Некоторые технологические достижения в электронике 1956 года

Журнал РАДИОЛОЦМАН, февраль 2018

Когда EDN дебютировал в 1956 году, начав снабжать технической информацией разработчиков электрических и электронных систем, транзисторы только-только начинали изменять облик электронной индустрии. Давайте посмотрим на некоторые электронные разработки и идеи из той эпохи.

Германиевые выпрямители для промышленных устройств

Для преобразования переменного тока в постоянный в 1956 году использовались поликристаллические выпрямители. Типичными материалами, которые применялись в этих устройствах, были сульфид магния-меди, окись меди и селен. В 1956 в качестве материала для выпрямителей начал всерьез рассматриваться германий. Германиевые выпрямители имели другие характеристики, потребовавшие усилий для разработки новых методов проектирования.

Выпрямители из селена и окиси меди имели большие площади выпрямления, работая при низких плотностях тока 0.3 А на квадратный дюйм. В мощных источниках питания это требовало использования элементов больших площадей или их объединения в блоки. В качестве бонуса большая площадь обеспечивала идеальное рассеивание тепла в месте его выделения, а также служила отличным радиатором в случае внезапных бросков тока или коротких замыканий. Без проблем подавлялись и броски напряжения, если их продолжительность не была слишком большой. Разработчикам нравились эти устройства, которые они успешно использовали на протяжении многих лет.

Новые германиевые выпрямители были немного меньше и работали при плотностях тока в несколько сотен ампер на квадратный дюйм. Они оказались намного более эффективными, что привело к уменьшению общего количества выделяемого тепла, но на единицу площади устройства оно все еще оставалось большим (Рисунок 1). Сам по себе германиевый кристалл представлял собой небольшую пластину толщиной от 0.5 до 0.75 мм и диаметром до 25 мм, но в большинстве мощных приложений использовались кристаллы диаметром около 12 мм.

Рисунок 1.	Германиевые выпрямители, использованные в одной приборной стойке, рассчитанной на напряжение 60 В и ток 2000 А. (Фото: [1]).

Ниже перечислены основные преимущества и недостатки селеновых выпрямителей.

Преимущества

1. Высокий рабочий КПД
2. Очень хорошее саморегулирование
3. Небольшие размеры
4. Низкое прямое сопротивление
5. Высокое обратное сопротивление

Недостатки

1. Низкая тепловая перегрузочная способность
2. Температурные ограничения
3. Восприимчивость к броскам тока
4. Восприимчивость к броскам напряжения

Инженеры придумали изобретательные и эффективные способы преодоления этих недостатков.

Транзисторные видеоусилители с расстроенными контурами

В статье 1956 года «Транзисторные видеоусилители с расстроенными контурами» [2] автор Виктор Гринич (Victor H. Grinich) описывает конструкцию видеоусилителя, предназначенного для телевидения и радаров, которым не требовался точный контроль усиления. Проектирование усилителей такого типа на вакуумных лампах в то время было довольно простой задачей. Предметом горячего обсуждения в кругах разработчиков тогда были полосовые усилители на электронных лампах с заземленным катодом.

Хотя эра транзисторов еще только начиналась, во многих схемах они уже заменяли лампы, и разработчики искали способы их использования в видеоусилителях. Трудность заключалась в том, что в то время транзисторы были намного сложнее электронных ламп, и простые методы проектирования на лампах плохо подходили для транзисторов.

В 1956 году Георг Бруун (Georg Bruun) разработал довольно простую конструкцию усилителя с общим эмиттером [3]. Основным камнем преткновения при использовании транзисторов в видеоусилителях здесь были сложности, связанные с двусторонней симметрией транзистора. Бруун сумел решить все проблемы, прежде всего, обусловленные емкостной составляющей эффекта Миллера, порождаемого барьерной емкостью коллектора. Это позволило предложить простые и точные процедуры конструирования видеоусилителей.

Рисунок 2.	Двухпортовое представление гибридного П-образного каскада с общим эмиттером. Емкость Cb’c (емкость коллектора) является основной причиной, по которой транзисторы не могли хорошо работатьв схемах видеоусилителей. (Фото: [3]).

Гринич применил метод Брууна в конструкции видеоусилителя на основе фильтра Баттерворта с максимально плоской характеристикой (Рисунок 2).

Системы видеонаблюдения в больницах

В 1956 году во многие больницы не допускались посетители, которым не исполнилось 14 лет. Это побудило инженеров разработать систему «Visit-Vision», позволявшую посетителю, находящемуся в вестибюле, разговаривать по телефону с пациентом и даже видеть друг друга на экране телевизора в больничной палате. В системе использовалась стандартная камера 60-B и стандартный монитор типа 602, которые размещались внутри треугольной кабины со стороной 6 футов. Телефон находился внутри кабины, где также устанавливались люминесцентные лампы освещения, а выходной сигнал камеры передавался в главный распределительный узел телевизионной системы больницы. Он мог транслироваться по неиспользуемому каналу (в то время в Чикаго использовались каналы 2, 5, 7, 9 и 11), так что сигналы системы Visit-Vision с двумя боковыми полосами проходили через распределительную систему больницы без проблем, связанных с перекрестными искажениями (Рисунок 3).

Рисунок 3.	Показанная здесь система «Visit-Vision» использовалась пациентами больницы в Морристауне, штат Нью-Джерси. Лежа в кровати, женщина разговаривает со своим ребенком, которого видит на экране монитора.

Эта система была разработана компанией ITV – нью-йоркским дистрибьютором оборудования для видеонаблюдения, выпускаемого Dage Television – мичиганским отделением компании Thompson Products. Устройство поставлялось укомплектованным камерой, монитором и кабиной по цене около $2,500.

Миллиметровые волны и их применение

В 1956 году Р. Г. Феллерс (R. G. Fellers) занимался изучением частотного диапазона между спектром радиоволн и инфракрасной областью, известной как миллиметровый диапазон, поскольку длины волн охватывали участок от 1 мм до 10 мм [4]. Этим длинам волн соответствовали частоты от 30,000 до 300,000 млн колебаний в секунду, или, говоря сегодняшним языком, частоты от 30 ГГц до 300 ГГц. Нижняя граница частотного диапазона находилась немного выше радиочастот, которые использовались во время Второй мировой войны, а верхняя была максимальной для известных в то время СВЧ устройств.

Из-за множества новых военных и гражданских систем, появившихся к 1956 году, существующий частотный спектр быстро заполнялся. Кроме того, сервисы, уже работавшие в то время, нуждались в расширении частотных полос. Использование миллиметровых волн рассматривалось как способ создания новых сервисов и снижения давления на существующий спектр частот. Спектр миллиметровых волн позволил бы десятикратно увеличить пропускную способность каналов. Причиной, потребовавшей расширения полос пропускания и перехода на высокие несущие частоты, стало использование более коротких импульсов и новых способов широкополосной модуляции в телевизионных, радиолокационных и коммуникационных системах.

Другими преимуществами миллиметровых волн были меньшие размеры антенн и возможность формирования более узко сфокусированного луча, позволяющие увеличить ее усиление. (При мощности передатчика 10 мВт эффективная излучаемая мощность могла достигать 1 кВт).

Главным недостатком миллиметровых волн было влияние на них атмосферных эффектов. Это затрудняло использование миллиметровых волн в плохую погоду (облака, туман, дождь и т. д.), однако делало их очень полезными для обнаружения облаков и дождя с помощью радиолокаторов. Использование этих частот в коммуникационных устройствах широкого распространения в то время не получило вследствие очень ограниченной дальности связи.

Еще одной важной областью применения этого спектра была микроволновая спектроскопия, используемая при исследовании молекулярных структур. В 1956 году также высказывалось мнение, что именно в этом миллиметровом диапазоне, используемом для подобных исследований, может произойти переход из проводящей области в сверхпроводящую.

Большие надежды возлагались на клистроны, магнетроны и лампы бегущей волны. Разработанные к тому времени отражательные клистроны работали в частотных диапазонах от 26,000 до 60,000 колебаний в секунду с выходной мощностью от 30 мВт в нижней области частот до 5 мВт на частоте 60,000 колебаний в секунду. Тогда таких уровней мощности было достаточно для большинства гетеродинов и измерительных приложений; при этом считалось, что клистроны достигли конечной точки своего развития. Клистроны, используемые в диапазоне 60,000 колебаний в секунду, требовали жестких допусков, высочайшего качества обработки поверхностей и сложных технологий производства (Рисунок 4).

Рисунок 4.	Отражательный клистрон CV2116. (Фото из частной коллекции Роя Джонсона).

Было показано, что для использования в диапазоне более коротких волн лучше подходят импульсные магнетроны. Достигнутые к 1956 году пиковые мощности составляли 100 кВт на длине волны 6.3 мм и 20 кВт на волне 3.3 мм. Обнаруживаемая мощность наблюдалась на длине волны 1.1 мм. В этих электровакуумных приборах использовалась в основном аноды солнцеобразной структуры с чрезвычайно тонкими перегородками между резонаторами (Рисунок 5).

Рисунок 5.	Это солнцеобразная структура (с очень тонкими перегородками) анода магнетрона миллиметрового диапазона. (Фото: [4]).

И, наконец, усилители бегущей волны, в которых использовались спиральные и волноводные структуры, продемонстрировали возможность обеспечивать непрерывную мощность 10 мВт на длине волны 5 мм. Генераторы на лампах обратной волны (частота которых сегодня достигла терагерцового диапазона), спроектированные как структуры спирального и пространственно-гармонического типа, работали на длинах волн 3.0 мм. Тогда казалось, что лампы такого типа будут самыми перспективными приборами для освоения высокочастотного спектра.

Ссылки