Любопытный технический опыт для досуга — конструирование генератора звуковых колебаний без использования транзисторов и иных активных полупроводников. Конструкция предельно лаконична: лишь угольный микрофонный капсюль и телефонный динамик от винтажного аппарата, соединительные провода и батарейка на 4,5 В.
Современные электретные, конденсаторные или динамические головки генерируют на выходе ничтожно малое напряжение — в пределах 0,1–1 мВ. Из-за этого они не могут работать без предварительного усилителя, расположенного максимально близко к источнику, иначе сигнал просто утонет в помехах и затухнет в кабеле, так и не достигнув слышимого уровня в наушниках.
Но как же инженеры обеспечивали связь на заре телефонии, когда радиоламп и транзисторов еще не существовало? Ведь электрическому сигналу требовалось преодолеть километры проводов с внушительным сопротивлением. Использование повышающего трансформатора не решало проблему: согласно законам термодинамики, он не является вечным двигателем, и при росте напряжения пропорционально падает сила тока.
В эпоху отсутствия развитой теории цепей было найдено гениальное решение — угольный порошковый микрофон. Его уникальность заключается в том, что электрическая мощность на его выходе существенно превышает акустическую мощность, воздействующую на мембрану. Фактически это устройство является одновременно и акустоэлектрическим преобразователем, и усилителем мощности.
Чтобы убедиться в этом феномене, достаточно собрать простейшую цепь, соединив последовательно угольный микрофон, телефонный капсюль и источник постоянного тока. Если поднести капсюль к микрофону, возникнет эффект положительной акустической обратной связи. Система самовозбудится, порождая генерацию звука и переменного тока, частота которых будет соответствовать резонансу мембран в типичном речевом диапазоне (от 300 до 3400 Гц).
Ниже представлены принципиальная схема и видеодемонстрация работы устройства. В эксперименте задействованы микрофон Tesla 4FE 560 1 (сопротивление ~100 Ом), телефонный капсюль SD-150 (~120 Ом) и гальванический элемент на 4,5 В.
Почему же столь эффективные устройства канули в лету? Еще в 1930-х годах от них начали отказываться в сфере качественной звукозаписи из-за узкой и неравномерной частотной характеристики, а также высокого уровня собственных шумов. К концу столетия они окончательно уступили место современным компонентам из-за высокого энергопотребления. Сегодня гораздо проще и эффективнее использовать миниатюрные электретные датчики в связке с полупроводниковыми усилителями.
Тем не менее, стоит иметь в виду: технология угольного микрофона может стать бесценной, если современная электроника будет выведена из строя мощным электромагнитным импульсом или ионизирующим излучением, а радиолампы станут дефицитом или придут в негодность.
