Владимир Поляков - Посвящение в радиоэлектронику

Пока вещество не расплавилось от нагрева, атомы остаются на своих местах в кристаллической решетке, они лишь колеблются все быстрее и быстрее. А вот электронам приходится туго. Как легкие мячики, их швыряют от атома к атому. И при достаточно сильном броске электрон приобретает кинетическую энергию, достаточную для совершения работы выхода. Таким образом, когда кинетическая энергия теплового движения электронов, пропорциональная температуре катода, становится сравнимой с работой выхода, происходит термоэлектронная эмиссия-излучение электронов нагретым катодом.

Термоэлектронная эмиссия.

Анод, заряженный положительно, притягивает и собирает вылетевшие из катода электроны. Несмотря на то, что в баллоне лампы глубокий вакуум, а катод и анод изолированы друг от друга, между этими электродами появляется электрический ток — направленное движение электронов, носителей заряда. Управляющая сетка, помещенная между катодом и анодом, служит тем самым «шлюзом», или «краном». Если сетка заряжена отрицательно по отношению к катоду, она отталкивает электроны, не пропуская их к аноду. По мере уменьшения отрицательного потенциала сетки все большая часть наиболее «шустрых» электронов (обладающих максимальной скоростью) проникает сквозь нее и попадает на анод. Анодный ток при этом увеличивается. При нулевом потенциале сетки почти все электроны достигают анода и анодный ток стремится к максимальному значению.

На сетке большое отрицательное напряжение.

Так действует электронная лампа — подобно вентилю, регулирующему поток воды из крана. Главным достоинством электронной лампы по сравнению с любыми другими вентилями и кранами является исключительно высокое быстродействие. Процесс включения и выключения анодного тока у современных ламп может длиться всего 10-9 с, или 1 нс. Благодаря столь высокому быстродействию электронные лампы пригодны для усиления и генерирования колебаний очень высокой частоты, а также для создания быстродействующих управляющих, логических и вычислительных устройств. Правда, в последних из перечисленных областей применения электронные лампы практически полностью вытеснены полупроводниковыми элементами. Тем не менее с помощью электронной лампы можно проиллюстрировать процесс управления, поэтому мы рассмотрели ее так подробно.

Напряжение на сетке близко у нулю.

«Капитан взмахнул платком, наколотым на острие шпаги, и канониры тут же поднесли горящие фитили к запальным отверстиям пушек. Борт фрегата окутался густым пороховым дымом, а когда дым рассеялся под порывом свежего северо-западного ветра, люди с преследуемого галиона увидели «Веселый Роджер», взвившийся к ноку бизань-рея фрегата». Нам сейчас неважно, откуда взят этот отрывок, обратите внимание лишь на то, что капитан фрегата сам не прикасался к фитилям, не стрелял из пушек, он только взмахнул платком. И этот взмах послужил сигналом к выстрелу.

Управлял ли капитан атакой? Безусловно! Но управление происходило путем сигнализации, что очень существенно. Сигнализация может быть и многозвенной. Например, взмах платка на шпаге капитана видели только командиры батарей, они устно отдавали приказ канонирам (тоже сигнал), а те уже стреляли.

Один из способов сигнализации.

«Пушки с пристани палят, кораблю пристать велят». Разумеется, вы знаете, откуда эта строка. Здесь все происходило наоборот — выстрел пушки послужил сигналом к повороту корабля и предпринятого ряда действий для его швартовки у пристани. Здесь ясно усматривается управление кораблем посредством сигнализации. Классический пример передачи сигналов — костры на сторожевых башнях, зажигавшиеся при приближении неприятеля. Этот примитивный световой телеграф был очень распространенным средством связи и в древней Осетии, и на Руси, и в Литве и во многих других местах. Существенным недостатком такого телеграфа было лишь то, что днем его эффективность резко падала. Днем приходилось переходить на другой вид сигналов: либо разводить густой дым, либо махать с башни уже не платками, а большими флагами.

Кстати, флажный семафор на флотах с успехом просуществовал долгое время. Скорость передачи сообщений с помощью костров на башнях была удивительно велика, например для передачи сообщения вдоль всего балийского побережья требовалось менее часа. Ну а где же здесь управление? Да на всех этапах процесса передачи: маленькая искра, высеченная кремнем, управляла зажиганием большого огня костра, свет одного костра управлял зажиганием другого, и, наконец, свет последнего костра управлял, говоря современным языком, мобилизацией войск.

После второй мировой войны сформировалась новая наука кибернетика, занимающаяся вопросами управления. Ее создателем был Норберт Винер. Слово «кибернетика» — древнее, оно встречалось еще у Платона и обозначало искусство управлять кораблем. Известный французский физик Ампер, именем которого названа единица силы тока, называл кибернетикой науку об управлении государством.

В настоящее время кибернетика занимается математическим описанием процессов управления в машинах, механизмах, сложных, в том числе и электронных, системах, живых организмах. Кибернетика — наука об общих законах получения, хранения, передачи и переработки информации. Основной объект исследования так называемые кибернетические системы, рассматриваемые абстрактно, вне зависимости от их материальной природы. Примеры кибернетических систем — автоматические регуляторы в технике, ЭВМ, человеческий мозг, биологические популяции, человеческое общество и т. д.

Современная кибернетика состоит из ряда разделов, представляющих собой самостоятельные научные направления. Теоретическое ядро кибернетики составляют теория информации, теория алгоритмов, теория автоматов, исследование операций, теория оптимального управления, теория распознавания образов.

Разумеется, рассматриваемые кибернетикой процессы гораздо сложнее, чем, скажем, процесс управления водопроводным краном, хотя и он не так уж прост, как это может показаться на первый взгляд. Давайте откроем и закроем кран. Одновременно внимательно проследим за своими действиями. Открывая кран, мы смотрим на струю воды и отмечаем ее интенсивность. Отвинчивать рукоятку крана мы прекратим, когда решим, что поток воды достаточен. Вы заметили, что имеется обратная связь: интенсивность струи воды влияет на принятие нами решения открывать кран дальше или нет.

Подобные процессы происходят и в любой другой системе управления. Органы, планирующие выпуск и распределение товаров, обязательно должны иметь информацию об их наличии в магазинах, на складах, у населения. Иначе может случиться, что будет их избыток в одном месте и недостаток в другом.

На старых самолетах при вхождении в пике пилот, отклоняя от себя штурвал, или ручку управления, должен был внимательно следить за положением самолета относительно горизонта, чтобы пикирование не превратилось в отвесное падение или самолет не вошел в «штопор». На современных самолетах имеются приборы (гировертикали или гирогоризонты), автоматически определяющие положение фюзеляжа самолета в пространстве. Сигналы этих приборов воздействуют на рули управления таким образом, чтобы выдерживался заданный летчиком угол пикирования. Комплекс устройств, обеспечивающих автоматическое ведение самолета с заданными скоростью, курсом и высотой, называют автопилотом. Примерная структурная схема устройства автопилота, обеспечивающего регулирование только одного параметра, например курса самолета, показана на рисунке.

Автопилот.

При появлении сигнала (летчик повернул штурвал на некоторый угол) система управления заставляет отклоняться рули самолета, и его курс изменяется. Датчик положения вырабатывает сигнал, соответствующий новому курсу, а сравнивающее устройство контролирует, достиг ли этот сигнал требуемого значения, и, если нужно, вносятся коррективы. Как только самолет лег на нужный курс, сигнал обратной связи, вырабатываемый сравнивающим устройством, прекращает действие сигнала управления и система управления устанавливает рули в нейтральное положение. Особое значение имеет обратная связь для автоматического поддержания заданного курса. Допустим, что никакого сигнала управления от летчика не поступало, но курс самолета несколько изменился (подул боковой ветер или на пути попалась «воздушная яма»). Датчик положения немедленно отреагирует на изменившееся направление полета, и сравнивающее устройство выработает сигнал ошибки. По цепи обратной связи он поступит в систему управления, а она повернет рули самолета и скорректирует курс.