Владимир Поляков - Посвящение в радиоэлектронику
Пусть вы никогда не были и не будете шофером, а к железнодорожному транспорту, кораблям и самолетам, буквально заполненным разнообразнейшей радиоэлектронной техникой, имеете отношение только как пассажир. Допустим, вы занимаетесь обработкой металлов. Вы слесарь, токарь или только собираетесь приобрести подобную специальность. Пока имеется еще немало чисто механических металлообрабатывающих станков, но пройдет немного времени, и первое, с чем вы столкнетесь на производстве, будет станок с числовым программным управлением. Что это такое? Станок как станок, только движение суппорта, подача резца и тому подобные операции на нем полностью автоматизированы. На станке или рядом с ним закреплен небольшой блок с микропроцессором. Контур изготавливаемой детали записан в память блока. Для получения максимальной точности сделано это в цифровой форме.
По мере изготовления детали положение резца сравнивается с данными, записанными в памяти, и вводится необходимая коррекция. Токарь, конечно, тоже может запомнить контур детали, но только приблизительно, с низкой точностью. А микропроцессор делает это абсолютно точно, с ошибкой, измеряемой микрометрами. Не нужно пользоваться штангенциркулем для частых замеров размеров детали. Это делают электронные датчики, причем гораздо точнее. В результате повышаются точность и чистота обработки, в значительной степени уменьшается брак. Нужно изготовить другую деталь? Пожалуйста. Изменяется только программа микропроцессора, записанная в цифровой форме, и, может быть, необходимый набор режущего инструмента.
Выплавка стали, добыча угля, руды, прокат металла, хозяйственная деятельность территориально-промышленных комплексов, регионов, республик, вся экономика страны контролируются и управляются большими ЭВМ, разумеется, не без участия людей, и везде-везде при сборе, передаче, обработке, хранении информации, в системах связи и управления используется электроника.
Пусть вы биолог, медик, врач и считаете себя человеком далеким от электроники. До поры до времени, уверяю вас. Это в прошлом веке врач обходился одним стетоскопом. Теперь медицина не мыслится без электроэнцефалографа, электрокардиографа, электростимуляторов, ультравысокочастотных терапевтических и тому подобных устройств. Ежегодно вы проходите флюорографическое обследование. Вспомните рентгеновские аппараты-шкафы, начиненные электроникой. Думаю, достаточно перечислять области науки и техники, где широко используется электроника. Она проникает всюду. Лично мне не удалось обнаружить ни одной отрасли народного хозяйства, где бы не использовалась электроника.
Сельское хозяйство, скажете вы? А искусственные спутники Земли, собирающие информацию о созревании сельскохозяйственных культур, о влажности почвы, составляющие карты сельскохозяйственных угодий? А машинно-тракторные агрегаты, строго по междурядьям двигающиеся вдоль поля, направляемые невидимым радиолучом? Фантастика? Уже нет. Такие агрегаты испытаны, есть соответствующие авторские свидетельства на изобретения и конструкторские разработки. Их широкое внедрение-только вопрос времени.
Рассказ о применениях электроники можно продолжать бесконечно, а мы здесь упомянули лишь их малую часть. Электронике отводится особая роль в каждой отрасли народного хозяйства, и роль эта сводится к управлению, регулированию, учету, передаче и накоплению данных, обработке информации и тому подобным функциям.
Теперь взглянем на самого себя. У человека есть энергетическая система, для которой пища, вода и кислород воздуха становятся источником жизненных сил, есть двигательные механизмы мышцы и конечности, есть органы чувств и, наконец, самое главное — голова.
Мозг перерабатывает всю информацию, поступающую и из внешнего мира, и от внутренних органов. Мозг управляет работой всех органов, определяет наше поведение во внешнем мире — одним словом, делает человека человеком. Опять автор излагает прописные истины — это же прекрасно всем известно!
Вернемся немного назад, к тем механизмам и машинам, которые мы уже упомянули. Электронику в станке, электровозе, системе управления производством, корабле, самолете справедливо называют электронным мозгом, думающей, управляющей частью любой машины.
Так что же самое главное в человеке? Разумеется, важны все органы, но главное мозг человека, его разум. Так и электроника по мере прогресса науки и техники становится самым главным, самым важным, точным и часто, можно сказать, разумным элементом любой машины, любого комплекса, любой установки.
Важны для человека и органы чувств, поставляющие нам информацию о внешнем мире. Главный из них — зрение. Глаза поставляют нам около 90 % информации. На втором месте — слух (еще примерно 9 %). И лишь мизерная часть приходится на долю обоняния, осязания и вкуса.
Посмотрим внимательнее, как электроника помогает нашему зрению и слуху. Электронное зрение — телевидение — показывает нам события, происходящие повсюду в мире, а не только в пределах прямой видимости при отсутствии тумана и дождя. Радио позволяет людям услышать друг друга на расстояниях в тысячи и десятки тысяч километров. Не зря же любого робота на научно-фантастических картинках рисуют с антеннами вместо ушей и телекамерами вместо глаз! Итак, вывод ясен: электроника — всему голова!
Возможно, это и слишком смелое высказывание, но пока все движется именно в этом направлении. А почему именно электроника? Может быть, есть и другие средства переработки, запоминания информации, использования ее для целей управления? Есть, конечно. Например, на некоторых двигателях в условиях высоких температур и вибраций успешно используют пневматические системы управления. Возникла и соответствующая область техники — пневмоника. Для хранения информации успешно использовали папирусы, кожаные и берестяные свитки, а тетради, книги, перфокарты и кинопленку широко применяют до сих нор. Но самые современные из этих средств либо органически дополняют электронику, либо просто не выдерживают конкуренции с ней. Чтобы разобраться, почему электронике сопутствует такой успех, посмотрим, что же такое управление, чем и как оно осуществляется и какие понятия ему сопутствуют.
2. УПРАВЛЕНИЕ, СИГНАЛЫ, ИНФОРМАЦИЯ
В этой главе мы поговорим о плотинах, шлюзах и термоэлектронной эмиссии, кострах на башнях и узелках на веревочках, объяснениях в любви, автопилотах и термостатах, двоичном коде, цифровых сообщениях и «плитках» информации, а также о многом другом, имеющем отношение к теме, указанной в заголовке.
Самое простое управление
Попробуйте отвернуть водопроводный кран и пустить холодную воду. Поворачиваем ручку крана, и из него льется струя холодной воды. Разве мы потратили много сил и энергии на поворот крана? Вовсе нет, а струя тем не менее сильная. А если мы откроем ворота шлюза в плотине? Хлынет вода, она приведет в действие гидроагрегат, и тысячи киловатт электроэнергии поступят в единую энергетическую сеть страны. Разве это мы затратили столько энергии? Вовсе нет, мы просто управляли шлюзом.
Водитель тяжелого грузовика слегка нажимает педаль акселератора, и многотонная махина резко набирает скорость. Не водитель же ее двигает! Разумеется, двигатель, водитель только управляет. Вы сами можете придумать тысячи примеров непосредственного управления — управления в его простейшем виде.
В школьном курсе физики изучают устройство радиолампы — катод, анод, управляющая сетка… Стоп! Опять управление! Кстати, если английское слово valve — лампа перевести дословно, то получим «клапан» или «кран».
Электронный клапан — триод.
Чем же этот «кран» управляет? Не потоком воды, разумеется, а потоком электронов. Накаленный катод лампы испускает электроны. В любом проводнике, а хорошим проводником электрического тока являются металлы, имеется так называемый электронный газ — множество свободных отрицательных электрических зарядов — электронов. Атомы металла объединены в общей кристаллической структуре твердого тела, причем внешние электроны атомов, слабее всех связанные со своим «родным» ядром, получают возможность переходить от атома к атому, т. е. блуждать по всему металлу, как киплинговская кошка, которая «гуляла сама по себе». Но покинуть металл электроны не могут, потому что они несут отрицательный заряд. Заряд одного электрона весьма мал, е = 1,6-10-19 Кл. Тем не менее, если один электрон вырвется из металла, металл приобретет точно такой же по величине положительный заряд. Заряды противоположных знаков притягиваются (обратите внимание, как часто в жизни даже противоположные характеры тянутся друг к другу), и эти силы притяжения как бы втягивают электрон обратно в металл. Работа, которая требуется, чтобы удалить один электрон из металла, называется работой выхода. У разных металлов она разная, поэтому катод радиолампы стараются изготовить из металла с наименьшей работой выхода, например бария. Ну а если такой металл механически недостаточно прочен, его напыляют на более жесткий и тугоплавкий материал катода, обычно вольфрам. Когда катод разогревается током, проходящим по нити накала, до светло-красного каления, электроны в катоде двигаются быстрее. Они участвуют в тепловом движении — как бы сутолоке атомов, молекул, образующих нагретое вещество.
