Как работает телевидение

Механическая система для передачи изображений. Диски с отверстиями, расположенными по спирали, осуществляли передачу изображений точка за точкой. Такие системы применялись на заре телевидения.

В прошлом веке, когда были созданы первые фотоэлементы — устройства, превращающие световые сигналы в электрические, — появились проекты передачи изображений электрическим путем. Наиболее реальными оказались проекты поочередной передачи электрических сигналов, соответствующих яркости каждого отдельного элемента изображения. Глаз имеет инерцию: каждое световое раздражение, как бы кратковременно оно ни было, сохраняется у него в течение 0,1 сек. Поэтому если перед глазами за одну десятую секунды в последовательном порядке возникает большое количество светящихся точек, то у зрителя создается впечатление, что все эти точки он видит одновременно. Такая поочередная передача сигналов от отдельных точек изображения лежит в основе современного телевидения. Практическое распространение телевидение получило только после того, как были созданы электронные приборы, способные осуществлять передачу и прием изображений точка за точкой с требуемой быстротой и четкостью.

Впервые электронная система телевидения была предложена петербургским профессором Б. Л. Розингом в 1907 г., но лишь четверть века спустя в результате работы многих коллективов исследователей и конструкторов в ряде стран появились практически применимые системы телевидения.

В первых практических телевизионных системах был использован еще один важный принцип — принцип накопления энергии. На передающем пункте фотоэлемент заряжает конденсатор, затем весь накопленный электрический заряд создает сигнал за время передачи одного элемента изображения.

На нашем рисунке показана электронная система современного черно-белого телевидения.

На передающей станции используют трубку с мозаичным фотокатодом. Это слюдяная пластинка, на которую нанесено большое количество отдельных тесно расположенных пятнышек — фотоэлементов. Обратная поверхность слюды металлизирована. Этот металлизированный электрод называют сигнальной пластиной. Каждый крохотный фотоэлемент служит одновременно и обкладкой конденсатора; другая обкладка — сигнальная пластина.

На фотомозаику при помощи объектива проектируют оптическое изображение.

Различные элементы мозаики освещаются с разной интенсивностью. Фотоэлементы приобретают относительно сигнальной пластины заряд, величина которого зависит от освещенности. На светочувствительную мозаику направляют электронный луч, который чертит параллельные линии-строчки таким образом, чтобы за одну секунду успеть 25 раз обойти всю ее поверхность. Этот луч поочередно разряжает все фотоэлементы. В результате в проводе, соединенном с сигнальной пластиной, возникают электрические импульсы — видеосигналы. Их сила пропорциональна освещенности соответствующих участков мозаики.

Сигналы усиливаются и подаются к радиопередатчику.

Так передается телевизионное изображение: 1—изображение актеров и декораций попадает в камеру; 2 — микрофон для передачи звука; 3— осветительные приборы; 4—диктор в звуконепроницаемой кабине; 5—комментатор показываемых сцен; 6—режиссер с помощником и звукооператор; 7—магнитофон, включаемый во время действия; 8 — пульт управления всеми осветительными приборами. Звук и изображение попадают в аппаратную, превращаются в электромагнитные волны, усиливаются и по кабелю идут на башню, а оттуда—в эфир. Из подсобных студий передают изображение макетов, титров и таблиц настройки. Из отдельного помещения демонстрируют кинофильмы. Внестудийный репортаж поступает из передвижных усилительных установок на расстояние прямой видимости на мачту центральной студни. Здесь изображение и звук усиливаются и посылаются в эфир по другому каналу.

По действующему в нашей стране стандарту изображение раскладывается на 625 строк. Чтобы четкость его была одинаковой и в вертикальном и в горизонтальном направлениях, каждая строка должна состоять из точек, размер которых одинаков и по вертикали и по горизонтали. Так как ширина кадра относится к его высоте, как 4:3, то полное число точек, на которое разлагается изображение, в 4/3 больше квадрата числа строк. При 625 строках число точек равно 521 тыс. Все эти точки передаются 25 раз в секунду. Поэтому наивысшая частота видеосигнала будет около 6 млн. гц.

Для радиопередачи необходимо, чтобы частота несущей сигналы волны была хотя бы в 8-10 раз выше частоты самого сигнала. Поэтому для передачи телевидения применяются частоты порядка 50 мгц и выше — метровые радиоволны. Более длинные волны непригодны для телепередачи.

Метровые радиоволны распространяются прямолинейно, подобно свету. Поэтому телепередачи обычно можно принимать на расстоянии прямой видимости между антеннами передатчика и приемника. При высоте передающей антенны 150 м. и высоте приемной антенны 10 м радиус надежной радиопередачи — до 60 км. В некоторых исключительных случаях телевизионные передачи принимаются на расстоянии многих сотен километров. Это зависит от состояния ионосферы и атмосферы (см. т. 3, ст. «Физические основы радио»).

Принцип действия электронной системы телевидения.

Сигналы, полученные приемной антенной, усиливаются и затем поступают к приемной электронно-лучевой трубке. Передняя стенка этой трубки стеклянная, и на внутренней стороне ее нанесен слой люминофора — вещества, светящегося от ударов электронов. В другом конце трубки помещен электронный прожектор. В нем накаленный катод испускает поток электронов, которые под действием фокусирующих полей собираются в луч. А луч создает на люминофорном экране пятнышко диаметром в десятые доли миллиметра.

Чтобы перемещать электронный луч по экрану, возбуждая на люминофоре светящиеся строки, на луч воздействуют поперечным электрическим или магнитным полем. При магнитной развертке вокруг трубки помещают две пары катушек. К ним от генераторов развертки подается переменный ток. Отклонение электронного луча пропорционально току в катушках развертки. При линейном изменении тока в катушках луч с постоянной скоростью перемещается по экрану. Одна пара катушек дает строчную развертку. Прочертив одну строчку, луч быстро возвращается в исходное положение. Вторая пара катушек дает развертку по кадру. Она расположена перпендикулярно первой и отклоняет луч по вертикали так, чтобы за время одного кадра прочертились все 625 строк.

Радиотелеуправление.

В современных телевизорах для уменьшения мелькания применяется так называемая чересстрочная система развертки. Электронный луч сначала прочерчивает все нечетные строчки (1, 3, 5 и т. д.), затем возвращается и прочерчивает все четные строчки.

Подобное развертывающее устройство действует и на передающей трубке. Чтобы луч в приемной трубке двигался согласованно с лучом в передающей трубке, телевизионный передатчик посылает сигналы, управляющие генераторами развертки, — синхронизирующие сигналы.

Для воспроизведения изображения на экране приемной трубки в электронном прожекторе имеется управляющий электрод — модулятор. Он изменяет ток в электронном луче в соответствии с видеосигналами, т.е. в соответствии с чередованием светлых и темных участков в передаваемом изображении.

Сейчас много внимания уделяется цветному телевидению, которое воспроизводит естественную окраску изображений. Здесь применяют метод разложения на передатчике изображения на три основных цвета и суммирование, смешение цветов на приемнике. За исходные первичные цвета берут красный, зеленый и синий.

Радиолокация

Все знают сказку Пушкина о золотом петушке, подаренном звездочетом-мудрецом царю Додону. Петушок безошибочно указывал, с какой стороны ждать нашествия врагов.

Жизнь превзошла сказку! В 30-х годах в СССР и в некоторых других странах мира стали входить в практику радиолокаторы — приборы более чудесные, чем золотой петушок. Слово «локус» по-латыни означает «место». Радиолокация — это определение местоположения отдаленных предметов при помощи радиоволн.

Действие радиолокаторов основано на свойстве радиоволн отражаться. В радиолокаторе есть передатчик, вырабатывающий радиоволны. Встретившись на пути своего распространения с каким-либо препятствием, они отражаются, и часть их попадает обратно к приемнику локатора. Скорость распространения волн — величина известная. Поэтому, измерив время, прошедшее с момента посылки сигнала и до момента возвращения отражения, и помножив это время на скорость распространения волн, получим удвоенную величину расстояния до интересующего нас объекта.

1. На локационном экране — изображение посадочной площадки. 2. Экран панорамного радиолокатора отображает план местности. 3. Радиовысотомер улавливает отраженные от земли радиоволны. Справа — схема действия локатора: 4— электронный прожектор, 5—анод, 6—пластины вертикального отклонения, 7— пластины горизонтального отклонения. Слева внизу: радиосигналы, посланные локатором, прошли от Земли до Луны и обратно за 2,5 сек. Вычисленное расстояние—384 400 км—совпадает с данными астрономов.

Для точного определения времени, которое затрачивает радиоволна на прохождение расстояния до объекта и обратно, применяют различные методы. В радиолокаторах импульсного типа передатчик работает не непрерывно, а отдельными толчками—импульсами. После каждого кратковременного его включения (длительность импульса бывает от долей микросекунды до десятков микросекунд) наступает пауза длительностью в сотни или тысячи раз больше длительности импульса. За время этой грузы волны успевают пробежать расстояние до объекта и обратно. Время, прошедшее между излучением импульса и возвращением его отражения, измеряют точные электронные схемы. Затем посылается новый импульс волн. Таких импульсов посылается от нескольких десятков до нескольких тысяч в секунду. Поэтому можно сказать, что измерение расстояния производится непрерывно.

Существуют также радиолокаторы с непрерывным излучением. В них передатчик излучает волны все время, но при этом частота колебаний не остается постоянной, а слегка изменяется — излучение модулируется по частоте. К моменту, когда возвращаются отраженные колебания, излучаемые колебания имеют уже несколько иную частоту. По разнице частот
излучаемых и отраженных колебаний и определяют расстояние до объекта, отражающего волны.

В радиолокации в настоящее время применяют преимущественно сантиметровые волны. Они хорошо проходят через дождь, туман, снег и позволяют с большой точностью определять расстояние до отдаленных объектов.

Наиболее совершенные радиолокаторы определяют расстояние до цели с относительной ошибкой менее 10^-4. Это превышает точность самых лучших оптических дальномеров. Радиолокационный метод измерения расстояний сводится к измерению промежутков времени. Аппаратура, измеряющая отрезки времени, дает более точные показания, чем устройства, измеряющие какие-либо другие физические величины.

Направление на цель радиолокатор измеряет с возможной ошибкой менее 2 угловых минут. А в некоторых типах аппаратов, в частности в применяемых для радиоастрономических наблюдений, удается измерять угловые координаты с точностью до нескольких угловых секунд.

Существуют типы радиолокаторов, которые автоматически следят за движущимся объектом, например самолетом, ракетой. Антенна такого локатора автоматически, сама поворачивается на объект. А радиолокатор с электронным вычислительным устройством позволяет осуществлять автоматические полеты по заданной трассе.

Методы радиолокации используют и в метеорологии. При помощи индикаторов кругового обзора можно наблюдать образование туч и грозовых фронтов, точно определять местоположение и высоту грозовых облаков. Такие наблюдения позволяют более точно составлять прогнозы движения туч, предупреждать за несколько часов о приближении ураганов.

Радиотелемеханика

В конце прошлого века знаменитый изобретатель Никола Тесла (см. ст. «Никола Тесла») построил модель корабля, которая управлялась сигналами, передаваемыми радиоволнами. От этих опытов ведет свое начало наука и техника управления механизмами на расстоянии — телемеханика.

В современной технике все шире применяются автоматические устройства. Часто автоматическое управляющее устройство удаляют от механизмов, которые этим автоматом управляются. Между управляемым объектом и пунктом управления создаются каналы связи. По ним от объекта идут сигналы измерительных приборов — производятся телеизмерения, а в обратном направлении (от пункта управления к объекту) идут сигналы команды. Иногда такая связь осуществляется по проводным линиям.

Чтобы уменьшить расходы на линии связи, пo одной проводной линии часто передают несколько различных команд — применяют многоканальную связь. В частности, многоканальная связь при помощи радиоволн, распространяющихся по проводам, применяется на линиях электропередач. Это так называемая высокочастотная связь по ЛЭП.

Радиоволны связывают пункт управления с объектами, отстоящими на сотни километров.

От Волги к Москве идут высоковольтные линии, по которым передается электроэнергия мощных гидростанций. По этим же линиям при помощи радиоволн передаются различные сигналы, идут телефонные переговоры. Множество различных токов циркулирует по линиям электропередач, не мешая друг другу. На электростанциях устанавливаются радиопередатчики и радиоприемники. Их присоединяют к линиям электропередачи при помощи конденсаторов связи, которые свободно пропускают высокочастотные токи, но преграждают путь низкочастотным силовым токам. Силовой ток высокого напряжения не может проникнуть к радиоустройствам. Кроме того, в линии высокого напряжения включают еще специальные катушки — заградительные дроссели. Они не допускают высокочастотных токов к силовой аппаратуре, предотвращают потери высокочастотной энергии.

При помощи высокочастотной аппаратуры осуществляется управление станциями и подстанциями, удаленными на сотни километров от пункта управления.

В статье «Автоматика» описан запуск мощной ракеты при помощи автоматических радиотелемеханических устройств. Значительная часть автоматических приборов, управляющих ракетой, находится на наземной станции, а их связь с исполнительными механизмами на самой ракете осуществляется по радио.

Но не только для связи с движущимися объектами — кораблями, самолетами, ракетами — используют свободно распространяющиеся радиоволны. При автоматизации процессов добычи и транспортировки нефти и газа часто оказывается выгодным применение радиоканалов для связи пунктов управления с участками нефтедобычи и нефтепроводов. В последние годы на газо- и нефтепроводах стремятся полностью автоматизировать насосные станции и управлять ими с пунктов, удаленных часто на сотни километров. На эти пункты управления от отдельных линейных станций автоматически передаются сведения о температуре, давлении, расходе нефти или газа, о состоянии различных вентилей и задвижек. По команде с пунктов управления запускаются и останавливаются насосы, производятся различные переключения трубопроводов.

Лампы для шкал приборов Недавно появились очень простые и удобные люминесцентные лампочки для освещения шкал различных измерительных приборов и указателей. Такая лампочка представляет собой тонкую стальную полоску с нанесенным на нее керамическим фосфорным покрытием. Свечение лампочки вызывается способностью некоторых типов фосфоров возбуждаться в электрическом поле. Лампочка отличается надежностью, прочностью, длительным сроком службы, простотой, маленькими размерами и способностью работать при весьма низких температурах.

Высокочастотный нагрев

Порыв ветра подымает пыль, крутит ее в вихре. Так и электромагнитная волна, пронизывая любое вещество, любую конструкцию, заставляет двигаться в вихре свободные электроны в проводниках, раскачивает, колеблет ионы и молекулы в изоляционных материалах. Чем быстрее движутся частицы вещества, тем выше его температура. При помощи электромагнитных волн — токов высокой частоты (ТВЧ) — можно нагреть в принципе любой материал до любой температуры.

Справа — нагреватели, в которых действует магнитное поле. Их применяют для хорошо электропроводных материалов. Слева — нагреватели, в которых действует электрическое поле. Они предназначены для материалов с высоким электросопротивлением (полупроводники, изоляторы). 1 — индукционная печь, работающая на токе с частотой 50 гц. Чтобы при этой низкой частоте обеспечить хорошую магнитную связь между первичной обмоткой печи (индуктором) и нагреваемым металлом, печь снабжена стальным сердечником (магнитопроводом); 2 — индукционная бессердечниковая печь (частота тока от 500 гц до нескольких мегагерц). Объем тигля бывает от нескольких кубических миллиметров до сотен литров; з — индуктор для поверхностного нагрева под закалку (частота тока от нескольких килогерц до нескольких мегагерц). Показан простейший одновитковый индуктор для нагрева боковой поверхности изделий в форме диска. Часто применяются индукторы сложной формы, иногда с ферромагнитными магнитопроводами; 4—установка для индукционной плавки стекла. Электропроводность стекла даже при самой высокой температуре много меньше электропроводности металлов. Для нагрева стекла необходимо индуктировать в нем более высокие напряжения, чем в металле. Применяются частоты от единиц до десятков мегагерц; 5 — устройство для нагрева в высокочастотном электрическом поле. Для такого нагрева применяются частоты не ниже нескольких мегагерц.; 6 — высокочастотный нагреватель для стерилизации консервов в стеклянных банках; 7 — нагреватель в виде волновода, в котором действуют одновременно и электрические и магнитные поля. При дальнейшем повышении частоты переходим от нагревателей ТВЧ к нагревателям инфракрасным излучением. Для получения теневого излучения применяются не электронные генераторы, а нагретые поверхности; 8 — установка с лампами инфракрасного излучения для сушки лаковых покрытий.

В настоящее время основное количество высокочастотной энергии потребляется для промышленного нагрева. На многих заводах работают высокочастотные нагревательные установки мощностью в сотни и тысячи киловатт.

Конструкция нагревателя ТВЧ зависит от размеров и формы нагреваемых объектов, от электрофизических характеристик материала объекта, от удельного электросопротивления, от того, какой нагрев требуется — равномерный, сплошной, частичный, поверхностный, и от других факторов.

Диапазон частот, применяемых для нагрева ТВЧ, простирается от звуковых (длина волн больше тысячи километров) и до миллиардов герц (сантиметровые волны). Чем больше размеры нагреваемого объекта и чем выше электропроводность материала, тем более низкие частоты можно применять для нагрева. И наоборот, чем выше электросопротивление, чем меньше габариты нагреваемых объектов, тем более высокие частоты — короткие волны — необходимы.

Основной материал в современном машиностроении — сталь. Нагрев ТВЧ позволяет просто и дешево производить поверхностное ее упрочнение. Индуктированные токи высокой частоты циркулируют только в тонком поверхностном слое стали. Если нагревать ТВЧ достаточно быстро, то тепло из поверхностного слоя не успеет дойти до сердцевины. После такого нагрева стальное изделие будет закалено только на поверхности, а в середине останется вязким и, следовательно, не будет хрупким.

Благодаря тому, что при поверхностной закалке нагревается только небольшая часть всего объема изделия, электроэнергии расходуется меньше, чем при старых методах — при сплошном нагреве. Многие важные детали автомобилей, тракторов, металлорежущих станков и различных других машин и механизмов теперь закаливаются токами высокой частоты.

Широко применяются в современной технике высокочастотные плавильные печи. В них выплавляют многие высококачественные сорта стали, магнитные сплавы, жаростойкие сплавы. Часто плавка производится в разреженном пространстве — в высоком вакууме. При вакуумной плавке получаются металлы и сплавы наивысшей чистоты.

Нагрев ТВЧ позволяет получить высококачественную скоростную пайку различными припоями. Особенно широко применяется пайка при нагреве ТВЧ в инструментальном производстве. Она помогает крепить пластинки твердых сплавов в резцах, фрезах, зубках для врубовых машин, бойках отбойных молотков, шарошках для буров.

Нагрев ТВЧ в последние годы проникает даже в такие области, как, например, зубопротезная техника. Здесь применяется высокочастотная плавка в сочетании с центробежной отливкой, высокочастотная пайка и сварка.

В металлопромышленности ТВЧ нагревают стальные заготовки для обработки их давлением (для штамповки, ковки, накатки). При нагреве ТВЧ не образуется окалины. Это экономит металл, увеличивает срок службы штампов, улучшает качество поковок. Облегчается и оздоровляется труд рабочих.

На заводах пластмассовых изделий нагревают в установках ТВЧ заготовки перед прессовкой, производят вулканизацию различных резиновых изделий.

Хорошо помогает нагрев ТВЧ при склеивании. Многослойные небьющиеся стекла с пластмассовыми прокладками между слоями стекла изготавливают при нагреве ТВЧ в прессах. Так же производят нагрев древесины при изготовлении некоторых сортов фанеры и фасонных деталей из нее.

Для сварки швов в изделиях из тонких листов пластмасс применяют машинки ТВЧ, напоминающие швейные. Так изготавливают чехлы, футляры, коробки, трубы.

Одно из старейших применений нагрева ТВЧ — сушка. Однако электрический ток, особенно ТВЧ, — дорогой энергоноситель. Поэтому сушка ТВЧ применяется, когда делают дорогую продукцию и когда общее количество удаляемой влаги невелико. Обычно стараются комбинировать сушку ТВЧ с другими способами (паром, горячим воздухом).

Существуют установки для стерилизации нагревом ТВЧ. Благодаря тому, что весь процесс нагрева закупоренной банки продолжается не более минуты, консервы получаются высокого качества. Они могут быть изготовлены из таких нежных ягод, как земляника, которая при этом не теряет своего аромата.

Последние годы все шире применяется нагрев ТВЧ в стекольном производстве при сварке различных стеклянных изделий (труб, пустотелых блоков) и при варке стекла из шихты.

В начале этого раздела мы сравнивали электрические токи, возбуждаемые переменными электромагнитными полями, с обыкновенными вихрями. Известно, что на вихревом движении основана работа центробежных насосов. Конструкция насоса зависит от вязкости и плотности той жидкости или газа, для перекачивания которых он предназначен. Так и конструкции нагревателей ТВЧ (индукторов, обкладок, антенн), которые должны возбуждать электронные вихри, зависят от электрических характеристик нагреваемых материалов.

Индуктор для хорошо электропроводных материалов должен создавать в объекте большой ток при относительно низком напряжении. В малоэлектропроводных материалах, наоборот, необходимо высокое напряжение, но ток малой силы.

Можно построить нагреватель ТВЧ, в котором действуют одновременно и магнитное и электрическое быстропеременное поля. Пока электросопротивление нагреваемого материала велико, энергия передается электрическим полем. При низком электросопротивлении энергию передает магнитное поле. Подобный нагреватель может согласовывать генератор ТВЧ с его нагрузкой, даже если электросопротивление этой нагрузки в процессе нагрева изменяется в тысячи раз.