/
Текст
llinillHIII
lllllllllllll
ВМЕСТО
I
Ьадиог!сшмь/
ИЗДАТЕЛЬСТВО .СОВЕТСКОЕ РАДИО"
МОСКВА— 1957
я. А. Федотов
«ВМЕСТО РАДИОЛАМПЫ»
Брошюра ставит целью ознакомить
широкий круг неподготовленных в обла-
сти радиотехники и радиоэлектроники чи-
тателей с одной из важнейших задач ше-
стого пятилетнего плана — широким внед-
рением полупроводниковых материалов и
полупроводниковых приборов в различные
области науки и техники, в частности с
вопросами замены радиоламп более на-
дежными, экономичными и малогабаритны-
ми полупроводниковыми приборами.
ирективы XX съезда Коммунистической
партии Советского Союза по шестому
пятилетнему плану развития народного
хозяйства СССР на 1956—1960 гг. поста-
вили перед нашей наукой и техникой ряд
серьезных задач. Для успешного решения
этих задач необходимо обеспечить разра-
ботку нового оборудования на базе по-
следних достижений физики, электроники и радиотехники.
Одним из последних достижений физики, призван-
ных обеспечить технический прогресс в подавляющем
большинстве областей науки и техники, является исполь-
зование атомной энергии в мирных целях. Эта проблема
решается советскими учеными с большим успехом.
Другим исключительно важным достижением совре-
менной науки является ряд открытий в области полупро-
водниковой техники и создание целого ряда новых полу-
проводниковых приборов. Последние исследования в этой
области со всей определенностью показали исключитель-
ные перспективы широкого использования полупровод-
ников в технике. Полупроводники дают возможность ре-
шать задачи, которые без их использования решались с
огромными трудностями или считались вообще практи-
чески не разрешимыми.
Важное значение приобретают полупроводники в об-
ласти ооеспечення промышленности электроэнергией. С
3
помощью полупроводниковых приборов может осуществ-
ляться непосредственное преобразование тепловой, сол-
нечной и атомной энергии в электрическую, что исклю-
чает необходимость в сложных паровых машинах, в ме-
ханических генераторах электроэнергии. Полупроводни-
ки могут быть использованы для обогревания или
охлаждения помещений, для преобразования перемен-
ных токов больших мощностей в постоянный и для це-
лого ряда других целей. О каждой из областей примене-
ния полупроводников можно было бы написать отдель-
ную книгу.
Использование полупроводников для преобразования
энергии не исчерпывает всех возможных областей техни-
ки, применение полупроводников в которых обеспечивает
существенный технический прогресс. Одной из важней-
ших и исключительно перспективных областей примене-
ния полупроводников является радиоэлектроника.
Директивы XX съезда КПСС требуют от нашей про-
мышленности обеспечить разработку новых средств ав-
томатики, увеличить изготовление приборов и средств
автоматизации в 3,5 раза, всемерно развивать работы ио
дальнейшему использованию радиоактивных излучений в
промышленности, сельском хозяйстве и медицине, обес-
печить дальнейшее внедрение дистанционного управле-
ния оборудованием и телемеханизации контроля и управ-
ления в производстве.
Все эти и многие другие задачи решаются с помощью
электронного оборудования. Нет практически ни одной
области пауки и техники, которая не использовала бы
его. Наиболее существенной деталью всякого электрон-
ного оборудования является радиолампа.
Настоящая брошюра ставит целью в популярной
форме познакомить читателя с основными полупроводни-
ковыми материалами, используемыми для изготовления
полупроводниковых приборов, рассказать об областях ис-
пользования радиоламп, их недостатках и о тех перспек-
тивах, которые открывает перед радиоэлектроникой заме-
на радиоламп полупроводниковыми приборами.
Чию такое полупроводники
се встречающиеся в природе вещества по
их способности проводить электрический
ток можно разделить на две большие
группы: вещества, проводящие электриче-
ский ток, и вещества, не проводящие
электрического тока. Такое деление ве-
ществ па проводящие (проводники) и
непроводящие (изоляторы) является при-
вычным и хорошо известно в обиходе.
В последнее время не только в технической и научно-
популярной литературе, но и в газетах все чаще и чаще
стало встречаться слово «полупроводники».
Что же такое полупроводники?
Само название уже говорит о том, что к числу полу-
проводников должны относиться вещества, способные
проводить электрический ток. Однако их проводящие
свойства гораздо хуже, чем проводящие свойства провод-
ников. Действительно, по своей электропроводности по-
лупроводники занимают промежуточное положение меж
ду проводниками и изоляторами.
В качестве примера рассмотрим такие хорошо изве-
стные проводящие материалы, как медь, алюминий, се-
ребро, и изоляционные материалы—кварц, стекло,
фарфор. Если изготовить совершенно одинаковые по
своим размерам столбики из перечисленных выше прово-
дящих и изоляционных материалов и сравнить их спо-
собность проводить электрический ток, то окажется, что
5
изоляторы более чем в миллиарды миллиардов раз ху-
же проводят электрический ток, чем проводники. Такая
разница в электропроводности позволяет считать, что
проводники обладают хорошей электропроводностью, а
изоляторы совершенно не проводят электрического тока.
Полупроводники могут обладать в сотни тысяч, мил-
лионы и даже сотни миллионов раз худшей электропро-
водностью, чем проводники, но зато в сотни и тысячи
миллионов раз лучшей электропроводностью, чем изоля
торы. В этом — количественная разница в электропро-
водности различных веществ, заставляющая нас делить
их не на две, а на три большие группы: проводники, по-
лупроводники и изоляторы.
Проводники и полупроводники отличаются не только
величиной электропроводности, но и самым ее механиз-
мом. Не рассматривая, каким образом осуществляется
электропроводность в проводящих и полупроводящих ве-
ществах, укажем только на некоторые основные свойст-
ва проводников и полупроводников, отличающие их
друг от друга.
В первую очередь, проводники и полупроводники по-
разному ведут себя при изменении температуры. С на-
греванием электропроводность проводников ухудшается,
а электропроводность полупроводников улучшается; с
охлаждением — наоборот. Известно, что самая низкая
температура составляет 273° ниже нуля. Температура
эта называется абсолютным нулем и достижима только
теоретически. Почти все известные нам газы уже при
температурах значительно выше абсолютного нуля пре-
вращаются в жидкости и в твердые тела. Только доли
градуса отделяют достигнутые сейчас в лабораториях
температуры от абсолютного нуля. При этих температу-
рах обращается в жидкость и даже замерзает (при
—272°С) самый «морозоустойчивый» газ — гелий. Такие
температуры поэтому часто называют «гелиевыми».
Температуры, близкие к абсолютному нулю, по-раз-
ному влияют на свойства проводников и полупроводни-
ков.
С понижением температуры электропроводность про-
водников может возрасти до такой степени, что при ге-
лиевых температурах наступает* явление сверхэлектро-
проводности: проводник перестает оказывать сколь-ни-
будь заметное сопротивление протекающему по нему
6
электрическому току. Практически это означает полное
отсутствие потерь электрической энергии в проводнике.
Совсем по-другому ведут себя при очень низких тем-
пературах полупроводники. При приближении к абсо-
лютному нулю электропроводность полупроводников
резко ухудшается и при гелиевых температурах они ста-
новятся изоляторами.
Электропроводность полупроводников может сильно
меняться с изменением освещенности и при радиоактив-
ном облучении полупроводника. Очень сильно зависит
электропроводность полупроводников от наличия в них
примесей других веществ. Ничтожные доли процента
примесей, введенных в полупроводник, могут в тысячи и
десятки тысяч раз изменять его электропроводность.
Все эти свойства полупроводников подтверждают их
право быть выделенными в особую группу веществ.
Какие же вещества относятся к полупроводникам?
Оказывается, что полупроводники представляют со-
бой группу веществ гораздо более обширную, чем про-
водники и изоляторы вместе взятые.
Одним из широко используемых в настоящее время
и перспективных полупроводников является кремний.
Кремний — только один из всех известных науке хими-
ческих элементов. Тем не менее земная кора состоит
почти на Vs из кремния. В значительно меныпих количе-
ствах встречаются в природе такие элементы-полу-
проводники, как германий, селен и т. д. Содержание в
земной коре германия исчисляется, например, десятиты-
сячными долями процента.
К полупроводникам относится также целый ряд хи-
мических соединений элементов-проводников с други-
ми элементами, например такой проводник, как закись
меди, широко используемая при изготовлении выпрями-
телей, преобразующих переменный ток в постоянный.
Свойствами полупроводников обладают также и спла-
вы некоторых металлов, в чистом виде являющихся про-
водниками.
В настоящее время важнейшими полупроводниковы-
ми материалами следует считать германий и кремний.
Правда, сейчас удельный вес германиевых и, особенно,
кремниевых приборов в промышленной продукции еще
не велик, ведущее место занимают пока еще такие полу-
проводники, как селен и закись меди. Тем не менее пер-
спективность применения этих материалов, особенно
кремния, быстрое внедрение в технику, в частности в ра-
диоэлектронику, германиевых и кремниевых приборов,
выдвигают германий и кремний в ряды важнейших полу-
проводников.
Кремний как химический элемент известен науке от-
носительно давно. Он был открыт И. Берцелиусом в
1823 г. и впервые получен в свободном состоянии в
1825 г. Несколько позже, в 1886 г., К. Винклером был от-
крыт германий.
Интересно заметить, что существование германия как
химического элемента, так же как и некоторых других
элементов, было предсказано (еще за 15 лет до его от-
крытия) крупнейшим русским химиком Д. И. Менделе-
евым на основании разработанной им периодической си-
стемы элементов. Д. И. Менделеев точно предсказал ос-
новные физические и химические свойства этого элемен-
та, сделал заключение, что он должен обладать многими
свойствами, общими с известным уже в то время крем-
нием, и назвал его «экасилицием» (кремний по латыни
называется «силициум»). Винклер, открывший этот эле-
мент, назвал его германием.
Германий и кремний обладают очень многими общими
свойствами и как полупроводниковые материалы. Много
общего также в способах их получения и очистки, в тех-
нологии и принципах работы приборов, изготовленных
из этих материалов.
В качестве исходного материала для изготовления
полупроводниковых приборов разных типов желательно
иметь по возможности более чистый германий или крем-
ний. Получение чистого (с точки зрения использования
его как полупроводника) германия, и особенно кремния,
связано с серьезными трудностями. С развитием полу-
проводниковой техники науке и производству пришлось
столкнуться с новыми понятиями о степени чистоты ма-
териала. Дело в том, что наличие в таких полупроводни-
ках, как германий или кремний, самых незначитель-
ных количеств примесей посторонних веществ мо-
жет существенно изменить их электрические свойства.
Для того, чтобы иметь материал с необходимыми для
данного конкретного его использования электрическими
свойствами, нужно взять чистый материал и добавить в
него нужные примеси в нужном количестве.
Возникает вопрос: какой материал можно считать хо-
рошо очищенным?
8
Хорошо известен термин «химически чистое вещест-
во». Обычно под химически чистыми веществами пони-
мают такое вещество, содержание посторонних веществ
в котором исчисляется сотыми и иногда тысячными доля-
ми процента. Таким образом, в химически чистом веществе
имеется от 99,9 до 99,99% основного вещества и от
0,01 до 0,1% примесей, количество и состав которых
нами не контролируются.
В полупроводниковой технике такой материал оказы-
вается совершенно непригодным. Для того, чтобы герма-
ний или кремний можно было считать свободным от при-
месей, полупроводниковая техника требует, чтобы при-
, близительно на каждый миллиард атомов германия или
кремния приходилось не более одного атома примеси.
Таким образом содержание примесей в чистом германии
или кремнии должно исчисляться десятимиллионными
долями процента.
При получении из германия или кремния такой высо-
кой чистоты материала с заданными свойствами прихо-
дится вводить в пих в крайне малых количествах необхо-
димые примеси. В качестве таких присадочных веществ
используются индий, фосфор, сурьма, галлий, алюминий
и другие элементы. Естественно, что если незначитель-
ные количества примесей могут сильно менять электри-
ческие характеристики, то необходимо, чтобы присадоч-
ные вещества также обладали высокой чистотой. В про-
тивном случае одновременно с введением необходимых
нам примесей мы можем ввести также и нежелательные
примеси, портящие материал.
Возникает вопрос: если химически чистые материа-
лы оказываются абсолютно непригодными для изготовле-
• ния полупроводниковых приборов, т. е. химические ме-
тоды очистки не дают нужных результатов, то каким ме-
тодом можно добиться требуемой чистоты материала?
На помощь приходит закон распределения примесей
между твердой и жидкой фазой в процессе плавления и
затвердевания. Явление это может быть проиллюстриро-
вано следующим примером. Известно, что морская вода
содержит довольно большое количество растворенных в
ней солей. В то же время льдины в море менее соленые,
чем вода. Речь идет в данном случае не о льдах, попав-
ших в море с суши или из рек, а о льдах, образовавших-
ся в процессе замерзания соленой морской воды. Лед
представляет собой твердую фазу, вода — жидкую фа-
9
зу одного и того же вещества. Представим себе, что мор-
ская вода налита в пробирку. Если заморозить всю воду
в пробирке одновременно, то лед в пробирке будет в той
же степени соленым. Условия для разделения солей меж-
ду фазами в этом случае отсутствуют.
Представим себе теперь, что мы создали такие усло-
вия охлаждения, что вода в пробирке покрылась сверху
тоненькой корочкой льда. В этом льде солей будет мень-
ше. При замерзании части объема воды примеси (соли)
будут «стараться» остаться в жидкой фазе. Если теперь
мы будем изменять условия охлаждения таким образом,
что слой льда в пробирке будет становиться все толще и
толще, то все большее и большее количество солей бу-
дет концентрироваться в оставшемся объеме воды. Лсд
будет представлять собой твердую фазу воды, частично
очищенной от содержавшихся в пей примесей.
Естественно, что чем выше начальное содержание солей
в воде, тем большее количество солей будет оставаться
в воде, очищенной таким образом. Если необходимо по-
высить степень очистки, то этот процесс можно повто-
рить несколько раз, выплескивая каждый раз остаток во-
ды, обогащенный солями. В результате мы получим
меныпее количество воды, но существенно очищенной от
растворенных в ней примесей.
Аналогичным образом происходит очистка германия
и кремния. Существуют два метода очистки, основанные
на описанном выше явлении: метод зонной плавки и ме-
тод выращивания по Чохральскому. В обоих случаях
подготовка к очистке этими методами состоит в получе-
нии химически чистого материала.
Метод зонной плавки состоит в следующем. Стер-
жень, изготовленный из химически чистого вещества, по-
мещается в ванночку или тигель из тугоплавкого мате-
риала, например графита или кварца, и нагревается
на одном из концов с помощью токов высокой частоты
до температуры плавления.
Высокочастотная печь изготовляется в виде кольца,
сквозь которое может перемещаться очищаемый мате-
риал. Если теперь стержень медленно продвигать
сквозь кольцевую печь, то зона плавления будет пере
мещаться от одного конца стержня к другому. Конец
стержня, выходящий за пределы высокочастотной печи,
будет снова затвердевать. Так как в процессе затверде-
вания примеси будут стараться удержаться в расплав-
10
Рис. 1. Схема очистки германия зонной плавкой.
ленной жидкой фазе, то часть стержня, которая прошла
высокочастотную печь, окажется очищенной от примесей.
Жидкая фаза (зона плавления) по мере продвижения
стержня сквозь печь будет все более и более обога-
щаться примесями. После того, как весь стержень прой-
дет сквозь печь, на конце его образуется область, в КО-
Рис. 2. Фотография установки для зонной плавки
с четырьмя высокочастотными печами.
торой будут сконцентрированы почти все примеси имев-
шиеся в исходном материале. Эта обогащенная примеся-
ми часть может быть отрезана и направлена на химиче-
скую очистку, а большая часть стержня может быть
подвергнута повторному и последующим процессам очи-
стки, чтобы повысить степень чистоты.
Для ускорения процесса и повышения степени очист-
ки тигель с очищаемым материалом может быть пропу-
щен подряд через несколько расположенных одна за дру-
12
гой кольцевых высокочастотных печей. Зоны плавления
будут в этом случае следовать друг за другом, как бы
«сгоняя» примеси от одного конца стержня к другому.
При очистке методом выращивания очищаемый ма-
териал расплавляется в тигле с помощью токов высокой
частоты. В пространстве над тиглем поддерживается тем-
пература несколько ниже температуры плавления. На
поверхность расплава опускается кусочек такого же ма-
щшпок подъемного
механизма
Кварцевая трудна,
заполненная водородом
Расплавленный
германий
Печь нагрева тона
ми высокой частоты
Гранитовый
тигель
Затравка
Вырастающий кристалл
очищенного германия
Рис. 3. Схема очистки германия методом
выращивания из расплава (в разрезе).
териала, называемый затравкой, укрепленный на штоке
подъемного механизма. После соприкосновения затрав-
ки с расплавленным материалом часть ее оплавляется и
появляется граница раздела между твердой и жидкой
фазами. Затравку начинают медленно приподнимать.
Расплавленный материал вытягивается понемногу вслед
за затравкой. Вследствие того, что температура над тиг-
лем ниже температуры плавления, материал, вытяги-
ваясь из тигля, затвердевает. Примеси при этом остают-
13
ся в жидкой фазе в тигле, Количество расплава в тигле
постепенно уменьшается, а расплав обогащается приме-
сями. Когда весь расплав будет «вытянут» из тигля, на
штоке подъемного механизма окажется слиток материа-
ла, «выросшего» на затравке. Нижний конец этого слит-
ка, насыщенный примесями, отрезается, а основная
часть слитка может быть снова и снова подвергнута очи-
стке для получения достаточно высокой степени чистоты.
Рис. 4. Германиевый и кремниевый слитки, полученные
выращиванием. Рядом со слитками для сравнения положена
авторучка.
Следует заметить, что поскольку самые незначитель-
ные количества примесей могут испортить материал и
чистота полученного после очистки материала должна
быть очень высокой, к аппаратуре, предназначенной для
очистки такими методами, предъявляются очень серьез-
ные требования.
Процессы эти, проходящие при очень высоких (по-
рядка 1000—1500°С) температурах, не могут осуществ-
ляться на открытом воздухе, так как при этом невозмож-
но было бы избежать окисления обрабатываемых мате-
риалов и загрязнения примесями, которые могут содер-
жаться в воздухе. Процессы эти проводятся в ваккуме,
в водороде или в инертных газах (например в аргоне).
Само собой разумеется, что должны быть приняты все
14
Меры Против возможною попаданий в обрабатываемый
материал нежелательных примесей из окружающего
газа.
С этой точки зрения процесс очистки германия ока-
зывается существенно проще процесса очистки кремния,
так как проходит при более низких температурах. Темпе-
ратура плавления германия равна 937°С, температура
плавления кремния — 1415°С. Кроме тою, при этих тем-
пературах кремний обладает высокой химической актив-
ностью и очень легко вступает в соединения с другими
элементами.
Как уже было сказано выше, германий и кремний не
являются единственными полупроводниковыми матери-
алами, тем не менее в настоящее время как в области
радиоэлектроники, так и в области энергетики германий,
и, особенно, кремний занимают ведущее место.
Много трудностей преодолела науки, находя пути и
методы получения германия и кремния, многие вопросы
еще предстоит решить. Большие задачи стоят перед уче-
ными в области поисков новых полупроводниковых ма-
териалов, обладающих свойствами, превосходящими
свойства германия и кремния. Эти задачи должны быть
и будут решены, как бы сложны они ни были, так как
полупроводниковые материалы необходимы для изготов-
ления полупроводниковых приборов, призванных обеспе-
чить значительный технический прогресс.
В последующих главах мы познакомимся с областя-
ми применения радиоламп, с их существенными недо-
статками и с теми преимуществами, которые может обес-
печить замена радиоламп полупроводниковыми прибо
рами.
„внимание /
ТовоЬит
ЛМосква!
е только во всех уголках нашей обшир-
ной Родины, но и далеко за ее предела-
ми, по всему земному шару слышен го-
лос дикторов Московского радиоцентра.
За последние годы многие радиослуша-
тели превратились также и в радиозри-
телей: москвичам, ленинградцам, киев-
лянам, жителям многих других городов
Советского Союза знакомы не только голоса дикторов
своих радиостанций, но и их лица. Радиовещание и теле-
видение прочно вошли в наш быт и не всегда и не всем
приходит в голову, что только радиолампа позволила
нам слушать последние известия, посещать театры и ста-
дионы, концертные залы и выставки, не выходя из ком-
наты.
Радиолампа существует уже около 50 лет. За это
время она «научилась» выполнять самые различные
функции. Однако самой основной ее задачей до сих пор
было и остается усиление электрических колебаний.
На радиостанции речь, музыка, изображение преоб-
разуются в специальные электромагнитные сигналы, из-
лучаемые антенной радиостанции в окружающее про-
странство. С огромной скоростью несутся электромаг-
нитные волны во все стороны. Скорость их составляет
300 000 километров в секунду. Чем дальше от радиостан-
ции, тем меныпее количество электромагнитной энергии
16
несут они с собой. Это происходит потому, что при рас-
пространении во все стороны электромагнитная энергия,
излученная антенной, занимает все больший и больший
объем.
Если мы хотим услышать или увидеть передачу, мы
должны поймать эти электромагнитные сигналы и пре-
образовать их в звук и видимое изображение с помощью
приемника.
Рис. 5. Упрощенная схема радиовещания.
Преобразование электрических колебаний в звуко-
вые осуществляется с помощью репродуктора. Если ре-
продуктор установлен в большом зале, в парке, на ста-
дионе, на площади, то сила звука, воспроизводимого ре-
продуктором, во много раз превосходит силу звука голо-
са диктора, певца или оркестра, выступающего перед
микрофоном на передающей радиостанции.
Каким же образом получается увеличение силы зву-
ка, если к месту приема электромагнитные волны прихо-
дят существенно ослабленными?
2—460
17
Электрические мощности, получающиеся после пре-
образования звуковых колебаний в электрические, ока-
зываются настолько малыми, что использовать их непо-
средственно не представляется никакой возможности.
Прежде чем сигнал будет излучен в окружающее про-
странство, он преобразуется в колебания очень высокой
частоты, удобные для излучения, и усиливается во мно-
гие миллионы раз с помощью радиоламп.
Несмотря на это, к месту приема приходит такое ма-
лое количество электромагнитной энергии, что если по-
пытаться преобразовать ее в звуковые колебания без до-
полнительного усиления сигнала с помощью радиоламп,
то при значительном удалении от передающей радио-
станции сила звука окажется настолько ничтожной, что
даже самый острый слух не будет в состоянии опреде-
лить наличие звука, не говоря уже о содержании пере-
дачи.
Принятые антенной приемника сигналы преобразуют-
ся в приемнике и усиливаются в миллионы и миллиарды
раз также с помощью радиоламп. Необходимая степень
усиления будет, очевидно, определяться мощностью пе-
редающей станции, расстоянием от приемника до пере-
датчика и той силой звука, которую желательно полу-
чить от приемника.
Аналогичный путь проходят и сигналы изображения
в телевидении: от световых сигналов, преобразованных
в электрические колебания, усиленных и излученных на
передающей стороне, до электромагнитных волн, приня-
тых антенной телевизора, усиленных и преобразованных
в световые сигналы изображения на телевизионном экра-
не на приемной стороне.
Конечно, процессы радиоприема и радиопередачи
происходят гораздо сложнее, чем они описаны здесь.
Особенно это касается передачи изображения — телеви-
дения. Для нормальной работы передатчика и приемни-
ка необходим целый ряд вспомогательных процессов,
осуществляемых также радиолампами, однако самая ос-
новная функция радиолампы — усиление электрических
колебаний.
Что же представляет собой процесс усиления?
В некоторое устройство (усилитель) приходит сла-
бый электрический сигнал. На выходе этого устройства мы
получаем такой же сигнал, но значительно более силь-
ный. Закон сохранения энергии говорит, что энергия не
18
возникает вновь и не исчезает, а только переходит из
одного вида в другой. За счет чего получилось увеличе-
ние количества энергии на выходе усилителя по сравне-
нию с количеством энергии, поданным на его вход? За
счет энергии источников питания. Там, где есть электри-
ческая сеть, приемник получает энергию от сети, там, где
нет электрической сети, источниками энергии являются
батареи, аккумуляторы, термогенераторы и т. д.
Выпрямитель
Рис. 6. Работа лампового усилителя при воспроизведении граммо-
фонной записи:
Нотные знаки, показанные под микроскопом, через увеличительное стекло и в на-
туральную величину, символизируют относительную величину сигнала до усиления
и после усиления.
Приемник всегда будет потреблять от источника пи-
тания большее количество энергии, чем то, которое мы
получаем в виде полезного сигнала. Куда же расходует-
ся излишек энергии? На нагрев радиоламп и других
деталей радиоприемника. Эта энергия пропадает для
нас бесполезно. Чем меньше разница между энергией,
потребляемой приемником от источников питания, и
энергией, получаемой нами в виде полезного сигнала,
тем выше коэффициент полезного действия приемника,
тем экономичнее приемник.
2*
19
Коэффициент полезного действия современных при-
емников составляет обычно не более 15—25%. Потребле-
ние электрической энергии электроприборами оценивает-
ся обычно по их мощности, т. е. по количеству энергии,
потребляемой электроприбором за единицу времени.
Есть ли смысл бороться за повышение коэффициента
полезного действия приемников, за уменьшение потреб-
ляемой ими электроэнергии? Безусловно есть.
В первую очередь, нужно повысить коэффициент по-
лезного действия батарейных приемников, предназна-
ченных для работы в неэлектрифицированных областях,
в дороге, в походах, в экспедициях. Это вызвано тем, что
батареи представляют собой довольно дорогой источник
электрической энергии. Стоимость электроэнергии, полу-
чаемой от батареи, в сотни раз превосходит стоимость
электроэнергии, получаемой от электросети. Один час
радиослушания в городе стоит около 2—3 копеек. Если
питать обычный четырех-пятиламповый сетевой прием-
ник от батарей, то один час радиослушания может обой-
тись в несколько десятков рублей. Поэтому батарейные
приемники всегда стараются делать высокоэкономичны-
ми, что в значительной степени достигается за счет их
качества. Батарейные приемники обычно принимают не-
большое количество наиболее мощных и близко располо-
женных радиостанций, звуковая мощность, развиваемая
ими, мала.
Уменьшая потребление электрической энергии радио-
приемником, мы получаем возможность уменьшить вес
батарей, что имеет очень большое значение для перенос-
ных радиоприемников. В туристском походе или в экспе-
диции каждый килограмм на учете. Поэтому желатель-
но, с одной стороны, иметь маленькие легкие батареи,
несущие в себе большое количество электрической энер-
гии. С другой стороны, хорошо иметь высококачествен-
ный высокоэкономичный радиоприемник.
Но стоит ли бороться за повышение экономичности
сетевых приемников и телевизоров? Ведь промышленная
электроэнергия так дешева?
В данном случае вопрос решается не стоимостью
электроэнергии, а ее количеством. Мощность, потребляе-
мая радиоприемниками и телевизорами, работающими,
например, в Москве и в Московской области, значитель-
но превосходит мощность атомной электростанции, рабо-
тающей в Московской энергетической системе.
20
Если уменьшить расход электроэнергии, потребляе-
мой телевизорами, радиоприемниками и телеграфными
аппаратами только на 40—50%, то общая экономия в
1960 г. составила бы около двух миллионов киловатт,
т. е. была бы равна мощности Куйбышевской гидро-
электростанции.
Вряд ли является целесообразным непроизводитель-
ный расход электрической энергии, в которой мы систе-
матически ощущаем недостачу, несмотря на огромное
строительство крупных и мелких электростанций. По-
требность в электроэнергии растет настолько быстро,
что для полного ее удовлетворения нужно думать и об
экономном ее использовании.
Очень хорошо сказано об этом в обращении Управ-
ления Мосэнерго к гражданам Москвы:
«Пользуясь электроэнергией без всякого ограничения,
необходимо помнить о бережном и рациональном ее рас-
ходовании, так как электроэнергия необходима промыш-
ленности во все возрастающих количествах для увеличе-
ния выпуска продукции и повышения благосостояния
населения.
...Полезно знать, что только один процент экономии
в год от бытового потребления электроэнергии в Москве
дает возможность дополнительно изготовить 20 млн. мет-
ров хлопчатобумажной ткани, или 5 млн. метров шерстя-
ных тканей, или 12 млн. пар обуви».
С энергетической точки зрения радиолампа обладает
двумя существенными недостатками.
Во-первых, для нормальной работы радиолампы не-
обходимо нагреть один из ее рабочих элементов — элек-
тродов—до высокой температуры (1000°С и выше). Так
же, как в обычной электрической лампе, этот нагрев осу-
ществляется с помощью нити накала. Если заглянуть
сквозь решетчатую заднюю крышку внутрь включенного
приемника или телевизора, то можно увидеть, как све-
тятся красноватым светом нити накала радиоламп. Прав-
да, многие радиолампы выпускаются сейчас не со стек-
лянными, а с металлическими баллончиками и мы не
увидим их свечения, но и в этих лампах имеется нить
накала. Электрическая энергия, затрачиваемая на накал,
необходима для нормальной работы лампы, но эта энер-
гия не преобразуется в полезный сигнал. Если бы мож-
но было создать радиолампу, работающую без нака-
ла, то экономичность приемников с такими радиолам-
21
пами резко возросла бы. Достаточно сказать, что элек-
трическая мощность, затрачиваемая на накал одной при-
емно-усилительной лампы, может превосходить звуковую
полезную мощность, получаемую на выходе приемника.
В многоламповом приемнике мощность, затрачиваемая
на накал ламп, будет в несколько раз превосходить от-
даваемую полезную мощность.
Вторым энергетическим недостатком радиолампы яв-
ляется то, что ее усилительные свойства в сильной сте-
пени зависят от величины напряжения постоянного тока,
приложенного к электродам лампы. Многие радиолампы
усиливают сигналы, напряжение которых измеряется ты-
сячными и даже миллионными долями вольта. Тем не
менее напряжение источников питания, приложенное к
лампе, не должно быть ниже нескольких десятков вольт.
Это приводит к тому, что эти лампы преобразуют в по-
лезную мощность только незначительные доли процента
от подводимой к ним мощности источников питания. Вся
остальная мощность расходуется на бесполезный разо-
грев радиолампы до сравнительно высокой темпера-
туры.
В связи с этим выявляется еще одна неприятная осо-
бенность радиолампы — тепловой режим. Заднюю стен-
ку приемника и дно ящика делают обычно с боль-
шим количеством отверстий, предназначенных для
вентиляции, для отвода тепла, выделяемого радиолампа-
ми. Через эти отверстия в приемник попадает пыль, за-
грязняющая приемник и ухудшающая его работу. Удале-
ние пыли из приемника без пылесоса очень затрудни-
тельно. Сделать же ламповый приемник пыленепроницае-
мым не представляется возможным: отсутствие вентиля-
ции привело бы к сильному перегреву приемника и его
порче.
По этим же самым соображениям пет возможности су-
щественно уменьшить размеры приемника: внутри фут-
ляра приемника должно быть много свободного прост-
ранства, исключающего возможность перегрева аппара-
туры.
Чем сложнее приемник, чем больше в нем радиоламп,
тем больше потребляемая им мощность, сильнее разо-.
грев, больше размеры и вес. Некоторые телевизионные
приемники потребляют мощность, равную мощности элек-
трического утюга. Почти вся энергия, потребляемая ими,
22
преобразуется в тепловую и выделяется внутри ящика те-
левизионного приемника.
Но не только в радиоприемниках и телевизорах встре-
чаем мы радиолампу в нашем быту. Проигрыватели,
предназначенные для воспроизведения граммофонной за-
писи, магнитофоны, усилители установок звукового кино,
микрофонные усилители, применяемые для усиления ре-
чи докладчиков на конференциях, совещаниях и т. д., ис-
пользуют радиолампы.
В поликлинике радиолампы электрокардиографа
улавливают слабейшие биологические токи, возникаю-
щие при работе сердца, давая возможность врачам на-
глядно изучать деятельность этого важнейшего органа.
Радиолампы вырабатывают токи высокой частоты,
используемые при физиотерапевтических методах лече-
ния некоторых заболеваний. Разработаны методы радио-
электронного обнаружения и изучения злокачественных
опухолей.
Небольшой аппарат, спрятанный на груди под одеж-
дой, дает возможность в значительной степени компен-
сировать потерю слуха. В аппарат вделан миниатюрный
микрофон, улавливающий внешние звуки, ламповый
усилитель и источники питания — сухие батареи. Тонкий
шнур связывает аппарат с маленьким наушником, укреп-
ляемым в ушной раковине или на черепной кости за
ухом. Любой звук, воспринятый микрофоном, усиливает-
ся во много раз усилителем.
Большую роль играют радиолампы и в связи на даль-
ние расстояния. Этому вопросу будет посвящена сле-
дующая глава.
Sbydenie говорить с
&.ладивостоко.м ”.
очыо вас разбудил телефонный звонок.
Требовательные продолжительные звонки
следуют один за другим. Сомнений нет
это междугородная телефонная станция.
Вы снимаете трубку и слышите голос
телефонистки: «Будете говорить с Влади-
востоком...».
Во Владивостоке живет ваш брат.
Вы обеспокоены: что заставило его
звонить в ночную
пору? Однако скоро беспокойство рассеивается: брат
звонит, чтобы поздравить вас с днем рождения. Он
смеется: «Кто же спит в это время? Солнце уже высоко
в небе!» Да, действительно, во Владивостоке сейчас
10 часов утра. Около шести часов требуется солнцу, что-
бы преодолеть те тысячи километров, которые отделяют
вас от Владивостока, а голос брата вот он, совсем ря-
дом...
Время разговора истекло, вы прощаетесь и кладете
трубку на рычаг аппарата. Вряд ли вы думаете в это
время о том, сколько радиоламп работало для того, что-
бы донести к вам голос вашего брата из далекого Вла-
дивостока.
Однако вы недовольны тем, что голос вашего брата
сильно искажен. Можно узнать лишь интонацию, но сам
голос — нет. Серьезная доля вины в этом отношении ло-
жится на угольный микрофон, вмонтированный в теле-
24
фонную трубку. Угольный микрофон имеет очень много
недостатков: он плохо воспроизводит тембр голоса, со-
вершенно непригоден для качественного воспроизведения
музыки, сильно подвержен влиянию влаги, чувствителен
к ударам и встряхиванию.
Но есть у угольного микрофона и одно серьезное
преимущество, выгодно отличающее его от других типов
микрофонов—электродинамического и пьезоэлектриче-
ского: он способен отдавать наиболее сильные электри-
ческие сигналы, которые могут быть уловлены и преоб-
разованы в звуковые колебания мембраны телефонной
трубки на относительно больших расстояниях. Правда,
угольный микрофон требует питания — несколько вольт
постоянного тока, которые подводятся по телефонным
проводам со станции к каждому аппарату.
Другие типы микрофонов питания не требуют, но вы-
рабатываемые ими электрические сигналы настолько
слабы, что в каждом телефонном аппарате нужно было
бы поставить специальный усилитель.
Использование радиолампы в телефонных аппаратах
исключается, ведь радиолампа потребляет слишком боль-
шие мощности и требует достаточно высоких напряже-
ний. Питать такие усилители от электросети — значит
усложнить установку абонентских точек: к каждому те-
лефонному аппарату потребуется подвести еще и элек-
тросеть.
А как быть там, где вообще нет электросети или под-
водка ее к месту установки телефонною аппарата за-
труднена? Ведь питание усилителя от батарей сложная
и дорогая вещь...
Вот если бы для нормальной работы радиолампы бы-
ло достаточно тех нескольких вольт, которые обеспечи-
вают работу угольного микрофона, тогда в каждый стан-
дартный телефонный аппарат можно было бы поместить
миниатюрный усилитель и отказаться от угольного мик-
рофона.
Резко повысилось бы качество воспроизведения речи
и увеличилась слышимость при телефонных разговорах.
Особо важное значение имеет это для дальней связи.
Через всю нашу страну тянутся провода и кабели
проволочной связи (телефона и телеграфа), уходя за
ее рубежи. Даже океаны не являются препятствием для
линий проволочной связи. С материка на материк несут-
25
ся телеграммы и телефонные разговоры по подводным
кабелям, уложенным на дно океана. Телефонный разго-
вор на расстоянии в несколько тысяч километров стал
обычным явлением только благодаря радиолампе.
Проходя по проводам, электрические сигналы замет-
но ослабевают, без усиления этих сигналов телефонный
разговор не был бы возможен на расстоянии даже де-
сятков и сотен километров, не говоря уже о тысячах, и
усилители, расположенные по всей линии связи, как
эстафету, передают ваш разговор от одного к другому.
Ли&лемньт чибель
Рис. 7. Схема дальней телефонной связи с; промежуточными усили-
телями.
Хорошо, когда линия связи проходит через близко
расположенные населенные пункты: в них легко устано-
вить усилители, обеспечить их электропитанием, обеспе-
чить надзор за их нормальной и бесперебойной работой.
Хуже, когда большие участки линии проходят через не-
заселенные районы: тайгу, пустыни. В этом случае слож-
нее обеспечить электропитание усилителей (мы уже
знаем, что для усиления даже самых слабых сигналов
радиоламп необходимо значительное количество элек-
троэнергии), наблюдение за их работой и ремонтом.
Еще более сложный вопрос — создание промежуточ-
ных усилителей на подводных линиях связи. Здесь мы
26
сталкиваемся с возможностью выхода радиолампы из
строя. Если одна из радиоламп в одном из промежуточ-
ных усилителей выйдет из строя, то выйдет из строя вся
линия связи.
Если вышла из строя радиолампа в вашем радио-
приемнике, то вопрос решается просто: вы покупаете в
магазине новую лампу и заменяете испортившуюся; мо-
жет быть, вы не прослушаете в этот день последние из-
вестия или пропустите вашу любимую передачу...
Выход из строя линии связи может быть причиной
гораздо более неприятных событий. Радиолампа должна
быть по возможности более надежной, работать многие
тысячи часов, месяцы, годы, не теряя своих усилительных
свойств и не выходя из строя. Насколько сложно создать
такую радиолампу, мы увидим позже.
В проволочной связи радиолампа выполняет не толь-
ко простые функции усилителя. Линия связи проходит
через ряд крупных населенных пунктов. Если бы каждый
телефонный разговор занимал отдельный провод, то из
какого количества проводов должна была бы состоять
линия для того, чтобы каждый населенный пункт мог
вести одновременно один разговор с каждым из других
населенных пунктов, расположенных на этой линии? А
если возникает необходимость в двух или трех перегово-
рах одновременно?
Между этими же населенными пунктами, кроме теле-
фонных переговоров, происходит обмен телеграммами.
Как обойтись минимальным количеством проводов или,
как выражаются специалисты, как уплотнить каналы
связи?
Этот вопрос также решается с помощью радиоламп.
Соответствующие ламповые устройства позволяют по
одному и тому же проводу вести одновременно несколь-
ко телефонных переговоров и в то же время осуществ-
лять обмен телеграммами.
Большое удобство представляет фототелеграф: за ко-
роткий срок вы можете передать на большие расстояния
фотографии, чертежи, рисунки. Эту работу также выпол-
няют радиолампы. И здесь надежность связи будет опре-
деляться надежностью работы радиоламп.
Но только ли надежностью радиоламп определяется
надежность проволочной связи? Безусловно нет.
27
Линии проволочной связи очень сильно подвержены
всякого рода посторонним воздействиям: сильным ветром
свалило подгнивший столб, не вынесли тяжести намерз-
шего на них льда и оборвались провода, замело снегом
линию связи в снежных районах, после сильных ливней
оказалась разрушенной во многих местах линия связи в
горах.
Радиосвязь в этом отношении оказывается значитель-
но надежнее. Но как использовать радио для широкого
Рис. 8. Схема радиорелейной линии „Москва — Рязань", предназна-
ченной для многоканальной телефонной связи и для трансляции те-
левизионных программ Московского телецентра.
телефонного и телеграфного обмена без взаимных помех
со стороны большого количества одновременно работаю-
щих радиостанций? Эта проблема решается с помощью
радиорелейных линий.
Директивы XX съезда КПСС по шестому пятилетне-
му плану предусматривают в 1956—1960 гг. строительст-
во 10 000 километров радиорелейных линий.
Радиорелейная линия — это цепь приемно-передаю-
щих радиостанций, образующих единую линию связи и
28
работающих на очень коротких волнах. Эти волны рас-
пространяются вдоль земной поверхности на относитель-
но небольшие расстояния — несколько десятков кило-
метров.
Подобно тому, как вогнутое зеркало прожектора со-
бирает световые лучи вольтовой дуги и бросает их на
большие расстояния в виде узкого концентрированного
пучка, вогнутый отражатель передающей антенны на ра
диорелейной радиостанции излучает радиоволны узким
лучом прямо в приемную антенну следующей станции.
Принятый сигнал усиливается на этой станции и снова
излучается в виде узкого пучка радиоволн. Так и идет
сигнал от одной приемно-передающей станции радиоре-
лейной линии к другой.
Точно так же от усилителя к усилителю проходил сиг-
нал в проволочной связи, только здесь связующим зве-
ном между промежуточными пунктами усиления являет-
ся не провод или кабель, а узкий радиолуч. Ввиду острой
направленности излучения радиоволн и ограниченного
расстояния их распространения исключается возмож-
ность попадания сигналов одной радиолинии в другую,
т. е. взаимных помех.
Радиорелейные линии используют очень большое ко-
личество радиоламп, каждая радиорелейная линия яв-
ляется многоканальной. Это значит, что ее можно ис-
пользовать для одновременного ведения нескольких те-
лефонных переговоров и обмена телеграммами.
По радиорелейным линиям может также осуществ-
ляться и обмен телевизионными программами между го-
родами, а это значит, что на каждой промежуточной
станции, расстояние между которыми составляет обычно
не более 100 километров, должны быть установлены
сложный приемник и сложный передатчик, использую-
щие десятки и сотни радиоламп. В радиорелейной линии
протяженностью в несколько сотен километров число од-
новременно работающих ламп будет исчисляться' уже
тысячами. Все то, что мы говорили о сложностях, возни-
кающих с питанием и обслуживанием промежуточных
усилителей проволочной связи, проявляется здесь в го-
раздо большей степени. Совершенно исключительное зна-
чение приобретает вопрос надежной работы радиоламп.
ю
мого Ъи
етная погода... С давних пор в нашем
представлении с этим понятием связы-
вается ясный солнечный день. Так ли
это? В настоящее время авиационная
техника достигла такого высокого уровня
развития, что для современного воздуш-
ного корабля любая погода может счи-
таться летной. Днем и ночью, в ясный
день и в дождь летают современные самолеты. Пилоту
уже нет необходимости следить за землей. На самолете
имеется достаточное количество приборов, позволяющих
ему уверенно вести машину и в облаках и за облаками
по заданному курсу, точно выводить ее на необходимый
аэродром, совершать посадку. И в этом ему помогает
радиолампа. Количество радиоламп, используемых в
оборудовании тяжелого воздушного корабля, может до-
стигать в настоящее время нескольких сотен.
Специальные радиоустановки обеспечивают радиоте-
леграфную и радиотелефонную связь с аэродромом вы-
лета и аэродромом посадки. С помощью радиоаппарату-
ры экипаж самолета в любой момент может определить
свое местоположение вне видимости земли. Радиовысото-
меры показывают истинную высоту полета над земной
поверхностью. Радиоприборы выведут самолет на нуж-
ный аэродром, укажут летчику направление бетонной
посадочной полосы, момент начала снижения и угол, под
которым нужно снижаться, чтобы посадить самолет в
30
нужной точке посадочной полосы. Есть на тяжелых са-
молетах и собственная «телефонная станция», с помощью
которой члены экипажа могут разговаривать друг с дру-
гом не покидая своих мест.
Особенно большое количество радиоаппаратуры нахо-
дитсЪ на борту современных военных самолетов. Кроме
обычной аппаратуры, необходимой для осуществления
взлета, полета по заданному курсу и посадки, военный
самолет имеет целый ряд специальных приборов и аппа-
ратов, предназначенных для обеспечения успешного вы-
полнения боевой задачи.
Мы, советские люди, стоим в первых рядах борцов
за мир, но мы не пацифисты. Мы отрицаем неизбежность
войн, но трезво смотрим на возможность развязывания
новой войны агрессивными элементами. Наш долг — все-
мерно укреплять активную оборону Родины, и враг не
застанет нас врасплох.
Глаза и уши мощных радиолокационных установок
обнаружат воздушных пиратов задолго до их вторжения
в пределы нашей страны. Радиолокаторы направят на-
встречу им стволы мощных зенитных орудий. Взлетят в
воздух сотни истребителей, вооруженных радиолокацион-
ными прицелами, позволяющими в любую погоду, днем
и ночью, обнаружить, атаковать и уничтожить против-
ника. Специальные зенитные ракеты, снабженные радио-
локаторами наведения, будут с огромной скоростью пре-
следовать вражеские воздушные корабли, пока не на-
стигнут и не собьют их. На воде и под водой обнаружат
и помогут уничтожить противника морские локаторы.
Каждый радиолокатор — это своеобразная радиостан-
ция, это десятки и сотни радиоламп.
Так радиолампа охраняет наш мирный труд от пося-
гательств поджигателей войны.
Нет такой точки на земном шаре, которая могла бы
в настоящее время считаться недоступной. Современная
авиация, ракеты дальнего действия не оставляют ни ма-
лейших сомнений в том, что агрессора не спасут от всех
ужасов развязанной им войны ни моря ни океаны.
И здесь радиолампа обеспечит точный и сокрушитель-
ный удар по врагу.
Самолет-бомбардировщик совершает полет над тер-
риторией противника. Каждую минуту он может встре-
титься с вражескими истребителями. При современных
31
скоростях полета экипаж бомбардировщика за много
километров должен быть предупрежден об угрожающей
ему опасности. Радиолокационные установки тщательно
осматривают воздушное пространство, своевременно
предупреждают экипаж о появлении в воздухе других
самолетов и даже сообщают ему, свой это самолет или
самолет противника.
Противник атакует! Экипаж бомбардировщика готов
к отражению атаки. Повинуясь легкому движению руки
воздушных стрелков, разворачиваются навстречу против-
нику тяжелые орудийные башни. Прошло то время, ког-
да стрелки управляли оружием только мускульной силой,
да и не сдвинешь, пожалуй, вручную современную мно-
гопушечную установку. Только прицелом управляет сей-
час стрелок. Радиолампы усиливают слабые электриче-
ские сигналы, вырабатываемые при изменениях положе-
ния прицела, и приводят в движение электромоторы.
Стволы пушек точно повторяют каждое движение при-
цела. И не только повторяют. Сложные приборы с боль-
шим количеством радиоламп учитывают скорость и курс
своего самолета, скорость и курс самолета противника,
измеряют расстояние до него и задают пушкам угол
упреждения, направляя их в ту точку, где снаряд встре-
тится с самолетом противника.
Но как же стрелок прицеливается в невидимую глазу
цель?
В то время, как радиолокатор обнаружения продол-
жал обзор воздушного пространства в поисках новых са-
молетов, глаз радиолокатора стрелкового прицела неот-
ступно следил за атакующим самолетом.
Может быть, не один воздушный бой проведет эки-
паж за время полета, и в этом ему поможет радиолампа
(ведь радиолокатор — это прибор с большим количест-
вом радиоламп). Но вот приборы показывают, что само-
лет подходит к цели. В работу вступает радиолокацион-
ный бомбардировочный прицел, который с высоты мно-
гих километров позволяет увидеть цель, учесть скорость
и направление полета самолета, учесть влияние ветра на
траекторию падения бомбы и положить бомбы точно в
цель.
Большое количество радиооборудования требует боль-
шого количества электрической энергии, занимает много
места, имеет большой вес. Борьба за снижение потребле-
32
ния электроэнергии радиоаппаратурой, за уменьшение ее
веса и габаритов приобретает особенно большое значе-
ние в авиации, где борьба идет буквально за каждый
грамм и за каждый кубический сантиметр.
Опять с еще большей остротой встает здесь вопрос о
надежности работы радиолампы. Выход из строя радио-
лампы приводит к полному или частичному выходу из
строя той или иной радиоустановки. В полете, естествен-
но, не может быть и речи об отыскании и устранении
неисправности, а ведь неисправность может привести к
гибели экипажа и пассажиров в гражданской авиации
и свести на нет все усилия экипажа, направленные на
успешное выполнение боевого задания, в военной авиа-
ции.
Нужно учесть, что в самолетном оборудовании радио-
лампы работают в исключительно тяжелых условиях:
температура за относительно короткие промежутки вре-
мени может изменяться от тропической жары до поляр-
ного холода; резко может изменяться давление воздуха
и его влажность; при взлете и посадке оборудование
испытывает толчки и удары; работающие двигатели со-
трясают самолет.
Статистика показывает, что в самолетном оборудова
нии радиолампы работают значительно хуже, чем в ста-
ционарном наземном оборудовании, в первую очередь, за
счет недостаточной механической прочности.
3—460
азулпчые
машины
а блюда я за работой современных слож-
ных автоматически действующих машин,
поражаешься быстроте и точности их
движений. Без вмешательства человека
машина выполняет большое количество
операций, изготовляет сложнейшие дета-
ли, производит их тщательную проверку
и отбраковку.
В Советском Союзе работает первый в мире завод-
автомат, изготовляющий поршни для автомобильных мо-
торов, где автоматизированы полностью все заводские
процессы. Завод этот обслуживается всего пятью операто-
рами в смену. Механизмы, получая сырье, сами прово-
дят плавку исходных материалов, приготовление спла-
вов, отливку и механическую обработку деталей и вы-
дают полностью законченную и хорошо упакованную
продукцию. Каждая деталь, хотя бы незначительно от-
ступающая от заданных технических условий, мгновен-
но бракуется машиной и идет в переработку.
Кажется, что эти механизмы обладают поистине че-
ловеческим разумом, настолько четко и слаженно они
работают.
.Может ли машина быть действительно «разум-
ной», т. е. работать самостоятельно, полностью заменяя
человека? Безусловно, нет. Способностью мышления об-
ладает только человеческий мозг, а все машины соз-
вор
34
даны человеком и способны выполнять только те опера-
ции, которые заданы им конструктором.
Современные машины могут выполнять очень слож-
ные функции: считать, решать сложные математические
задачи и даже переводить тексты с одного языка на дру-
гой. Однако материалы для подсчета должны быть зада-
ны машине человеком, условия задачи должны быть
сформулированы и поставлены человеком, текст для пе-
ревода составлен также человеком.
Самостоятельно мыслить, полностью заменить чело-
века не может ни одна машина, как бы сложна она ни
была. Да и не нужно это: задача таких машин состоит в
том, чтобы освободить человека от целого ряда физиче-
ских и умственных операций, поднять, таким образом,
производительность его труда, дать возможность создать
изобилие продуктов потребления, обеспечить условия
для наиболее полного развития его творческих способ-
ностей.
Роль автоматизации производственных процессов в
борьбе за повышение производительности труда несом-
ненна и очевидна. Если самые простейшие автоматы мо-
гут выполняться как автоматы чисто механические, то
более сложные автоматические механизмы не обходят-
ся, как правило, без использования электронного обору-
дования, т. е., в конечном счете, электронных ламп. Элек-
тронные лампы используются и в целом ряде относитель-
но простых устройств автоматизации.
В настоящее время в нашей стране придается очень
большое значение использованию атомной энергии в мир-
ных целях. В промышленности сейчас широко внедряют-
ся методы контроля, использующие радиоактивное излу-
чение различных веществ. С помощью этих методов мо-
жет автоматически контролироваться и выдерживаться
неизменной толщина прокатываемого листового метал-
ла, плотность выходящей с ткацкого станка ткани, тол-
щина и удельный вес бумаги. Радиоактивные вещества
позволяют контролировать плотность и уровень жидко-
стей, следить за износом отдельных частей машины и
так далее. Целую книгу можно было бы написать о тех
возможностях, которые открывает перед техникой ис-
пользование радиоактивного излучения. И почти везде
здесь используется радиолампа.
Слишком слабы сигналы радиоактивного излучения
для того, чтобы быть непосредственно использованными
3*
35
для целей сигнализации. Тем более недостаточны они
для того, чтобы сигнал, свидетельствующий о необходи-
мости внести какие-либо изменения в работу механизма,
использовать для управления этим механизмом. Радио-
лампы усиливают эти сигналы до необходимого уровня.
Радиоактивное излучение в значительных дозах мо-
жет угрожать здоровью и жизни людей. Во многих слу-
чаях использования атомной энергии возникает необхо-
димость непрерывно контролировать уровень излучения,
чтобы своевременно предупредить обслуживающий пер-
сонал о том, что уровень излучения становится опасным.
И эта задача решается при участии электронных ламп.
Огромное значение в автоматизации производства
имеет управление машинами и агрегатами на расстоя-
нии. Телеуправление и телеконтроль неразрывно связа-
ны между собой.
Проволочные или радиорелейные линии связи соеди-
няют центральный диспетчерский пункт с несколькими
электростанциями, объединенными в одну энергетиче-
скую сеть. Перед главным диспетчером — целый ряд
приборов, сообщающих ему о работе каждой станции,
каждого ее агрегата. Здесь же пульт управления, позво-
ляющий включать или выключать те или иные генерато-
ры электрического тока в зависимости от того, какое ко-
личество электроэнергии забирают потребители от сети.
В зависимости от увеличения или уменьшения потреб-
ления электроэнергии главный диспетчер получает соот-
ветствующие сигналы и включает или выключает те или
иные генераторы, находящиеся на расстоянии десятков
и сотен километров от него. Если один из генераторов
выйдет из строя, вспыхнет сигнал тревоги на диспетчер-
ском пункте, а неисправный генератор будет автомати-
чески выключен из общей сети. Все эти сигналы выраба-
тываются, передаются и исполняются с помощью радио-
ламп.
Необходимость контролировать большое количество
процессов и управлять ими требует большого количе-
ства каналов связи. Стоимость оборудования для теле-
контроля и телеуправления на больших расстояниях оп-
ределяется в основном стоимостью линии связи. Поэто-
му здесь, как и в обычных линиях связи, огромное зна-
чение имеет уплотнение каналов связи, осуществляемое
с помощью специальных ламповых устройств.
36
С большой скоростью несется по рельсам тяжелый
состав, один за другим проносятся за окном кабины ма-
шиниста зеленые огоньки светофоров. И вдруг — крас-
ный сигнал: путь закрыт. Поезд замедляет ход и останав-
ливается у самого светофора. А что, если туман или
еще какая-либо причина не дали бы возможности раз-
глядеть своевременно тревожный сигнал опасности?
В кабине машиниста тепловоза имеется свой малень-
кий светофор, в точности повторяющий показания оче-
редного светофора на пути. Сигналы красного и зелено-
го света передаются специальным передатчиком, распо-
ложенным возле рельс, и воспринимаются приемником
на тепловозе. Когда путь закрыт, то перед машинистом
вспыхивает красная лампочка и раздается сигнал трево-
ги. Если машинист не примет нужных мер, то через семь
секунд включится автостоп, и поезд будет своевременно
остановлен. Так радиолампа обеспечивает безопасность
движения на железной дороге.
Радиолампы позволяют автоматически регулировать
подачу воды в оросительных системах и топлива в энер-
гетике, сигнализировать о пожаре, считать детали, схо-
дящие с конвейера, автоматически измерять и регулиро-
вать температуру в металлургии, находить мельчайшие
трещины и раковины в металлических деталях и брако-
вать их.
Тем не менее, все это сравнительно простые процес-
сы, основанные на принципе «да—ист», «больше—мень-
ше». Функции, выполняемые такими электронными уст-
ройствами, ограниченны и в целом ряде случаев могли
бы быть выполнены и механическими устройствами. Ра-
диолампа часто позволяет только уменьшить габариты
этих устройств, упростить их, повысить точность их рабо-
ты, расширить радиус их действия. Ведь семафор также
управляется на расстоянии, но управление семафором
более громоздко, требует значительных мускульных уси-
лий; расстояния, на которых можно использовать сема-
форы, незначительны. Сложности и неудобства представ-
ляет механическая система автоматического торможения
поезда при закрытом светофоре, хотя такая система ис-
пользуется на трассах ЛАосковского метрополитена
им. В. И. Ленина. Не приходится и говорить о механи-
ческих системах телеконтроля и телеуправления на боль-
ших расстояниях.
37
Есть много автоматических устройств, в которых
обойтись без радиоламп уже невозможно. Это — систе-
мы, предназначенные для автоматического управления
сложными процессами. В такое устройство поступает в
виде специальных закодированных электрических сигна-
лов много разных данных. Система должна принять все
эти сигналы, расшифровать их, сопоставить, даже произ-
вести определенные расчеты, «принять решение» и пере-
дать это решение исполнительным механизмам, регули-
рующим работу отдельных агрегатов.
Это устройство способно выполнять уже логические
операции, но само собой разумеется, что все возможные
варианты «решений» заданы устройству его конструкто-
ром.
Область, затронутая нами сейчас, является исключи-
тельно важной в деле автоматизации производственных
процессов. Подобные устройства называются электрон-
ными счетными машинами.
Электронные счетные машины — это сложные мно-
голамповые устройства, способные выполнять самые
различные функции.
Простейшие из них предназначены для выполнение
четырех основных действий арифметики: сложения, вы-
читания, умножения и деления.
Малоинтересные на первый взгляд, эти машины су-
щественно облегчают человеческий труд. С огромной ско-
ростью и совершенно безошибочно они могут суммиро-
вать и вычитать, множить и делить большое количество
многозначных чисел, заменяя огромное количество лю-
дей с карандашами и бумагой, счетами и арифмомет-
рами, исключая возможные ошибки при подсчетах.
Более сложные машины производят расчеты, зача-
стую оказывающиеся под силу только хорошо подготов-
ленным специалистам. За секунды и минуты они выпол-
няют работу7, на которую сотни специалистов должны
были бы потратить месяцы и годы. Нужно учесть, что
небольшая ошибка, допущенная одним из них, может
свести на нет огромный труд целого коллектива.
С помощью электронных счетных машин в настоящее
время решен в течение буквально нескольких часов ряд
серьезных задач в области строительной техники, астро-
номии и т. д., которые долгие годы считались практиче-
ски не разрешимыми ввиду совершенно фантастического
объема вычислительных работ.
38
Рис. 9. Сбший вид одного из агрегатов быстродействующей электронной счетной машины
_________________ (БЭСМ) Академии наук СССР.
39
В зависимости от степени сложности задач, решаемых
с помощью электронных счетных машин, они могут быть
небольшими, использующими несколько десятков или со-
тен ламп, или большими, количество радиоламп в кото-
рых исчисляется тысячами. Малые машины будут иметь
вид шкафов, большие—требуют специальных помещений.
Это уже целые залы, заполненные электронным оборудо-
ванием.
Все недостатки радиоламп, отмеченные нами выше,
особенно проявляются при использовании их в электрон-
ных счетных машинах.
Большое количество ламп — это прежде всего боль-
шое количество потребляемой ими электроэнергии и вы-
деление большого количества тепла. Если ориентиро-
ваться на естественный теплообмен, то для размещения
больших счетных машин потребуются огромные площа-
ди. Применение принудительной вентиляции ставит
очень жесткие требования к температуре, влажности и
чистоте продуваемого воздуха (отсутствие в нем пыли).
Но самым серьезным и самым важным является во-
прос надежности работы радиоламп в электронных счет-
ных машинах. Правда, в стационарных установках счет-
ных машин радиолампы работают в значительно более вы-
годных условиях, чем, например, в авиационных установ-
ках, тем не менее при очень большом количестве радио-
ламп каждую минуту нужно ждать выхода из строя од-
ной. из них, что ведет за собой выход из строя всей ма-
шины в целом. Представьте себе, легко ли среди многих
тысяч радиоламп отыскать вышедшую из строя и заме-
нить ее.
Такой ремонт представляет значительную сложность
и ведет к тому, что сложная и дорогостоящая машина
используется непроизводительно.
Говорят, что лучшее — враг хорошего. Так радио-
лампа, скрывшая широкие возможности перед наукой и
техникой, год от года заставляет нас все острее чувство-
вать ее недостатки, толкает науку на поиски лучшего
электронного прибора, способного выполнять все функ-
ции радиолампы и в то же время свободного от прису-
щих ей недостатков. Эти поиски и привели ученых
к полупроводниковым приборам.
тадиоламма и ее нодосшатпки
♦
етыре предшествовавших главы были по-
священы рассмотрению вопроса: где и
зачем используется радиолампа в науке,
технике и быту, и тем не менее нельзя
считать, что в них перечислены все обла-
сти применения радиоламп. Мы не каса-
лись, например, такой области как ра-
диоастрономия. Огромная роль принад-
лежит радиооборудованию, а следовательно, и радио-
лампам в исследовании атмосферных явлений на высо-
тах до 20—30 километров с помощью шаров-зондов, ав-
томатически передающих кодированными радиосигнала-
ми данные о температуре, давлении и влажности возду-
ха в тех слоях атмосферы, в которых они находятся.
Аналогичным образом используются управляемые по
радио ракеты для изучения состояния атмосферы на
очень больших, не доступных для человека высотах.
В настоящее время во всех странах проводится Меж-
дународный геофизический год. Одним из этапов прово-
димых исследований является изучение высших слоев
атмосферы с помощью искусственного спутника Земли.
Искусственный спутник Земли некоторое время с огром-
ной скоростью будет вращаться вокруг Земли на высоте
нескольких сотен километров. Понемногу теряя скорость,
он будет приближаться к Земле и, входя в более плот-
ные слои атмосферы, сгорит в результате сильного на-
41
грева, возникающего от трения о воздух тела, движуще-
гося с огромной скоростью. Это значит, что все данные
о верхних слоях атмосферы можно получить только во
время движения искусственного спутника по орбите.
Для этого на искусственном спутнике должно быть
установлено большое количество приборов и радиообору-
дования для передачи показания этих приборов на Зем-
лю.
Для питания радиооборудования на искусственном
спутнике должны быть источники с таким запасом энер-
гии, которого хватило бы на все время существования
искусственного спутника.
При этом предполагается, что искусственный спутник
будет иметь форму шара или цилиндра диаметром око-
ло 30 сантиметров и весом около 20 килограммов. Даже
в этом случае для его запуска потребуется трехступен-
чатая ракета весом около 40 тонн. Поэтому к радиообо-
рудованию искусственного спутника предъявляются, та-
ким образом, исключительно жесткие требования в от-
ношении веса и габаритов.
Толчки и удары при старте ракеты, огромные ускоре-
ния при разгоне до скорости 8 000 метров в секунду, не-
обходимой для преодоления сил земною притяжения,
требуют исключительной прочности радиооборудования.
Высокая стоимость искусственного спутника и обору-
дования для его запуска требует исключительно надеж-
ной работы всего радиооборудования. При выходе радио-
оборудования из строя искусственный спутник значитель-
но потеряет свою ценность.
Велика роль различного электронного оборудования
в лабораторных исследованиях: оно позволяет исследо-
вать процессы, время которых измеряется менее чем
миллионными долями секунды. Большое количество фи-
зических процессов можно изучить только с помощью
электронного оборудования.
Широкое использование электронного оборудования
в самых различных областях науки и техники требует
применения большого количества специальной контроль-
ной, измерительной и испытательной аппаратуры. Эта
аппаратура также в большом количестве использует ра-
диолампы.
Во всех случаях использования радиолампы в боль-
шей или меньшей степени появляются основные ее недо-
42
статки: значительное потребление электроэнергии, боль-
шой вес и большие габариты ламповой аппаратуры и,
самое главное, недостаточная надежность радиоламп в
работе.
Остановимся более подробно на вопросе надежности
радиоламп.
Радиолампа имеет много общего с хорошо всем изве-
стной обычной электрической лампой накаливания. Соб-
ственно говоря, и произошла-то она от электрической
Рис. 10. Внешний вид радиоламп различного назначения.
Слева — миниатюрная радиолампа 0.6П2Б.
лампочки. Как и во всякой электролампе, в радиолампе
имеется нить накала, которая может перегорать в про-
цессе работы. Все рабочие элементы радиолампы также
размещены в баллоне, из которого откачан воздух. По-
этому любой микроскопической трещины в баллоне лам-
пы оказывается достаточно, чтобы вывести ее из строя.
Рабочие элементы лампы, электроды, размещены
внутри баллона изолированно друг от друга и крепятся
с помощью проволочек, слюдяных прокладок и стеклян-
ных или керамических столбиков. Удары и сотрясения
опасны для радиолампы. Правда, многие радиолампы
имеют не стеклянные, а металлические баллоны и отно-
сительно слабые удары не грозят целости баллона, тем
не менее при этом может оборваться нить накала, отор-
ваться один из электродов, два или несколько электро-
43
дов могут соединиться между собой вследствие дефор«
мации.
Другим серьезным недостатком радиолампы являет*
ся так называемый микрофонный эффект, смысл которо-
го заключается в том, что если радиоустановку поме-
стить на самолете или на какой-либо другой машине,
имеющей сильно вибрирующие детали, то недостаточно
жестко укрепленные электроды радиоламп начинают
вибрировать. Это приводит к появлению в установке
ложных сигналов, зачастую совершенно срывающих
нормальную работу установки. Хотя в этом случае мы
не имеем дела с выходом радиолампы из строя, тем не
менее установка в целом оказывается неработоспособной
именно по «вине» радиоламп.
Все эти причины выхода радиоламп из строя являют-
ся принципиальными, т. е. связанными с самим принци-
пом работы радиолампы, и устранить эти причины невоз-
можно. Правда, можно делать лампы с большим сроком
службы, но достигается это очень дорогой ценой: услож-
нением технологических процессов, более тщательной от-
браковкой и проверкой. Таким же путем можно повы-
сить и механическую прочность радиоламп. Но все это
приводит к тому, что стоимость такой надежной радио-
лампы значительно превышает стоимость обычной радио-
лампы, а ведь самые обычные, широко распространен-
ные радиолампы, используемые в радиоприемниках и те-
левизорах, стоят от нескольких рублей до нескольких де-
сятков рублей за штуку. Кроме того, все это нс освобож-
дает радиолампу от других недостатков, связанных с ее
весом, габаритами, потребляемой мощностью.
Срок службы обычных радиоламп составляет около
500—1000 рабочих часов. Наиболее надежные радиолам-
пы способны работать около 20 000 часов. При этом вы-
ходит из строя около 2% работающих ламп. Вообще
срок службы радиоламп довольно часто оценивается по
времени, за которое выходит из строя 2% радиоламп.
Для промежуточных усилителей, установленных в
трансатлантическом телефонном кабеле, были разрабо-
таны и изготовлены уникальные радиолампы, испыта-
ние которых показало выход из строя 0,02% за 1000 ча-
сов. Их срок службы оценен в 350 000 часов. Стоимость
их крайне высока.
Нужно заметить также, что почти во всех случаях,
стараясь свести к минимуму один из недостатков радио-
44
лампы, мы в сильной степени подчеркиваем какой-либо
другой ее недостаток.
Так, например, в сильном противоречии находятся
такие качества, как надежность и экономичность, кото-
рые мы хотели бы видеть в лампе одновременно.
В малогабаритных малопотребляющих лампах типа
1ПЗБ или 0,6 П2Б для уменьшения потребления элек-
троэнергии на накал употребляют нить накала толщиной
11 —12 микрон (микрон — тысячная доля миллиметра).
Естественно, что от такой лампы трудно ожидать боль-
шого срока службы, так как вероятность перегорания
такой тонкой нити накала очень велика. Механическая
прочность этой лампы также не будет очень высокой.
Увеличивая толщину нити накала с целью повышения
надежности лампы, мы резко увеличим количество элек-
трической энергии, необходимое на накал.
Борьба за повышение надежности радиоламп, очень
трудная сама по себе, осложняется во много раз, если
мы хотим добиться одновременно миниатюрности и эко-
номичности.
Для того, чтобы более наглядно показать, какое вли-
яние оказывает надежность работы радиолампы на ра-
боту оборудования в целом, рассмотрим следующий
пример.
Допустим, что в установке используется 500 ламп со
сроком службы в 1000 часов. Пусть за этот срок выхо-
дит из строя 2% ламп. Грубо говоря, за десять часов
выйдет из строя в 100 раз меньшее количество радио-
ламп, т. е. 0,02%, а это значит, что в среднем на каждые
5 000 ламп имеется одна, которая выйдет из строя в пер-
вые же десять часов работы. Если использовать эти
5 000 ламп в десяти аналогичных установках, то одна
из десяти установок выйдет из строя в течение первых
же десяти часов работы. Этот метод подсчета очень гру-
бый и приближенный. Статистика показывает, что при
одновременном испытании большого количества одно-
типных ламп наибольшее число выходов ламп из строя
наблюдается именно в первые часы работы. Мы же
предполагали, что эти 2% ламп будут выходить из строя
равномерно в течение всего срока службы — 1000 часов.
Это еще больше повышает вероятность выхода из строя
рассматриваемой установки в первые же десять часов
работы.
45
В настоящее время 500 одновременно работающих
радиоламп — очень небольшая цифра. 500 радиоламп —
это небольшая электронная счетная машина, это обору-
дование тяжелого бомбардировщика, это дальняя линия
связи.
Радиорелейные линии, большие электронные счетные
машины используют тысячи радиоламп. Соответственно
повышается вероятность их выхода из строя, снижается
их надежность.
Более точные расчеты, проводимые с помощью мето-
дов теории вероятностей, показывают, что при одновре-
менной работе 10 радиоламп в 20 случаях из 100 одна из
них выйдет из строя за время срока службы. Если же
100 ламп работают одновременно, то в 85 случаях из
100 одна из них должна выйти из строя за время срока
службы. При большем количестве радиоламп (200—300)
выход из строя за время срока службы хотя бы одной
из них практически неизбежен.
Поэтому в многоламповых электронных устройствах
срок службы отдельной радиолампы должен в несколько
тысяч раз превосходить срок непрерывной работы
устройства в целом.
При таком положении с вопросом надежности теряет
смысл проектирование и построение сложных многолам-
повых установок, чисто ламп в которых составляет де-
сять, двадцать и более тысяч штук. Определенные слож-
ности возникали бы и с обеспечением питанием таких ус-
тановок и с их размещением. Однако практическая не-
обходимость в построении таких установок назревает с
каждым днем все более и более.
Все это снова и снова наводит нас на мысль: радио-
лампе должна быть найдена замена.
Jhiecmo радиолампы
ервый полупроводниковый прибор по-
явился в радиотехнике на самом раннем
этапе ее развития. Он даже несколько
опередил радиолампу и поэтому может
считаться до некоторой степени ее стар-
шим братом.
Свыше 50 лет назад впервые в мире
применил кристаллический детектор в
технике приема сначала радиотелеграфных, а затем и
радиотелефонных сигналов наш соотечественник, изобре-
татель радио Александр Степанович Попов. Кристалли-
ческий детектор заменил в первых радиоприемниках ко-
герер, неудобный для приема радиотелеграфных сигна-
лов и непригодный для приема радиотелефонных сигна-
лов.
Изобретение вакуумной радиолампы, способной уси-
ливать электрические колебания и в то же время выпол-
нять функции, свойственные кристаллическому детекто-
ру, сузило область его применения. Тем не менее кри-
сталлический детектор прочно удерживал свои позиции
в радиотехнике до наших дней и даже в ряде областей
одержал победу над радиолампой.
Серьезным преимуществом кристаллического детек-
тора является то, что с его помощью можно строить про-
стые радиоприемники, не требующие источников пита-
ния. Такие приемники могут принимать сигналы только
47
довольно мощных и относительно близко расположенных
радиостанций. Только один — два человека могут слу-
шать радиопередачу с помощью детекторного приемника
и наушников, тем не менее детекторные приемники игра-
ли и продолжают играть очень большую роль в радио-
фикации сельских местностей нашей страны. С детектор-
ного приемника начинало не одно поколение наших ра-
диоспециалистов и радиолюбителей.
В 1922 г. сотрудник Нижегородской радиотехниче-
ской лаборатории О. В. Лосев открыл одно исключитель-
но интересное свойство кристаллического детектора: спо-
собность при некоторых условиях усиливать и генериро-
вать электрические колебания. Были построены первые
детекторные приемники-кристадины с питанием от ма-
ленькой батарейки, имевшие гораздо большую чувстви-
тельность, чем обычные детекторные приемники. С по-
мощью таких детекторов можно было создавать неболь-
шие маломощные передатчики с радиусом действия в не-
сколько сотен метров. Однако гораздо проще и, главное,
надежнее и устойчивее работали в аналогичных устрой-
ствах радиолампы.
Начавшееся в тридцатых годах развитие радиолока-
ционной техники показало, что с переходом к очень вы-
соким частотам, применяемым в радиолокации, кристал-
лический детектор обнаруживает ряд ценных свойств,
выгодно отличающих его от радиолампы.
Использование в радиолокационных приемниках кри-
сталлического детектора дало возможность повысить
чувствительность приемника, а следовательно, и увели-
чить дальность действия радиолокаторов.
Кристаллический детектор является двухэлектродным
полупроводниковым устройством. Один электрод пред-
ставляет собой кусочек какого-либо полупроводникового
кристалла, запаянный в специальный держатель. Дру-
гим электродом является остро заточенная пружинка,
материал которой специально подбирается из условия
лучшего взаимодействия с данным полупроводником.
Положение острия контактной пружинки на поверх-
ности полупроводника имеет, серьезное значение при ра-
боте с кристаллическими детекторами такого типа. Кон-
тактная пружинка укрепляется в специальном шарнир-
ном приспособлении, и радиослушатель на слух подби-
рает точку наибольшей чувствительности, обеспечиваю-
48
щую наибольшую громкость приема. Одно случайное
резкое движение — и пружинка сбивается с чувствитель-
ной точки. Нужно снова начинать поиск.
В процессе работы над созданием твердых селеновых
и меднозакисных выпрямителей, предназначенных для
преобразования переменного тока в постоянный, был
разработан и меднозакисный устойчивый детектор, не
требовавший предварительной настройки при радиослу-
шании и не чувствительный к толчкам и ударам. Однако
первые полупроводниковые приборы продолжали оста-
ваться диодами — двухэлсктродными устройствами.
। Рис. 11. Кристаллические детекторы:
слева — радиолюбительский кристаллический детектор 20-х—30-х годов; справа —
современные кристаллические диоды.
Диодом была и первая радиолампа. Она имела, как
и полупроводниковые диоды, два электрода: анод и ка-
тод. Электрический ток протекал через диод от анода к
катоду. Такая лампа могла быть использована только
для выпрямления колебаний, но не для их усиления.
Только после того, как между анодом и катодом был
введен третий электрод — управляющая сетка, появи-
лась возможность с помощью сетки управлять током в
цепи «анод—катод». При использовании для управления
слабых электрических сигналов оказалось возможным
получать сигналы такой же формы, но гораздо большей
мощности в цепи «анод—катод». Так из вакуумного лам-
пового диода был получен вакуумный ламповый триод—
прибор для усиления электрических колебаний.
Большое сходство характеристик вакуумного и кри-
сталлического диодов не раз наводило ученых на мысль:
нет ли возможности добавить третий электрод к кри-
4—460
49
сталлическому диоду (детектору), с тем чтобы иметь воз-
можность управлять его током?
В 1938 г. немецкие ученые Хильш и Поль опублико-
вали данные об изобретенном ими кристаллическом
трехэлектродном приборе, в котором ток между двумя
электродами управлялся с помощью третьего электрода
Прибор этот в принципе обладал всеми основными
характеристиками простейшей усилительной радиолам-
пы, триода, но был настолько технически несовершен-
ным, что практическое его использование было невоз-
можно.
Так как в то время не очень остро чувствовались ос-
новные недостатки радиолампы, никто не обратил серь-
езного внимания на это открытие: открыто любопытное
явление, не имеющее особой практической ценности...
Только много позже, когда бурное развитие радио-
электроники заставило ученых всех стран начать поиски
заменителя радиолампы, свободного от основных ее не-
достатков, вспомнили и о возможности создания кристал-
лических усилительных приборов.
Ровно через десять лет, в 1948 г., было опубликова-
но сообщение о создании в Соединенных Штатах Амери-
ки полупроводникового трехэлектродного усилительного
прибора, кристаллического триода, или, как его еще ча-
сто называют, транзистора.
С самых первых дней своего существования транзи-
сторы показали целый ряд существенных преимуществ
перед радиолампой.
Во-первых, выяснилось, что транзисторы могут рабо-
тать при потреблении питания в несколько тысяч раз
меньшем, чем очень экономичные радиолампы: для нор-
мальной работы этих приборов оказалось достаточным
подводить к ним напряжение порядка долей вольта.
Во-вторых, были все основания предполагать, что
срок службы таких приборов будет во много раз превос-
ходить срок службы не только обычных, но и самых на-
дежных радиоламп.
В-третьих, полупроводниковые приборы должны иметь
существенно более высокую механическую прочность.
Все основные электронные процессы, лежащие в основе
принципа действия полупроводниковых приборов, прохо-
дят не в вакууме, как это имеет место в вакуумных лам-
пах, а в объеме кристалла полупроводника. Такой при-
бор может быть запрессован в пластмассу. Это само по
50
себе исключает возможность замыкания электродов меж-
ду собой, полностью исключает микрофонный эффект,
резко снижает возможность обрыва электродов внутри
прибора.
Четвертым существенным преимуществом полупро-
водникового прибора является то, что нет необходимости
нагревать один из его электродов до очень высокой тем-
пературы. Полупроводниковые приборы работают при
собственной температуре, т. е. при температуре окружа-
ющей среды. Это значит, что отпадает необходимость в
таком элементе, как нить накала, отсутствие которой
резко повышает надежность прибора, снижает потреб-
ляемую им мощность, уменьшает количество тепла, из-
лучаемое им.
Рис. 12. Отечественные кристаллические триоды различного назна-
чен ия.
Большим преимуществом полупроводниковых прибо-
ров являются их малые габариты и вес. Самая миниа-
тюрная радиолампа, употребляемая, например, в слухо-
вых аппаратах, имеет приблизительно длину спички и
толщину обычного карандаша. Размеры обычного кри-
сталлического триода меньше размеров сверхминиатюр-
ной радиолампы. В случае необходимости величина кри-
сталлического триода может быть сделана равной вели-
чине спичечной головки.
Малые мощности, потребляемые кристаллическими
триодами, позволяют серьезно пересмотреть требования
к радиодеталям, сделать их более миниатюрными.
4*
51
Малое потребление электроэнергии, а следовательно,
и малое выделение тепла позволяет более компактно
располагать радиодетали, получая таким образом еще
большее уменьшение габаритов радиоаппаратуры.
Обрыв или замыкание электродов, перегорание нити
накала в радиолампе приводят к мгновенному и полно-
му выходу радиолампы из строя.
Многие полупроводниковые приборы свободны от
этого недостатка. Причиной их выхода из строя должно
быть медленное ухудшение их усилительных свойств.
Это является большим преимуществом в тех случаях,
когда аппаратура должна надежно проработать в тече-
ние некоторого ограниченного отрезка времени. Можно
надеяться, что тщательно проверенная перед запуском
аппаратура в течение нескольких дней и, тем более, в
течение нескольких часов будет работать исключительно
надежно. Это имеет огромное значение, например, для
самолетного оборудования.
Сопоставляя изложенные выше преимущества кри-
сталлических триодов с отмеченными нами в предыду-
щих главах недостатками радиоламп, можно сделать
вывод, что кристаллические триоды обладают всеми ос-
новными качествами, которые мы хотели бы видеть у
заменителя радиолампы.
Преимущества кристаллических триодов открывают
самые широкие возможности перед радиоэлектроникой.
Здесь и существенное повышение надежности работы
многоламповых схем, и резкое повышение экономично-
сти батарейной радиоаппаратуры, и снижение потребле-
ния мощности электронным оборудованием, и резкое
уменьшение веса и габаритов авиационного и переносно-
го радиооборудования, и возможность создания телефон-
ных усилителей, питаемых низким напряжением, подво-
димым обычно к угольному микрофону, и целый ряд
других возможностей и интересных решений технических
проблем.
Все возможности и перспективы, обеспечиваемые
применением полупроводниковых приборов в радиоэлек-
тронике, сделали полупроводниковую проблему одной из
важнейших проблем мировой науки.
Хотя эти приборы имеют и ряд существенных недо-
статков, о которых будет сказано в следующей главе, тем
не менее, преимущества их настолько очевидны, что к
решению проблем, связанных с вопросами разработки,
52
усовершенствования, производства и использования в ра-
диоэлектронике полупроводниковых приборов, привлече-
ны во всем мире большие силы ученых.
Со времени своего второго рождения в 1948 г. радио-
технические полупроводниковые приборы сделали огром-
ный скачок вперед и стали в настоящее время серьезным
конкурентом радиолампы в целом ряце областей.
Успешная борьба с недостатками кристаллических
триодов позволяет с каждым днем расширять области
их возможного применения.
В следующей главе мы познакомимся с современны
ми полупроводниковыми приборами, с отдельными ва-
риантами их использования и перспективами их даль
нейшего развития и применения.
^//ОЛунЬоводниКО&Ые,
иЪи^оры
сегодня и забтпЬа
а сегодняшний день уже имеется хотя и
далеко не достаточный, но все же доволь-
но большой опыт изготовления и исполь-
зования целого ряда полупроводниковых
приборов, в том числе и кристаллических
триодов.
Было бы неправильно сравнивать кри-
сталлические триоды и вакуумные лампы
сегодняшнего дня, не учитывая того обстоятельства, что
вакуумной лампе около 50 лет, а кристаллическому трио-
ду около 8 лет.
За 8 лет существования кристаллических триодов во
всем мире было изготовлено около 5 миллионов штук три-
одов. Это составляет около 25% дневного выпуска ра-
диоламп мировой промышленностью.
Приблизительно на 350 типов кристаллических трио-
дов, выпускаемых во всем мире, приходится около
18 500 типов радиоламп.
Кристаллические триоды настоящего времени хотя и
далеки от совершенства, однако уже успели показать це-
лый ряд своих преимуществ.
Интересные результаты по исследованию надежности
серийных кристаллических триодов, выпускаемых про-
мышленностью США, были опубликованы в технической
литературе в конце 1954 г. и в начале 1955 г.
На основании анализа данных о работе одного мил-
лиона кристаллических триодов в слуховых аппаратах
54
было подсчитано, что 2°/о кристаллических триодов вы-
ходит из строя в среднем за 4 000 часов работы. Было
выяснено также, что основной причиной выхода из строя
являлась недостаточная влагостойкость пластмассы, в
которую запрессовывались триоды. Как и следовало
ожидать, полностью отсутствовали случаи замыканий
электродов и только тысячные доли процента всех вы-
шедших из строя триодов имели обрывы электродов.
Рис. 13. Кристаллические триоды, выпускаемые
американской промышленностью.
Представляет интерес также и тот факт, что из всех
триодов, признанных негодными, только около 7% были
полностью неработоспособными. Во всех остальных слу-
чаях выход из строя определялся ухудшением характе-
ристик.
с В ряде журналов были приведены данные по совмест-
ной одновременной работе сложных устройств с числом
кристаллических триодов в них от 100 до 500. Эти
устройства работали непрерывно по несколько тысяч ча-
« сов до первого выхода из строя кристаллического триода.
В двух американских научно-исследовательских лабо-
раториях проводились испытания больших партий кри-
сталлических триодов на срок службы. По результатам
испытания триодов в течение 10 000 часов было сделано
заключение, что срок службы этих приборов может со-
ставлять около одного миллиона часов.
Таким образом, практика показывает, что уже в пер-
вые годы своего существования, еще при недостаточном
55
опыте в разработке и технологии, кристаллические трио-
ды массового выпуска превосходят значительно по на-
дежности не только массовые, но и многие падежные
радиолампы.
В качестве примера работоспособности кристалличе-
ских триодов при малом потреблении электрической
энергии можно привести камертонный генератор, изготов-
ленный в Харьковском государственном институте мер и
измерительных приборов.
Генератор такого типа служит эталоном частоты ко-
лебаний, поэтому частота колебаний, создаваемых таким
генератором, не должна отклоняться от заданной даже
на миллионные доли процента.
Изменение температуры окружающей среды может
очень сильно менять частоту колебаний. Поэтому генера-
тор помещают в подземной камере на глубине 25 метров,
где устойчиво поддерживается температура 10°, 1С. Но
температура будет устойчиво поддерживаться только в
том случае, если сам генератор не будет сильно нагре-
ваться при работе.
Очевидно, что радиолампа, потребляющая большое
количество электроэнергии, исчисляемой в лучшем слу-
чае десятыми или сотыми долями ватта, и выделяющая
много тепла, не пригодна для этой цели. Два кристалли-
ческих триода, использованных в таком генераторе, по-
требляют при своей работе всего лишь 15 микроватт,
т. е. 15 миллионных долей ватта!
Примером экономичности аппаратуры с кристалличе-
скими триодами может служить разработанный и подго-
товленный к выпуску коллективом сотрудников Сурдо-
акустической лаборатории Министерства социального
обеспечения РСФСР слуховой аппарат «Кристалл».
В комплект питания лампового слухового аппарата
входит батарея накала и 30-вольтовая анодная батарея.
Аппарат «Кристалл» использует только одну 1,5-вол ьто-
вую батарею, аналогичную батарейкам ФБС для карман-
ных фонариков. В результате этого стоимость пользова-
ния слуховым аппаратом «Кристалл» более чем в 10 раз
меньше, чем стоимость пользования самыми экономич-
ными ламповыми слуховыми аппаратами. «Кристалл»
обеспечивает почти в три раза большее усиление и в
2,5 раза большую полезную выходную мощность по
сравнению с ламповым слуховым аппаратом «Слух».
56
Габариты аппарата «Кристалл» почти вдвое меньше
габаритов ламповых аппаратов, хотя в нем удалось до-
полнительно поместить устройство, облегчающее теле
фонные переговоры.
Показательно, что из 360 000 слуховых аппаратов,
выпущенных в США в 1954 г., только 25 000 использо-
вало лампы. В 1956 г. все слуховые аппараты в США
выпускаются на кристаллических триодах.
Рис. 14. Ламповый слуховой аппарат „Слух" и полупро-
водниковый слуховой аппарат .Кристалл". Рядом с каж-
дым из аппаратов помещены батареи, необходимые для
60-часовой работы.
Научно-исследовательскими институтами, а также ря-
дом отдельных радиолюбителей спроектировано и изго-
товлено большое количество миниатюрных высокоэконо-
мичных приемников — от умещающихся вместе с источ-
никами питания в радионаушниках или в портсигаре до
настольных батарейных приемников, предназначенных
для села.
Возможность питания кристаллических триодов от
напряжения в несколько вольт делает перспективным их
использование в автомобильных приемниках: питание
таких приемников возможно непосредственно от автомо-
бильного аккумулятора, отпадает необходимость в виб-
ропреобразователе, недостаточно надежно работающем
и создающем помехи радиоприему, появляется возмож-
ность уменьшить габариты приемника.
57
Однако не всегда удается избежать необходимости
преобразовывать низкие напряжения постоянного тока
в повышенные. Своеобразный «повышающий трансфор-
матор постоянного тока» и представляет собой вибро-
преобразователь. Известно, что с помощью обычных
трансформаторов можно повышать или понижать на-
пряжение переменного тока. Постоянный ток такой транс-
формации не поддается. Обычно для трансформации ма-
лых мощностей используют вибропреобразователь, прин-
цип действия которого имеет много общего с принципом
Рис. 15. Карманный радиоприемник, обеспечивающий громкогово-
рящий прием.
действия электрического звонка. С помощью прерывателя
постоянный ток преобразуется в пульсирующий, напряже-
ние которого может быть повышено с помощью транс-
форматора. Пульсирующий ток повышенного напряже-
ния выпрямляется и «выглаживается» с помощью фильт-
ров опять в постоянный ток, но уже более высокого на-
пряжения.
Механическое прерывание тока с помощью вибрирую-
щего контакта дает, с одной стороны, искрение, проявля-
ющееся при радиоприеме в виде треска; с другой сторо-
ны, обгорание контакта в процессе работы, что приводит
58
к частым выходам его из строя. Кроме того, в ряде слу-
чаев может мешать и слышимое жужжание вибрирующе-
го контакта.
В настоящее время проведена большая работа по ис-
пользованию кристаллических триодов для преобразова-
ния постоянного тока низких напряжений в постоянный
ток более высоких напряжений. При этом процессы про-
текают так же, как и в вибропреобразователе, но вместо
вибрирующего контакта используется генератор на кри-
сталлическом триоде, питающийся от низковольтного
первичного источника питания и генерирующий электри-
ческие колебания, напряжение которых повышается за-
тем с помощью трансформатора и выпрямляется. Выпол-
нить такое устройство на радиолампах не представляет-
ся возможным, так как ни одно устройство с радиолам-
пой не будет в состоянии работать при напряжениях ис-
точника питания в несколько вольт.
Преобразователи постоянного тока с кристаллически-
ми триодами могут преобразовывать напряжение
1,5—5 вольт в напряжения, равные сотням и тысячам
вольт. Они обладают меньшими габаритами и весом и
более высоким коэффициентом полезного действия, что
имеет исключительно большое значение для создания ба-
тарейной аппаратуры с электронно-лучевыми трубками.
Высокая экономичность кристаллических триодов по-
зволяет говорить о создании многоламповых батарейных
схем, например батарейного телевизора. Высокое напря-
жение потребуется здесь для питания кинескопа — при-
емной телевизионной трубки. Необходимо высокое на-
пряжение для питания электронно-лучевой трубки осцил-
лографа — незаменимого прибора для радиотехнических
ремонтных работ.
В настоящее время все элементы телевизора и осцил-
лографа, выполненные на кристаллических триодах, про-
шли испытания в лабораториях. В американской техни-
ческой литературе описан первый опытный макет бата-
рейного телевизора, не использующего ни одной радио-
лампы.
В лабораториях наших научно-исследовательских ин-
ститутов проведена огромная теоретическая и экспери-
ментальная работа по исследованию возможностей и
перспектив применения полупроводниковых приборов в
электронных счетных машинах, в самолетном радиообо-
рудовании, в установках проволочной связи и радиосвязи.
59
Во всех случаях исследователи приходят к единодуш-
ному заключению: применение полупроводниковых прибо-
ров позволяет во много раз снизить вес и габариты радио-
электронного оборудования; в десять, а иногда и в сто раз
снизить потребляемую мощность, повысить надежность
оборудования, увеличить срок его службы, решить ряд
проблем, не решаемых с помощью радиолампы.
Трудно перечислить все области радиоэлектроники, в
которых полупроводниковые приборы прошли лаборатор-
ные испытания и показали ряд ценных и неоспоримых
преимуществ. В автоматике и телемеханике, радиолока-
ции, медицине, океанографии, метеорологии — практиче-
ски во всех отраслях науки и техники полупроводнико-
вые приборы доказали свою перспективность.
Результаты исследований выявили и целый ряд недо-
статков полупроводниковых приборов. Так, например,
выяснилось, что германиевые приборы плохо работают
в условиях изменения температуры окружающей среды,
существенно уступая в этом отношении радиолампам.
Однако вслед за германиевыми вскоре были разработа-
ны более температуростойкие кремниевые приборы.
Первые полупроводниковые приборы имели очень
ограниченный диапазон рабочих частот. Три — четыре
года назад можно было, например, говорить о примене-
нии кристаллических триодов только в приемниках длин-
ных и средних волн. Другими словами, рабочие частоты
кристаллических триодов не превышали двух—трех ме-
гагерц. В настоящее время имеются уже образцы кри-
сталлических триодов, способные работать не только в
коротковолновом и ультракоротковолновом диапазонах
волн, где длина волны электромагнитных колебаний из-
меряется десятками и единицами метров, но и в диапа-
зоне дециметровых воли, т. е. при частоте колебаний в
несколько сотен мегагерц.
Нет необходимости перечислять все трудности, кото-
рые приходилось и приходится преодолевать в процессе
развития полупроводниковой техники.
Несмотря на все свои недостатки, полупроводниковые
приборы обладают такими большими преимуществами,
что ничто уже не в силах остановить их широкого внед-
рения в радиоэлектронику.
В шестой пятилетке паша промышленность выпустит
целый ряд приборов и устройств, в которых лампы будут
заменены полупроводниковыми приборами.
6J
Замена радиоламп в электронных счетных машинах
полупроводниковыми приборами позволит не только по-
высить надежность их работы, но и снизить в десять и
более раз потребление электроэнергии, существенно
уменьшить их вес и габариты. Это уже дает возможность
создавать небольшие счет-
ные машины, имеющие
вес и размеры радиопри-
емника средней величины.
Такие машины, не тре-
бующие специальных по-
мещений, смогут быть с
успехом использованы и
для сложных бухгалтер-
ских и статистических
подсчетов, и для расчетов
в целом ряде научно-ис-
следовательских институ-
тов и конструкторских
бюро.
В конце 1955 г. одна из
американских фирм объя-
вила о том, что ею раз-
работана счетная машина
типа IBM-608, использую-
щая 3 000 кристалличе-
ских триодов. Это пол-
ностью безламповая элек-
тронная счетная машина
совершает до 4 500 сло-
жений в секунду, пере-
множает два девятизнач-
ных числа или делит во-
Рис. 16. Миниатюрный усили-
тель на трех кристаллических
триодах, занимающий объем
0,5 смл.
семнадцатизначное число
на девятизначное прибли-
зительно за одну сотую
долю секунды. Она имеет
в два раза меньшие раз-
меры и потребляет в 10 раз меньшую мощность, чем
соответствующий ламповый вариант.
Солнце излучает на Землю огромное количество лучи-
стой энергии, но только незначительная ее часть прохо-
дит сквозь атмосферу. Геофизики утверждают, что если
бы было возможно убрать атмосферную оболочку, осо-
61
бенно верхние, ионизированные ее слои, то буквально за
десять минут Солнце превратило бы Землю в опален-
ную зноем пустыню.
Искусственный спутник Земли, орбита которого бу-
дет проходить на высоте нескольких сотен километров,
сможет с помощью полупроводниковых батарей получить
от Солнца количество электроэнергии, вполне достаточ-
ное для питания всего его оборудования.
Рис. 17. Приемник на кристаллических триодах, снаб-
женный кремниевой солнечной батареей.
Несмотря на малые размеры искусственного спутни-
ка, в нем можно будет разместить большое количество
радиооборудования, использующего полупроводниковые
приборы.
В ближайшие годы появятся и портативные карман-
ные радиоприемники с бесплатным источником энергии.
Полупроводниковые солнечные батареи будут заряжать
небольшой аккумулятор, питающий приемник. Достаточ-
но подержать такой приемник на свету один или два ча-
са, как за счет солнечной энергии он получит такое коли-
чество электроэнергии, которое обеспечит его многочасо-
вую непрерывную работу. Такие радиоприемники неза-
менимы и в геологоразведочной экспедиции, и в турист-
ском походе, и на рыбалке.
62
Для врачей можно будет изготовить легкие портатив-
ные электрокардиографы и электроэнцефалографы с пи-
танием от батарей, позволяющие в любых условиях де-
тально изучить работу таких важных органов человече-
ского организма, как сердце и мозг.
Существенно упростится проверка и ремонт радио-
электронного оборудования. В чемоданчике электрора-
диомеханика полупроводниковые приборы позволят раз-
местить комплект измерительной и проверочной аппара-
туры, ламповый вариант которой занимает не один стол
в мастерской.
Полупроводниковые приборы позволяют уже говорить
и о переносных и автомобильных телевизорах, о видео-
телефоне, т. е. телефоне с передачей не только речи, но
и изображения, и о многих других нужных и интересных
новинках, может быть, даже о карманном автоматиче-
ском радиотелефонном аппарате.
Могут сказать, что это уже относится к области фан-
тастики... Что же, мы не отрицаем, сегодня это еще дей-
ствительно научная фантастика.
Но наша научная фантастика — это не беспочвенные
мечтания, а смелый взгляд вперед, предположения, опи-
рающиеся на твердую почву наших научных знаний, на
веру в поистине неограниченные возможности человече-
ского разума, свободного от оков идеализма и направ-
ляемого стремлением к светлому будущему человечества.
Замечательный русский ученый и изобретатель
К- Э. Циолковский сказал: «Невозможное сегодня станет
возможным завтра». Однако ни в одном деле победа не
приходит сама. Развитие полупроводниковой техники
требует огромного труда многотысячного коллектива уче-
ных и инженеров, техников и рабочих, специалистов и
неспециалистов.
Советские люди не боятся трудностей, и можно быть
уверенным, что любые проблемы, как бы сложны они ни
были, будут с успехом и своевременно решены.
f
СОДЕРЖАНИЕ
Введение . .........................................
Что такое полупроводники . ....................
«Внимание! Говорит Москва!».........................
«Будете говорить с Владивостоком...»................
В любую погоду .....................................
«Разумные» машины . . .......................
Радиолампа и ее недостатки ......................
Вместо радиолампы . . • ....................
Полупроводниковые приборы сегодня и завтра .
Стр.
3
5
16
24
54
Яков Андреевич Федотов
ВМЕСТО РАДИОЛАМПЫ
Редактор Э. М. Волкова.
Художественная редакция и оформление художника В. В. Волкова
Сдано в набор 30.111.57. Подписано в печать 27/VIII 1957 г.
Г-32433.2,98 изд, л.3.28 печат. л.Заказ 460.Цена 90 к.
Отпечатано с готового набора
в типографии Госэнергииздата. Москва, Шлюзовая наб., 10.