Історія і розвиток радіотехніки

 

Предметом електронної техніки є теорія і практика вживання електронних, іонних і напівпровідникових приладів в пристроях, системах і установках для різних областей народного господарства. Гнучкість електронної апаратури, високі швидкодії, точність і чутливість відкривають нові можливості в багатьох галузях науки і техніки.

Радіо (від латинського “radiare” – випромінювати, випускати проміння) – перша цеглина у фундамент радіотехніки заклав датський професор Р. Ерстед, який показав, що навкруги провідника із струмом виникає магнітне поле. Потім М. Фарадей (Англія) довів, що магнітне поле – електричний струм. В другій половині ХІХ століття його співвітчизник і послідовник Д. Максвел довів, що змінне МП, порушуване електричним струмом, створює електричне поле, яке створює МП і т.д. Це явище одержало назву електромагнітна хвиля. Максвел затверджував, що хвилі світла подібні тим, що виникають навкруги дроту, в якому є змінний струм. Вони відрізняються один від одного тільки завдовжки.

Довші хвилі одержав в 1888 році Р. Геру, але не знайшов їх вживання. Це зробив російський учений А.С. Попов. Він створив прилад для виявлення і реєстрації електричних коливань – радіоприймач. В цей же час, але тільки трохи пізніше, інший вчений італієць Марконі теж створив радіо незалежно від Попова. Але він раніше Попова запатентував його, – тому багато хто на заході вважає його винахідником радіо. Але більшість учених в світі і, особливо в Росії, вважають, що саме Попів був піонером радіотехніки.

Перший радіоприймач Попова мав дуже простий пристрій: батарея, електродзвінок, електромагнітне реле і скляна трубка з металевою тирсою всередині – кочегар. Передавачем служив іскровий розрядник, що порушував коливання ЕМ в антені, яку Попів вперше використовував для бездротового зв'язку.

Продовжуючи досліди і удосконалюючи прилади А.С. Попов поступово збільшував дальність дії радіозв'язку. З того часу радіо дуже міцно увійшло до нашого життя так само, як і телебачення, ставши новим прогресивним видом зв'язку. У наш час радіо також швидко розвивається: створюються нові моделі радіо, які розмірами трохи більше сірникової коробки, будуються нові супермогутні радіостанції, які віщають по всьому світу. Радіо зараз є в кожному будинку і без нього життя практично неможливо собі представити.

Розвиток електроніки після винаходу радіо можна розділити на три етапи: радіотелеграфний, радіотехнічний і етап власне електроніки.

У перший період (близько 30 років) розвивалася радіотелеграфія і розроблялися наукові основи радіотехніки. З метою спрощення пристрою радіоприймача і підвищення його чутливості в різних країнах велися інтенсивні розробки і дослідження різних типів простих і надійних розкривачів високочастотних коливань – детекторів.

У 1904 р. була побудована перша двохелектродна лампа (діод), яка дотепер використовується як детектор високочастотних коливань і випрямляч струмів технічної частоти, а в 1906 р. з'явився карборундовый детектор

Трьохелектродна лампа (тріод) була запропонована в 1907 р. В 1913 р. була розроблена схема лампового регенеративного приймача і за допомогою тріода були одержані незгасаючі електричні коливання. Нові електронні генератори дозволили замінити іскрові і дугові радіостанції ламповими, що практично розв'язало проблему радіотелефонії. Упровадженню електронних ламп в радіотехніку сприяла перша світова війна. З 1913 р. по 1920 р. радіотехніка стає ламповою.

Перші радіолампи в Росії були виготовлені Н.Д. Папалексі в 1914 р. в Петербурзі. Через відсутність досконалого відкачування вони були не вакуумними, а газонаповненими (з ртуттю). Перші вакуумні приймально-підсилювальні лампи були виготовлені в 1916 р. М.А. Бонч-Бруєвичем. Бонч-Бруєвич в 1918 р. очолив розробку вітчизняних підсилювачів і генераторних радіоламп в Нижегородської радіолабораторії. Тоді був створений в країні перший науково-радіотехнічний інститут з широкою програмою дій, що привернув до робіт в області радіо багатьох талановитих учених, молодих ентузіастів радіотехніки. Нижегородська лабораторія стала справжньою кузнею кадрів радіофахівців, в ній зародилися багато напрямів радіотехніки, що надалі стали самостійними розділами радіоелектроніки.

У березні 1919 р. почався серійний випуск електронної лампи РП. В 1920 р. Бонч-Бруєвич закінчив розробку перших в світі генераторних ламп з мідним анодом і водяним охолоджуванням потужністю до 1 кВт, а в 1923 р. – потужністю до 25 кВт. У Нижегородській радіолабораторії О.В. Лосєвим в 1922 р. була відкрита можливість генерувати і усилювати радіосигнали за допомогою напівпровідникових приладів. Їм був створений безламповий приймач – кристадін. Проте в ті роки не були розроблені способи здобування напівпровідникових матеріалів, і його винахід не набув поширення.

У другий період (близько 20 років) продовжувало розвиватися радіотелеграфування. Одночасний широкий розвиток і вживання здобуло радіотелефонування і радіомовлення, були створені радіонавігація і радіолокація. Перехід від радіотелефонування до інших областей вживання електромагнітних хвиль став можливий завдяки досягненням електровакуумної техніки, яка освоїла випуск різних електронних і іонних приладів.

Перехід від довгих хвиль до коротких і середніх, а також винахід схеми супергетеродина зажадали вживання ламп більш вчинених, ніж тріод. В 1924 р. була розроблена екранована лампа з двома сітками (тетрод), а в 1930-1931 р.р. - пентод (лампа з трьома сітками). Електронні лампи сталі виготовляти з катодами непрямого підігріву. Розвиток спеціальних методів радіоприйому зажадав створення нових типів багатосіткових ламп (змішувачів і частотно-перетворювальних в 1934 - 1935 р.р.). Прагнення зменшити число ламп в схемі і підвищити економічність апаратури привело до розробки комбінованих ламп.

Освоєння і використовування ультракоротких хвиль привело до удосконалення відомих електронних ламп (з'явилися лампи типу "жолудь", металокерамічні тріоди і маячкові лампи), а також розробки електровакуумних приладів з новим принципом управління електронним потоком – магнетронів багаторезонаторів, клістронів, ламп хвилі, що біжить. Ці досягнення електровакуумної техніки зумовили розвиток радіолокації, радіонавігації, імпульсного багатоканального радіозв'язку, телебачення і ін.

Одночасно йшов розвиток іонних приладів, в яких використовується електронний розряд в газі. Був значно вдосконалений винайдений ще в 1908 р. ртутний вентиль. З'явилися газотрон (1928-1929 рр.), тиратрон (1931 р.), стабілітрон, неонові лампи і т.д.

Розвиток способів передачі зображень і вимірювальної техніки супроводжувався розробкою і удосконаленням різних фотоелектричних приладів (фотоелементи, фотоелектронні помножувачі, що передають телевізійні трубки) і електронографічних приладів для осцилографів, радіолокації і телебачення.

У ці роки радіотехніка перетворилася на самостійну інженерну науку. Інтенсивно розвивалися електровакуумна промисловість і радіопромисловість. Були розроблені інженерні методи розрахунку радіотехнічних схем, проведені широкі наукові дослідження, теоретичні і експериментальні роботи.

І останній період (60-і–70-і роки) складає епоху напівпровідникової техніки і власне електроніки. Електроніка упроваджується у всі галузі науки, техніки і народного господарства. Будучи комплексом наук, електроніка тісно пов'язана з радіофізикою, радіолокацією, радіонавігацією, радіоастрономією, радіометеорологією, радіоспектроскопією, електронною обчислювальною і управляючою технікою, радіоуправлінням на відстані, телевимірюваннями, квантовою радіоелектронікою і т.д.

У цей період продовжувалося подальше удосконалення електровакуумних приладів. Велику увагу надається підвищенню їх міцності, надійності, комплексу проблем і методів, пов'язаних з проектуванням і виготовленням електронної апаратури в мікромініатюрному виконанні за рахунок повного або часткового виключення дискретних компонентів.

Основною тенденцією мікромініатюризації є «інтеграція» електронних схем, тобто прагнення до одночасного виготовлення великої кількості елементів і вузлів електронних схем, нерозривно зв'язаних між собою. Тому з різних областей мікроелектроніки найефективнішою виявилася інтегральна мікроелектроніка, яка є одним з головних напрямів сучасної електронної техніки. Зараз широко використовуються понад великі інтегральні схеми, на них побудовано все сучасне електронне устаткування, зокрема ЕОМ і т.д.

радіотехніка верстатобудування інженерний науковий

 

2. ІСТОРИЧНА РОЛЬ ІНЖЕНЕРІВ І ВЧЕНИХ В ПОЯВІ І РОЗВИТКУ ВЕРСТАТОБУДУВАННЯ

 

Розвиток верстатобудування

Верстатобудування – ведуча галузь машинобудування, що створює для всіх галузей народного господарства металообробні і деревообробні верстати, автоматичні і напівавтоматичні лінії комплексно-автоматичного виробництва для виготовлення машин, устаткування і виробів з металу, ковальсько-пресове, ливарне і деревообробне устаткування.

Поява металоріжучих верстатів пов'язана з розвитком великого капіталістичного виробництва, з організацією перших промислових підприємств заводського типу. Широке розповсюдження машин-знарядь, а потім і парових машин додало підвищення точності обробки деталей. Ця задача могла бути вирішена тільки з винаходом машин для виробництва машин і в першу чергу металоріжучих верстатів з механічним супортом. Створення механічного супорта відноситься до початку XVII ст. Російський механік А.К. Нартов в 1738 р. побудував перший в світі верстат з механічним супортом і набором змінних зубчатих коліс. Нартов і інші російські майстри (М. Сідоров-Красильніков, З. Шелошніков, Я. Бятіщев) сконструювали в XVIII ст. ряд металоріжучих верстатів (верстати для свердлення стовбурів гармат, різні агрегатні верстати).

Проте винаходи російських майстрів не могли одержати широке вживання і популярності, оскільки потреба у феодально-кріпосній Росії в невеликій кількості машин (головним чином для виготовлення озброєння) забезпечувалося окремими невеликими заводами.

Кінець XVIII ст. початок XVII ст. були переломними і період в процесі вдосконалення різних видів металообробного устаткування. Розповсюдження металу, як основного конструкційного матеріалу, зажадало істотну модернізацію металообробних верстатів. Привід існуючих верстатів виявився дуже малопотужним і для обробки металу, а зусилля руки, що тримає різець, недостатнє, щоб знімати велику стружку із заготівки. В результаті цього обробка металу виявлялася малоефективною. Необхідно було замінити руку робітника спеціальним механізмом, а мускульну силу людини – більш могутнім двигуном.

Створення механічного супорта поклало початок широкому вживанню верстатів. Для роботи на немеханізованому верстаті, не дивлячись на його простоту, необхідно було, крім чисто професійного уміння, володіти недужою силою, щоб утримати в руках різець при обробці металу. Будь-яке несподіване відхилення від необхідної форми в результаті випадковостей, якогось поштовху і т.п., часто приводило до необхідності переточувати деталь по всій довжині.

До ідеї механізованого пересування різця машинобудівники йшли довго. Вперше ця ідея виникла при рішенні таких технічних задач, як нанесення різьблення, складних узорів на предмети розкоші, виготовлення зубчатих коліс і т.д. Для отримання різьблення на валу, наприклад, необхідно було спочатку провести розмітку; цього звичайно досягали, навиваючи на вал паперову стрічку потрібної ширини, по краях якої на вал наносили контур майбутнього різьблення. Після розмітки валу відливали по контуру уручну напилком. Це тривалий, складний і трудомісткий процес; крім того, одержувана якість далеко не завжди бувала задовільною, оскільки абсолютна відповідність розмірів і форм зубів різьблення важкодосягаєма.

У Великобританії в кінці XVIII ст. склалися сприятливі умови для розвитку машинного виробництва машин. До 1790 р. відносяться роботи англійського механіка Г. Модслі по створенню верстата з механічним супортом. Механічний супорт, перенесений з токарного на інші металоріжучі верстати, поклав початок верстатам з розвиненим виконавчим механізмом.

У середині XVIII ст. ідея механізованого пересування різця була втілена в різних конструкціях верстатів годинникових майстрів. Проте всі ці верстати мали недолік – вони були спеціалізованими і їх використовування в провідних галузях промисловості, що формувалася тоді, було скрутне. Цю технічну проблему можливо було розв'язати створенням універсального верстата з супортом.

Друга половина XVIII ст. ознаменувалася різким збільшенням сфери вживання металоріжучих верстатів і пошуками задовільної схеми універсального токарного верстата, який міг використовуватися в різних цілях і дозволяв вирішити цілий комплекс технічних задач. Подібно тому, як на базі більш ранніх пароатмосферних машин Дж. Уатт створив свій універсальний двигун, універсальний токарний верстат будувався з використанням досвіду експлуатації перших верстатів з механізованим пересувним стопором.

У 1751 р. Ж. Вокансон у Франції побудував дуже цікавий верстат, який за своїми технічними даними вже був схожий на універсальний. Він був виконаний з металу, мав могутню систему, два металевих центри, два спрямовуюча V-образної форми, механізоване переміщення мідного супорта в подовжньому і поперечному напрямах. В той же час в цьому верстаті була відсутня система затиску заготівки в патроні, не дивлячись на те, що цей пристрій вже існував в більш ранніх конструкціях верстатів французьких годинникових майстрів. Заготівка на верстаті Вокансона кріпилася в центрах, доступ до яких був утруднений стійками, що знаходилися з обох боків.

У 1778 р. англієць Д. Ромсден запропонував два типи верстатів для нарізування різьб. В першому верстаті уздовж деталі, що обертається, по паралельним спрямовуючих пересувався алмазний ріжучий інструмент, переміщення якого задавалося обертанням еталонного гвинта. Верстат дозволяв при одному еталоні одержувати гамму різьб за рахунок змін шестерень. Другий верстат давав можливість виготовляти різьблення з різним кроком на деталі більшої довжини, ніж довжина самого еталона. Різець просувався уздовж заготівки за допомогою струни, що накручувалася на центральну шпонку. Ці верстати вже включали елементи універсального токарного верстата, але все таки вони не могли використовуватися як універсальні.

На процес створення таких верстатів впливали досвід виготовлення і експлуатації інших видів металообробного устаткування. До них відносяться свердлувальні і стругальні верстати. До середини XVIII ст. використовувалися досить прості типи верстатів, які застосовувалися головним чином в збройових майстернях.

Повністю розв'язати проблему розточки циліндра практично будь-яких розмірів вдалося тільки англійському механіку Д. Вілкинсону в 1775 р., коли він побудував на Бершемському заводі верстат, в якому борштанга закріплювалася з двох сторін в жорстко закріплених підшипниках ковзання і пересувалася уздовж циліндра за допомогою гвинтової передачі. Верстат повністю задовольняв Уатта, оскільки на ньому розточувалися деталі діаметром більше 1 м, причому зазор між циліндром і поршнем не перевищував товщини монети (приблизно 1,5 мм). Це вважалося тоді непоганим результатом.

Надалі основні типи металоріжучих верстатів були сконструйовані в Німеччині, Франції і ін. країнах. Так наприклад в 1820-1830 р. американець Э. Уіткі розробив для збройових заводів Кольта декілька конструкцій фрезерних верстатів, в 1829 патент на фрезерний верстат був виданий на Дж. Несміта, власника великих англійських машинобудівних заводів, в 1861 р. – патент на вдосконалений фрезерний верстат на ім'я американської фірми «Браун і Шарп». До другої половини XIX ст. були в основному розроблені моделі фрезерних, револьверних, стругальних, довбальних і ін. верстатів головним чином для задоволення потреб залізно-дорожнього будівництва і океанського пароплавства, що почалося у той час.

У Росії першим підприємством по виробництву металообробних верстатів був завод Берде в Петербурзі (1790). В 1815 р. металоріжучі верстати став випускати Тульський збройовий завод. В 1824 р. в Петербурзі був побудований завод Іліса для виготовлення парових машин і верстатів.

У 1778 р. Уатт починає працювати над винаходом машин з безперервним обертанням. В результаті була створена машина подвійної дії, яка і з'явилася універсальним паровим двигуном. Був найбільш поширений токарний, так званий лучковий верстат, але пізніше з винаходом токарного верстата з супортом набагато підвищила його продуктивність.

Перший верстат з супортом (украй не вчиненим) був виготовлений в майстерні Брама в 1794-1795 рр. В 1797 Модслі побудував перший працездатний верстат на чавунній машині з самохідним супортом. Верстат служив для нарізки гвинтів, а також використовувався для обробки деталей замків. Надалі Модслі продовжував удосконалити свій токарний верстат. В 1797 р. він побудував токарно-гвинторізний верстат із змінним ходовим гвинтом. Самохідний верстат Модслі, що пропонувався для гвинторізних робіт, незабаром виявився незамінною машиною в будь-якій токарній роботі. З виготовленням супорта починають удосконалюватися і перетворюватися на машини всі металообробні верстати.

На заводі Модслі була застосована вже машинна система виробництва у формі з'єднання трансмісіями великої кількості робочих машин, що приводяться в рух універсальними тепловими двигунами. Генрі Модслі випускав зразкові токарні, а потім і механічні верстати.

У верстатобудуванні ХІХ ст. панували п'ять основних типів верстатів: токарні, застосовувалися для обробки зовнішніх і внутрішніх поверхонь тіл обертання; строгальні (і довбальні), що застосовувалися для обробки площин виробів, а також для расмочки, нарізки різьблення; фрезерні, які уживалися для обробки особливо точних деталей, а так само, для обточування фасону і нарізування різьблення; і шліфувальні верстати, для оброблювання деталей найрізноманітнішої форми абразивними матеріалами і інструментами.

Пізніше всі ці верстати одержали подальший розвиток, механічний супорт теж одержав подальший розвиток. Рух супорта був автоматизований. Виникли верстати-автомати і напівавтомати.

У верстатобудуванні з'являються нові винаходи в області створення електроприводів з автоматичним управлінням подачі робочого інструменту. Були створені, наприклад, нові системи копіювальних верстатів (зокрема, американські копіювальні верстати типа Келлер, а потім системи Т.Н. Соколова в СРСР.)

У 1680 р. Подіні Тапен створив паровий двигун, який приводив в рух верстати, паровози, пароплави і навіть перші автомобілі.