полупроводниках;

- изготовление оптических невзаимных элементов;

- визуализация доменов в ферромагнитных пленках;

- магнитооптическая запись и воспроизведение информации как в специаль-ных, так и бытовых целях.

Сформулируем физическое противоречие ( ФП ): Магнитное поле никак не может влиять на луч света - однако под действием этого поля поворачивается плоскость поляризации луча света. По-видимому, это связано с присутствием каких-либо других элементов (принцип “посредника”), которые и влияют на прохождение света. Принципиальная схема устройства для наблюдения и многих

применений эффекта Фарадея показана на рис. 1.

Схема состоит из источника света,

поляризатора, анализатора и фотоприемника. Между поляриза-тором и анализатором помещается исследуемый образец. Угол поворо-та плоскости поляризации отсчи-

тывается по углу поворота анали-затора до восстановления полного гашения света при включенном магнитном поле.

Рис. 1.

Шаг 2. Все взаимодействия в процессе (взаимодействие полей с веществом (П-В), веществ с веществом (В-В), полей с полями (П-П)).

Поля: магнитное поле, световой пучок

Вещества: исследуемый образец, прозрачная среда

(П-В): магнитное поле взаимодействует с прозрачной средой,

световой пучок - с исследуемым образцом и прозрачной средой.

Здесь вещество - вещество, как и поле - поле, не взаимодействуют.

Исследуемую связь: магнитное поле ----> световой пучок

можно выразить через взаимодействие:

магнитное поле ----> прозрачная среда ----> световой пучок

Шаг 3. Ресурсы. Это реальные или вымышленные объекты со свойствами, функциями, параметрами, их диссимметричными (Ди) отношениями: разнородностями, приращениями, различиями, изменениями, отклонениями в пространстве и времени в пределах одного объекта или между разными объектами, принадлежащими анализируемой в задаче системе или не принадлежащими, но помогающими так или иначе найти решение проблемы.

Ресурсы: "Ди" типов элементов, свойств, параметров, координат

магнитное поле - создается поляризатором;

световой пучок - источником света, после прохождения через

прозрачную среду измеряется угол отклонения ?.

Прозрачная среда: - может быть любая среда, кроме вакуума.

Исследуемый образец: известны длина и постоянная Верде образца.

Поляризатор: служит для создания магнитного поля.

Фотоприемник: фиксирует наличие светового пучка.

Анализатор - измеряет угол поворота анализатора ? до

восстановления полного гашения света.

Шаг 4. Данный процесс зависит от времени следующей зависимостью:

E=E0ּe-i?t

Шаг 5.

Интенсивность прошедшего пучка определяется законом Малюса

I=I0ּcos2?

На этом основана возможность использования эффекта Фарадея для модуляции пучков света. Основной закон, вытекающий из измерений угла поворота плоскости поляризации , выражается формулой

? = ?Hl

где - напряженность магнитного поля,

- длина образца, полностью находящегося в поле и

?- постоянная Верде, которая содержит в себе информацию о свойствах, присущих исследуемому образцу, и может быть выражена через микроскопические параметры среды.

Шаг 6. Рассмотрим обратную задачу. Основная особенность магнитооптического эффекта Фарадея состоит в его невзаимности, т.е. в нарушении принципа обратимости светового пучка. Опыт показывает, что изменение направления светового пучка на обратное (на пути "назад") дает такой же угол поворота и в ту же сторону, как на пути "вперед". Поэтому при многократном прохождении пучка между поляризатором и анализатором эффект накапливается. Изменение направления магнитного поля, напротив, изменяет направление вращения на обратное. Эти свойства объединяются в понятии "гиротропная среда".

Шаг 7. Выберем один параметр, который следует изменить так, чтобы был проведен противоположный эксперимент и получен новый, резко отличающийся результат.

Рассмотрим эксперимент для вращения плоскости поляризации по часовой стрелке и против. Объяснение эффекта - циркулярное магнитное двупреломление.

Согласно Френелю, поворот плоскости поляризации является следствием циркулярного двупреломления. Циркулярная поляризация выражается функциями для правого вращения E=E0ּe-i?t (по часовой стрелке) и для вращения против часовой стрелки E=E0ּei?t . Линейная поляризация может рассматриваться как результат суперпозиции волн с циркулярной поляризацией с противоположным направлением вращения.

Пусть показатели преломления для правой и левой циркулярной поляризации неодинаковы. Введем средний показатель преломления и отклонение от него. Тогда получим колебание с комплексной амплитудой



что соответствует вектору , направленному под углом к оси X. Этот угол и есть угол поворота плоскости поляризации при циркулярном двупреломлении:



Шаг 8. Цель шага - выбор параметра для проведения идеального эксперимента таким образом, чтобы в процессе его проведения или после него была получена дополнительная информация. Мы нашли угол поворота плоскости поляризации для среднего показателя преломления. Рассмотрим зависимость угла от показателя преломления.

Вычисление разности показателей преломления. Из теории электричества известно, что система зарядов в магнитном поле вращается с угловой скоростью



которая называется скоростью прецессии Лармора.

Представим себе, что мы смотрим на циркулярно поляризованный луч, идущий через среду, вращающуюся с частотой Лармора; если направления вращения вектора в луче и ларморовского вращения совпадают, то для среды существенна относительная угловая скорость () , а если эти вращения имеют разные направления, то относительная угловая скорость равна () .

Но среда обладает дисперсией, и мы видим, что



Отсюда получаем формулу для угла поворота плоскости поляризации



и для постоянной Верде



Идеальный эксперимент - это такой эксперимент, результат которого сам подсказывает гипотезу. Проводя этот эксперимент, мы нашли и доказали необхо-димую зависимость.

Шаг 9. Практические применения эффекта Фарадея.

Эффект Фарадея приобрел большое значение для физики полупроводников при измерениях эффективной массы носителей заряда. Он очень полезен при исследованиях степени однородности полупроводниковых пластин, имеющих целью отбраковку дефектных пластин. Для этого проводится сканирование пластины узким лучом-зондом от инфракрасного лазера. Те места пластины, в которых показатель преломления, а следовательно, и плотность носителей заряда отклоняются от заданных, будут выявляться по сигналам фотоприемника, регистрирующего мощность прошедшего через пластину излучения.

Рассмотрим амплитудные и фазовые невзаимные элементы (АНЭ и ФНЭ) на основе эффекта Фарадея. В простейшем случае оптика АНЭ состоит из пластинки специального магнитооптического стекла, содержащего редкоземельные элементы, и двух пленочных поляризаторов (поляроидов). Плоскости пропускания поляризаторов ориентированы под углом друг к другу. Магнитное поле создается постоянным магнитом и подбирается так, чтобы поворот плоскости поляризации стекол составлял .


Тогда на пути "вперед" вся система будет прозрачной, а на пути "назад"- непрозрачной, т.е. она приобретает свойства оптического вентиля. ФНЭ предназ-начен для создания регулируемой разнос-ти фаз двух линейно-поляризованных встре-чных волн. ФНЭ нашел применение в оптической гирометрии.

Он состоит из пластинки магнитооптического стекла и двух пластинок , вносящих разность фаз и - . Магнитное поле, как и в АНЭ, создается постоянным магнитом. На пути "вперед" линейно поляризованная волна, прошедшая пластинку, преобразуется в циркулярно поляризованную с правым вращением, затем проходит магнитооптическую пластинку с соответствующей скоростью и далее через вторую пластинку, после чего линейная поляризация восстанавливается. На пути "назад" получается левая поляризация и эта волна проходит магнито-оптическую пластинку со скоростью, отличающейся от скорости правой волны, и далее преобразуется в линейно поляризованную.

Введя ФНЭ в кольцевой лазер, мы обеспечиваем разность времен обхода контура встречными волнами и вытекающую отсюда разность их длин волн.

Замечания:

1. Важно сознавать, что в эффекте Фарадея магнитное поле влияет на состояние поляризации света косвенно, изменяя характеристики среды, в которой распространяется свет. В вакууме магнитное поле никакого влияния на свет не оказывает.

2. Обычно угол поворота направления поляризации очень мал, но благодаря высокой чувствительности экспериментальных методов измерения состояния поляризации эффект Фарадея лежит в основе совершенных оптических методов определения атомных констант.
Задача 2.3: Развитие радио

Рассмотрим время, когда искровые радиопередатчики и приёмники с когерером достигли предела своих возможностей. Нужна была новая техника, позволяющая увеличивать и дальность, и качество радиосвязи. И новая техника возникла - так как возможности радио заинтересовали многих, появилось немало талантливых инженеров и техников, работавших над её совершенствованием. В 1906 - 1908 гг. изобрели два новых прибора, до настоящего времени остающихся чуть ли не основными в радиотехнике.

Первый из них - кристаллический детектор. Его предшественник - когерер - обладал очень малой чувствительностью и стабильностью.

Ход решения по алгоритму МИП:

1 - Техническая система (ТС) когерер предназначена для регистрации

электромагнитных волн.

2 - Включает в себя: железные опилки, стеклянную трубку, электроды,

устройство встряхивания.

3 - Нежелательный эффект (НЭ-1): малая чувствительность.

4 - Средство устранения (СУ): увеличение количества опилок.

5 - НЭ-2: увеличение опилок приводит к уменьшению стабильности.

6 - Техническое противоречие (ТП-1): е с л и увеличить количество опилок, т о увеличивается чувствительность, н о уменьшается стабильность.

7 - ТП-2: е с л и не увеличивать количество опилок,

т о хорошая стабильность, н о чувствительность мала.

8 - Схемы конфликтов:



Увеличение количества опилок В1 ║ Не увеличение В1 приводит

дает хорошую чувствительность ║ к хорошей стабильности,

приема, н о плохую стабильность. ║ н о к понижению чувстви-

║ тельности.

10 - Выбрать главное ТП(1/2 ?): ТП-1 - нельзя допустить

понижение стабильности при повышении чувствительности.

11 - Усиление главного ТП: ТП-1.

Е с л и увеличивается количество опилок до предела объема,

т о увеличивается чувствительность приема радиоволн,

н о очень плохая стабильность приема.

12 - Модель задачи: даны много опилок и мало радиоволн (чувствите-льность мала). Увеличивая количество опилок, мы увеличиваем чувствительность, но ухудшаем стабильность приёма.

13 - Нужно увеличить стабильность устройства, сохраняя

увеличенную чувствительность радиоприема.

14 - Какой номер параметра (из 39) надо улучшить:

не должно происходить потери информации, строка 24.

15 - Как обычно этот параметр улучшают: увеличивают количество опилок.

16 - Недопустимо ухудшается: устойчивость состава объекта, кол. 13.

17 - Рекомендуемые в клетке (24 - 13) приёмы разрешения

противоречий (РТП): 35, 3, 22, 5.

Пр. 35 - изменение “физико-химического состава” ( невозможно).

Пр. 22 - принцип "обратить вред в пользу" ( невозможно применить).

Пр. 3 - принцип “местного качества” (перейти от однородной структуры объекта к неоднородной) ( не применим).

Пр. 5 - принцип “объединения” (объединить однородные или смежные объекты).

18 - Найдена идея: нужно объединить однородные или смежные объекты: объединили электроды с опилками - получился диод.

Естественно, что трубку, заполненную железными опилками, пытались усовершенствовать многие конструкторы. Множество контактов между отдельными опилками не обеспечивали стабильной работы прибора - в результате остался один контакт. Перепробовали массу пар различных веществ в контакте, и лучшими оказались пары: цинкит - халькопирит и гален - сталь. Кристаллы для детекторов изготавливали в кустарных условиях, тем не менее получали неплохие результаты. А сколько времени уходило на подбор "чувствительной точки"!

Кристаллический детектор снабжался специальной ручкой или винтом, чтобы подбирать положение острия пружинки на поверхности кристалла. Теперь мы хорошо знаем, что кристаллический детектор - это обычный полупроводниковый диод. С изобретением кристаллического детектора появился детекторный радиоприёмник - устройство предельно простое и эффективное. Детекторный приёмник просуществовал без заметных изменений более полувека. (рис. 3)




Этот приемник можно собрать менее чем за час. Для этого понадобятся достаточно длинная (20 - 30 м) наружная антенна и заземление. Детекторный приёмник не обладает усилением, и громкость звука в телефонах определяет только мощность принятого сигнала.

Разберемся в назначении Рис. 3. Детекторный приемник отдельных элементов, обозна-ченных на схеме приёмника. На антенне радиоволной наводится напряжение принимаемого сигнала. Оно тем больше, чем длиннее антенна. Но это верно только до тех пор, пока длина антенны менее четверти длины волны принимаемой станции. Более длинные антенны делать нецелесообразно. Заземление заменяет вторую половинку диполя антенны. Можно использовать противовес - ещё одну антенну примерно такой же длины, но расположенную поближе к Земле. Колебательный контур состоит из катушки индуктивности L и конденсатора переменной ёмкости C1 . Контур резонирует на собственной частоте, которая должна совпадать с частотой принимаемой радиоволны. Антенна подключена к части витков катушки с помощью регулированного отвода (обозначен стрелкой). Сделано это не зря. Антенна обладает некоторым собственным сопротивлением, которое имеет и активную, и реактивную компоненты. Лишь при длине антенны, точно равной четверти длины волны, ее сопротивление является чисто активным. У более коротких антенн активное сопротивление меньше, и к нему добавляется еще реактивное (в данном случае - емкостное) сопротивление. А для того чтобы в контур, а затем и в детектор из антенны поступала максимальная мощность сигнала, сопротивления контура и антенны необходимо согласовать, т. е. активные сопротивления должны быть равны, реактивные равны по величине, но противоположны по знаку. Аналогично контур связан и с детектором. Последние две детали такого детекторного радиоприемника - это телефоны (наушники), которые должны быть чувствительными и высокоомными, т. е. иметь собственное сопротивление не менее нескольких кило-ом, и блокировочный конденсатор.

Мы познакомились со схемой вечно молодого дедушки радиоприемной техники - детекторного радиоприемника, и убедились, что детекторный приемник не так уж прост. В нем для получения громкого приема должны выполняться условия согласования антенны с контуром, а контура - с детектором, к которому подключены наушники.

Что же могли слышать первые радисты, настроив детекторный приемник на частоту искрового передатчика?

Осциллограмма его коле-баний (рис.4) показывает, что если всплески коле-баний, соответствующие искровым разрядам, происходят со звуковой частотой, то после выпрямления колебаний детектором получается импульсный звуковой Рис. 4. Колебания радиоволн сигнал. Если же передатчик дуговой, то при настройке на его частоту слышен сильный шум или шипение. Но уже в то время начали задумываться о передаче по радио речевых звуковых сигналов так, как это делалось по проводам. Телефоны Бела и Эдисона успешно функционировали во многих городах мира. Это стало возможным с изобретением радиоламп. Экспериментальный вакуумный диод изготовил еще Эдисон – он ввел в изобретенную им же лампочку накаливания второй электрод - анод. Но практического применения Эдисон не нашел. Это сделал в 1904 г. другой изобретатель - Дж. Флеминг. Вакуумные диоды использовались для детектирования высокочастотных колебаний наряду с кристаллическими. В 1907 г. Ли де Форест ввел в вакуумный диод третий электрод - сетку. Теперь радиоинженеры получили новый эффективный прибор для усиления колебания – радиолампу. А где усиление, там и генерация. Любой современный автогенератор содержит два основных элемента, соединенных в кольцо: усилитель и колебательную систему. Первым служит радиолампа или транзистор, вторым – колебательный контур или кварцевый кристалл. В колебательной системе всегда существуют потери энергии и, если их не восполнять, то колебания будут затухающими, как в искровом передатчике. Но часть энергии колебаний усиливается и снова поступает в колебательную систему через цепь положительной обратной связи, восполняя потери.

Рассмотрим схему генератора на вакуумном триоде (рис. 5), сконструированного В. Мейснером в 1913 г. Долгие годы этот вариант так и называли - схемой Мейснера. Колебательный контур включён в анодную цепь лампы, и через катушку контура протекает анодный ток. С контурной катуш-

Рис. 5 Генератор В.Мейснера кой индуктивно связана еще одна катушка связи Lсв. На её выводах возникает точно такое же напряжение колебаний, как и в контуре, лишь несколько меньшее по амплитуде. Оно приложено к сетке лампы и управляет анодным током. Усиленные колебания вновь поступают в контур и поддерживают в нём автоколебательный процесс. Для правильной работы генератора необходимо выполнение двух условий: баланса фаз и баланса амплитуд. Условие баланса фаз состоит в том, чтобы колебания из анодной цепи лампы поступали в такт с колебаниями контура. Условие баланса амплитуд требует, чтобы амплитуда колебаний, поступающих от лампы в контур, была достаточной для покрытия собственных потерь в контуре. Амплитуда выходного напряжения генератора на вакуумном триоде не постоянна, что сильно влияет на частоту. Амплитуда сильно зависит от питающего напряжения и наводимых помех. Как видно, возникла новая техническая проблема. Необходимо стабилизировать амплитуду колебаний генератора. Для этого воспользовались принципом “самообслуживания”, т. е. генератор должен сам стабилизировать амплитуду колебаний. И это нашло отражение в генераторах со специальными цепями стабилизации амплитуды. Простейшим и очень распространенным вариантом является цепь гридлика автоматического смещения сетки (grid - сетка, leak - утечка) (рис. 6).

Во время положительных полуволн радиочастотного напряжения на сетке часть электронов оседает на неё, создавая сеточный ток. В предыдущей схеме генератора сеточный ток лишь вносил потери в колебательный контур. Здесь сеточный ток выполняет полезную роль - проходя по резистору утечки

Рис. 6. Цепь гридлика сетки, он заряжает конденсатор Ср

так, что на сетке образуется отрицательный потенциал. Он тем боль-ше, чем больше амплитуда колебаний. По мере возрастания амплитуды колебаний возрастает и отрицательное напряжение смещения на сетке, запирающее лампу. Усиление её уменьшается, и амплитуда колебаний стабилизируется. Описанный генератор обеспечивает "мягкое" возбуждение колебаний.

Схема генератора Мейснера начала новую эпоху в радиотехнике. Радисты получили средство для генерирования незатухающих колебаний. Осталось связать с колебательным контуром антенну, а в цепь анодной батареи включить телеграфный ключ - и передатчик готов. Нужна большая мощность? Делайте большую лампу. Инженеры включились в соревнование по изготовлению всё более мощных ламп (50, 100, 200 Вт), вскоре перешагнули и киловаттный рубеж. Оставалась неусовершенствованной техника радиоприёма. Нужно было увеличить чувствительность приёмника, т. е. усилить принимаемый сигнал. Возникает новая техническая проблема, которая решается принципом копирования. В том же 1913 г. Роунд, экспериментируя с генератором Мейснера, открыл возможность автодинного приёма - приёма с использованием собственного генератора незатухающих колебаний, причем все процессы приёма происходят в одном активном элементе - триоде.

На рис. 7 приведена схема простейшего автодинного приёмника. Она мало отличается от схемы генератора. Добавлены лишь цепь связи с антенной и телефонная трубка в анодной цепи лампы, зашунтированная блокировочным конденсатором. Контур теперь включен не в анодную, а в сеточ-ную цепь. Это удобнее, поскольку круп-ногабаритный переменный конденсатор с ручкой настройки уже не находится под высоким потенциалом анодной батареи, а катушка обратной связи включена в анодную цепь лампы. Связь её с контур-ной катушкой сделана регулируемой Рис.7 Автодинный

(на рис. 7 обозначено изогнутой стрелкой). приёмник

Какие же процессы происходят в автодинном приёмнике? С помощью ручек настройки частота собственных колебаний устанавливается очень близкой к частоте принимаемого сигнала. Разность частот может составлять 400-1000 Гц. Следовательно, принимаемый сигнал попадает в полосу пропускания колеба-тельного контура. В контуре существуют сразу два колебания: собственное - с большой амплитудой и принимаемое - с малой амплитудой. Сумма двух синусоидальных колебаний с несколько отличающимися частотами и существенно различными амплитудами представляет собой один сигнал с изменяющейся амплитудой - сигнал биений. Амплитуда суммарного колебания изменяется с частотой расстройки между собственными и принимаемыми колебаниями, т. е. с частотой биений. Если амплитуда колебаний изменяется, то благодаря действию гридлика изменяется смещение на сетке лампы. Эти изменения усиливаются лампой, и в телефонах будет слышен звуковой сигнал биений. Он проявляется в виде свиста, тон которого изменяется от высокого до низкого, а при дальнейшем вращении ручки настройки, напротив, - от низкого до высокого. В современных радиовещательных приёмниках свист - вредный эффект, обусловленный несовершенством самого приёмника. Автодин позволил принимать незатухающие колебания "на биениях" с помощью телефонных трубок. Чувствительность приёма, а следовательно, и дальность связи резко возросли. Чтобы передать речевой или музыкальный сигнал, инженеры пошли самым очевидным путём. При применении генераторов без стабилизации амплитуды колебаний в приёмниках стали слышны колебания, биения низкой частоты, которые можно было прослушать. И применяя принцип "Обратить вред в пользу" инженеры стали добиваться, чтобы амплитуда излучаемых колебаний изменялась в такт со звуковым напряжением. В передатчике для этого служила еще одна лампа – модуляторная. В простейшем случае она включалась последовательно с генераторной и регулировала её анодный ток в такт со звуковыми колебаниями. Ну а чем больше ток генераторной лампы, тем больше и амплитуда колебаний. На детекторный приёмник АМ сигнал принимался просто - в телефонах прослушивался звук.

Сложнее обстояло дело с автодинным приёмником. Он был почти идеален по тем временам для приёма телеграфных сигналов. Принимать АМ станции мешал свист - следствие биения между несущей сигнала и собственными колебаниями. Наметились два пути решения проблемы. Один путь - настроить автодин точно на несущую сигнала. Воспользуемся принципом самообслуживания – сделаем так, чтобы приёмник сам подстраивал собственные колебания к принимаемым. Тогда тон биений будет понижаться до нуля, а собственные колебания "захватываться" несущей сигнала до совпадения с ней по фазе. Поскольку здесь осуществляется синхронизация собственных колебаний с принимаемыми, приёмник назвали синхродином. Работал синхродин довольно неустойчиво, поскольку малейшие изменения питающих напряжений или температуры окружающей среды приводили к "уходу" частоты колебаний и появлялся свист - биения. Особенно трудно было принимать слабые сигналы.

Решение проблемы нашел американец Э. Армстронг. В 1922 г. он предложил регенеративный приёмник для АМ сигналов. Здесь действует принцип “использования механических колебаний” (использование резонанса). Схема его практически не отличается от схемы автодина Роунда, отличается регулировка: перемещая катушку обратной связи, регенератор подводят к самому порогу возникновения колебаний, когда собственных колебаний ещё нет, но они вот-вот могут возникнуть. В этих условиях большая часть потерь в колебательном контуре будет компенсирована (регенерирована) цепью обратной связи, и его эффективная добротность может достигать несколько тысяч Герц. В результате существенно возрастает селективность приёмника. А поскольку пик резонансной кривой высокодобротного контура становится выше, возрастает и чувствительность. Биений нет, поскольку в контуре имеются только колебания принимаемого сигнала. Они детектируются в сеточной цепи и, будучи усиленными лампой, воспроизводятся в телефонах.

Радиоспециалисты решали много проблем: как передать концерт в эфир? Как разместить исполнителей, микрофоны? Как оборудовать радиовещательную студию? Большую помощь в решении проблем оказала уже достаточно развитая техника граммофонной записи. А с каким восторгом принимались радиослушателями первые концертные программы известных певцов и музыкантов. Непрерывно возрастало качество радиопередач, расширялся частотный диапазон, уменьшались искажения.
  1   2   3   4


Учебный материал
© bib.convdocs.org
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации