История электротехники

Второй осциллограф был предназначен для регистрации естественных блуждающих волн, возникающих в случайные моменты времени, как это происходит в линиях электропередачи при атмосферных разрядах. Задача была решена в 1924–1926 гг. путем применения режима ждущей развертки, который осуществлялся с помощью электронного переключающего реле, собранного на двух электронных лампах.

Следует заметить, что для исследования блуждающих волн применялись не только осциллографические методы. Были построены специальные приборы — клиндографы (волнописцы).

Работа клиндографа основывалась на том, что при ударе искры, вызванной блуждающей волной, о фотографическую пластинку в ней возникает кистеобразная фигура, анализ которой позволяет получить информацию о параметрах волны. Эффект образования подобных фигур был известен с XVIII в., однако первые клиндографы были изготовлены только в 1924 г. фирмой «Вестингауз».

Конструктивно клиндограф представлял собой корпус, в который вставлялись три или четыре изолированных острия (по числу проводов линии электропередачи). Острия касались светочувствительной пленки, которая медленно передвигалась с помощью часового механизма. Для регистрации напряжений свыше 20 кВ использовались внешние делители напряжения.

С помощью клиндографов оказалось возможным устанавливать время появления, полярность и значения перенапряжений, форму фронта и направление блуждающей волны, промежутки времени между непосредственно следующими друг за другом разрядами. Технические характеристики клиндографов позволили, например, исследовать перенапряжения до 2 MB в трехфазной линии электропередачи напряжением 220 кВ. Разрешение по времени составляло 1 пс, что было недостижимо для осциллографов того времени.

Между тем электронные осциллографы продолжали совершенствоваться. Были разработаны электронно-лучевые трубки с термоэлектронными катодами, люминесцентными экранами, высококачественными магнитными и электростатическими линзами. Повышенная яркость изображения позволила отказаться от фотосъемок в вакууме. Применение измерительных усилителей и генераторов развертки привело к созданию осциллографов с калиброванными усилением и разверткой, ставших полноценными средствами измерений мгновенных значений напряжений и интервалов времени. Первый такой осциллограф (модель 511) был разработан в США Дж. Мердоком и X. Воллумом и выпущен в 1946 г. фирмой «Тектроникс» («Tektronix»).

В течение последующих 50 лет было разработано большое число осциллографов различного назначения: универсальные, скоростные, стробоскопические, запоминающие, многоканальные, многолучевые и др. И только в 80-х годах аналоговые осциллографы начали постепенно вытесняться цифровыми, а также компьютерными средствами измерений.

Элементная база, необходимая для создания аналоговых электронных вольтметров, возникла и стала быстро развиваться с начала XX в.

Одной из первых электронные (катодные) вольтметры выпустила в 1922 г. Кембриджская компания. Эти приборы предназначались для измерений переменных напряжений на двух диапазонах: либо от 0 до 1,5 В, либо от 0 до 10 В. Чуть позже появились вольтметры Сименса, построенные на тетроде. В конце 20-х годов вольтметр Сименса строился уже на четырех электронных лампах; его шкала была практически равномерной в диапазоне 20–300 мВ; приведенная погрешность не превышала 2% в частотном диапазоне 0,5–15 кГц. Главным преимуществом первых электронных вольтметров перед электромеханическими были высокое входное сопротивление при хорошей чувствительности на переменном токе; немаловажное значение имела также их высокая перегрузочная способность.

Для дальнейшего улучшения метрологических характеристик и расширения функциональных возможностей электронных вольтметров и осциллографов требовалась разработка измерительных преобразователей и, прежде всего, измерительных усилителей. Первые такие усилители удалось построить в конце 20-х годов XX в. американскому ученому Х.С. Блэку.

Х.С. Блэк работал над созданием усилителей для протяженных телефонных линий связи. Из-за большого ослабления полезного сигнала в таких линиях приходилось включать последовательно много усилителей. Однако применение известных в то время усилителей на базе электронных ламп приводило к ограничению полосы пропускания и большим нелинейным искажениям сигнала.

Рис. 12.5. Структурная схема усилителя с последовательной отрицательной обратной связью по напряжению

В 1927 г. Х.С. Блэк предложил усилитель с отрицательной обратной связью (ООС), построенный по общеизвестной в настоящее время схеме (рис. 12.5), согласно которой усилитель с коэффициентом усиления К охватывается звеном обратной связи с коэффициентом передачи β. При больших значениях Кβ коэффициент усиления такого усилителя равен примерно 1/β, т.е. свойства такого усилителя, например его точность и частотный диапазон, определяются свойствами цепи ООС и мало зависят от значения K.