Tags: радиосвязь и радиовещание
ISBN: 5-7030-0221-4
Text
ВАНикитин
В-А.Никитин
ивам
МОСКВА
«ПАТРИОТ»
1991
Ы»к т.' Mr.4 iu
llu?
IVikmein В. T. Поляков
Редактор Л. И. К а р и о з о в
Никитин В. А.
Н62 Книга начинающего радиолюбителя. — М.: Пат-
риот, 1991. — 464 с., ил.
, 4 р.
Книга познакомит читателя с теоретическими основами элемен-
тарной электротехники, радиотехники и электроники, с принципами
построения радиоаппаратуры, научит читать радиосхемы и выполнять
необходимые измерения в процессе налаживания и ремонта аппарату-
ры, а также привьет некоторые навыки слесарных, монтажных, на-
ладочных и ремонтных работ в условиях домашней мастерской,
Для начинающих радиолюбителей, знакомых с основами элемен-
тарной математики в объеме 7 классов общеобразовательной школы.
230-2010000-047 ББК 32.884.19
” 072(02)—90 6Ф 2.9
ISBN 5-7030-0221-4
© В. А. Никитин, 1990
© В. Ю. Лукин (оформление), 1990
ВВЕДЕНИЕ
Простейшие электрические и магнитные явления при-
роды, такие как притягивание некоторыми минералами
кусочков железа или натертыми кусочками янтаря лег-г
ких предметов, были известны еще в глубокой древно-
сти. Однако лишь с XVII века начинается серьезное
изучение этих явлений. Как любая наука, электротехни-
ка сначала развивалась крайне медленно, накаплива-
лись опытные данные для создания гипотез, которые
могли объяснить природные явления. К середине XVIII
века Бенджамин Франклин изложил первую теорию
электрических явлений. К началу XIX века Алессандро
Вольта изобрел химический источник тока (вольтов
столб). В 1802 году Василий Владимирович Петров от-
крыл и исследовал электрическую дугу. В 1841—1842
годах Джеймс Джоуль и Эмилий Христианович Ленц от-
крыли закон, установивший зависимость между проте-
кающим через проводник током и количеством выделяе-
мого тепла. Георг Ом в 1826 году открыл закон, наз-
ванный его именем, установивший количественную
зависимость электрического тока от напряжения в цепи.
Тогда же, в XIX веке, началось проникновение электри-
чества в технику. В 1832 году Павел Львович Шиллинг
изобрел электромагнитный телеграф, в 1839 году Борис
Семенович Якоби создал самопишущий телеграфный ап-
парат, а в 1850 году он на пять лет раньше американца
Юза создал первый буквопечатающий телеграфный ап-
парат. В 1876 году Александер Белл изобрел телефон.
В 1888 году Михаил Осипович Доливо-Добровольский
создал трехфазный асинхронный электродвигатель. Алек-
сандром Николаевичем Лодыгиным в 1873 году была
изобретена электрическая лампа накаливания. В 1888
3
году I vnpnx Герц получил и исследовал электромагнит-
ные волны, которые были применены в 1895 году Алек-
сандром Степановичем Поповым в изобретенном им бес-
проволочном телеграфе, положившем начало радиосвязи.
Начало внедрения электричества в повседневную
жизнь в конце XIX века явилось следствием крупнейших
фундаментальных работ в области электричества таких
ученых, как А. Ампер, К. Гаусс, X. Эрстед, М. Фарадей,
Дж. Генри, У. Томсон, Дж. Максвелл. Это позволило
обеспечить в XX веке бурный рост развития электротех-
ники. Сначала повсеместное использование электриче-
ского освещения, появление электрического транспорта
и оснащение станочного парка в промышленности элек-
тродвигателями. Затем выделение из состава электро-
техники смежных отраслей: радиотехники, телевидения,
радиолокации, радиоастрономии, электроники, вычисли-
тельной техники. Сейчас мнбгие из этих отраслей науки
и техники используются в самых различных областях
промышленности от производства пищевых продуктов и
до космических полетов, на транспорте и в связи.
Трудно сегодня представить себе, что всего 100 лет
назад человечество обходилось без электрического осве-
щения, 50 лет назад — без телевидения, 30 лет назад —
без вычислительной техники. Человек сегодня и в быту
окружен самыми разными приборами, работа которых
основана на электричестве. Здесь осветительные и наг-
ревательные приборы, холодильники и кондиционеры,
электроплиты и стиральные машины, телефон и радио-
трансляция, радиоприемники и телевизоры, электропро-
игрыватели и магнитофоны, таймеры и видеомагнитофо-
ны, микрокалькуляторы и персональные компьютеры.
Грамотные эксплуатация, а при необходимости и ремонт
любого из этих аппаратов немыслимы без прочных зна-
ний основ электротехники, радиотехники, электроники,
без практических навыков и умелого обращения с инет*
рументами и приборами. Помочь начинающему радио-
любителю в этом и должна послужить предлагаемая
книга.
1. ПОНЯТИЕ О СТРОЕНИИ ВЕЩЕСТВА
Читатель, конечно, знает о том, что весь окружающий
нас мир состоит из молекул. Воздух, вода, земля, расте-
ния и животные, здания и сооружения — все состоит из
молекул. Молекулой называется наименьшая частица ве-
щества, обладающая всеми его химическими свойства-
ми. Некоторые вещества состоят из одинаковых моле-
кул, например, вода (имеется в виду дистиллированная),
или соль, или сахар. Другие вещества состоят из смеси
разных молекул, например воздух, состоящий в основ-
ном из кислорода и азота, или сталь, состоящая из же-
леза и углерода. Каждая молекула построена из атомов.
В природе в свободном состоянии или в составе молекул
существует 92 типа атомов, каждый из которых обла-
дает своими свойствами и своим индивидуальным строе-
нием. Каждый из таких типов называется химическим
элементом. Самый легкий из природных элементов —
водород, а самый тяжелый — уран, который в 238 раз
тяжелее водорода. Существуют и так называемые транс-
урановые элементы, но они в природе не встречаются, а
получены искусственным путем. Подобно тому, как из
ограниченного количества типов кирпичиков можно стро-
ить разнообразные по форме и назначению здания, так
из ограниченного числа химических элементов может
быть образовано неисчислимое количество самых раз-
ных молекул, обладающих разными свойствами. Самая
простейшая молекула состоит из двух атомов водорода
и представляет собой газообразный водород. _ С другой
стороны, существуют сложные белки, молекулы которых
состоят из сотен тысяч атомов. Атомы одинаковых или
разных элементов соединены в молекуле между собой
химическими связями.
5
Чн) же представляет собой атом? Оказывается, и он
не являс1ся монолитным и неделимым. В центре атома
находится .Т1ОМ1ЮС ядро, а вокруг него, как планеты
вокруг Солнца, вращаются по орбитам электроны. Коли-
ЧГГ1ВО электронов у атомов разных химических элемен-
тов различно и равно атомному номеру элемента, кото-
рый он имеет в периодической системе элементов
Д. И. Менделеева. Таким образом, атом водорода со-
держит всего один электрон, а атом урана — 92 элект-
рона. Орбиты, на которых расположены электроны, на-
зываются электронными оболочками. На каждой обо-
лочке может находиться более одного электрона, но мак-
симальное количество электронов на каждой оболочке
определено номером этой оболочки, считая от ядра. Хи-
мические свойства элемента определяются количеством
электронов на внешней электронной оболочке, так как
эти электроны наиболее удалены от ядра и связаны с ним
слабее тех электронов, которые находятся на внутренних
оболочках. На самой внутренней, ближней к ядру обо-
лочке может находиться не более двух электронов, на
наружной — не более восьми.
Размер атома или диаметр наружной электронной
оболочки составляет примерно 10~8 см (одна стомилли-
онная доля сантиметра). Размер ядра примерно в 10
тысяч раз меньше, а размер электрона примерно в 10
раз меньше ядра. Чтобы представить себе соотношения
между этими размерами, вообразим, что мы увеличили
атом до такой степени, что ядро стало размером с го-
рошину диаметром 8 мм. Тогда электрон оказался бы
размером с маковое зернышко, а размеры атома соот-
ветствовали бы размерам малого футбольного поля дли-
ной в 80 м. По сути дела почти все пространство внутри
атома заполнено... пустотой.
Электроны представляют собой не просто материаль-
ные частицы, каждый электрон несет единичный элек-
трический заряд. Условно принято считать заряд элек-
трона отрицательным. Однако атом в целом электриче-
ски нейтрален. Это может быть только в том случае, ес-
ли отрицательный электрический заряд каждого элект-
рона в атоме нейтрализуется таким же положительным
зарядом. Но если атом состоит только из электронов и
ядра, значит этот положительный заряд должен нахо-
диться в ядре. Действительно, в ядре содержатся поло-
жительно заряженные частицы, называемые протонами,
6
Количество протонов в ядре точно равно количеству
электронов этого атома. 'Простейшим атомом является
атом водорода с одним электроном на единственной обо-
лочке. Атомное ядро водорода состоит из одного протона.
Следующим за водородом химическим элементом в
таблице Менделеева является инертный газ гелий с
атомным.номером 2. Это означает, что у гелия в атоме
имеется два электрона, значит ядро гелия должно со-
держать два протона. Основной вес (масса) атома сос-
редоточен в его ядре в связи с тем, что протон примерно
в 1840 раз тяжелее электрона. Поэтому массой электро-
нов можно пренебречь, считая, что масса атома равна
массе ядра. Ученые условились измерять массу атомов
разных элементов не в граммах, а в относительных чис-
лах, показывающих, во сколько раз атом данного эле-
мента тяжелее атома водорода, и назвали это число
атомной массой. Таким образом, атомная масса гелия
должна была бы быть равной двум, если его ядро со-
держит два протона. Однако эксперименты дали совсем
другой результат: атомная масса гелия оказалась рав-
ной четырем. Выяснилось, что ядро гелия кроме двух
протонов содержит еще две частицы. Каждая из этих ча-
стиц имеет такую же массу, как протон, но не имеет
заряда. Назвали эту частицу нейтроном.
Если ядро содержит целое число протонов и нейтро-
нов, то и атомная масса любого химического элемента
должна представлять собой целое число, но оказалось,
что это не так. Тщательно выполненные разными уче-
ными и в разных странах экспериментальные исследова-
ния давали в результате дробные значения атомной мас-
сы. Тогда было обнаружено, что почти у каждого хими-
ческого элемента имеются «близнецы». По своим хими-
ческим свойствам они ничем не отличаются один от дру-
гого, значит их атомы содержат одинаковое количество
электронов и протонов, но количество нейтронов у них
разное. Такие «близнецы» были названы изотопами.
Встречающиеся в природе в чистом виде или в виде хи-
мических соединений элементы представляют собой смесь
изотопов этих элементов. Суммарное количество прото-
нов и нейтронов в ядре изотопа выражается целым чис-
лом и называется массовым числом. Но атомная масса
смеси разных изотопов одного и того же элемента полу-
чается, конечно, дробной и зависит от концентрации
каждого изотопа в смеси. Так, например, хлор, который
7
но химическим данным имеет атомную массу 35,453,
представляет собой смесь двух изотопов, состоящую из
75,53 % изотопа хлора с массовым числом 35 и 24,47 %
изотопа хлора с массовым числом 37.
Наиболее устойчивые химические элементы, которые
не вступают в химические реакции или вступают с боль-
шим трудом, имеют по восемь электронов на внешней
оболочке и являются инертными газами. Если на внеш-
ней электронной оболочке менее восьми электронов, эле-
мент вступает в химическую реакцию с другим элемен-
том, у которого на внешней оболочке также менее вось-
ми электронов. При этом один или несколько электронов
становятся общими для атомов этих двух элементов, сое-
диняя их между собой. Элемент, у которого мало элект-
ронов на внешней оболочке, как бы отдает их другому
элементу, у которого много электронов на внешней обо-
лочке, но их не хватает до ее заполнения, до восьми.
Так, вода состоит из молекул, каждая из которых содер-
жит один атом кислорода и два атома водорода. У кис-
лорода на внешней оболочке шесть электронов и до вось-
ми не хватает двух. У водорода по одному электрону и
два атома водорода своими двумя электронами за-
полняют внешнюю электронную оболочку атома кис-
лорода.
Рассмотрим теперь строение электронных оболочек в
атоме. Распределение электронов в атоме по электрон-
ным оболочкам подчиняется законам квантовой механи-
ки, согласно которым каждая оболочка содержит элект-
роны, обладающие определенным уровнем энергии. При
переходе с одной оболочки на другую электрон либо пог-
лощает, либо испускает вполне определенную порцию
энергии — квант. Таким образом, существуют вполне оп-
ределенные дискретные уровни энергий, разрешенные
электронам в атоме, которые и соответствуют электрон-
ным оболочкам. Всего в атоме может быть семь оболо-
чек, которые нумеруются цифрами от 1 до 7 или буквами
Л, L, М, N, О, Р, Q, Оболочки, начиная со второй, делят-
ся на подоболочки, которые обозначаются по порядку
буквами s, р, d, f. Минимальной энергией обладают элек-
троны, находящиеся на первой оболочке. По мере увели-
чения энергии расстояния между последовательными
уровнями уменьшаются. Схематически взаимное распо-
ложение оболочек и подоболочек в атоме показано на
рис. 1.1.
8
УИ
7
S'
Рис. 1.1. Энергетические уровни
атома
Предельное количество zz 5
электронов на каждой обо- .почке оппепе.пяетея гпяйиым 4/
квантовым числом п, кото- — Цр
рое соответствует номеру оболочки, и выражается Z значением 2п2. Предельное —3d зр 3S
количество электронов на
подоболочках определяется
вторым квантовым числом
/ и выражается значением
2(2/-f-l). При этом 1=0
для подоболочек s. 1=1 для
------------------- 2р
—--------------------2s
---------------------1$
подоболочек р, 1=2 для подоболочек d и 1=3 для под-
оболочек f. Легко подсчитать, что на подоболочках s
может находиться не более 2 электронов, на подоболоч-
ках р — не более 6 электронов, на подоболочках d — не
более 10 электронов и на подоболочках f — не более
14 электронов. Кроме того, на оболочке 1 может нахо-
диться не более 2 электронов, на оболочке 2 — не более
8 электронов, на оболочке 3—не более 18 электронов,
на оболочке 4 — не более 32 электронов и т. д. Поэтому
первая оболочка содержит только одну подоболочку,
вторая — две подоболочки, а третья — три подоболочки.
Если к электрону подводить какой-либо вид энергии
в виде тепла, света и т. д., он будет переходить с низ-
ших уровней на высшие, с одной подоболочки на следую-
щую, пока не достигнет уровня ионизации, который по-
казан на рис. 1.1 буквами УИ. Уровень ионизации явля-
ется предельным, достигнув его электрон становится сво-
бодным и может покинуть данный атом, который после
потери электрона перестает быть электрически нейтраль-
ным и превращается в положительный ион.
2. ПРОВОДНИКИ И ИЗОЛЯТОРЫ
Большинство окружающих нас веществ находится в
кристаллическом состоянии, при котором атомы или мо-
лекулы вещества расположены в пространстве упорядо-
9
fl
Рис. 2.1. Переход энергетических
уровней в зоны
ченно, как бы в узлах кри-
сталлической решетки.
Структура кристалла обра-
зуется повторением во всех
трех измерениях размеще-
ния атомов или молекул ве-
щества в элементарной
ячейке. В соответствии с
симметрией кристалла эле-
ментарная ячейка имеет форму косоугольного или пря-
моугольного параллелепипеда, квадратной или шести-
угольной призмы, куба. Существование кристаллической
решетки объясняется тем, что равновесие сил притяже-
ния и отталкивания между атомами, дающее минимум
потенциальной энергии всей системы, достигается имен-
но при трехмерной периодической повторяемости формы
элементарной ячейки.
Благодаря малым межатомным расстояниям в крис-
таллической решетке между атомами возникает сильное
взаимодействие. Поэтому всю совокупность атомов в
куске вещества нужно рассматривать как единое целое,
которое должно характеризоваться единым энергетиче-
ским спектром. Его особенность состоит в том, что раз-
решенные уровни энергий электронов размываются и
уровни переходят в зоны. Чем ближе расположены ато-
мы в кристаллической решетке, тем шире получаются
разрешенные зоны и уже запрещенные зоны. Отдельные
зоны могут сливаться, как показано на рис. 2.1, где
d — расстояние между атомами в кристаллической ре-
шетке. Справа показаны разрешенные и запрещенные
зоны, соответствующие межатомному расстоянию d 0.
Слияние зон всегда имеет место в верхней части, энерге-
тического спектра, так как верхние разрешенные уров-
ни в отдельном атоме расположены близко один от дру-
гого.
Верхнюю зону называют зоной проводимости, а бли-
жайшую к ней — валентной зоной. От взаимного рас-
положения этих зон зависят электрические свойства ма-
териала. У многих химических элементов зоны проводи-
мости и валентные зоны сливаются, запрещенная зона
между ними отсутствует. Такие элементы называются
10
металлами. У других элементов эти зоны не слиты и
между ними имеется запрещенная зона. Такие элементы
называются изоляторами или диэлектриками. У разных
диэлектриков оказывается различной ширина запрещен*
ной зоны. Те из них, у которых ширина запрещенной
зоны мала, занимают промежуточное положение между
проводниками и изоляторами. Достаточно небольшого
возбуждения атомов кристаллической решетки, чтобы
электроны из валентной зоны перешли в зону проводи-
мости. Такие элементы называются полупроводниками.
Типичными представителями полупроводников являются
германий и кремний. Оба они расположены в четвертой
группе периодической системы элементов Менделеева и
имеют по 4 электрона на внешней оболочке, занимая
промежуточное положение между металлами и диэлект-
риками.
Кристаллы германия светло-серого цвета с металли-
ческим блеском, ширина запрещенной зоны 0,69 эВ
(электронвольт — единица энергии). Кристаллы крем-
ния темно-серого цвета с металлическим блеском, шири-
на запрещенной зоны 1,12 эВ. Во второй половине XX
века германий и кремний нашли широчайшее примене-
ние в производстве полупроводниковых приборов.
Все металлы обладают характерными свойствами:
высокой электропроводностью и теплопроводностью, от-
рицательным температурнЫлМ коэффициентом электро-
проводности (при увеличении температуры электропро-
водность падает), характерным блеском и непрозрачно-
стью. Среди известных 105 химических элементов 83 —
металлы и лишь 22 — диэлектрики и полупроводники.
Все металлы, за исключением ртути, при нормальной тем-
пературе находятся в твердом состоянии и имеют крис-
таллическую структуру.
В связи с тем, что у металлов валентная зона и зона
проводимости слились, а зона проводимости является
сплошной вплоть до уровня ионизации, энергия электро-
нов в зоне проводимости может изменяться не кванта-
ми, как у электронов отдельного атома, а непрерывно.
Поэтому электроны в зоне проводимости называются
свободными: они не привязаны к определенным атомам,
а могут свободно перемещаться внутри металла, хотя и
не имеют возможности вылета за его пределы. Для этого
электронам нужно сообщить весьма значительную энер-
гию, которая называется работой выхода.
11
Рассмотрим фрагмент кристаллической решетки по-
лупроводника кремния, показанный на рис. 2.2 Больши-
ми кружками изображены ядра с внутренними электрон-
ными оболочками кремния, а маленькими — электроны
на внешней оболочке. В кристаллической решетке по-
лупроводника все электроны привязаны каждый к свое-
му атому только при температуре абсолютного нуля.
При другой температуре возникают тепловые колебания
атомов в решетке, под воздействием которых электронам
сообщается энергия. В результате этого часть валентных
связей мфкет нарушиться с переходом освободившихся
электронов в зону проводимости, которые становятся
свободными. Атом, потерявший электрон, приобретает
положительный заряд, а на месте, которое раньше было
занято электроном, образуется свободное место, назы-
ваемое дыркой. Свободный электрон перемещается в
теле полупроводника до тех пор, пока не встретит на
12
своем пути дырку. Тогда он займет место находившегося
здесь ранее электрона, и «жизнь» этого свободного элек-
трона прекратится. Однако в массе полупроводника дви-
жутся не только свободные электроны, но и дырки. По-
ложительно заряженный атом с дыркой притягивает
электрон соседнего атома, тот покидает свое место и
заполняет дырку. При этом дырка образуется у сосед-
него атома, к ней притягивается электрон третьего ато-
ма, у которого в свою очередь образуется дырка. На-
правление движения дырок оказывается противополож-
но направлению движения свободных электронов.
При нагревании абсолютно чистого и однородного по-
лупроводника количество свободных электронов в нем
равно количеству дырок. Проводимость, которая вызва-
на парами свободных электронов и дырок собственного
полупроводника, называют собственной. В отличие от
собственной проводимости значительно большее приме-
нение получила примесная проводимость. Допустим, что
в кристаллическую решетку кремния мы ввели при-
месь — атом фосфора с пятью электронами на внешней
оболочке. Этот атом окажется встроен в решетку, и че-
тыре его электрона расположатся так же, как электроны
атомов кремния. Пятый электрон окажется лишним, в
кристаллической решетке места для него нет, и он прев-
ратится в свободный электрон. Атом фосфора, лишив-
шись одного электрона, превратится в положительный
ион, но дырка при этом не образуется. При введении
примеси фосфора в кремниевом полупроводнике свобод-
ных электронов становится больше, чем дырок, и про-
водимость такого полупроводника преимущественно ста-
новится электронной.
Полупроводник с электронной примесной проводимо-
стью называют полупроводником типа п, а примеси,
создающие электронную проводимость, — донорными.
Донорами относительно германия и кремния, располо-
женных в IV группе периодической системы, являются
элементы V группы — фосфор, сурьма, мышьяк. Если
же ввести в кристаллическую решетку кремния примес-
ный элемент из III группы, например бор, в полупровод-
нике образуется избыток дырок, так как у бора только
три электрона на внешней оболочке. Полупроводник с
примесной дырочной проводимостью называют полупро-
водником типа р, а примеси, создающие дырочную про-
водимость,— акцепторными. Помимо бора акцепторами
13
относительно германия и кремния являются алюминий,
галлий, индий.
В связи с тем, что в примесных полупроводниках но-
сителей противоположных зарядов (свободных электро-
нов и дырок) оказывается не поровну, принято те но-
сители, которых больше, называть основными, а те, ко-
торых меньше, — неосновными. Таким образом, в полу-
проводнике типа р основными носителями являются дыр-
ки, а неосновными — электроны. В полупроводнике типа
п основными носителями являются электроны, а неос-
новными — дырки.
3. ЭЛЕКТРОСТАТИКА
3.1. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЗАРЯД
Еще в глубокой древности были замечены проявле-
ния электричества в природе. Около трех тысяч лет на-
зад древнегреческий философ Фалес, уроженец Милета
(Малая Азия), заметил, что кусок янтаря, натертый шер-
стью, притягивает к себе пушинки и другие легкие пред-
меты. От греческого слова «электрон», означавшего «ян-
тарь», и произошло слово «электричество». При трении
часть поверхностного слоя электронов переходит с одно-
го предмета на другой. На одном предмете образуется
недостаток электронов (положительный заряд); а на
другом — их избыток (отрицательный заряд). Сегодня
этот опыт известен каждому школьнику. Заряд, образу-
ющийся на поверхности расчески при трении, достаточ-
но мал, а вот заряд на поверхности экрана включенного
телевизора значительно больше: он способен притянуть
и удерживать такой сравнительно крупный предмет, ка-
ким является почтовая открытка.
Читатель, конечно, знает, что одноименно заряжен-
ные тела отталкиваются, а в разноименно — притягива-
ются, иначе говоря, положительный заряд отталкивает
другие положительные заряды, но притягивает отрица-
тельные. Наоборот, отрицательный заряд отталкивает
другие отрицательные заряды, но притягивает положи-
тельные. Сила притяжения или отталкивания определя-
ется законом Кулона, согласно которому она пропорцио-
нальна произведению зарядов и обратно пропорциональ-
на квадрату расстояния между ними. Величина электри-
14
ческих зарядов измеряется в единицах количества элек-
тричества. Абсолютной электростатической единицей ко-
личества электричества называется такой заряд, который
действует на равный ему другой заряд, находящийся на-
расстоянии 1 см, с силой в 1 дину. Напомним, что сила в
1 дину, будучи приложена к телу массой 1 г, сообщает
ему ускорение в 1 см/с2.
Однако абсолютная электростатическая единица ко г
личества электричества очень мала и на практике поль-
зоваться ею неудобно. Поэтому в практической деятель-
ности используется другая единица количества электри-
чества— кулон (Кл). Один кулон равен 3-10 9 абсолют-
ных электростатических единиц количества электричест-
ва. Чтобы получить представление о величине заряда в
1 Кл, вообразим, что два тела находятся на расстоянии
1 км и заряжены каждое до 1 Кл. При таких условиях
сила взаимодействия между этими телами достигла бы
918 кг. Насколько велик заряд в 1 Кл и насколько мал
заряд одного электрона, можно судить по тому, что один
кулон соответствует заряду 6,3-10 18 электронов. Если бы
на всей поверхности Земли, включая и океаны, равно-
мерно распределить такое количество электронов, то на
каждом квадратном метре поверхности их оказалось бы
более десяти тысяч.
3.2. ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ
В связи с тем, что пространство, в котором обнару-
живается действие каких-либо сил, называется полем,
пространство, в котором действуют силы притяжения
или отталкивания электрических зарядов, называется
электрическим полем. Электрическое поле условно изоб-
ражают силовыми линиями, направление которых в каж-
дой точке поля показывает, куда направлена сила воз-
действия этого поля на положительный заряд, помещен-
ный в данную точку. Силовые линии одиночного элект-
рического заряда (если в пространстве нет других за-
рядов) представляют собой прямые линии, расположен-
ные равномерно, как показано на рис. 3.1. Для отрица-
тельного заряда силовые линии были бы изображены
так же, но направлены не от заряда, а к нему. Электри-
ческое поле двух разноименных зарядов показано на
рис. 3.2, а двух одноименных зарядов — на рис. 3.3.
15
Рис. 3.1. Электриче-
ское поле одиночного
заряда
Рис. 3.2. Электрическое
поле разноименных заря-
дов
Из приведенных рисунков видно, что вблизи зарядов
силовые линии расположены гуще, а вдали — реже. Гу-
стота силовых линий характеризует силу поля или его
напряженность. Там, где силовые линии расположены
гуще, напряженность электрического поля больше. Чем
больше напряженность поля в данной точке пространст-
ва, тем больше сила, действующая на электрический за-
ряд, помещенный в эту точку. Из тех же рисунков вид-
но, что силовые линии нигде не пересекаются, так как
если бы они пересеклись в какой-то точке, это означало
бы, что в этой точке существуют два различных направ-
ления поля, а это невозможно. Электрическое поле без-
гранично. Как далеко не ушли бы мы от той точки про-
странства, в которой находится электрический заряд, по-
ле этого заряда будет существовать, оно может быть как
угодно мало, но не равно нулю. Иначе говоря, поле за-
ряда равно нулю только в бесконечно удаленной точке
пространства.
Электрическое поле можно охарактеризовать не толь-
ко его напряженностью в данной точке, но и потенциа-
лом этой точки. Под потенциалом электрического поля
данной точки принято считать ту работу, которую необ-
ходимо затратить, чтобы перенести единичный положи-
тельный электрический заряд из бесконечно удаленной
точки в данную точку поля. Если поле образовано по-
ложительным зарядом, при перемещении единичного за-
ряда из бесконечности в данную точку поля придется его
перемещать против направления силовых линий, поле
будет препятствовать такому перемещению, и затрачен-
ная работа будет положительной соответственно положи-
тельным будет и потенциал. Если же поле образовано
16
Рис. 3.3. Электрическое поле
одноименных зарядов
отрицательным зарядом,
оно будет содействовать
перемещению единичного
положительного заряда
из бесконечности в дан-
ную точку поля, оно бу-
дет само совершать рабо- л ~
ту, и потенциал окажется отрицательным. За единицу
потенциала принят 1 вольт (В). За 1 вольт принят та-
кой потенциал, при котором для перенесения заряда
в 1 кулон из бесконечности в данную точку поля необ-
ходимо затратить работу, равную 1 джоулю (Дж).
Однако бесконечно удаленная от нас точка недоступ-
на. Поэтому обычно оценивают потенциал одной точки
подя относительно другой его точки. При этом говорят
о разности потенциалов между этими двумя точками, и
эта разность потенциалов называется напряжением. Не-
зависимо от абсолютного значения потенциалов каждой
из двух точек поля напряжение между этими точками
равняется 1 В, если необходимо затратить работу в
1 Дж для перенесения 1 Кл электричества из одной точ-
ки в другую. Из механики известно, что работа выра-
жается произведением силы на расстояние, откуда сила
выражается делением работы на расстояние. Если потен-
циал представляет собой работу электрического поля, а
его напряженность — силу, то единицей напряженности
электрического поля должно быть отношение единицы
потенциала на единицу расстояния, то есть вольт, делен-
ный на метр (В/м).
Очевидно, что вокруг заряженного тела существует
много точек, потенциалы которых равны. Так на поверх-
ности сферы, в центре которой находится одиночный за-
ряд, потенциалы одинаковы. Такая поверхность, которая
соединяет точки пространства, имеющие одинаковые по-
тенциалы, называется эквипотенциальной. Характерно,
что силовые линии всегда нормальны (перпендикулярны)
эквипотенциальной поверхности в точках их пересече-
ния. Эквипотенциальная поверхность, как и силовые ли-
нии, не существует материально, а является воображае-
мой и придумана для объяснения процессов, возникаю-
щих в электрическом поле. Если же в электрическое по-
17
л г iiomciiihi проводник, потенциалы на всей,его поверх^
нос in оказываю । ся одинаковыми и она представляет со-
бой уже реально существующую эквипотенциальную по-
Hcpxiioc I i>.
3.3. ПРОВОДНИКИ И ИЗОЛЯТОРЫ
В ЭЛ1КГРИЧ1 СКОМ ПОЛЕ
Заряды, созданные на поверхности изоляционного
материала, неподвижны и остаются там, где были воз-
буждены. Их распределение на поверхности изолятора
может быть произвольным. Так, на один конец линейки
из оргстекла можно поместить положительный заряд, а
на другой конец — отрицательный или вовсе его не за-
ряжать. Проводники же обладают проводимостью за
счет наличия свободных электронов и дырок, что приво-
дит к подвижности зарядов. За счет взаимного притяже-
ния разноименные заряды сблизятся и взаимно уничто-
жатся, а оставшиеся избыточные одноименные заряды,
если вначале было их преобладание, будут отталкивать-
ся и удаляться один от другого, пока расстояние между
ними не окажется наиболее возможным. Если тело имеет
вытянутую форму, наибольшая плотность зарядов будет
на его концах. Па поверхности шара заряды распреде-
ляются равномерно. Внутри тела зарядов не будет, так
как точки на его поверхности являются наиболее уда-
ленными. Если тело имеет наружную и внутреннюю по-
верхности (например, полый шар), заряды распределят-
ся только на наружной поверхности. Это позволяет ис-
пользовать полый шар с отверстием для заряда его боль-
шим количеством электричества маленькими порциями,
внося эти порции через отверстие и помещая их на
внутреннюю поверхность.
Если проводник имеет заостренный конец, на острие
накапливаются заряды, около острия образуется силь-
ное электрическое поле, под воздействием которого мо-
лекулы воздуха ионизируются (расщепляются на поло-
жительно и отрицательно заряженные ионы). Ионы, за-
ряженные одноименно с проводником, отталкиваются от
острия, а заряженные противоположно — притягиваются
к нему и нейтрализуют заряд, постепенно разряжая про-
водник. На этом принципе основана работа ионизаторов
воздуха, которые применяются в медицине для лечения
некоторых болезней. Если* задача специальной иониза*
18
Ptic. 3.4. Электростатиче-
ская индукция
ции воздуха не стоит, стекание электрических зарядов с
острий проводников представляет собой вредное явление.
Поэтому проводники, несущие большие заряды, не дол-
жны иметь острий или зазубрин, их поверхность должна
быть гладкой, а концы закруглены. Тонкий провод подо-
бен острию, с него также легко стекают заряды, во из-
бежание чего приходится увеличивать его диаметр.
Тело, выполненное из проводника, может быть заря-
жено не только путем трения или прикосновения к нему
другим заряженным телом. Если, как показано на рис.
3.4, к проводнику А поднести заряженное тело Б, поло-
жительные заряды этого тела притянут свободные элек-
троны тела А к той его части, которая обращена к телу
Б, Здесь окажется избыток электронов, а на противопо-
ложном конце — избыток дырок. Такое явление носит
название электростатической индукции (наведения). При
электростатической индукции наводится заряд, противо-
положный тому, который имеется на наводящем теле.
Заземлим теперь удаленный от тела Б конец тела А,
Положительный заряд с тела А уйдет на землю (факти-
чески электроны с земли поступят к телу Л и нейтрали-
зуют избыток дырок). Если теперь отсоединить землю и
убрать чело Б, чело А окажется заряжено избыточным
количеством электронов. Аналогичный процесс происхо-
дит при приближении к проводнику тела с отрицатель-
ным зарядом, который заставит часть электронов уйти
с тела А на землю и оно окажется заряжено положи-
тельно^избыточным количеством дырок.
Благодаря электростатической индукции конфигура-
ция электрического поля при внесении в него проводника
деформируется. Если проводник представляет собой
замкнутую поверхность с внутренней полостью, появле-
ние на его наружной поверхности индуцированных за-
рядов приводит к нейтрализации поля внутри простран-
ства, ограниченного поверхностью проводника. В резуль-
тате во внутренней полости совершенно отсутствуют
электрические силы. Таким образом, замкнутый провод-
19
ник экранирует электрическое поле. Явление экраниров-
ки широко используется в радиотехнике, когда необхо-
димо защитить какие-либо элементы устройства от внеш-
них электрических полей.
В отличие от проводников диэлектрики (изоляторы)
не содержат подвижных носителей. Поэтому при поме-
щении диэлектрика в электрическое поле явления элект-
ростатической идукции не происходит. Возникает другое
явление, которое называется поляризацией диэлектрика.
Если в свободном состоянии молекулы диэлектрика рас-
положены хаотично, то при воздействии электрического
поля они ориентируются вдоль силовых линий поля, не-
значительно смещаясь и поворачиваясь. Ориентация мо-
лекул во всей толще диэлектрика создает вторичное
электрическое поле противоположного направления по
сравнению с основным, поэтому частично его ослабляет;
Степень такого ослабления зависит от молекулярного
строения диэлектрика и от его состояния и называется
диэлектрической проницаемостью. Диэлектрическая про-
ницаемость газов мала (близка к единице) в связи с
тем, что при нормальном давлении количество молекул
газа в единице объема сравнительно мало. Диэлектриче-
ская проницаемость жидкостей значительно больше, чем
твердых тел, так как подвижность молекул жидкости ве-
лика. Так диэлектрическая проницаемость воды при тем-
пературе + 25 °C составляет 78,3, в то время как для
льда она равна всего 2,85.
В начале этого раздела был сформулирован закон
Кулона, определяющий силу взаимодействйя зарядов в
зависимости от количества электричества каждого заря-
да и расстояния между ними. Теперь можно привести его
математическое выражение:
F=9-109 Q^2-, (3.1)
где F — сила взаимодействия между зарядами, в ньюто-
нах (Н);
Qb Q2 — количество электричества соответственно
первого и второго зарядов, Кл;
е — диэлектрическая проницаемость среды, в которой
находятся заряды;
г — расстояние между зарядами, м.
Коэффициент 9-109—коэффициент пропорционально-
го
сти, связанный с примененными единицами. Если силу
выражать в динах, количество электричества — в абсо-
лютных * электростатических единицах, а расстояние в
сантиметрах, такой коэффициент не понадобился бы.
Воздействие электрического поля на полупроводники
имеет интересные особенности. Под воздействием поля в
полупроводнике, как и в проводнике, индуцируется за-
ряд, но он располагается не на поверхности, а распреде-
ляется в некоторой глубине кристалла. В зависимости
от направления поля и типа полупроводника основные
носители либо притягиваются к поверхности кристалла,
образуя обогащенный слой, либо отталкиваются от по-
верхности, образуя обедненный слой. В обогащенном
слое концентрация основных носителей увеличена, бла-
годаря чему создается тонкий канал того же типа про-
водимости, что и тип полупроводника, но с гораздо боль-
шей электропроводностью. В обедненном слое вместо
тонкого канала с повышенной проводимостью образует-
ся толстый канал пониженной проводимости. При этом,
если увеличивается напряженность поля, растет заряд
неосновных носителей, притягиваемых к поверхности.
Когда он превысит заряд оставшихся основных носите-
лей, изменяется тип проводимости полупроводника. В
этом случае канал, образованный неосновными носите-
лями, называют инверсионным слоем.
К особому классу диэлектриков относятся электреты.
Это — диэлектрики, длительно сохраняющие наэлектри-
зованное состояние и создающие электрическое поле в
окружающем пространстве. Электреты изготовляются из
органических (воск, парафин, нафталин и др.) и неорга-
нических (сера, стеатит, стекло и др.) диэлектриков пу-
тем их нагрева до температуры, меньшей или равной
температуре плавления, и последующего охлаждения в
сильном электрическом поле. Электреты имеют стабиль-
ный поверхностный заряд, время сохранения которого в
зависимости от типа электрета колеблется от нескольких
дней до многих лет. Принцип образования электрета
состоит в том, что под воздействием нагрева увеличива-
ется подвижность молекул и облегчается их ориентация
в электрическом поле. Подвижность же молекул в ос-
тывшем материале, из которого изготовлен электрет,
очень мала, за счет чего длительно сохраняется его по-
ляризация. В последние годы благодаря созданию вы-
сокоэффективных материалов для производства электре-
21
тон они стали широко использоваться в самых разных
областях техники.
Если увеличивать напряженность электрического по-
ля, в юмором находится диэлектрик, при определенном
значении напряженности диэлектрик теряет свои диэлект-
рические свойства и становится проводником. При этом
наступает пробои диэлектрика. Критическое значение
напряженности электрического поля, при котором про-
исходит пробой, называется электрической прочностью
данного диэлектрика. Пробой газообразных и жидких
диэлектриков является обратимым: при уменьшении
напряженности доля диэлектрические свойства материа-
ла восстанавливаются. Пробой твердых диэлектриков
необратим, так как в местах пробоя материал разруша-
ется. Существуют две основные формы пробоя твердых
диэлектриков—тепловая и электрическая. При тепло-
вом пробое с ростом напряженности поля повышается
температура диэлектрика. Увеличение температуры про-
исходит быстрее увеличения напряженности. При неко-
торой напряженности поля температура начинает нара-
стать так быстро, что возникает лавинообразный про-
цесс, и диэлектрик разрушается. В отличие от теплово-
го пробоя, электрический пробой является нарушением
не теплового равновесия диэлектрика, а стационарного
режима электропроводности. Под воздействием поля
происходит ионизация атомов диэлектрика. Стационар-
ное состояние не Нарушается, пока процесс ионизации
уравновешивается процессами рекомбинации (нейтрали-
зации положительных ионов электронами). При некото-
рой напряженности поля равновесие нарушается, воз-
никает лавинообразный процесс, диэлектрик разрушает-
ся. Часто одновременно имеют место обе формы пробоя
диэлектрика.
Если образец диэлектрика помещен между метал-
лическими электродами, создающими электрическое по-
ле, может наблюдаться появление искровых разрядов,
переходящих в дуговой разряд вдоль поверхности диэлек-
трика (поверхностный пробой). При поверхностном про-
бое пробивается не диэлектрик, а воздух по его поверх^
ности. Напряжение поверхностного пробоя обычно мень-
ше напряжения пробоя воздуха при том же расстоянии
между электродами. Диэлектрик как бы провоцирует
пробой воздуха. Это связано с тем, что на поверхности
диэлектрика могут присутствовать заряды и имеется гра?
22
Таблица 3.1
Материал Плот- ность, г/см3 Диэлект- рическая проница- емость Электри- ческая прочность, кВ/мм Удельное объемное соп- ротивление, Ом • см Теплостой- кость, °C
Фибра 1,3 4,5 8 5-Ю8 100
Слюда 2,8 6,5 22 10‘5 550
Фарфор 2,4 6,0 25 5-1014 500
Кварц 2,6 4,6 15—20 5-Ю18 1200
Эбонит 1.2 3,5 60 5-1014 60
Шеллак 1Л 3,5 20—30 5 1018 80
Канифоль 1,1 3,0 10-15 5 1015 70
Парафин 0,92 2,2 25 1018 55
Церезин 0,92 2,2 15 1015 60
Карболит 1,2 6,0 7—10 Ю19 110
Гстинакс 1,35 8,0 20—25 10й 120
Прессшпан 1,1 4,5 9 1010 95
Текстолит 1,3 8,0 4—6 5 109 120
Стеклотекстолит 1,7 6,0 10—12 1О‘° 185
Оргстекло 1,1 3,5 18-30 1013 70
Полистирол 1,05 2,6 20 1Q15 80
Полихлорвинил 1,4 3,5 15 1014 55
Лавсан 1,4 3,6 30 1014 150
Фторопласт-4 2,2 2,0 50 101в 250
Полиэтилен 0,95 2,2 40 1015 100
ница двух сред с разными значениями диэлектрической
проницаемости. Происходит сильное искажение конфигу-
рации электрического поля и снижается пробивное на-
пряжение воздуха по поверхности диэлектрика.
В табл. 3.1 приводятся основные электрические ха-
рактеристики некоторых диэлектриков.
ЗА ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЕМКОСТЬ
Электрической емкостью называется способность про-
водника накапливать электрический заряд. Если метал-
лическому шарику сообщить какое-то количество элект-
ричества (зарядить его), заряды распределятся равно-
мерно по его поверхности и создадут вокруг электриче-
ское поле с определенной густотой силовых линий. При
этом шарик приобретет некоторый потенциал. Возьмем
шарик большего диаметра и сообщим ему такой же за-
ряд. Понятно, что теперь заряды на поверхности распре-
делятся реже, чем на поверхности меньшего шарика, и
густота силовых линий будет меньше. Поэтому меньшим
окажется и потенциал шарика. Для достижения преж-
23
них уровней силы поля и потенциала большему шарику
нужно сообщить и большее количество электричества.
Таким образом, шарик большего размера обладает и
большей емкостью.
За единицу электрической емкости принята фарада.
Емкостью в одну фараду (Ф) обладает такой проводник,
потенциал которого увеличивается на 1 В при сообще-
нии ему заряда в 1 Кл. В теории часто используется дру-
гая единица емкости — сантиметр. Емкостью 1 см об-
ладает шарик радиусом в 1 см. Одна фарада содержит
9-10 11 сантиметров. Чтобы оценить, какую огромную ем-
кость представляет собой фарада, можно подсчитать
емкость земного шара, радиус которого примерно равен
6370 км. Если перевести эту величину в сантиметры, ем-
кость земного шара окажется равной 6,37-108 см или
7,1 -104 Ф, то есть всего 0,00071 Ф.
Для удобства вводятся более мелкие единицы емко-
сти по сравнению с фарадой: микрофарада (мкФ), на-
нофарада (нФ) и пикофарада (пФ). Одна микрофарада
равна 1/106, одна нанофарада равна 1/10 9, одна пикофа-
рада равна 1/1012 Ф. Таким образом, емкость земного
шара составляет 710 мкФ.
Свойство электрической емкости широко использует-
ся в радиотехнике. Поэтому необходимо иметь возмож-
ность создавать и использовать специальные приборы,
обладающие той или другой емкостью. Такие приборы
называются конденсаторами. Применять в качестве кон-
денсаторов металлические шарики разных размеров бы-
ло бы крайне неудобно, так как для получения конден-
саторов большой емкости пришлось бы использовать ша-
ры огромных размеров. Имеется другой способ увели-
чения емкости. Если расположить рядом две металличе-
ские пластины, как показано на рис. 3.5, и зарядить их
разноименными зарядами, благодаря взаимному притя-
жению заряды в основном будут расположены на обра-
щенных одна к другой сторонах пластин, а на противо-
положных сторонах зарядов будет мало и, как будто,
освободится место для дополнительных зарядов. Чем
меньше расстояние между пластинами, тем сильнее бу-
дет взаимодействие между зарядами, тем теснее они бу-
дут располагаться и больше будет емкость такого кон-
денсатора. Если поместить между пластинами диэлект-
рик с большой диэлектрической проницаемостью,
емкость дополнительно увеличится, так как диэлектрик
24
Рис. 3.5. Концентрация
зарядов в конденсаторе
Рис. 3.6. Соединение пла-
стин в конденсаторе
ослабляет электрическое поле. У конденсатора, показан-
ного на рис. 3.5, рабочими являются только внутренние
поверхности пластин, а наружные почти не используются.
Чтобы использовать поверхности пластин полностью,
можно собрать конденсатор не из двух пластин, а из не-
скольких, соединив их через одну, как показано на
рис. 3,6. У такого конденсатора количество промежутков
между пластинами на один меньше количества пластин.
Емкость такого конденсатора выражается так:
С=8,85 10-14(и-1)—, (3.2)
d
где С — емкость конденсатора, Ф;
п — количество пластин;
S — площадь поверхности одной пластины с одной
стороны, см 2;
8 — диэлектрическая проницаемость материала, по-
мещенного между пластинами конденсатора;
d — расстояние между пластинами, см.
Необходимо теперь связать между собой количество
электричества, которым заряжен конденсатор, его ем-
кость и полученное напряжение между пластинами. Та-
кая зависимость существует:
Q=CU, (3.3)
где Q — количество электричества, Кл;
С — емкость конденсатора, Ф;
U — напряжение между обкладками, В.
Для этой формулы можно привести простую анало-
гию. Если представить себе конденсатор в виДе сосуда с
жидкостью, то количество электричества соответствует
количеству жидкости в сосуде, емкость конденсатора —
площади дна сосуда, а напряжение — уровню жидкости
в сосуде. Если в два сосуда, из которых один узкий, а
другой широкий, налить одинаковое количество жиДко-
25
сти, ее уровень в узком сосуде будет выше, чем в широ-
ком. Аналогично, при одинаковом заряде напряжение на
конденсаторе меньшей емкости окажется выше, чем на
конденсаторе большей емкости. Или для получения оди-
накового напряжения конденсатор большей емкости
нужно зарядить большим количеством электричества.
При заряде конденсатора в его электрическом поле
накапливается определенная энергия, которая может
быть использована. Такая запасенная энергия называет-
ся потенциальной и выражается следующей формулой:
^=~, (3.4)
где W — потенцильная энергия заряженного конденсато-
ра, Дж;
С — емкость конденсатора, Ф;
U — напряжение между обкладками конденсатора, В.
Существует множество самых разных типов конден-
саторов, выпускаемых промышленностью, которые отли-
чаются, прежде всего по материалу использованного ди-
электрика: бумажные, металлобумажные, слюдяные, ке-
рамические, пленочные, воздушные, электролитические,
оксиднополупроводниковые и т. д. Описанию конструк-
ций и свойств каждого из этих типов посвящены целые
книги, издаются справочники, и здесь приводить этот
материал нет возможности. Необходимо лишь упомянуть
о второй (после емкости) не менее важной характери-
стике конденсатора — его рабочем напряжении, которое
нельзя превышать во избежание,пробоя, в результате ко-
торого конденсаторы большинства типов непоправимо
выходят из строя.
На схемах для изображения конденсаторов приняты
условные обозначения, показанные на рис. 3.7. Конст-
рукция конденсаторов переменной емкости и подстроеч-
ных конденсаторов такова, что имеется возможность
вручную изменять емкость конденсатора путем вдвига-
ния одной группы пластин в пространство между плас-
тинами другой группы или при двух пластинах изменять
их взаимное расположение. Для этих конденсаторов
Обычно указываются значения минимальной и макси-
мальной емкости. Конденсаторы переменной емкости ис-
пользуются для настройки аппаратуры в процессе экс-
плуатации, например для настройки радиоприемника на
ту или другую станцию, для чего ось конденсатора выво-
де
Рис, 3.7, Условные обо-
значения конденсаторов:
а — постоянной емкости; б —
переменной емкости; в —
подстроечный; г — агрегат
переменных конденсаторов
а
Рис. 3.8. Параллельное (а) и
последовательное (б) соедине-
ние конденсаторов
дится на переднюю панель аппарата. Подстроечные кон-
денсаторы служат для подстройки аппарата в процессе
налаживания, и пользователь в процессе эксплуатации
к ним доступа не имеет. Конденсаторы переменной емко-
сти часто содержат дйе или несколько секций и называ-
ются агрегатом переменных конденсаторов. Каждая из
таких секций может использоваться в разных частях
схемы. Обозначение агрегата переменных конденсаторов
соответствует рис. 3.7, г.
Несколько конденсаторов могут быть соединены меж-
ду собой параллельно (рис. 3.8,а) или последовательно
(рис. 3.8,6). При параллельном соединении общая ем-
кость может быть найдена путем суммирования емко-
стей отдельных конденсаторов:
G=Ci 4-С24-С3, (3.5)
При последовательном соединении путем суммирования
величин, обратных емкостям:
_L = _L + _L + _L.
с С, С2 С3
(3.6)
На рис. 3.9 показано смешанное соединение конден-
саторов. Для определения общей емкости такого сое-
Рис. 3.9. Смешанное сое-
динение конденсаторов
27
динения сначала находят общую емкость последователь-
но соединенных конденсаторов, после чего к ней прибав-
ляют емкость конденсаторов, подключенных параллель-
но. Если последовательно соединены несколько конден-
саторов одинаковой емкости, результирующая емкость
соединения находится простым делением емкости одного
конденсатора на их количество. Напряжение, приложен-
ное к параллельному соединению нескольких конденса-
торов, не должно превышать рабочего напряжения того
из конденсаторов, у которого оно меньше 'других. При
последовательном соединении идеальных конденсаторов
напряжение, приложенное ко всему соединению, распре-
деляется между конденсаторами обратно пропорциональ-
но их емкостям. Однако реальные конденсаторы могут
обладать заметной утечкой из-за небольшой проводимо-
сти диэлектрика, особенно электролитические конденса-
торы. Поэтому при таком соединении лучше не превы-
шать рабочее напряжение каждого.
3.5. РЕШЕНИЕ КОНТРОЛЬНЫХ ЗАДАЧ
Задача 3.1. Конденсатор переменной емкости в по-
ложении максимальной емкости, равной 500 пФ, был
заряжен от батареи «Крона» до напряжения 9 В, после
чего его емкость была уменьшена до 10 пФ. Требуется
определить результирующее напряжение на конденсато-
ре и объяснить причину изменения потенциальной энер-
гии конденсатора.
Решение. Определяем количество электричества, со-
общенное конденсатору при его заряде, согласно форму-
ле (3.3):
Q=C{U\ = 500-10-12-9 = 4,5-10-9 Кл.
Определяем напряжение
шения емкости:
Q
на конденсаторе после умень-
4,5-10-9
450 В.
10.10-12
Определяем потенциальную энергию конденсатора при
максимальной емкости согласно формуле 3.4:
W,= С'и^ — 500'10~12'9г=2,025.10-8Д>1С.
1 2 - 2
28
Определяем потенциальную энергию конденсатора пос-
ле уменьшения емкости:
г = ю, ю-^,4502 = 101;25.1О-8ДЖ.
2 2
Увеличение потенциальной энергии конденсатора в 50
раз объясняется работощ выполненной на поворот его
ротора из положения максимальной емкости в' положе-
ние минимальной емкости.
Задача 3.2. На схеме, показанной на рис. 3.9, емко-
сти конденсаторов соответственно равны: Ci = 100 пФ,
С2=300 пФ, С3=125 пФ. Найти результирующую ем-
кость соединения.
Решение. Определяем результирующую емкость по-
следовательного соединения конденсаторов С\ и С2 сог-
ласно формуле (3.6):
С, + С2 100 + 300
Определяем результирующую емкость всего соединения
согласно формуле (3.5):
С12з=С12+Сз = 75+125 = 200 пФ.
4. ПОСТОЯННЫЙ ТОК
4.1. СИЛЛ ТОКЛ
Свободные электроны в толще проводника движутся
хаотически в самых разных направлениях. Но если соз-
дать между концами проводника разность потенциалов,
на хаотическое движение электронов наложится упоря-
доченная составляющая движения: все они начнут сме-
щаться в определенном направлении. Чем больше будет
напряжение между концами проводника, тем больше бу-
дет превалировать направленная составляющая движе-
ния электронов над хаотической и, кроме того, больше
будет скорость их перемещения в этом направлении.
Электрическим током называется упорядоченное направ-
ленное движение носителей электричества. В связи с
тем, что в проводниках основными носителями являются
29
электроны, электрический ток в проводниках обусловлен
упорядоченным направленным движением электронов.
Будучи заряжены отрицательно, электроны в проводнике
движутся от точки с меньшим потенциалом к точке с
большим потенциалом (от минуса к плюсу). Однако за
направление тока принято обратное направление — от
точки с большим потенциалом к точке с меньшим потен-
циалом (от плюса к минусу). Это объясняется историче-
ски сложившейся традицией: основные законы электро-
техники были "сформулированы, когда носителями счита-
лись положительные заряды и о свободных электронах
не было известно. Переход от условного направления
тока к истинному направлению движения электронов
потребовал бы ломки всей теории электричества.
Скорость движения электронов в проводнике невели-
ка. Под воздействием приложенного напряжения элект-
роны должны двигаться с возрастающей скоростью. Од-
нако в процессе движения они сталкиваются с положи-
тельными ионами металла и часть их рекомбинирует.
Поэтому средняя скорость их упорядоченного движения
оказывается пропорциональна напряжению, действующе-
му на концах проводника. При напряжениях от несколь-
ких вольт до сотен вольт средняя упорядоченная ско-
рость электронов изменяется от долей миллиметра в се-
кунду до нескольких сантиметров в секунду. Совсем дру-
гое значение имеет скорость распространения электри-
ческого сигнала в проводнике, которая составляет
300 000 км/с (3-108 м/с). Если бы мы смогли протянуть
провода с Земли на Луну, установили бы там лампочку
и включили ее с Земли, лампочка загорелась бы пример-
но через 1,3 с после включения. Для прохождения света
загоревшейся лампочки от Луны до Земли понадобилось
еще такое же время— 1,3 с, так как скорость распрост-
ранения света равна скорости распространения электри-
ческого сигнала в проводнике. Таким образом, свет заго-
ревшейся лампочки мы увидели бы лишь через 2,6 с пос-
ле ее включения. Как же может распространяться элек-
трический сигнал с такой огромной скоростью, если ско-
рость электронов мала? Здесь можно привести пример
с шеренгой солдат. По команде «Шагом марш» вся ше-
ренга начинает движение. Хотя скорость движения каждо-
го солдата мала, задний солдат шеренги начинает дви-
жение практически одновременно с передним. Скорость
распространения сигнала (команды) в данном случае
80
соответствует скорости распространения звука, а не ско-
рости движения солдат.
От упорядоченной составляющей скорости электронов
в проводнике и их количества зависит сила тока. Силой
тока называется количество электричества, проходящее
через поперечное сечение проводника за одну секунду.
За единицу силы тока принят такой ток, при котором
через поперечное сечение проводника за одну секунду
проходит количество электричества, равное одному ку-
лону. Называется эта единица ампером (А). Таким об-
разом, соотношение между силой тока и количеством
электричества, проходящего через поперечное сечение
проводника, выражается формулой
/=-7-. (4-0
где 1 — сила тока, А;
Q — количество электричества, Кл;
: t — время, с.
Как и для других единиц, кроме основной единицы
силы тока (А) используются вспомогательные — мил-
лиампер (мА), равный одной тысячной доле ампера, и
микроампер (мкА), равный одной миллионной доле ам-
пера.
4.2. СОПРОТИВЛЕНИЕ И ПРОВОДИМОСТЬ
Как уже отмечалось, электроны при своем движении
в проводнике сталкиваются с ионами металла, что за-
медляет их движение. Проводник оказывает какое-то
сопротивление движению электронов. Именно сопротив-
ление проводника определяет силу тока при действии на
концах этого проводника определенного напряжения. Не-
мецкий физик Георг Симон Ом в 1826 году, проведя
серию точных экспериментов, установил основной закон
электрической цепи, получивший его имя. Закон Ома
гласит: сила тока в проводнике пропорциональна разно-
сти потенциалов (напряжению) между двумя сечениями
этого проводника и обратно пропорциональна сопротив-
лению проводника между этими же сечениями:
где / — сила тока, А;
31
U — напряжение, В;
R — сопротивление, Ом.
За единицу сопротивления принимается сопротивле-
ние такого проводника, по которому при разности потен-
циалов на его концах, равной 1 вольту, проходит ток
силой в 1 ампер. Такое сопротивление называется омом
(Ом). Вспомогательные единицы — миллиом (мОм) —
1/1000 доля ома, килоом (кОм) — 1000 Ом, мегом
(МОм) — миллион ом.
Ом также показал, что сопротивление проводника
пропорционально длине проводника, обратно пропорцио-
нально площади его поперечного сечения и зависит от
материала проводника:
о
где R — сопротивление, Ом;
р — удельное сопротивление, Оммм2/м;
I — длина проводника, м;
S — площадь поперечного сечения проводника, мм 2.
Под удельным сопротивлением проводника понимают
его сопротивление при длине, равной 1 м, и площади по-
перечного сечения 1 мм 2.
Иногда вместо сопротивления используется обратная
ему величина, которая называется проводимостью. Еди-
ницей проводимости является сименс (См). Чтобы най-
ти проводимость, достаточно разделить единицу на со-
противление проводника, выраженное в омах. Наоборот,
если известна проводимость, сопротивление проводника
в омах получается делением единицы на проводимость,
выраженную в сименсах.
В табл. 4.1 приводятся значения удельного сопротив-
ления и удельной проводимости некоторых металлов и
сплавов при температуре 20 °C.
Сопротивление проводников не является постоянной
величиной, у некоторых проводников оно сильно зависит
от температуры. Как изменяется сопротивление провод-
ника при изменении температуры, показывает темпера-
турный коэффициент сопротивления (сокращенно —
ТКС). Сопротивление проводника при какой-либо тем-
пературе можно вычислить по формуле
R^R2Qll + a(t°-20)]t (4.4)
32
Таблица 4.1
Материал Удельное соп- ротивление р, Ом • мм2/м Удельная про- водимость у. См•м/мм2 ТКС а, 1/°С
Серебро 0,0156 64,1 . 0,0037
Медь 0,0175 57,1 0,0041
Золото 0,022 45,5 0,0038
Алюминий 0,029 34,5 0,0042
Магций 0,0446 22,4 0,0039
Вольфрам 0,0548 18,2 0,0046
Никель 0,0723 13,8 0,0065
Цинк 0,073 13,7 0,0039
Железо 0,0978 10,2 0,006
Платина 0,1 10,0 0,0038
Олово 0,114 8,77 0,0046
Свинец 0,205 4,88 0,0041
Ртуть 0,958 1,04 0,00099
Латунь 0,063 15,9 0,0015
Нейзильбер 0,31 3,23 0,00004
Манганин 0,39 2,56 0,000008
Никелин 0,42 2,38 0,00002
Реотан 0,45 2,22 0,0004
Константан 0,47 2,13 0,000004
Нихром 1,05 0,952 0,0002
где R 20 — сопротивление при температуре 20 °C (по
табл. 4.1);
Rt — сопротивление при другой температуре;
а — температурный коэффициент сопротивления;
t° — температура, °C.
Формулой (4.4) можно пользоваться в пределах темпе-
ратур от минус 30 до плюс 200 °C. Вне этого диапазона
темпера гур зависимость оказывается более сложной.
Следует также учитывать, что приведенные в табл. 4.1
значения соответствуют чистым материалам и сплавам,
приготовленным по наиболее принятой рецептуре. В за-
висимости от примесей и рецептуры сплавов эти значе-
ния могут несколько изменяться.
Сопротивлением обладают не только провода, но и
специально изготовленные элементы, называемые рези-
сторами. Промышленность выпускает резисторы самых
разных типов с сопротивлением от единиц ом до тысяч
мегом. Резисторы бывают проволочные и непроволочные.
Проволочные резисторы представляют собой небольшие
катушки, намотанные тонким проводом из сплава с ма-
лым ТКС (манганин, константан) для малой зависимо-
сти сопротивления резистора от температуры. Для не-
2—2085
33
Рис. 4.1. Условные обозначения резисторов:
а — постоянных: б — переменных; в — термисто-
ров; г — варисторов; д — бареттеров
Рис. 4.2. Вольт-ампер-
ные характеристики
проволочных резисторов в качестве токопроводящего
слоя используют тонкую пленку из металла или компо-
зиционного компаунда. Сопротивление постоянного рези-
стора определено заранее при изготовлении, сопротивле-
ние переменных резисторов можно изменять вручную,
вращая их ось. Для изображения на схемах приняты ус-
ловные обозначения резисторов, показанные на рис. 4.1.
Проволочные и непроволочные резисторы обладают
небольшим температурным коэффициентом сопротивле-
ния. Так, наиболее распространенные резисторы типа
МЛТ имеют ТКС в интервале температур от минус 60
до плюс 25 °C ±0,0012 1/°С, а в интервале температур от
плюс 25 °C и до предельной — ± 0,0007 1/°С. Знак
«плюс—минус» перед значением ТКС означает, что тем-
пературный коэффициент может быть и положительным,
когда с увеличением температуры сопротивление увели-
чивается, и отрицательным, когда с ростом температуры
оно уменьшается. Таким образом, резистор МЛТ сопро-
тивлением 100 кОм при изменении его температуры на
10 °C может изменить свое сопротивление не более чем
на 700 Ом, то есть менее чем на 1 %. Еще меньшим
ТКС обладают высокостабильные постоянные проволоч-
ные резисторы разных типов. Иногда по замыслу разра-
ботчика какого-либо аппарата требуется, чтобы резистор
резко изменял свое сопротивление при изменениях тем-
пературы. Это может понадобиться, например, для ис-
пользования резистора в качестве температурного дат-
чика в электротермометрах или в термостатах. Для этих
целей промышленностью выпускаются терморезисторы,
34
которые обладают значительно большим ТКС, чем обыч-
ные резисторы. Так, ТКС терморезисторов типа КМТ-4Е
не менее минус 0,042 1/°С. Сопротивление терморезисто-
ра КМТ-4Е при номинальном его сопротивлении 100 кОм
и изменении температуры на 10°С изменяется на 4,2 кОм,
причем при увеличении температуры уменьшается. Ус-
ловное обозначение терморезисторов на схемах показа-
но на рис. 4.1, в. Иногда терморезисторы называют тер-
мисторами.
Вольтамперная характеристика (зависимость тока от
приложенного напряжения) резисторов представляет со-
бой прямую линию — линия а на рис. 4.2 Поэтому гово-
рят, что резисторы обладают линейным сопротивлением.
Существуют элементы и с нелинейным сопротивлением,
вольтамперная характеристика которых показана кривой
б на рис. 4.2. Такие элементы называются варисторами.
При малых напряжениях сопротивление варистора вели-
ко, а по мере возрастания напряжения — падает. Вари-
сторы используют для стабилизации напряжения благо-
даря тому, что на крутом участке характеристики боль-
шим изменениям тока соответствуют значительно мень-
шие изменения напряжения на варисторе. Условное обоз-
начение варистора показано на рис. 4.1,г.
Наконец, среди элементов с нелинейным сопротивле-
нием существуют и такие, у которых в противополож-
ность варисторам с увеличением приложенного напря-
жения сопротивление растет. Им соответствует кривая в
на рис. 4.2, и называются такие элементы бареттерами.
Бареттеры используют для стабилизации тока, так как
на пологом участке харак icpiiciики большим изменени-
ям па пряжения соответствуют значительно меньшие из-
менения тока. В качестве бареттера можно также ис-
пользовать обычные лампы накаливания, сопротивление
которых при напряжениях, близких к нулю, примерно в
10 раз меньше, чем при номинальных напряжениях. Ус-
ловное обозначение бареттера на схемах показано на
рис. 4.1, д.
На рис. 4.3 показаны параллельное (а), последова-
тельное (б) и смешанное (в) соединения резисторов.
При параллельном соединении общее сопротивление на-
ходится путем сложения проводимостей:
14.5)
2*
35
Рис. 4.3. Соединения ре-
зисторов:
а — параллельное; б — после-
довательное; в — смешанное
При последовательном соединении общее сопротивление
находится путем сложения сопротивлений резисторов:
(4.6)
Результирующее сопротивление смешанного соединения
резисторов находится поочередно: сначала сопротивле-
ние последовательных резисторов, а затем складывают-
ся проводимости параллельных цепей, или наоборот —
в зависимости от схемы.
В заключение этого раздела остановимся на очень
интересном явлении, которое называется сверхпроводи-
мостью. При понижении температуры проводника его
сопротивление уменьшается и при достижении темпера-
туры абсолютного нуля — 273,15 °C (0 кельвинов) оно
должно было бы стать минимальным. Однако уже дав-
но ученые обнаружили, что при охлаждении некоторых
проводников до температур, близких к абсолютному ну-
лю, происходит скачок их сопротивления, которое обра-
щается в нуль. При этом ток совершенно не встречает
никакого сопротивления и не нагревает сверхпроводник.
Ток в замкнутой катушке из сверхпроводника, охлажден-
ного до определенной температуры, которая называется
критической, может циркулировать в ней бесконечно дол-
го при отсутствии в цепи источника тока. Были исследо-
ваны разные металлы и сплавы и определены их кри-
тические температуры. Из чистых металлов наивысшей
критической температурой обладает свинец (7,19 К). В
1973 году по специальной технологии было создано сое-
динение ниобия и германия, обладающее критической
температурой 23,2 К.
Сверхпроводимость имеет большие перспективы ис-
пользования в технике: возможность передачи больших
токов по тонким проводам на большие расстояния без
потерь, создание исключительно сильных электромагни-
36 *
тов и даже применение явления левитации — парения в
воздухе без видимой поддержки и затрат энергии.
Однако практическое использование сверхпроводимо-
сти до последнего времени ограничивалось трудностями
получения низких температур. Для охлаждения сверх-
проводников до критической температуры приходилось
брать жидкий гелий или жидкий водород с температурой
кипения 20,4 К, который чрезвычайно дорог, технология
его получения трудоемка, а применение в больших коли-
чествах затруднено и опасно.
В конце 1986 года произошел глубокий научный про-
рыв, когда были найдены новые материалы, обладающие
более высокими критическими температурами порядка
40 К, а в феврале 1987 года группе исследователей
Хьюстонского университета США удалось создать мате-
риалы с критической температурой около 100 К
(—173 °C). Эти открытия привели к научной сенсации.
Ведь охлаждение до таких температур может осущест-
вляться жидким воздухом (температура кипения 80 К)
или жидким азотом (температура кипения 77,4 К), кото-
рые очень дешевы и их широкое применение не связано
с большими трудностями. Высокотемпературная сверх-
проводимость способна уже в обозримом будущем ради-
кально изменить энергетику, электротехнику и транспорт,
внести революционные преобразования в области вычи-
слительной, измерительной и медицинской техники, даже
использоваться в быту.
В Японии создается экспериментальный поезд, ис-
пользующий явление левитации, который будет разви-
ва । к скорое и. около 520 км/ч. Аналогичные поезда раз-
раба । ываю!ся в СИЛА, Франции, Канаде. Обсуждаются
проект ы шоссейных дорог для использования левитации
автомобилей. Наконец, в установках управляемого тер-
моядерного синтеза системы «Токамак» используются
магнитные ловушки, удерживающие термоядерную плаз-
му, в которых применяются сверхпроводящие электро-
магниты. Использование высокотемпературных сверх-
проводников имеет огромное практическое значение.
Помимо экономического выигрыша (промышленная
стоимость литра жидкого гелия составляет примерно
10 рублей, а литра жидкого азота — около 5 ко-
пеек) следует иметь в виду простоту обращения с жид-
ким азотом. Теперь научные работы ведутся в направ-
лении поиска высокотемпературных сверхпроводников
37
пилон» до проявления свехпроводимости при комнатных
температурах, что позволило бы вовсе отказаться от ох-
лаждения. Тогда возможен подлинный переворот во мно-
гих отраслях техники и ее применения в быту.
4.3. ЦВПИ ПОСТОЯННОГО ТОКА
Для создания разности потенциалов на концах про-
водника или выводах резистора необходимо наличие ис-
точника электрического тока подобно тому, как для соз-
дания постоянного потока жидкости в трубе нужен на-
сос. Если просто зарядить концы проводника разноимен-
ными электрическими зарядами, по проводнику пойдет
ток, но заряды будут рекомбинировать и ток прекратит-
ся. Источник тока должен поддерживать разность потен-
циалов в заданных точках цепи, обеспечивая протекание
в ней тока длительное время. Таким образом, для нали-
чия тока необходима замкнутая цепь, состоящая из ис-
точника тока и нагрузки, на концах которой источник
тока поддерживает разность потенциалов, непрерывно
перекачивая электроны с одного конца нагрузки на дру-
гой.
Любой источник тока характеризуется двумя главны-
ми параметрами — электродвижущей силой (ЭДС) и
внутренним сопротивлением. ЭДС — это напряжение на
выводах источника тока в режиме холостого хода, когда
цепь нагрузки разомкнута и ток отсутствует. Ее практи-
чески можно измерить прибором, предназначенным для
измерения напряжения (вольтметром), но только таким,
у которого входное сопротивление во много раз больше
внутреннего сопротивления источника тока. В противном
случае ток, потребляемый вольтметром, создаст на внут-
реннем сопротивлении источника тока падение напря-
жения, и напряжение, измеренное вольтметром, окажет-
ся меньше ЭДС на величину этого падения напряжения.
Измерить внутреннее сопротивление источника тока мож-
но только косвенно, измеряя ЭДС и напряжение на вы-
водах источника тока под нагрузкой.
Для замкнутой электрической цепи, показанной на
рис. 4.4, закон Ома можно сформулировать следующим
образом:
38
где I — сила тока, А;
Е — ЭДС источника тока, В;
Rt — внутреннее сопротивление источника тока, Ом;
R— сопротивление нагрузки, Ом.
Рис. 4.4. Неразвет-
вленная цепь постоян-
ного тока
Рис. 4.5. Разветвлен-
ная цепь постоянного
тока
Для такой неразветвленной цепи с одним источником
тока силу тока и напряжения на всех резисторах всегда
можно найти, пользуясь законом Ома, как будет пока-
зано в одной из контрольных задач, помещенных в кон-
це этой главы. Расчет более сложных цепей, содержа-
щих два или несколько источников тока, как правило, с
помощью одного лишь закона Ома оказывается невоз-
можным. Для такого расчета служат два закона Кирхго-
фа. Первый закон гласит: сумма всех токов, притекаю-
щих к узловой точке схемы, равна сумме токов, выте-
кающих из нее. Второй же закон выражается так: при
обходе любого замкнутого контура схемы алгебраиче-
ская сумма ЭДС равна алi ебраической сумме падений
напряжения па сопротивлениях этого контура. С помо-
щью законов Кирхгофа, дополняя их законом Ома, мож-
но найти все токи и напряжения на резисторах любой
схемы. Указание на то, что суммы должны быть алгеб-
раическими, связано с тем, что при обходе контура не-
обходимо знак ЭДС брать положительным, если она
действует в том же направлении, в котором обходится
контур, а знак падения напряжения брать положитель-
ным, если направление выбранного тока совпадает с на-
правлением обхода контура. Так для схемы рис. 4.5,
если обходить контур Е i—R i—R 3 по часовой стрелке,
знак ЭДС Е 1 нужно брать положительным, а падение
напряжения на /?3 — отрицательным, поскольку направ-
ление обхода контура противоположно принятому на-
39
Рис. 4.6. Цепь, преобра- -
зованная по теореме Те-
венена
правлению тока / 3. Если контур R з—R 2~Е 2 также об-
ходить по часовой стрелке, падение напряжения на /?2
и ЭДС Е2 нужно брать с отрицательными знаками.
Как будет видно при решении контрольной задачи
по определению токов в схеме рис. 4.5 с помощью зако-
нов Кирхгофа, такое решение получается довольно гро-
моздким и сводится к нахождению корней системы из
трех уравнений с тремя неизвестными. Существует, од-
нако, способ значительного упрощения разветвленных
цепей, что позволяет после упрощения решать их с по-
мощью закона Ома. Для этого используют теорему Те-
венена, которую формально здесь излагать не будем, так
как она основана на теории четырехполюсников, но по-
кажем ее применение на примере упрощения схемы
рис. 4.5. Если рассечь схему вертикальной линией правее
резистора /?3, то согласно теореме Тсвснена источник то-
ка Е\ и резисторы и /?3 можно заменить другим ис-
точником тока Еэ и одним резистором /?э, как показано
левее точек А и Б на рис. 4.6. При этом ЭДС источника
тока Еэ находится, как напряжение на резисторе /?3 пос-
ле отсечения правой части схемы, а сопротивление экви-
валентного резистора R3 находится как сопротивление
между точками А и Б левой части схемы при условии
замкнутого накоротко источника тока Ех. И ЭДС экви-
валентного источника тока, и эквивалентное сопротивле-
ние находятся легко, а после упрощения схема оказыва-
ется неразветвленной и также легко решается. Решение
с помощью теоремы Тевенена приводится в конце гла-
вы.
4.4. РАБОТА И МОЩНОСТЬ ТОКА
Согласно определению потенциала напряжение — это
работа, которую совершает единичный электрический за-
ряд при перемещении от точки с большим потенциалом
40
в точку с меньшим потенциалом. Если же при этом пе-
ремещается не единичный заряд, а какое-то количество
электричества, для вычисления работы необходимо ум-
ножить напряжение на это количество электричества:
A=>UQ.
Если теперь согласно формуле (4.1) заменить количест-
во электричества произведением силы тока на время, по-
лучим практически приемлемую формулу работы, кото-
рую совершает электрический ток, проходя по проводни-
ку:
A = lUt, (4.8)
где А — работа, Дж;
1 — сила тока, А;
U — напряжение, В;
t — время, с.
Физически работа, совершаемая электрическими за-
рядами при их движении по проводнику, объясняется
тем, что электроны, сталкиваясь с атомами и частично
рекомбинируя с положительными ионами, увеличивают
колебания атомов в узлах кристаллической решетки,
что приводит к повышению температуры проводника.
При увеличении напряжения увеличивается средняя ско-
рость электронов, при увеличении тока увеличивается их
количество за единицу времени. Наконец, чем дольше
выполняется работа, тем больше ее будет.
Известно, что работа, совершаемая за единицу вре-
мени, называется мощностью. Если исключить из форму-
лы (4.8) время, окажется, что мощность равна произ-
ведению тока на напряжение. Теперь можно на основе
закона Ома заменить напряжение произведением тока
па сопротивление или заменить ток отношением напря-
жения к сопротивлению. В результате получим три рав-
ноценные формулы мощности:
(4.9)
где Р — мощность, Вт;
1 — сила тока, А;
U — напряжение, В;
/? — сопротивление, Ом.
Основной единицей мощности является ватт (Вт), а
производными — милливатт (мВт) — 1/1000 Вт, кило-
41
ватт (кВт) — 1000 Вт и мегаватт (мВт) — миллион ватт.
Используемая иногда в механике единица мощности —
лошадиная сила соответствует 736 Вт. Часто работа
электрического тока выражается не в джоулях, а в ки-
ловатт-часах. В связи с тем, что джоуль представляет
собой ватт-секунду, один киловатт-час (кВт-ч) равен
3,6-106 джоулей.
При прохождении тока по проводнику вся работа то-
ка уходит на нагрев сопротивления этого проводника и
окружающего его воздуха или другой среды. Количест-
во тепла, вырабатываемого при этом, определяется тем
количеством джоулей работы, которую произвел ток. Ча-
сто еще количество тепла измеряется в калориях (кал).
Калорией называется также количество тепла, которое
требуется для нагрева одного миллилитра воды на 1 °C.
Такое же количество тепла содержат 4,1868 джоуля. Та-
ким образом, при работе электрического тока в 1 Дж вы-
деляется около 0,239 кал тепла.
При протекании тока по проводнику или резистору
выделяемое на них тепло приводит к повышению темпе-
ратуры, которая зависит от массы и теплоемкости наг-
реваемого тела, а также от отдачи тепла нагреваемым
телом окружающей среде. Если бы такой отдачи не су-
ществовало, температура проводника, по которому про-
текает ток, непрерывно увеличивалась. Однако по мере
нагрева отдача тепла окружающей среде увеличивается,
и при какой-то температуре наступает баланс: сколько
тепла выделяется, столько же и отдается среде. Поэтому
по мере нагрева рост температуры замедляется и при
наступлении баланса прекращается. Наступает устойчи-
вый температурный режим. Естественно, что нагревае-
мое током тело должно выдерживать установившуюся
температуру и не изменять своих характеристик. Для
этого устанавливаются определенные нормы по току или
по выделяемой мощности. Для проводов установлены
нормы плотности тока, протекающего по проводам.
Плотностью тока называется отношение силы протекаю-
щего по проводу тока к площади его поперечного сече-
ния. Плотность тока обозначается греческой буквой дель-
та (А) и выражается в А/мм 2. Для одиночных монтаж-
ных проводов диаметром до 3 мм допустимой плот-
ностью тока считается плотность до 10 А/мм2. Для обмо-
точных проводов трансформаторов и дросселей — от 2 до
3 А/мм2 в зависимости от условий охлаждения. Если
42
трансформатор включается кратковременно на несколько
минут с перерывами не менее получаса, плотность тока
в его обмотках может быть увеличена до 5 А/мм2. Чем
меньше допустимая плотность тока, тем толще должен
быть проводник при той же силе тока. При выборе диа-
метра провода можно ориентироваться на следующие
зависимости:
при Д=2 А/мм2 €/=0,8]/Д
при Д=2,5 А/мм2 d = 0,71 уц
при Д=3 А/мм2 €/ = 0,65]//^
при Д = 5 А/мм2 d = 0,5
где диаметр провода выражен в миллиметрах, а сила
тока — в амперах. Для печатного монтажа благодаря
хорошим условиям охлаждения из-за плотного сцепле-
ния печатного проводника и изоляционной подложки до-
пускается значительно более высокая плотность тока,
до 40 А/мм 2. При среднем значении толщины фольги
25 мкм ширину печатного проводника можно брать чи-
сленно равной стольким миллиметрам, сколько ампер
протекает по этому проводнику.
Если плотность тока, протекающего по проводу, чрез-
мерна и он не успевает охлаждаться, температура по-
вышается вплоть до точки плавления. На этом принципе
основана работа плавких предохранителей, которые пе-
регорают при превышении определенного значения силы
тока. Это позволяет их использовать для защиты источ-
ника питания при аварийном режиме устройства, под-
ключенною к этому источнику. После сгорания предо-
хранителя цепь питания разрывается. Промышленностью
выпускаются плавкие предохранители на различные то-
ки сгорания, которые обозначены на их корпусах. Сго-
ревший предохранитель можно отремонтировать, впаяв в
него проволочку соответствующего диаметра. В табл. 4.2
приводятся диаметры медного провода для предохрани-
телей на соответствующие токи плавления.
Таблица 4.2
/, А 1 2 3 5 10
dy мм 0,04 0,07 0,11 0,18 0,25
43
0,125 0,25 0,5 1,0 2,0 5,0 10,0
Рис. 4.7. Условные обозначения мощности резисторов
Для резисторов во избежание их перегрева устанав-
ливается норма выделяемой на них мощности. При рас-
чете той или другой схемы по одной из формул (4.9) оп-
ределяется мощность, выделяемая на каждом резисторе,
и выбирается резистор большей допустимой мощности.
Условные обозначения на схемах резисторов разной до-
пустимой мощности в ваттах показаны на рис. 4.7.
На тепловом действии электрического тока основаны
самые различные приборы, в которых в качестве нагре-
вательного элемента используются провода и спирали,
выполненные из материалов с большим удельным сопро-
тивлением и допускающие нагрев до высокой темпе-
ратуры. К таким материалам, в частности, относит-
ся нихром, рассчитанный на рабочую температуру до
1000 °C.
Непосредственно к мощности примыкает и понятие о
коэффициенте полезного действия какого-либо потреби-
теля электрической энергии (КПД). КПД обозначается
греческой буквой эта (т]) и выражается в процентах.
КПД показывает, какая часть от всей потребляемой
мощности от источника питания является полезной:
71=-£-100, (4.10)
где т] — коэффициент полезного действия, %;
Р — полезная мощность, вырабатываемая, потребите-
лем, Вт;
Рпотр— мощность, потребляемая от источника питани
Вт.
44
4.5. ХИМИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ ТОКА
И ИСТОЧНИКИ ТОКА
Если металлы относят к проводникам первого рода,
то существуют также проводники второго рода — веще-
ства, проводящие электрический ток и при этом разла-
гающиеся. Само разложение таких веществ под воздей-
ствием тока называется электролизом, а проводники вто-
рого рода—электролитами. К электролитам относятся
растворы кислот, щелочей и солей в воде или других
растворителях, а также расплавленные соли. При про-
хождении тока через электролит носителями электриче-
ства являются ионы. Расщепление молекул на ионы про-
изводится под действием растворителя. Из школьного
курса химии и физики известно, что это явление назы-
вается электролитической диссоциацией. Если в электро-
лит погрузить два электрода, то электрод, подключенный
к положительному выводу источника, называют анодом,
а к отрицательному — катодом. Под действием электриче-
ского поля отрицательные ионы вещества передвигают-
ся к аноду, а положительные — к катоду. Достигнув
электрода, ионы нейтрализуются: отрицательные ионы
отдают аноду свои избыточные электроны, а положитель-
ные приобретают у катода недостающие. Во внешней це-
пи электроны через источник тока перетекают от анода
к катоду. Вследствие электролиза у электродов выделя-
ются и накапливаются продукты разложения вещества
из электролита. Эти продукты могут накапливаться у
электродов, либо отлагаясь па них, либо выделяясь в
виде га юн.
Электролиз широко применяется в промышленности.
С его помощью из расплавленных солей алюминия по-
лучают чистый алюминий. При электролизе раствора
глауберовой соли, запасы которой в природе неисчерпае-
мы, получают едкий натр и серную кислоту. Большое
значение имеет электролитическое осаждение металлов
при гальванических антикоррозийных и декоративных
покрытиях. Никелирование, хромирование, оцинкование,
серебрение металлических изделий обеспечивают им за-
щиту от окисления и хороший внешний вид.
При погружении металла в электролит часть атомов
металла распадается на электроны, остающиеся в ме-
талле, и положительные ионы, переходящие в электро-
лит. Сам металл заряжается отрицательно, а электро-
45
лит — положительно. Между металлическим электродом
и раствором электролита образуется ЭДС. Чтобы под-
ключиться к электролиту, в него необходимо погрузить
второй электрод. Однако если второй электрод изгото-
вить из того же металла, что и первый, образуется
встречная ЭДС и разности потенциалов между электро-
дами не будет. Если же для электродов использовать
разные металлы, то за счет разной способности раство-
рения ионов металла в электролите будет получена ре-
зультирующая ЭДС. Таков упрощенный принцип дейст-
вия химических источников тока. Подобные источники
получили название сухих элементов или батарей. Для
увеличения ЭДС несколько элементов соединяют пос-
ледовательно.
В качестве электролита в них используется густая
масса, содержащая различные соли с растворителем. Од-
ним из электродов обычно является цинк (отрицатель-
ный вывод), другим — угольный стержень (положитель-
ный вывод). Промышленность выпускает разные элемен-
ты — 332, 343, 373, 316 и др., а также батареи — КБС-Л-
0,5, 3336Л, «Планета» и др.
При сравнении химического элемента с ванной для
электролиза видно, что они примерно одинаковы по кон-
струкции, но процессы в них происходят в обратном по-
рядке. При электролизе к ванне нужно подводить элект-
рическую энергию, а химический элемент сам является
источником энергии. Поэтому, если через химический эле-
мент пропустить ток от другого источника в обратном
направлении тому, который вырабатывает элемент, мож-
но его зарядить, то есть частично восстановить запас
тех химических веществ, которые были израсходованы
при разряде. Так и поступают в тех случаях, когда хи-
мический элемент разряжен еще не полностью и в нем
не произошли необратимые изменения. Однако химиче-
ские элементы тока все же не рассчитаны на такое мно-
гократное восстановление. Для этих целей созданы спе-
циальные источники тока, называемые аккумуляторами.
Материал электродов и состав электролита в них подоб-
раны так, чтобы до минимума уменьшить необратимые
процессы, препятствующие дальнейшему использованию.
В настоящее время известны четыре основные группы
аккумуляторов: свинцовые (кислотные), кадмиево-нике-
левые или железо-никелевые (щелочные), серебряно-
цинковые, серебряно-кадмиевые. В свинцовых аккумуля-
46
торах электролитом является раствор серной кислоты, в
остальных — раствор едкого кали. Материал электро-
дов соответствует их названиям. Свинцовые аккумуля-.
торы в основном используются на автомобилях в каче-
стве стартерных. В радиотехнике основное применение
получили кадмиево-никелевые дисковые аккумуляторы
Д-0,1 и батареи из семи таких аккумуляторов 7Д-0,1.
Наименьшими габаритами и массой обладают серебря-
но-цинковые и серебряно-кадмиевые аккумуляторы, но
из-за дороговизны серебра они находят ограниченное
применение в авиации и ракетной технике. Основными
характеристиками аккумулятора являются напряжение
во время разряда, емкость и срок службы. Напряжение
свинцового аккумулятора в зависимости от степени раз-
ряда составляет 1,8...2,2 В. Аккумуляторы, рассчитанные
на 12 В, содержат 6 последовательно соединенных в ба-
тарею банок, а аккумуляторы, рассчитанные на 24 В,—
12 банок. Напряжение остальных групп аккумуляторов
составляет примерно 1,2 В. Емкостью аккумулятора на-
зывается количество электричества, которое он способен
отдать при разряде; выражается емкость в ампер-часах
(А-ч). Емкость аккумулятора зависит от размеров его
электродов и определяет габариты аккумулятора. Ем-
кость наиболее распространенного автомобильного акку-
мулятора 6-СТ-54 составляет 54 А-ч (цифра 6 показы-
вает количество банок батареи, а буквы СТ — назначе-
ние аккумулятора — стартерный). Емкости дискового ак-
кумулятора Д-0,1 равна 0,1 А-ч. Срок службы
аккумулятора измеряется средним количеством циклов
заряд — разряд при нормальной эксплуатации. Свинцо-
вые аккумуляторы способны выдержать от 200 до 500
циклов, а кадмиево-никелевые — от 1000 до 3000 цик-
лов. Для заряда аккумулятор подключают к источнику
тока (плюс к плюсу, минус к минусу) и каким-либо спо-
собом устанавливают ток заряда, который обычно дол-
жен быть равен 1/10 емкости аккумулятора. Заряд длит-
ся 10 ч. Существуют специальные зарядные устройства,
питаемые от электроосветительной сети. В последние го-
ды нашел применение способ заряда аккумуляторов че-
редующимися короткими периодами большого зарядно-
го тока и более длительными периодами малого разряд-
ного тока. Такой способ, называемый импульсным, поз-
воляет зарядить аккумулятор быстрее и, кроме того,
частично восстанавливает утерянную при эксплуатации
47
емкость. Схемы различных зарядных устройств много-
кратно публиковались в радилюбительской литературе.
К особому классу источников тока относятся солнеч-
ные элементы, полупроводники которых непосредствен-
но преобразуют энергию солнечной радиации в электри-
ческую. Отдельные солнечные элементы для увеличения
напряжения соединяются в батареи последовательно, а
для увеличения отдаваемого тока—параллельно. Такие
батареи широко используются в космических летатель-
ных аппаратах, где количество элементов доходит до со-
тен тысяч. Они обеспечивают получение ЭДС порядка
десятков вольт и способны отдавать мощность до десят-
ков киловатт. В последние годы солнечные батареи наш-
ли применение и в бытовой технике в качестве источни-
ков питания малогабаритных радиоприемников, микро-
калькуляторов и устройств электронной автоматики фо-
тоаппаратов.
Необходимо остановиться и на тепловых источниках
электрической энергии. Если два провода или пластин-
ки из разных металлов приварить друг к другу, то при
нагреве места соединения возникает разность потенциа-
лов, если выводы проводов остаются холодными. Возни-
кающая ЭДС называется термбЭДС и зависит только
от разности температур между горячим и холодными
концами, а также от использованных металлов. Такой
термоэлемент, собранный из железа и никеля, обеспечи-
вает при разности температур в 1 °C ЭДС около 36 мкВ.
Подобраны специальные сплавы, дающие значительно
большие ЭДС, например, хромель с копелем — 62 мкВ.
Термоэлементы (иначе их называют термопарами) можно
соединять последовательно, при этом результирующая
ЭДС увеличивается пропорционально количеству эле-
ментов. Около 30 лет назад, когда многие села еще не
были электрифицированы, промышленность выпускала
термоэлектрогенераторы типа ТГК-3 для питания лампо-
вых батарейных радиоприемников. Нагрев осуществлял-
ся переоборудованной керосиновой осветительной лам-
пой. Генератор содержал две батареи термоэлементов,
одна из которых давала напряжение 2 В при токе 2 А,
вторая — такое же напряжение при токе 0,5 А. Значи-
тельно большей термоЭДС обладают термоэлементы,
собранные из полупроводников с электронной и дыроч-
ной проводимостью, КПД которых в настоящее время
доходит до 15 %. Дальнейшие разработки в этой области
48
могут привести к созданию мощных прямых преобразо-
вателей тепловой энергии в электрическую без промежу-
точных преобразований тепловой энергии в механиче-
скую и механической в электрическую. В настоящее
время термоэлементы широко используются для измере-
ния температур путем замера термоЭДС на холодных
концах.
Теория объясняет появление термоЭДС тем, что
средняя энергия свободных электронов в разных провод-
никах и полупроводниках различна и по-разному растет
с температурой. Если вдоль проводника существует пе-
репад температур, то электроны на горячем конце при-
обретают более высокие энергии и скорости, чем на хо-
лодном. В результате возникает поток электронов от го-
рячего конца к холодному и на холодном конце накап-
ливается отрицательный заряд, а на горячем — неком-
пенсированный положительный заряд. В связи с тем,
что у разных проводников эти заряды получаются так-
же разными, возникает ЭДС. В полупроводниках в до-
полнение к этому с ростом температуры увеличивается
концентрация основных носителей, которая на горячем
конце будет больше, чем на холодном. Этим объясняется
повышенная эффективность полупроводниковых термо-
элементов.
Рассмотренные выше источники тока используются
лишь в качестве автономных (самостоятельных) источ-
ников. Основная же электроэнергия вырабатывается ге-
нераторами, преобразующими механическую энергию в
электрическую, но для их рассмотрения предварительно
необходимо изучить другую главу книги — о магне-
тизме.
4.6. РЕШЕНИЕ КОНТРОЛЬНЫХ ЗАДАЧ
Задача 4.1. В цепи, показанной на рис. 4.4, измерен-
ное напряжение между точками А и Б при отключенном
резисторе нагрузки /?=1000 Ом оказалось равным
4,2 В, а при подключенном резисторе — 4,0 В. Требует-
ся определить силу тока, потребляемую нагрузкой, и
внутреннее сопротивление источника тока.
Решение. Находим силу тока по закону Ома (фор-
мула (4.2), зная напряжение на нагрузке U и сопротив-
ление резистора R:
г U 4,0
“ TSF -0.004A-4 мА.
49
Напряжение между точками А и Б, измеренное при
отключенной нагрузке, считаем равным ЭДС источника
тока: £=4,2 В.
При подключенной нагрузке разница между ЭДС и
напряжением на нагрузке является падением напряже-
ния на внутреннем сопротивлении источника; разделив
его на силу тока в цепи, находим по закону Ома внут-
реннее сопротивление источника тока:
п E—U 4,2-4,0 ~
Ri=------=-------=50 Ом.
/ 0,004
Задача 4.2. В цепи, показанной на рис. 4.5,
£1=6 В, £2 = 10 В, 7?1 =200 Ом, /?2=50 Ом, /?3= 1800 Ом.
Требуется с использованием законов Кирхгофа опреде-
лить токи и падения напряжения на резисторах.
Решение. Принимаем направления токов совершен-
но произвольно так, как показано стрелками на схеме.
Схема имеет два узла: в точках А и Б. Поэтому состав-
ляем одно уравнение (на единицу меньше количества
узлов) по первому закону Кирхгофа:
Л+/2’+^з = 0/ (а)
Цепь содержит три неизвестных тока. Поэтому для ре-
шения необходимо иметь три уравнения. Одно уравнение,
составленное по первому закону Кирхгофа, уже имеется.
Два остальных уравнения нужно составить но второму
закону Кирхгофа. Для составления одного из этих урав-
нений обойдем контур, состоящий из источника тока
и резисторов /?1 и £3, по часовой стрелке. Тогда:
Л/?1-Ш = £ь (б)
Здесь знак минус перед произведением /3/?3 объясняется
тем, что направление обхода контура противоположно
принятому направлению тока /3. Для составления тре-
тьего уравнения обойдем контур, состоящий из источни-
ка тока £2 и резисторов £3 и /?2, также по часовой стрел-
ке (можно обходить его и в противоположном направле-
нии, при этом просто поменяются все знаки у членов
уравнения):
(в)
Теперь мы имеем три уравнения с тремя неизвестными.
Будем решать систему этих уравнений. Из уравнения (а)
следует:
50
/1 ~-12--/3-
Подставим это значение тока Ц в уравнение (б):
откуда /2=х=^±^1±^).
•ч
Подставим теперь это значение тока /2 в уравнение (в):
£1 + Лз(^1+^з) П \ Г Г) ~ Г7
------------А2 I 1 ЗАЗ— ^2*
Умножим все члены уравнения на /?ь
^1^?24"1з(^?|+^?з)^24"Л^З^?1 = —^2^1»
откуда
/ — —___________________ 10» 200+6 >50________
• 3-~ ~ 200-50+1800 50+ 200-1800
=—5 мА.
- Найденное значение тока /3 подставляем в формулу,
найденную выше, выражающую значение тока /2:
/ = _ -6+0,005(200+1800) _2Q
2 К, " 200
Значения /2 и /3 подставим в выражение для тока /1*.
/1 = _/2__/3 = _20+5=—15 мА.
Полученные отрицательные значения токов /1 и /3 пока-
зывают, что в действительности направление этих токов
противоположно направлениям, показанным стрелками
на схеме. Определяем падения напряжений на резисто-
рах по закону Ома:
--0,015-200=3 В; £/2 =/2»/?2 = 0,02 50= 1 В;
IJ^=I3R3 = о,005-1800=9 В.
Задача 4.3. Определить значения токов в цепи, пока-
занной на рис. 4.5, с помощью теоремы Тевенена.
Решение. Рассечем мысленно схему на. рис. 4.5 пра-
вее точек А и Б. Найдем ЭДС эквивалентного источни-
ка Еэ как падение напряжения на резисторе /?3. Так как
ток, получившийся после рассечения неразветвленной це-
пи, по закону Ома равен отношению ЭДС к сумме соп-
ротивлений цепи, ЭДС эквивалентного источника тока
равна:
51
^э=
_____6-1800 _____5 4В
Т^+Яз 200+1800 ~~ ’
Находим сопротивление эквивалентного резистора по
преобразованной формуле (4.5), которая более удобна
при двух резисторах:
200^=180 Ом.
э Т^+Яз 200+1800.
Определяем ток 1 в эквивалентной схеме (рис. 4.6), ко-
торый равен току /2 в основной схеме, по закону Ома.
В связи с тем, что источники тока Е2 и Е3 действуют в
противоположных направлениях, нужно брать разность
их ЭДС. Направление тока определяется источником с
большей ЭДС:
Е%—Е3 __
^э+^2
10—5,4
180+50
=0,02 А=20 мА.
Определяем падение напряжения на резисторе /?2’
С/2=/2 -/?2=0,02- 50=1 В.
Определяем потенциал точки А относительно точки Б
как разность между ЭДС источника Е2 и падением на-
пряжения па резисторе R2:
Uhh -10 1 9 В.
Определяем силу тока /3 по закону Ома:
Л= = 2_ = 0,005 А=5 мА.
3 К3 1800
Находим падение напряжения на резисторе как раз-
ность между напряжением между точками А, Б и ЭДС
источника Ex’.
(Л=С/аб-£\=9-6=3 В.
Определяем силу тока Ц по закону Ома:
/.= —= —=0,015 А=15 мА.
1 Л 200
Задача 4.4. Определить по трем модификациям фор-
мулы (4.9) значения выделяемой мощности на резисто-
рах в схеме рис. 4.5.
Решение. Находим мощность, выделяемую на рези-
сторе как произведение тока на падение напряжения:
52
015-3=0,045 Вт=45 мВт.
Находим мощность, выделяемую на резисторе /?2, как
произведение квадрата тока на сопротивление:
Р2=/2./?2_оо22.50=0,02 Вт=20 мВт.
Находим мощность, выделяемую на резисторе /?3, как
отношение квадрата падения напряжения к сопротивле-
нию:
//2 92
Рч=±± =-------=0,045 Вт=45 мВт.
3 /?з 1800
5. МАГНЕТИЗМ
5.1. МАГНИТНОЕ ПОЛЕ
Природа магнитного поля значительно сложнее при-
роды электрического поля, но магнитные силы были за-
мечены людьми и стали ими использоваться намного
раньше электрических благодаря наличию на Земле при-
родных естественных магнитов. К ним, в частности, от-
носится магнетит, или магнитный железняк — железная
руда, залежи которой огромны. Еще в глубокой древно-
сти люди заметили, что куски магнетита притягиваются
один к другому, притягивают к себе железо и железосо-
держащие сплавы. Свойство намагниченного подвешен-
ного стерженька занимать определенное положение в
пространстве привело к открытию магнитного поля Зем-
ли и изобретению компаса, который был известен в Ки-
тае 3000 лет назад. Научные исследования и открытие
основных законов магнетизма относятся к XIX веку, но
только в XX веке удалось создать строгую теорию маг-
нитных явлений.
Читатель с детства знаком с постоянными магнита-
ми— намагниченными плоскими или согнутыми в виде
подковы стержнями стали. Основная сила магнита сос-
редоточена на его концах — полюсах. Один полюс назы-
вается северным, так как аналогичный полюс магнитной
стрелки компаса показывает на Север, другой полюс —
южным. Отделить полюса магнита один от другого не-
возможно: распиливая магнит сколько угодно раз, мы
снова получим магниты с теми же двумя полюсами. В
53
этом их коренное отличие от положительного и отрица-
тельного электрических зарядов, которые всегда можно
отделить один от другого.
В связи с тем, что сила магнитного притяжения дей-
ствует на расстоянии, магнит следует считать источни-
ком магнитного поля. Если конфигурацию электрическо-
го поля визуально наблюдать трудно, конфигурация до-
статочно сильного магнитного поля легко воспроизводит-
ся с помощью железных опилок, которые располагаются
вдоль силовых линий. Более полная картина распределе-
ния силовых линий магнитного поля может быть получе-
на с помощью компаса, поочередно устанавливаемого в
разные точки пространства. При этом обращает на себя
внимание то, что стрелка компаса не только ориентиру-
ется вдоль силовых линий, а занимает в магнитном поле
вполне определенное направление благодаря тому, что
разноименные магнитные полюса притягиваются, а од-
ноименные отталкиваются. Поэтому в пространстве, ок-
ружающем магнит, северный конец магнитной стрелки
всегда обращен к южному полюсу магнита. За направ-
ление силовых линий магнитного поля принимается на-
правление северного конца магнитной стрелки компаса,
помещенного в данную точку поля. Таким образом, за
положительное направление силовых линий магнитного
поля вне магнита принимается направление от его се-
верного полюса к южному.
Если обратиться к магнитному полю Земли, то следу-
ет сделать вывод о том, что вблизи географического се-
верного полюса Земли расположен южный ее магнитный
полюс, так как именно к нему обращен северный конец
стрелки компаса.
Подобно электрическому полю интенсивность магнит-
ного поля в пространстве характеризуется напряжен-
ностью, которая обозначается буквой И. Напряженность
магнитного поля не зависит от магнитных свойств сре-
ды. За единицу напряженности принят 1 А/м (ампер, де-
ленный на метр). Другой характеристикой магнитного
поля, которая зависит от магнитных свойств среды,
является магнитная индукция В. Там, где магнитные си-
ловые линии расположены гуще, магнитная индукция
больше. За единицу магнитной индукции принят 1 тесла
(Тл) — по имени сербского ученого Николы Тесла. Соот-
ношение между магнитной индукцией и напряженностью
магнитного поля выражается формулой
54
В-1,26 10-6рЛ, (5 1)
где В — магнитная индукция, Тл;
ц— безразмерная величина, характеризующая маг-
нитные свойства среды и называемая магнитной
проницаемостью;
Н — напряженность магнитного поля, А/м.
Число 1,26-10~6 представляет собой коэффициент пропор-
циональности между остальными единицами измерения.
В разделе 4.4 мы встречались с понятием плотности
электрического тока, которая определялась силой тока,
проходящего через поперечное сечение проводника, рав-
ное 1 мм2. Магнитные силовые линии, проходящие через
плоскость, перпендикулярную их направлению, пред-
ставляют собой магнитный поток Ф, который измеряет-
ся в веберах (Вб) — по имени немецкого ученого Виль-
гельма Вебера. Магнитная индукция характеризует плот-
ность магнитного потока, и 1 Тл — это такая магнитная
индукция, при которой магнитный поток, проходящий
сквозь поперечное сечение площадью 1 м2, составляет
1 Вб.
5.2. МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ
Все существующие в природе вещества по их магнит-
ным свойствам подразделяются на три группы: диамаг-
нетики, парамагнетики и ферромагнетики. Разграниче-
ние по этим группам производится в зависимости от зна-
чения магнитной проницаемости вещества. Магнитная
проницаемое! ь диамагие'1 иков и парамагнетиков близка
к единице, однако у диамагнетиков она меньше единицы,
а у парамагнетиков — больше. Магнитная проницаемость
ферромагнетиков значительно больше единицы, дости-
гая десятков тысяч. Диамагнетик, помещенный в магнит-
ное поле, сам слегка намагничивается навстречу направ-
лению действующего па него поля. Эта встречная намаг-
ниченность приводит к уменьшению магнитной индукции
внутри диамагнетика по сравнению с индукцией, которая
была в той точке магнитного поля до помещения в нее
диамагнетика. Парамагнетики, наоборот, слегка намаг-
ничиваются по направлению действующего на них поля.
Они как бы незначительно втягивают в себя часть маг-
нитных силовых линий внешнего поля, и индукция внут-
ри парамагнетика увеличивается. Ферромагнетики бла-
55
а б e
Рис. 5.1. Металлы в магнитном поле:
а — диамагнетик; б — парамагнетик; в — ферромагнетик
годаря очень большой магнитной проницаемости сильно
намагничиваются по направлению действующего магнит-
ного поля, втягивая в себя значительную часть магнит-
ных силовых линий, благодаря чему магнитная индукция
в ферромагнетике резко возрастает. На рис. 5.1 показано
с помощью магнитных силовых линий изменение струк-
туры магнитного поля и направление намагниченности в
нем диамагнетика (а), парамагнетика (б) и ферромаг-
нетика (в).
К диамагнетикам относятся инертные газы, азот, во-
дород, кремний, фосфор, сера, многие металлы (медь,
цинк, серебро, золото и др.), многие органические и не-
органические соединения. К парамагнетикам относятся
кислород, щелочные и щелочно-земельные металлы (ка-
лий, натрий, кальций), алюминий, многие соли. К фер-
ромагнетикам относятся железо, никель, кобальт, а так-
же специальные сплавы из различных металлов. Харак-
терной особенностью ферромагнетиков является то, что
их магнитная проницаемость не постоянна, как у диа-
магнетиков и парамагнетиков, а изменяется в больших
пределах в зависимости от напряженности намагничи-
вающего магнитного поля. Поэтому для них вводят два
значения магнитной проницаемости: начальную—при
отсутствии внешнего магнитного поля и максимальную—
до которой увеличивается магнитная проницаемость при
увеличении напряженности магнитного поля. Весьма ха-
рактерно для ферромагнетиков, что при малых напря-
женностях магнитного поля с ростом напряженности
магнитная проницаемость увеличивается до максимума,
а затем начинает уменьшаться. В области очень боль-
ших напряженностей магнитная проницаемость ферро-
56
магнетиков падает до таких значений, которые характер-
ны для парамагнетиков.
Можно привести следующие типичные значения маг-
нитной проницаемости ферромагнетиков. Для железа на-
чальная магнитная проницаемость примерно равна 1100,
а максимальная — 22 000, для никеля соответственно 12
и 80, для специального сплава пермаллоя — 800 и 8000.
Магнитные свойства ферромагнетиков зависят от тем-
пературы: с увеличением температуры магнитная про-
ницаемость этих веществ увеличивается, но только до
определенной температуры, которая называется точкой
Кюри. Выше точки Кюри магнитная проницаемость фер-
ромагнетиков резко падает. Точка Кюри для некоторых
металлов соответствует следующим температурам: для
железа 1043 К, для кобальта 1403 К, для никеля 631 К.
Здесь приведены абсолютные температуры по шкале
Кельвина, для которой абсолютный нуль соответствует
—273,15 °C.
5.3. МАГНИТНОЕ ПОЛЕ ПОСТОЯННОГО ТОКА
Электрические и магнитные явления тесно связаны
между собой, что объясняется их единой природой. Как
будет показано в дальнейшем, электрические явления
могут приводить к появлению магнитных явлений, и нао-
борот. Постоянный и неподвижный электрический заряд
не приводит к появлению каких-либо магнитных явле-
ний, и если такой заряд находится в постоянном маг-
нитном поле, никакого взаимодействия между ними не
возникает. Однако при движении электрических зарядов
немедленно появляется магнитное поле в виде концен-
трических круговых замкнутых магнитных силовых ли-
ний, лежащих в плоскости, перпендикулярной направле-
нию движения зарядов. Если по прямолинейному про-
воднику течет постоянный ток, вокруг этого проводника
возникает магнитное поле в виде концентрических ци-
линдров, ось которых совпадает с проводником. На
рис. 5.2 показаны магнитные силовые линии в плоскости,
перпендикулярной проводнику, по которому течет ток.
В связи с тем, что можно представить себе множество
таких параллельных плоскостей, в каждой из которых
магнитные силовые линии расположены одинаково, и
возникает представление о структуре магнитного поля в
виде концентрических цилиндрических поверхностей.
57
Рис. 5.3. Магнитное поле
кругового тока
Направление магнитной силы такого поля в любой точке
пространства совпадает с направлением касательной к
окружности, проведенной из точки пересечения провода
с током с плоскостью, перпендикулярной этому проводу
и проходящей через данную точку поля.
Направление замкнутых круговых магнитных сило-
вых линий зависит от направления тока в проводнике.
При изменении направления тока изменяется на проти-
воположное и направление магнитных силовых линий.
Для определения их направления служит так называе-
мое правило буравчика. Если поступательное движение
буравчика совпадает с направлением тока в проводни-
ке, направление движения ручки буравчика совпадает с
направлением магнитных силовых линий. Можно поль-
зоваться и другим правилом: если смотреть по направ-
лению тока (для рис. 5.2 сверху), магнитные силовые
линии будут направлены в сторону движения часовой
стрелки.
Если постоянный ток протекает по криволинейному
проводнику, плоскости, перпендикулярные каждому эле-
менту этого проводника, уже не будут параллельными.
В результате изменяется конфигурация магнитного по-
ля. Предельным случаем криволинейного проводника яв-
ляется его намотка в виде катушки. Каждый виток ка-
тушки создает магнитное поле в форме тороида (бубли-
ка) — цилиндра, свернутого в кольцо. Магнитные сило-
вые линии каждого элемента витка представляют собой
окружности, лежащие в плоскостях, перпендикулярных
току, на поверхности тороида, как показано на рис. 5.3.
Видно, что магнитное поле концентрируется внутри вит-
ка: магнитные силовые линии здесь расположены гуще,
чем в пространстве вне витка. Еще более концентриро-
ванным оказывается магнитное поле внутри катушки с
58
Рис. 5.4. Магнитное поле
катушки с током
током (рис. 5.4), где магнитные поля всех витков скла-
дываются. Из одного торца катушки магнитные силовые
линии выходят, и он подобен северному полюсу постоян-
ного магнита, в другой торец катушки они входят, и он
подобен южному полюсу магнита. Таким образом ка-
тушка, через которую протекает постоянный ток, анало-
гична постоянному магниту.
Для еще большей концентрации магнитных силовых
линий в пространстве внутри катушки туда помещают
ферромагнитный сердечник. Такое устройство называ-
ется электромагнитом. Электромагниты широко исполь-
зуются в технике благодаря тому, что с их помощью
можно создавать значительно более сильные магнитные
поля, чем постоянными магнитами, и управлять этими
полями, включая или выключая ток в обмотке электро-
магнита.
Может возникнуть вопрос: почему при введении
внутрь катушки ферромагнитного сердечника образуется
более сильное внешнее магнитное иоле, чем в том случае,
когда сердечника nei? Дело в юм, чю при отсутствии
сердечника вовсе не все магнитные силовые линии вит-
ков катушки пронизывают всю катушку, часть их окру-
жает отдельные витки намотки и отдельные группы вит-
ков, образуя магнитный поток рассеяния. Ферромагне-
тик, помещенный внутрь катушки, концентрирует силовые
линии, увеличивая суммарный магнитный поток, про-
низывающий всю катушку. Магнитный поток рассеяния
при этом уменьшается. Основное же влияние ферромаг-
нитного сердечника катушки состоит в том, что согласно
формуле (5.1) за счет большой магнитной проницаемо-
сти ферромагнетика индукция в сердечнике оказывается
значительно больше магнитной индукции внутри катуш-
ки без сердечника. Под воздействием магнитного поля
катушки ферромагнитный сердечник намагничивается и
59
б
/7
Рис. 5.5. Устройство (а) и обозначение (6) электромагнитного реле
к собственному магнитному полю катушки добавляется
магнитное поле сердечника.
Напряженность магнитного поля и магнитная индук-
ция, созданные электрическим током, пропорциональны
силе тока, а энергия магнитного поля пропорциональна
квадрату силы тока. Поэтому путем изменения силы то-
ка в обмотке удается в значительных пределах изменять
магнитную индукцию и магнитный поток электромагни-
та, а следовательно, и силу его притяжения.
Мощные электромагниты широко используются для
подъема и переноса предметов из железа и его сплавов,
для отделения железосодержащих компонентов из сбор-
ного металлолома, в процессе обогащения железных руд.
Электромагниты применяются и в конструкциях различ-
ных электрических машин. На их использовании основа-
но множество различных измерительных приборов. Элект-
ромагнит— главная приводная часть электромагнитного
реле. На рис. 5.5, а показан принцип действия электро-
магнитного реле. На сердечник намотана катушка с вы-
водами а и б, через которую можно пропускать ток.
Якорь электромагнитного реле Я, выполненный из стали,
шарнирно закреплен в точке О. На другом конце якоря
установлен подвижный контакт Д. Пружина, не показан-
ная на рисунке, удерживает якорь в верхнем положении,
при котором контакт А соединен с неподвижным контак-
том Б. Если через обмотку электромагнита пропустить
ток, якорь, преодолевая сопротивление пружины, при-
тянется к сердечнику. В результате подвижный контакт
60
А отключится от контакта Б и соединится с другим не-
подвижным контактом В. При прекращении тока в об-
мотке притяжение якоря к сердечнику исчезнет, пружи-
на вернет якорь в исходное положение, и вновь замкнут-
ся контакты А и Б. На рис. 5.5, б показано условное
обозначение электромагнитного реле на схемах.
Б.4. ИНДУКТИВНОСТЬ
При изменениях силы тока в проводнике должно из-
меняться и созданное им магнитное поле. Это поле, как
и электрическое, характеризуется определенной энерги-
ей, которая не может изменяться мгновенно. Энергия
магнитного поля однозначно определяется силой тока,
проходящего по проводнику. Если к замкнутой электри-
ческой цепи подключить источник тока, сила тока в це-
пи не сразу достигнет той величины, которую она долж-
на иметь согласно закону Ома, а нарастает постепенно.
Получается, что в процессе такого нарастания не выпол-
няется закон Ома, согласно которому сила тока должна
равняться отношению напряжения источника к сопротив-
лению цепи. Остается признать, что в течение нарастания
тока в цени действует противодействующая его нара-
станию электродвижущая сила, постепенно спадающая
до пуля к тому моменту, когда сила тока станет соот-
ветствовать закону Ома. Такую противоЭДС называют
ЭДС самоиндукции, а свойство проводника препятство-
вать изменениям проходящего через него тока — индук-
тивностью. При увеличении тока ЭДС'самоиндукции на-
правлена наворочу ЭДС источника, при уменьшении то-
ка — cotласпо с ЭДС источника, стремясь поддержать
убыва loin и и ток. За единицу индуктивности принят 1 ген-
ри (1'н) но имени американского ученого Джозефа Ген-
ри, открывшею явление самоиндукции. Индуктивностью
в 1 Гн обладает электрический контур, возбуждающий
магнитный поток в 1 Вб при силе постоянного тока в
нем в 1 А. Имеется и другое определение единицы ин-
дуктивности: индуктивностью в 1 Гн обладает электри-
ческая цепь, в которой возникает ЭДС самоиндукции в
1 В при равномерном изменении тока в этой цепи, со
скоростью 1 А в секунду.
Помимо основной единицы индуктивности использу-
ются и вспомогательные: миллигенри (мГн) — 1/1000 Гн
и микрогенри (мкГн) — 1/1000000 Гн. Иногда в старых
61
8
Pug. 5.6. Однослойная
катушка индуктивно-
сти
Рис. 5.7. Многослой-
ная катушка индук-
тивности
справочниках значение индуктивности указывается в
сантиметрах. При этом следует иметь в виду, что 1 Гн
содержит 10 9 см.
В связи с тем, что при сворачивании провода в виток
или намотке катушки магнитное поле увеличивается,
должна возрастать и индуктивность. Эта индуктивность
зависит от размеров и геометрической формы катушки;
а также от количества витков. Для однослойной катуш-
ки, показанной па рис. 5.6, индуктивность может быть
найдена по формуле
где L — индуктивность катушки, мкГп;
D — диаметр намотки, см;
п— количество витков намотки;
d — диаметр провода, мм.
Формула (5.2) справедлива для катушек, у которых
длина намотки больше радиуса катушки. Для коротких
катушек, у которых длина намотки меньше радиуса, бо-
лее точные результаты дает формула
L=____—______ ' (5.3)
40Z>+ll«d ' '
Обе формулы предполагают, что намотка ведется ви-
ток к витку, когда шаг намотки равен диаметру прово-
да. Если намотка производится с принудительным шагом,
в формулы вместо диаметра провода следует под-
стаблять шаг намотки. Для многослойной катушки, по-
казанной на рис. 5.7, пригодна следующая формула:
62
L_ QS^D-YCyW
3£>+9£H-13C ’ ' ’ '
где L — индуктивность катушки, мкГн;
п — количество витков намотки;
D — диаметр каркаса, см;
В — ширина намотки, см;
С —толщина намотки, см.
По указанным формулам практически можно подсчи-
тать индуктивность любой катушки, зная ее геометриче-
ские размеры и количество витков намотки. Можно так-
же рассчитать под нужную индуктивность количество
витков, задав произвольно остальные параметры, входя-
щие в формулу. Часто катушки, используемые в различ-
ной радиоаппаратуре, снабжаются сердечниками, позво-
ляющими'производить подстройку индуктивности в про-
цессе налаживания аппарата. Наиболее часто исполь-
зуются сердечники, выполненные из ферромагнетиков:
магнетита, карбонильного железа, альсифера или фер-
рита. При введении сердечника из ферромагнетика
внутрь катушки ее индуктивность увеличивается по срав-
нению с той индуктивностью, которую катушка имела
без сердечника. Отношение индуктивности катушки с
сердечником. к индуктивности катушки без сердечника
называется эффективной магнитной проницаемостью и
обозначается цэ.
Эффективная магнитная проницаемость зависит от
взаимных размеров катушки и сердечника: ясно, что чем
больший объем пространства внутри катушки занимает
сердечник, тем больше эффективная магнитная прони-
цаемость. Кроме юн), она чакже зависит от материала
сердечника. Определигь эффективную магнитную прони-
цаемость сердечника можно только экспериментально
путем измерения индуктивности какой-либо катушки без
сердечника и с этим сердечником. Форма и размеры
пробной катушки должны быть такими же, как и у ка-
тушки, для которой предназначается данный сердечник.
Чаще всего используются сердечники цилиндрической
формы.
Сердечники, выполненные из диамагнетиков, обычно
из меди или латуни, уменьшают индуктивность катушки.
Достоинство их состоит в лучшей стабильности воздейст-
вия на индуктивность при изменениях температуры и в
отсутствии старения, характерного для ферромагнитных
сердечников, которые после многолетней эксплуатации
63
I । л I ?uc' 5'8' Условные
I J обозначения катушек
г ' | С индуктивности
могут в небольших пределах изменять свои свойства.
На рис. 5.8 приведены условные обозначения на схе-
мах катушек индуктивности без сердечника и с подстро-
ечным сердечником.
В формулы для определения индуктивности катушек
диаметр катушки всегда входит во второй степени. Это
естественно, так как площадь, ограниченная витком, за-
висит от квадрата диаметра витка. Казалось бы, что ко-
личество витков катушки должно входить в формулы в
первой степени, так как магнитные потоки витков скла-
дываются. Так и было бы, если бы витки существовали
изолированно один от другого, а магнитный поток, соз-
даваемый каждым витком, не пересекал другие витки.
В действительности же поток одного витка пересекает
другие, витки связаны между собой общими магнитны-
ми потоками. Поэтому помимо индуктивностей каждого
витка в катушке имеются еще и взаимные индуктивно-
сти между витками. Взаимной индуктивностью двух про-
водников называется свойство их общего магнитного по-
тока индуцировать ЭДС в одном проводнике, когда ток
в другом изменяется на 1 А в секунду. Если такая ЭДС
взаимной индукции равна 1 В, взаимная индуктивность
составляет 1 Гн. Из-за наличия взаимной индуктивно-
сти между витками катушки ее индуктивность и зави-
сит от второй степени количества витков.
Две раздельные катушки также обладают взаимной
индуктивностью, если они связаны между собой общим
магнитным потоком. При этом изменение тока в одной
катушке сопровождается появлением ЭДС взаимной ин-
дукции между выводами второй катушки. Взаимная ин-
дуктивность между катушками зависит от их взаимного
расположения, расстояния между ними и магнитной про-
ницаемости среды. При соединении между собой двух
катушек соединение называется согласным, если направ-
ления магнитных потоков самоиндукции и взаимной
индукции совпадают. Если же эти направления противо-
положны, такое соединение называется встречным.
64
Две катушки индуктивности могут быть соединены
последовательно или параллельно, согласно или встреч-
но. При последовательном соединении общая индуктив-
ность находится следующим образом:
Ь=Ьх+Ь2±2М, (5.5)
где L{ и L2 — индуктивности катушек, Гн;
М — взаимная индуктивность между катушками, Гн.
При согласном соединении берется знак плюс, при
встречном — минус.
При параллельном соединении двух катушек резуль-
тирующая индуктивность находится по формуле
Здесь при согласном соединении в знаменателе берется
знак минус, а при встречном — плюс. Определение вза-
имной индуктивности расчетом сложно и неточно. Поэ-
тому на практике используют соответствующие измере-
ния или подбирают индуктивность экспериментально.
В заключение приведем две формулы. Первая связы-
вает магнитный поток, магнитную индукцию, индуктив-
ность и силу тока в катушке:
ф=В8=Ы, (5.7)
где Ф — магнитный поток, Вб;
В — магнитная индукция в катушке, Тл;
S — поперечное сечение катушки, м 2;
I—сила тока в катушке, Л.
Вторая это формула индуктивности (мкГн) корот-
кого одиночного проводника длиной I (см) и диаметром
d (мм):
£=-L/jn 121 —1\ (5.8)
500\ d / V
5.5. НАМАГНИЧИВАНИЕ ФЕРРОМАГНЕТИКОВ
В разделе 5.2 отмечалось, что магнитная проницае-
мость ферромагнетиков не является постоянной, а зави-
сит от напряженности магнитного поля. Она увеличива-
ется от начальной проницаемости до максимальной, а
при дальнейшем росте напряженности уменьшается. В
связи с тем, что магнитная индукция пропорциональна
3-2085
65
кривая намагничива- зиса
ЛИЯ
и напряженности магнитного поля, и магнитной прони-
цаемости (т. е. их произведению), то в области малых
напряженностей при увеличении напряженности индук-
ция растет быстро. В области же больших напряженно-
стей, когда магнитная проницаемость уже уменьшается,
индукция растет значительно медленнее. Такая зависи-
мость показана на рис. 5.9 и называется основной кри-
вой намагничивания. Подобная кривая получается толь-
ко в том случае, если ферромагнетик ранее намагничи-
ванию не подвергался.
Рассмотрим процессы при повторных намагничива-
ниях (рис. 5.10). При первом намагничивании процесс
идет по кривой ОА, которая является основной кривой
намагничивания. Если же после увеличения напряжен-
ности магнитного поля до соответствующей точки А на-
чать уменьшать напряженность намагничивающего по-
ля, индукция, конечно, также будет уменьшаться. Одна-
ко это уменьшение происходит с отставанием от основ-
ной кривой намагничивания и процесс идет по кривой
АВГ. Такое отставание носит название гистерезиса. Гис-
терезис обусловлен тем, что ферромагнетики сохраняют
в себе остаточное намагничивание. Так, в точке Вг на-
магничивающее поле отсутствует, а ферромагнетик сох-
раняет остаточную индукцию. Если теперь к ферромаг-
нетику приложить поле обратного направления, индук-
ция будет уменьшаться и станет равной нулю лишь при
напряженности, равной — Нс , которая называется коэр-
цитивной силой. При дальнейшем увеличении обратного
66
поля процесс идет до точки С и, если теперь уменьшить
обратное поле, вновь происходит отставание, сохраняется
обратная остаточная индукция, равная —Вг при напря-
женности поля, равной нулю. Для размагничивания фер-
ромагнетика нужно приложить коэрцитивную силу пря-
мого направления Не, а при дальнейшем увеличении
напряженности поля происходит возврат в точку А. По-
лученная замкнутая кривая называется петлей гистере-
зиса. Площадь, ограниченная этой петлей, соответствует
затратам энергии на перемагничивание.
Форма петли гистерезиса, площадь, ограниченная
петлей, значения остаточной индукции и коэрцитивной
силы определяют пригодность того или иного ферромаг-
нетика для использования в различных устройствах. Так,
для изготовления постоянных, магнитов требуются мате-
риалы с большим значением коэрцитивной силы. Мате-
риалы же, предназначенные для частого перемагничива-
ния прямым и обратным полем, должны иметь малые ее
значения. Первые относятся к магнитно-твердым мате-
риалам, а вторые — к магнитно-мягким. Промышлен-
ностью выпускаются многие магнитно-твердые и магнит-
но-мягкие материалы. Из числа первых можно назвать
сплавы магнико (ЮНДК24) и платинакс (ПлК76). Маг-
нико характеризуется остаточной индукцией 1,23 Тл и
коэрцитивной силой 48 000 А/м. Платинакс соответст-
венно имеет 0,8 Тл и 96 000 А/м. В ряду магнитно-мяг-
ких материалов нужно отметить молибденовый пермал-
лой марки 79ПМ с остаточной индукцией 0,8 Тл и коэр-
цитивной силон 1,6 А/м и ('унернермаллой марки 80НМ
с оста точной индукцией 0,8 Тл и коэрцитивной силой все-
го 0,4 А/м. Для сравнения можно привести данные одной
из лучших марок электротехнической стали марки
ЭЗЗО — остаточная индукция 2 Тл, коэрцитивная сила
16 А/м.
5.6. РЕШЕНИЕ КОНТРОЛЬНЫХ ЗАДАЧ
Задача 5.1. Ток силой 3 А возбуждает в катушке с
поперечным сечением 5 см 2 магнитную индукцию 1,5 Тл.
Определить индуктивность катушки.
Решение. Находим магнитный поток в катушке:
1,5 • 5 • 10~4=7,5.10-4 Вб.
3*
67
Согласно определению индуктивности находим индук-
тивность катушки:
Z= Ф_ 7,5-10~4 =2 5. ю-4 Гн=250 мкГн.
/ 3
Задача 5.2. Определить индуктивность однослойной
катушки, намотанной проводом диаметром 1,5 мм на
каркасе диаметром 20 мм с шагом намотки 3 мм при
количестве витков, равном 12.
Решение. Определяем диаметр намотки, равный
сумме диаметра катушки и диаметра провода:
0=20+1,5=21,5 мм=2,15 см.
Находим индуктивность катушки по формуле (5.2), под-
ставляя в нее вместо диаметра провода шаг намотки:
г D2n2 2,152-122 . ла ~
£=-----------= -----*.------- =1,46 мкГн.
45Г>4-10л</ 45-2,15-4-10.12-3
Задача 5.3. Взаимная индуктивность между двумя
катушками составляет 10 мГн. Индуктивности катушек
100 мГн и 0,3 Гн. Найти индуктивность катушек, соеди-
ненных встречно, последовательно и параллельно.
Решение. 11аходим индуктивность последовательно-
го встречного соединения катушек но формуле 5.5:
£ = Л1++-2<=0,Г|-0,3 -2-0,01 0,38 Гн 380 мГн.
Находим индуктивность параллельного встречного сое-
динения катушек по формуле (5.6):
/И2
4~ L<2~\~c2M.
0,1 0,3—0,012
0,1-4-0,3-4-20,01
=0,0712 Гн=71,2мГн.
6. ПРОВОДНИКИ В МАГНИТНОМ ПОЛЕ
6.1. ПРОВОДНИК С ТОКОМ В МАГНИТНОМ ПОЛЕ
Представим себе однородное магнитное поле, маг-
нитные силовые линии которого прямолинейны и распо-
ложены равномерно, например между двумя разноимен-
ными полюсами постоянного магнита. Поместим в это
поле прямолинейный проводник, расположив его перпен-
дикулярно магнитным силовым линиям, как показано на
рис. 6.1, а, и будем пропускать через этот проводник ток
в направлении от нас в толщу книги. Направление то-
ка в таких случаях принято обозначать крестиком (опе-
68
Рис. 6.1. Проводник с током в
магнитном поле
Рис. 6.2. К движению про-
водника с током в магнит-
ном поле
рение стрелы), если ток течет от наблюдателя, или точ-
кой (острие стрелы), если ток течет к наблюдателю. Вок-
руг проводника при этом образуется круговое магнит-
ное поле, направление силовых линий которого, соглас-
но правилу буравчика, показано на рисунке. Видно, что
левее проводника силовые магнитные линии этих двух
магнитных нолей направлены навстречу друг другу, а
правее проводника в одну н ту же сторону. Левее про-
водника магнитное ноле ослабевает, а правее усиливает-
ся, как показано силовыми линиями на рис. 6.1, б. В ре-
зулыате па проводник будет действовать сила, стремя-
щаяся вытолкнуть его влево. Если поменять направле-
ние тока в проводнике или поменять местами полюса
магнита, то нетрудно убедиться, что выталкивающая
проводник сила будет направлена вправо.
Чтобы без изображения магнитных силовых линий
иметь возможность сразу определять направление силы,
действующей на проводник с током в магнитном поле,
сущееinyei специальное правило, называемое правилом
левой руки. Если левую руку расположить так, чтобы
магии |ные силовые линии входили в ладонь, а четыре
пальца указывали направление тока в проводнике, отог-
нутый большой палец укажет направление действия
силы.
Представим теперь, что в однородном магнитном по-
ле помещена па осн рамка, через которую пропускается
ток, как показано на рис. 6.2. Согласно правилу левой
руки, на верхний горизонтальный провод рамки будет
действовать сила, направленная влево, а на нижний —
вправо. Эта пара сил будет поворачивать рамку на оси
в направлении против хода часовой стрелки. На верти-
кальные провода рамки поле магнита действовать не бу-
69
Рис, 6.3, Устройст-
во коллектора
дет, так как их силовые линии расположены в плоско-
сти, перпендикулярной полю магнита. Вместе с рамкой
поворачиваются два контактных полукольца, изолиро-
ванные одно от другого, к которым подводится ток от
источника при помощи двух неподвижных контактных
щеток. Когда рамка повернется на 180°, направление
тока в ней изменится, и вновь пара сил будет ее повора-
чивать в прежнем направлении. При горизонтальном по-
ложении плоскости рамки вращающего момента не бу-
дет, так как силы, приложенные ко всем ее сторонам,
будут лежать в ее плоскости. Однако если масса рамки
велика или она снабжена маховиком, рамка по инерции
проскочит эту мертвую точку и будет вращаться на оси.
Нетрудно убедиться, что при переключении полярности
источника тока вращение рамки будет происходить в
обратную сторону.
Вращающий момент рассмотренной конструкции не-
постоянен: хотя силы пары постоянны, изменяется ее
плечо. Вращающий момент максимален при вертикаль-
ном положении рамки и равен нулю при ее горизонталь-
ном положении. Поэтому для ее равномерного враще-
ния пришлось бы использовать очень массивный махо-
вик. Но можно поступить и иначе. Просто вместо одной
рамки надо на оси под равными углами разместить их
несколько, а вместо двух контактных полуколец исполь-
зовать контактные площадки, расположенные по обра-
зующим цилиндра, как показано на рис. 6.3, и узкие
щетки. Такое устройство называется коллектором. Кол-
лектор, показанный на рис. 6.3, содержит 8 контактов и
рассчитан на 4 рамки. В действительности же их исполь-
зуется значительно больше. Рассмотренное устройство
представляет собой коллекторный двигатель постоянно-
го тока. Рамки вместе с коллектором образуют ротор,
вращающийся в подшипниках. Для концентрации маг-
нитных силовых линий поля ротор выполняется из фер-
ромагнитного материала с пазами, в которые уложены
рамки с током. Каждая рамка выполнена не из одиноч-
ного провода, а содержит многовитковую обмотку. На
полюса магнита надеты полюсные наконечники с цилин-
дрической внутренней поверхностью диаметром чуть
70
больше диаметра ротора так, что между ними имеется
небольшой воздушный зазор.
Вращающий момент такого двигателя зависит от си-
лы тока в подключенной обмотке ротора, количества
витков этой обмотки и магнитной индукции поля. Для
увеличения индукции постоянный магнит заменяется
электромагнитом, который питается от того же источ-
ника тока, что и обмотки ротора.
Во время работы электродвигателя энергия, потреб-
ляемая им от источника тока, частично тратится на прео-
доление сопротивления его обмоток, превращаясь в теп-
ло. Остальная энергия затрачивается на работу того ме-
ханизма, который приводится во вращение. Эта полез-
ная работа, деленная на всю затраченную энергию, пред-
ставляет собой коэффициент полезного действия двига-
теля. В течение пускового периода, когда двигатель еще
не «набрал обороты, полезная работа мала и почти вся
потребляемая энергия тратится па тепло. После того
как двигатель раскрутился и уже совершает полезную
работу, энергия, уходящая па тепло, уменьшается. Одна-
ко сопротивление обмоток осталось прежним. Значит,
должен уменьшиться ток, потребляемый от источника.
Это происходит за счет того, что при движении рамки в
магнитном поле в ней наводится ЭДС самоиндукции, на-
правленная навстречу ЭДС источника питания, которая
называется противоЭДС. Двигатель'рассчитан на рабо-
ту в режиме вращения, когда в его обмотках действует
противоЭДС. Тогда выделяемое в обмотках тепло соот-
ветствует норме и отводится окружающей среде. Если
же двигатель заторможен или из-за чрезмерной нагрузки
вращается с пониженными оборотами, потребляемый от
источника ток резко возрастает, увеличивается сверх
нормы выделение тепла, перегреваются обмотки и дви-
гатель может выйти из строя.
На том же принципе основана работа магнитоэлект-
рических стрелочных приборов. Отличие от двигателя
состоит только в том, что измеряемый ток подводится к
рамке по двум пружинкам, создающим противодействую-
щий момент. При отсутствии тока в рамке пружинки рас-
слаблены, а стрелка прибора, закрепленная на* рамке,
устанавливается на нулевое деление шкалы. Проходя-
щий через рамку ток создает вращающий момент, кото-
рый преодолевает сопротивление закручивающихся пру-
жин. Чем больше ток, тем больше поворачивается р.амка
71
и сильнее закручиваются пружины. Увеличивающийся
вращающий момент уравновешивается увеличивающим-
ся моментом сопротивления пружин. Выпускаются стре-
лочные приборы, у которых сила тока, соответствующая
полному отклонению стрелки, может быть очень мала,
достигая 1 мкА. Самые чувствительные приборы — зер-
кальные гальванометры — вместо стрелки снабжены ма-
леньким зеркальцем, приклеенным к рамке. На зеркаль-
це направлен узкий пучок света, который отражается на
шкалу, расположенную вне прибора. При большом рас-
стоянии от зеркальца до шкалы даже самый незначи-
тельный поворот рамки с зеркальцем приводит к ощути-
мому отклонению зайчика'по шкале, что равносильно ис-
пользованию очень длинной, но невесомой стрелки.
6.2. ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ИНДУКЦИЯ
В разделе 5.4 было показано, что при изменении си-
лы тока в одном проводнике наводится ЭДС взаимной
индукции в другом проводнике, сцепленном с первым об-
щим магнитным потоком. Здесь изменяющийся ток пер-
вого проводника является источником изменяющегося
магнитного поля, а электродвижущая сила во втором
проводнике наводи гея именно благодаря изменению маг-
нитного ноля, охватывающего второй проводник. Однако
причины изменения магнитного поля могут быть и дру-
гими, например, перемещение проводника относительно
магнитных силовькх линий поля, в котором он находится.
При всяком изменении магнитного потока, пронизываю-
щего площадь, охваченную замкнутым контуром, в нем
возникает электрический ток. Это явление, называемое
электромагнитной индукцией, было открыто Майклом
Фарадеем в 1831 году. Для определения направления то-
ка в проводнике, если он включен в замкнутую цепь,
при пересечении им силовых линий магнитного поля
служит правило правой руки. Если магнитные силовые
линии поля входят в ладонь правой руки, а отогнутый
большой палец направлен в сторону движения проводни-
ка, остальные четыре пальца покажут направление тока.
Направление тока, вызванного электродвижущей си-
лой индукции, подчиняется правилу, установленному
русским академиком. Э. X. Ленцом. Согласно правилу
Ленца возникающий в замкнутом контуре индукционный
ток направлен так, что созданный им магнитный поток
72
стремится препятствовать тому изменению потока, кото-
рое вызывает данный ток. Правило Ленца иллюстриру-
ет рис. 6.4. В магнитном поле расположен замкнутый
проводник. При возрастании поля внутри контура, огра-
ниченного проводником, в нем возбуждается ток в на-
правлении, показанном стрелками. Видно, что этот ток
создает магнитное поле, направленное навстречу основ-
ному, препятствуя его увеличению. Если бы основное
поле уменьшалось, ток в контуре оказался бы направ-
ленным обратно, создавая поле, совпадающее по направ-
лению с основным, препятствуя его уменьшению.
Э. X. Ленц установил и принцип обратимости элект-
рических машин. Так, рассмотренный в предыдущем раз-
деле электродвигатель может использоваться в качестве
электрического генератора, т. е. источника тока, если
его ротор привести во вращение каким либо источником
энергии, а источник тока заменить резистором нагрузки.
Действительно, при вращении ротора рамка пересекает
магнитные силовые линии и в ней должна наводиться
ЭДС индукции. Используя правило правой руки, легко
обнаружить, что при вращении рамки по направлению,
показанному стрелками па рис. 6.2, направление тока в
рамке будет обратным тому направлению, которое ток
имел при использовании машины в качестве двигателя.
Если к щеткам по-прежнему подключен источник тока,
генератор будет его заряжать. К такому же выводу мож-
но прийти па основе правила Ленца. При повороте рам-
ки из вертикального положения по направлению против
хода часовой стрелки магнитный поток, пронизывающий
рамку, увеличивается, и возникающий в рамке ток дол-
жен противодействовать увеличению потока. Поэтому
магнитный поток, создаваемый током рамки, должен
быть направлен против основного потока. При враще-
нии рамки в обратном' направлении возникающий в ней
ток совпадает с направлением, показанным на рисунке.
Для работы генератора необходимо наличие магнит-
ного поля. Поэтому в том случае, когда используется
73
электрическая машина с электромагнитным возбужде-
нием магнитного ноля, для пуска генератора необходи-
мо наличие начального ноля. Обычно оно обеспечивается
за счет остаточной индукции статора..
7. ПЕРЕМЕННЫЙ ТОК
7.1. ПОЛУЧЕНИЕ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
Переменным током называется ток, изменяющийся по
величине и по направлению. Если постоянный ток в схе-
ме при отсутствии внешних воздействий не изменяется,
то переменный ток время от времени меняет направление
на обратное и непрерывно изменяет свою силу. Поэтому
трудно, хотя и возможно, характеризовать переменный
ток каким-то определенным значением его силы. Легче
судить о мгновенном значении силы переменного тока —
о той силе тока, которую он имеет в данное мгновение.
То же можно сказать и о переменном напряжении, так
как их связывает, как и при постоянном токе, закон Ома:
мгновенное значение напряжения на резисторе равно
произведению мгновенного значения силы тока на соп-
ротивление резистора. Естественно, что и напряжение,
и ток должны рассматриваться в одни и тот же момент
времени.
Представим себе рамку, вращающуюся в магнитном
поле и подключенную к резистору, как показано на
рис. 7.1. В этом положении, согласно правилу правой
руки, в ней будет наводиться ЭДС индукции и в цепи
возбудится ток, направление которого указано стрелка-
ми. По мере поворота рамки из вертикального положе-
ния в горизонтальное при равномерном вращении коли-
чество магнитных силовых линий, пересекаемых рамкой,
будет уменьшаться. Соответственно будут уменьшаться
ЭДС индукции и ток в цепи. Когда рамка займет гори-
Рис. 7.1. Получение си-
нусоидального напряже-
ния
74
J
Рис. 7.2, Построение синусоиды
зонтальное положение, она вовсе не будет пересекать
силовые линии магнитного поля. Мгновенное, значение
ЭДС индукции и ток в цепи будут равны нулю. Затем,
при дальнейшем повороте, сторона рамки а, которая до
сих:пор пересекала силовые линии справа налево, нач-
нет их пересекать слева направо, а сторона рамки б, ра-
нее пересекавшая силовые линии слева направо, станет
их пересекать справа налево. Поэтому ток в цепи изме-
нит направление на обратное. По мере приближения
рамки к вертикальному положению количество пересе-
каемых силовых линий поля сторонами рамки за одина-
ковые промежутки времени будет увеличиваться. Соот-
ветственно будут возрастать ЭДС индукции и ток в цепи.
При достижении рамкой вертикального положения мгно-
венные значения ЭДС и силы тока окажутся максималь-
ными, а затем снова начнут уменьшаться, дойдя до нуля
при горизонтальном положении рамки. Далее снова нач-
нется их увеличение, но уже в обратном направлении до
максимума при следующем вертикальном положении
рамки. Рамка сделала полный оборот, завершился цикл
изменения ЭДС индукции и тока в цепи. В дальнейшем
рассмотренный процесс повторяется.
Какова же форма полученных напряжения и тока,
то есть зависимость их мгновенных значений от времени?
Представим себе окружность, показанную на рис. 7.2,
из центра которой в точку 0 проведен радиус. Будем
вращать этот радиус относительно центра окружности с
равномерной угловой частотой со. Радиус последователь-
но будет занимать положения, отмеченные точками от
1 до 11, а затем вернется в точку 0. Проекция радиуса
на вертикальную ось координат соответствует мгновен-
ным значениям напряжения или тока. Отложим на го-
75
ризонтальной оси правее окружности одинаковые интер-
валы времени, каждому из которых соответствует по-
ложение конца радиуса на окружности, и пронумеруем
их. Перенося каждую из точек окружности на соответст-
вующую ординату, мы получим график искомой зави-
симости, если соединим плавной кривой найденные точ-
ки, Как известно из тригонометрии, полученная кривая
называется синусоидой, а форма полученного перемен-
ного тока — синусоидальной,
7.2. ПАРАМЕТРЫ СИНУСОИДЫ
Напряжения синусоидальной формы широко исполь-
зуются во всех областях техники, особенно в радиоэлект-
ронике и в быту. Достаточно напомнить, что форма на-
пряжения в розетках нашей осветительной сети является
синусоидальной. Поэтому необходимо освежить в па-
мяти читателя основные параметры синусоиды. Сину-
соида представляет собой периодическую функцию.
При ее построении был использован один период—
один оборот радиуса окружности — важнейшая характе-
ристика синусоидального напряжения. Периодом назы-
вается наименьший промежуток времени, по истечении
которого наблюдаются повторения мгновенных значений
напряжения. Обозначается он буквой Т и измеряется в
секундах (с), миллисекундах (мс) или микросекундах
(мкс).
На рис. 7.3 по горизонтальной оси отложено время,
а по вертикальной оси— мгновенные значения напряже-
ния синусоидальной формы. Длительность периода на
рисунке отсчитывается между нулевыми мгновенными
значениями напряжения. Наибольшее мгновенное зна-
чение синусоидального напряжения называется его амп-
литудой и обозначается Um. Величина, обратная периоду,
или количество периодов за время, равное 1 с, называет-
ся частотой и обозначается f.
f=-p (7.1)
Частота измеряется в герцах (Гц) по имени немецкого
физика Генриха Герца. Частота в 1 Гц соответствует
одному периоду в секунду. Вспомогательные единицы^
килогерц (кГц) — 103 Гц, мегагерц {МГц) — 106 Гц и ги*
гагерц (ГГц) — 109 Гц.
76
Рис. 7.3. Основные параметры
синусоиды
Рис. 7.4. Сдвиг фаз си-
нусоид
Угловая частота со измеряется в радианах в секунду
(рад/с) и соответствует скорости изменения угла поло-
жения рамки относительно начального положения. Когда
рамка совершает полный оборот, она поворачивается от-
носительно начального положения на угол, равный 2л
радиан. В связи с тем, что за 1 -е рамка совершает f пол-
ных оборотов, связь между угловой частотой и частотой
выражается формулой
<н (7.2)
Часто вместо угла используется такое понятие, как
фаза. С момента отсчета с течением времени фаза си-
нусоиды равномерно нарастает. Измеряется она в радиа-
нах (рад) и обозначается буквой ср._
На рис. 7.3 в момент времени, равный 0, фаза также
р>авна 0. Ровно через один период, в момент времени Т
фаза окажется равной 2л. Еще через одни период фаза
будет равна dn. В .11106011 момент времени / фазу можно
найти по формуле
<Р= — -=2к/7. (7.3)
В общем виде зависимость мгновенного значения си-
нусоидального напряжения от времени можно выразить
следующим образом:
//=t/msin(«>/+<p0), (7.4)
где <ро — начальная фаза, зависящая от момента начала
отсчета. В связи с тем, что косинусоида отличается от
синусоиды лишь тем, что она сдвинута на четверть пе-
риода, в предыдущей формуле вместо знака синуса мо-
жет использоваться также знак косинуса.
77
На рис. 7.4 изображены две синусоиды, начальные фа-
зы которых отличны от нуля, так как в момент времени,
равный 0, ни одна не обращается в нуль. Так как извест-
ны временные сдвиги нулей синусоид относительно выб-
ранного начала координат, можно определить их началь-
ные фазы:
ф02=2кД2.
Сдвиг между этими синусоидами по времени 112 соответ-
ствует сдвигу фаз ф12=2тс/712.
Сдвиг фаз между двумя синусоидами остается фик-
сированным только в том случае, если они имеют одну
и ту же частоту. Если же частоты их различны, сдвиг
фаз будет постоянно нарастать, и использовать это по-
нятие не имеет смысла.
7.3. ДЕЙСТВУЮЩЕЕ ЗНАЧЕНИЕ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
Мгновенные значения напряжения или тока все время
изменяются. Амплитудные значения напряжение и ток
имеют лишь в короткие моменты времени два раза за
период. Поэтому целесообразно характеризовать пере-
менный ток какой-то постоянной величиной, чтобы иметь
возможность использовать се при разных расчетах. Та-
кой величиной является действующее или эффективное
значение напряжения или тока. Действующим значени-
ем переменного тока (или напряжения) называется та-
кой постоянный ток (или напряжение), который по сво-
ему тепловому действию аналогичен данному перемен-
ному току (или напряжению). Действующие значения
напряжения и тока обозначаются заглавными буквами
U и / без индексов в отличце от амплитудных значений
т tw
Соотношение между действующими и амплитудными
значениями тока и напряжения выражаются следующим
образом:
£/= ^ = 0,707
]/2
Um-, /=^=0,707 1т. (7.5)
Всем известное значение напряжения осветительной
сети 220 В представляет собой его действующее значе-
ние. Амплитудное же значение этого напряжения боль-
ше и составляет примерно 311 В. Это необходимо учиты-
вать, например, при выборе рабочего напряжения кон-
денсатора, включенного в сеть. Если его взять, исходя
из действующего значения напряжения, предположим,
равным 250 В, такой конденсатор может выйти из строя,
оказавшись пробитым.
7.4. ДИАПАЗОНЫ ВОЛН, ДЛИНА ВОЛН
В СССР и большинстве других стран мира частота
промышленного переменного тока составляет 50 Гц. В
США принята частота промышленного тока 60 Гц. В
авиации, ракетной технике и на некоторых других под-
вижных объектах в целях снижения габаритов и массы
электрооборудования используются энергосистемы повы-
шенной частоты — 400, 800 и 2400 Гц. Эти частоты пе-
ременного тока носят название промышленных. Звуко-
вые, колебания воздуха, преобразованные электроакус-
тическими преобразователями в переменный ток, лежат
в области частот от 16 Гц до 30 кГц. Частота перемен-
ного тока в антенных цепях радиостанций доходит до
100 МГц. В телевидении сигналы передаются на часто-
тах до 960 МГц. В системах космической ретрансляции
телевизионных передач используются сигналы частотой
до 12 ГГц.
Электрический ток распространяется в проводнике не
мгновенно, но с очень большой скоростью, равной ско-
рости света — 300000 км/с или 3-10 8 м/с. Эту скорость
распространения принято обозначать буквой с. Предста-
вим себе очень длинный провод. Один конец провода
обозначим координатой 0, координаты других точек про-
вода обозначим координатой х (текущая координата).
Подключим к началу провода в точке с координатой 0
источник тока, а к концу этого провода — нагрузку. Что-
бы по проводу пошел ток, второй вывод нагрузки дру-
гим проводом, который нас интересовать не будет, под-
ключим ко второму выводу источника тока. Если источ-
ник генерирует переменный ток, в разных точках провода
в один и тот же момент ток или напряжение не бу-
дут одинаковыми. По проводу как бы бежит волна. За-
фиксировав ее в какой-то момент времени одновремен-
но в разных точках провода, мы получим зависимость
мгновенного значения напряжения от расстояния до ис-
точника тока, показанную на рис. 7.5. Расстояние, соот-
ветствующее одному периоду волны, называется длиной
79
Рис. 7.5. К определению
длины волны
волны, обозначается буквой лямбда (X) и. измеряется в
метрах (м).
В связи с тем, что скорость распространения тока по-
стоянна, за время, равное одному периоду, волна рас-
пространяется на такое расстояние, которое равно про-
изведению скорости на время.
\ 'Г 6 3-10е а\
(7.6)
Здесь длина волны выражается в м, период в с, а часто-
та в Гц. Таким образом, каждому значению частоты пе-
ременного тока соответствует вполне определенная дли-
на волны. Чем больше частота, тем меньше длина вол-
ны. Легко подсчитать длину волны промышленного тока
частотой 50 Г'ц: она составляет 6000 км.
В зависимости от длины волны различают диапазо-
ны высокочастотных токов, используемых в радиотехни-
ке: длинные волны от 1000 до 10000 м (частота от 300
до 30 кГц),«средние волны от 100 до 1000 м (частота от
3000 до 300 кГц), короткие волны от 10 до 100 м (часто-
та от 30 до 3 МГц), ультракороткие волны длиной менее
10 м (частота выше 30 МГц). В свою очередь, ультрако-
роткие волны (УКВ) делятся на метровые, дециметро-
вые и сантиметровые, границы поддиапазонов которых
понятны из их названий.
7.5. МАГНИТНОЕ ПОЛЕ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
Вокруг проводника, по которому течет переменный
ток, как и вокруг проводника с постоянным током, об-
разуется магнитное поле, однако о коаксиально-цилинд-
рической структуре такого поля уже говорить нельзя,
так как мгновенные значения тока в разных точках про-
водника не одинаковы. В каждой точке проводника маг-
нитное поле пульсирует в такт с изменением силы тока
и изменяет свое направление, когда меняется направле-
80
ние тока. В связи с тем, что форма переменного тока
имеет вид волны, образованное им магнитное поле так*
же имеет волновой характер. При рассмотрении элект-
рического поля, образованного статическими (неподвиж-
ными) зарядами, и магнитного поля, образованного по-
стоянным током, ясно, что эти поля как бы привязаны
к своим источникам. Электрические силовые линии на-
чинаются и заканчиваются на зарядах, магнитные сило-
вые линии охватывают проводник с током. При рассмот-
рении магнитного поля переменного тока картина значи-
тельно сложнее. Оказалось, что магнитное поле возни-
кает не только вокруг проводника, по которому протека-
ет ток, оно также возникает в пространстве вокруг элек-
трических силовых линий, если происходит изменение
напряженности электрического поля. Точно так же, если
в пространстве существует магнитное поле и его напря-
женность изменяется, вокруг магнитных силовых линий
возникает электрическое поле. Эти ноля уже не привя-
заны к электрическим зарядам и к проводнику с током,
они существуют отдельно от них. Когда по проводнику
течет переменный ток, движущиеся электрические заря-
ды создают переменное электрическое поле, а вокруг
проводника образуется переменное магнитное по'ле. Но
переменное электрическое поле должно создавать также
магнитное поле, а переменное магнитное поле — элект-
рическое. Эти поля в совокупности образуют взаимоза-
висимое электромагнитное поле, на создании и исполь-
зовании которого основаны принципы передачи на рас
стояние информации без проводов.
7.6. РЕАКТИВНЫЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ
Постоянный ток, проходя через резистор, образует на
нем падение напряжения. Произведение этого падения
напряжения па силу тока определяет мощность, выде-
ляющуюся на резисторе в виде тепла. Переменный ток,
проходя через резистор, также приводит к его нагреву,
на чем и основано определение его действующего зна-
чения. В обоих случаях потребителем электрической
энергии являлось сопротивление резистора. Сопротивле-
ние, которое преобразует электрическую энергию в теп-
ловую, называют активным сопротивлением. Помимо ре-
зисторов элементами большинства электронных схем яв-
ляются катущки индуктивности и конденсаторы. В слу-
81
чае постоянного тока ни катушки индуктивности, ни
конденсаторы сопротивления ему не оказывают. Конден-
сатор постоянного тока не пропускает и для него как бы
является изолятором. Катушка же индуктивности, если
говорить об идеальной катушке, представляет собой
длинный, свернутый в спираль проводник, сопротивле-
нием которого мы на первых порах пренебрежем. Прав-
да, в момент включения постоянного тока конденсатор
заряжается и между его пластинами образуется электри-
ческое поле, а вокруг катушки индуктивности создается
магнитное поле — происходит так называемый нестацио-
нарный процесс установления тока. Но в установившемся
режиме сила тока в цепях определяется только активны-
ми сопротивлениями.
Иначе обстоит дело при питании цепей переменным
током. Теперь каждые полпериода конденсаторы переза-
ряжаются, и за счет этих зарядно-разрядных токов об-
разуется проводимость для переменного тока. Чем боль-
ше емкость конденсатора, тем меньшее сопротивление
он 'оказывает переменному току. Чем больше частота
тока, чем чаще происходит перезаряд конденсатора и
также тем меньше его сопротивление. В связи с тем, что
в процессе заряда-разряда конденсатора тепло не выде-
ляется, в отличие от активного его сопротивление назы-
вают реактивным сопротивлением емкости или просто
емкостным сопротивлением Хе:
Хс= —. (7.7)
а) С
Если угловая частота выражена в рад/с, емкость в
фарадах, емкостное сопротивление выражается в омах.
При прохождении переменного тока через индуктив-
ность образуется переменное магнитное поле, а в катуш-
ке наводится ЭДС самоиндукции, препятствующая из-
менениям магнитного поля. Чем больше индуктивность
катушки, тем сильнее противодействие изменениям маг-
нитного поля, тем больше индуктивное сопротивление.
Чем больше частота переменного тока, тем быстрее дол-
жны быть изменения магнитного поля и тем больше ин-
дуктивное сопротивление. Для идеальной катушки, у
которой сопротивление провода постоянному току равно
нулю, реактивное сопротивление индуктивности или про-
сто индуктивное сопротивление Xl будет равно
XL=aL. (7.8)
82
Если угловая частота выражена в рад/с, а индуктив-
ность в генри, индуктивное сопротивление выражается
в омах.
Реальные катушки обычно обладают не только ин-
дуктивностью, но и активным сопротивлением, которое
состоит из омического сопротивления (сопротивление
провода катушки постоянному току) и сопротивления
потерь в проводе на высокой частоте. В сумме эти сопро-
тивления .и образуют активное сопротивление катушки.
Поэтому для определения полного сопротивления катуш-
ки индуктивности ее можно заменить эквивалентной схе-
мой в виде последовательного соединения идеальной ин-
дуктивности с эквивалентным резистором. Для ориенти-
ровочной прикидки значений емкостного сопротивления
конденсатора и индуктивного сопротивления катушки
можно пользоваться следующими их значениями на ча-
стоте переменного тока 50 Гц: конденсатор емкостью в
1 мкФ имеет,емкостное сопротивление примерно 3 кОм,
индуктивное сопротивление катушки в 1 Гн составляет
примерно 300 Ом. Эти значения легко запоминаются, и
можно в уме приблизительно прикинуть емкостные и ин-
дуктивные сопротивления любых конденсаторов и кату-
шек на других частотах.
7.7. ВЕКТОРНЫЕ ДИАГРАММЫ
Рассмотрим процесс прохождения переменного тока
через конденсатор (рис. 7.6). Если к конденсатору при-
ложено синусоидальное переменное напряжение, ток в
Цепи также будет синусоидальным. Амплитуда этого то-
ка определяется по закону Ома, как отношение ампли-
туды напряжения к емкостном}' сопротивлению конден-
сатора. Однако мгновенные значения напряжения и тока
закону Ома не подчиняются. В момент времени tQ кон-
денсатор заряжен, напряжение на нем равно приложен-
ному мгновенному значению напряжения и ток в цепи
отсутствует. Когда напряжение начинает уменьшаться,
конденсатор разряжается на источник, отдавая ему на-
копленную энергию, а ток разряда направлен навстречу
Направлению, показанному стрелкой (ток отрицателен).
Напряжение сначала уменьшается медленно, а затем все
быстрее. Поэтому ток разряда растет. В момент времени
t f напряжение достигает пуля, а скорость его изменения
82
ic~u/j<c
Рис. 7.6. Напряжение и
ток емкости
Рис. 7.7. Напряжение и
ток индуктивности
максимальна, что соответствует максимуму тока. Кон-
денсатор также разрядился. Начинается увеличение на-
пряжения обратной полярности с уменьшающейся ско-
ростью. Конденсатор заряжается напряжением обратной
полярности уменьшающимся током, потребляя энергию
от источника. К моменту времени t2 напряжение дости-
гает максимума, конденсатор заряжен и ток прекраща-
ется. Далее напряжение уменьшается с увеличивающей-
ся скоростью, конденсатор разряжается током, совпада-
ющим с направлением стрелки, ток разряда растет. В
момент времени /3 конденсатор разрядился, напряжение
меняет знак, начинается заряд конденсатора. К моменту
времени tA цикл завершается.
Из рассмотренного нроцесса можно сделать следую-
щие выводы. Напряжение на конденсаторе отстает от
тока на четверть периода. Действительно, максимумы
тока имеют место в моменты времени t\ и73, а максиму-
мы напряжения соответствующей полярности — в момен-
ты времени /3 и то есть на 1/4 периода позже. Две из
четырех четвертей периода конденсатор заражается, пот-
ребляя от источника энергию и затрачивая ее на созда-
ние электрического поля между пластинами. В течение
других двух четвертей периода конденсатор разряжает-
ся на источник, отдавая ему накопленную энергию элек-
трического поля. Можно доказать, что количественно эти
энергии равны, следовательно, конденсатор не потребля-
ет энергии от источника.
На рис. 7.7 проиллюстрирован процесс прохождения
переменного тока через индуктивность. При синусоидаль-
ной форме напряжения ток в цепи также будет синусои-
дальным. Амплитуда тока определяется отношением
амплитуды напряжения к индуктивному сопротивлению
катушки. Мгновенное значение тока определяется раз-
84
ностью между приложенным напряжением и ЭДС са-
моиндукции. Направление ЭДС самоиндукции таково,
что она препятствует изменению напряжения на катуш-
ке, Когда напряжение увеличивается, ток уменьшается.
Когда напряжение уменьшается, ток увеличивается. При
максимумах напряжения скорость его изменения равна
нулю, и ток также равен нулю. Когда напряжение рав-
но нулю, скорость его изменения максимальна, и ток так-
же максимален. О скорости изменения можно судить по
наклону касательной к кривой в данной точке. Видно,
что на максимумах касательная горизонтальна, а на ну-
лях она имеет максимальный наклон. Здесь также две
четверти периода индуктивность потребляет энергию от
источника на создание магнитного поля, а другие две
четверти периода отдает источнику накопленную магнит-
ным полем энергию. Потребление энергии происходит
тогда, когда знаки напряжения и тока одинаковы, когда
знаки разные, энергия возвращается обратно источ-
нику.
Можно сделать соответствующие выводы. Напряже-
ние на индуктивности опережает ток на 1/4 периода;
индуктивность нс потребляет энергии от источника.
Вопрос о том, опережает или отстает от тока напря-
жение на конденсаторе или индуктивности, очень важен.
Для того чтобы легко и быстро решить этот вопрос, мож-
но пользоваться следующим логическим способом. В свя-
зи с тем, что для создания или изменения энергии тре-
буется время, именно энергия определяет тот параметр,
который отстает от другого. Энергия конденсатора опре-
деляется электрическим полем, а поле создается напря-
жением между пластинами. Следовательно, напряжение
на конденсаторе должно отставать от тока. Энергия ка-
тушки индуктивности определяется магнитным полем, а
это поле создается током, текущим по катушке. Следо-
вательно, ток через индуктивность должен отставать от
напряжения, приложенного к ней.
При рассмотрении процессов в электрических цепях
переменного тока, содержащих активные и реактивные
сопротивления, большую помощь могут оказать вектор-
ные диаграммы цепей. Все численные величины можно
разделить на скаляры и векторы. Скаляр характеризует-
ся только численным значением, например, содержание
жира в молоке или температура воздуха. Вектор харак-
теризуется не только численным значением, но и направ-
85
лснием, например, сила земного тяготения или напря-
женность электрического поля* в данной точке. Поэтому
векторы изображают в виде отрезка, длина которого со-
ответствует величине, а его расположение в пространст-
ве — направлению.
Переменное синусоидальное напряжение удобно отоб-
ражать вектором, лежащим в плоскости рамки (см.
рис. 7.1) перпендикулярно оси ее вращения и вращаю-
щимся вместе с пей. Длина вектора соответствует амп-
литуде напряжения или тока, а его направление отно-
сительно положительного направления горизонтальной
оси координат — фазе напряжения или тока. Начало
вектора помещается в начало координат. Вектор враща-
ется против направления движения часовой стрелки с
угловой скоростью переменного тока. Так как с вращаю-
щимся вектором иметь дело неудобно, представим себе,
что вся плоскость чертежа вращается в обратную сторо-
ну — по ходу часовой стрелки. Тогда относительно наб-
людателя вектор будет неподвижен. Если нас будут ин-
тересовать мгновенные значения тока или напряжения,
остановим вращение плоскости, вектор начнет вращать-
ся, и его проекция на ось координат даст мгновенное зна-
чение. Сложение двух векторов производится путем на-
хождения диагонали параллелограмма, построенного на
заданных векторах, Сложение нескольких векторов мож-
но выполнить, прикладывая начала следующих векторов
к концам предыдущих, результирующий вектор имеет
свое начало в начале первого, а конец — в конце пос-
леднего слагаемого. Вычитание векторов производится
путем сложения с вектором, направленным в обратную
сторону вычитаемого. На одной векторной диаграмме,
как правило, не удается сохранить одинаковый масштаб
и для напряжений, и для токов. Таковы основные пра-
вила построения векторных диаграмм.
Согласно изложенным правилам, на рис. 7.8, а пока-
зана векторная диаграмма, соответствующая рис. 7.6, а
на рис. 7.8, б — соответствующая рис. 7.7.
7.8. ЗАКОН ОМА ДЛЯ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
Как было, отмечено, закон Ома остается справедли-
вым при определении амплитуд переменного тока и па-
дений напряжения на элементах цепи. Для определения
их фаз можно пользоваться векторными диаграммами.
86
Рис. 7.8. Векторная диаграм-
ма емкости (а) и индуктивно-
сти (б)
Рис, 7.9. Последовательное
соединение R и С
Если в цепи, содержащей последовательное соединение
активных и реактивных сопротивлений, протекает ток,
амплитуды падений напряжения на каждом элементе *
можно находить по закону Ома, умножая амплитуду то-
ка на активное или реактивное сопротивление соответ-
ствующего элемента. Однако арифметически складывать
эти падения напряжений,ч как это допустимо в цепях по-
стоянного тока, содержащих только активные сопротив-
ления, нельзя, так как падение напряжения на резисто-
ре совпадает по фазе с током, а падение напряжения на
конденсаторе или индуктивности сдвинуто по фазе на
90 ° относительно тока. Поэтому полные сопротивления
Z цепей, содержащих резисторы и конденсаторы или ин-
дуктивности, находятся как гипотенузы прямоугольных
треугольников, катеты которых соответствуют активно-
му и реактивному сопротивлениям, по теореме Пифаго- •
ра:
z=K/?2+^ ИЛИ Z=)//?2+X2- (7.9)
После определения полного сопротивления последо-
вательной цепи амплитуда тока находится по закону
Ома делением амплитуды напряжения, подведенного к
этой цепи, на полное сопротивление. Если же известен
ток и нужно найти напряжение на концах цепи, ампли-
туда тока умножается на полное сопротивление.
На рис. 7.9 показано последовательное соединение ре-
зистора и конденсатора и векторная диаграмма цепи.
Определение падений напряжения на элементах цепи и
построение векторной диаграммы выполняются в следую-
щем порядке. Находится емкостное сопротивление по
87
Рис. 7.10. Последовательное сое-
динение R и L
Рис. 7.11. Параллельное сое-
динение R и С
формуле (7.7). Если задано входное напряжение, то за-
тем находится полное сопротивление цепи по формуле
(7.9) и ток делением входного напряжения на полное
сопротивление. Зная силу тока, находим падения напря-
жений на резисторе и конденсаторе, умножая силу тока
на сопротивление резистора и емкостное сопротивление
конденсатора. Строим в определенном масштабе вектор
входного напряжения U -и на нем, как на диаметре,
строим полуокружность. Циркулем делаем из точки О
засечку на полуокружности радиусом, равным падению
напряжения на резисторе в принятом ранее масштабе.
Тогда вектор 0/1 будет соответствовать падению напря-
жения на резисторе, вектор /1/?--падению напряжения
на конденсаторе. Их сумма (векторная) равна вектору
входного напряжения. Фаза тока совпадает с фазой па-
дения напряжения на резисторе и опережает фазу паде-
ния напряжения на конденсаторе на 90 °. Если же задан
ток в цепи, а нужно найти напряжения, находить полное
сопротивление нет необходимости. После определения
емкостного сопротивления конденсатора находятся паде-
ния напряжения на резисторе и конденсаторе умножени-
ем тока на сопротивление резистора и емкостное соп-
ротивление конденсатора. Затем строятся векторы этих
падений напряжения под углом 90 ° один к другому с
учетом отставания на 90 ° вектора падения напряжения
на конденсаторе относительно падения напряжения на
резисторе. Наконец, находится сумма этих векторов ОВ,
соответствующая входному напряжению.
На рис. 7.10 показано соединение резистора с индук-
тивностью и векторная диаграмма такого соединения, ко-
торая строится аналогичным способом. На рис. 7.11 и
7.12 показаны параллельные соединения резистора с
конденсатором и индуктивностью, а также векторные
88
Рис. 7.12. Параллельное сое-
динение R и L
диаграммы таких соединений. Если здесь задано вход-
ное напряжение, токи в ветвях находятся делением это-
го напряжения на соответственно сопротивление резисто-
ра и реактивное сопротивление конденсатора или индук-
тивности. Если же задан входной ток, сначала нужно
найти общее сопротивление параллельного соединения
по формуле
RX
(7.Ю)
Затем, умножая входной ток на общее сопротивление,
находится входное напряжение, а тогда уже токи в вет-
вях.
7.9. МОЩНОСТЬ В ЦЕПЯХ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
В теории постоянного тока мощность, потребляемая
от источника питания, определяется произведением на-
пряжения на потребляемую силу тока (формула (4.9).
Естественно поэтому желание определять мощность в
цепях переменного тока произведением эффективного
(действующего) значения напряжения на эффективное
значение силы тока. Такое значение мощности в цепях
переменного тока называется полной мощностью, обоз-
начается буквой S и измеряется в вольт-амперах (В-А):
S=UI. . (7.11)
Однако при рассмотрении процесса прохождения пе-
ременного тока через емкость или индуктивность было
показано, что мощность от источника не потребляется в
среднехМ за период: в течение двух четвертей периода от
источника потребляется мощность, а в течение двух дру-
гих источнику возвращается точно такая же мощность.
При этом ни действующее значение напряжения, ни дей-
ствующее значение тока не равны нулю. Таким образом,
согласно приведенному выше выражению полной мощ-
89
ности, она не может быть равна нулю и, тем не менее, в
среднем мощность от источника не потребляется. Это
противоречие разрешается введением понятия реактив-
ной мощности, которая обозначается буквой Q и измеря-
ется в реактивных вольт-амперах (ВАР):
Q—UIsinq). (7.12)
Произведение действующего значения тока на синус
угла ф представляет собой проекцию тока на перпенди-
куляр к вектору напряжения или перпендикулярную на-
пряжению составляющую тока. Если, цепь содержит
только емкость или индуктивность (рис. 7.6 или 7.7),
векторы тока перпендикулярны векторам напряжения
'(рис. 7.8), угол ф между этими векторами прямой и ре-
активная мощность равна полной мощности. Если кроме
реактивности цепь содержит еще и активные сопротивле-
ния (рис. 7.9...7.12), угол ф является острым, и вектор то-
ка может быть разложен на две составляющие — пер-
пендикулярную вектору напряжения и совпадающую по
направлению с ним. Эти две составляющие окажутся ка-
тетами прямоугольного треугольника при гипотенузе,
равной току. Поэтому каждая из этих составляющих
вектора тока меньше самого вектора тока. Отсюда по-
лучается, что в подобных схемах реактивная мощность
меньше полной мощности.
Другая составляющая вектора тока, которая совпа-
дает по направлению с вектором напряжения, равна про-
изведению тока на косинус угла ф. Произведение этой
составляющей на напряжение представляет собой актив-
ную мощность, которая обозначается буквой Р и изме-
ряется в ваттах (Вт):
Р=(7/созф. (7.13)
Именно активная мощность потребляется от источ-
ника питания и используется потребителем для совер-
шения той или иной работы, а в рассмотренных цепях
(рис. 7.9...7.12) именно активная мощность затрачивает-
ся на нагрев резисторов.
Казалось бы, что владельца источника энергии, на-
пример. электростанции, должна интересовать лишь ак-
тивная мощность потребителей. Однако при наличии в
цепях потребителей реактивных нагрузок, а все элект-
родвигатели, электромагниты и многие другие устройст-
90
ва содержат значительные индуктивности, действующее
значение тока больше его активной составляющей. Элек-
тростанции и линии электропередач приходится рассчи-
тывать на действующее значение тока. Поэтому чем
больше косинус фи, который также называют коэффи-
циентом мощности, тем при меньшем значении дейст-
вующего тока удастся передать потребителям нужную
мощность. Повышение"коэффициента мощности промыш-
ленных установок представляет важную технико-эконо-
мическую задачу и достигается емкостной компенсаци-
ей индуктивных составляющих нагрузок.
7.10. ТРЕХФАЗНЫЙ ТОК
Рассмотрим генератор переменного тока, схема кото-
рого показана на рис. 7.13. На стальном ярме располо-
жены три полюсных наконечника с обмотками, а ротор
представляет собой постоянныii магнит. При вращении
ротора его полюсы будут последовательно проходить
мимо каждой катушки, возбуждая в них переменные
ЭДС. в связи с тем, что катушки на статоре расположе-
ны под углом в 120 °, электродвижущие силы также
сдвинуты по фазе на 120°. Если соединить начала всех
трех катушек, линия от генератора будет содержать че-
тыре провода: один общий для всех катушек провод,
называемый нулевым, и три фазовых провода. Напря-
жение между каждым из фазовых проводов и нулевым
называется фазовым напряжением, а напряжение между
любыми двумя (разовыми проводами называется линей-
ным. Линейное напряжение
мя фазовыми при наличии
между ними сдвига фаз.
Разность двух синусоид оди-
наковой частоты со сдвигом
фаз является синусоидой
той же частоты, амплитуда
которой зависит от ампли-
туд составляющих и угла
сдвига фаз между ними.
разности между дву-
2 О'
О ?
Рис. 7.13. Устройство трехфазного
генератора
равно
91
При одинаковых амплитудах в сдвиге фаз в 120°
амплитуда разностной синусоиды в 3 раз больше
амплитуды составляющих. Таким образом, если фазовое
напряжение ра$но 127 В, линейное напряжение оказы-
вастся равным 220 В, .а если фазовое напряжение со-
ставляет 220 В, линейное будет 380 В.
В трехфазных сетях переменного тока напряжение
обычно указывается дробью: в числителе — фазовое на-
пряжение, а в знаменателе — линейное, например
127/220 или 220/380. Напряжения указываются эффек-
тивными, амплитудные значения их в 1,414 раза боль-
ше. Соединение катушек статора на рис. 7.13 называется
соединением звездой. Они могут также соединяться тре-
угольником, когда конец первой катушки соединяется с
началом второй, конец второй — с началом третьей и
т. д. Так же мржет подключаться к сети нагрузка.
7.11. РЕШЕНИЕ КОНТРОЛЬНЫХ ЗАДАЧ
Задача 7.1. К последовательному соединению рези-
стора сопротивлением 300 Ом и катушки индуктив-
ностью 500 мГн (см. рис. 7.10) приложено синусоидаль-
ное напряжение с эффективным значением 220 В и ча-
стотой 50 Гц. Определить эффективные значения тока,
падений напряжения на элементах цени н построить век-
торную диаграмму.
Решение. Находим индуктивное сопротивление ка-
тушки по формулам (7.2) и (7.8):
Хь=2^7=2к.50-500-10-3=157 Ом.
Находим по формуле (7.9) полное сопротивление цепю
Z=K/?2+X2=j/3002+1572 =339 Ом-
Определяем эффективное значение тока в цепи:
/=IL = 220 =0 65 А.
Z 339
Находим падение напряжения на резисторе:
(/^=//?=0,65-300=195 В.
Находим падение напряжения на индуктивности:
Ulz==IXl=0,65-157=102 В.
92
Находим амплитудные значения напряжений по форму-
ле (7.5):
Um=\/2 U. )/2-22(к 311 В; Unil< -И 2UR=V2-195=
=276 В; Uml. (/2 UL -|/ 2•'102=144 В.
Для построения векторной диаграммы принимаем масш-
таб: в 1 см 50 В. Деля полученные амплитудные значе-
ния напряжений на 50, получаем длину каждого вектора
t7m=6,2 см, Uт/? = 5,5 см, ит1=2,9 см. Строим вектор-
ную диаграмму (рис. 7.14). На диаметре длиной 6,2 см
строим окружность и из точки 0 делаем засечку радиу-
сом 5,5 см. Засечка делается ниже диаметра, так как
ток отстает от напряжения.
Задача 7.2. К параллельному соединению резистора
сопротивлением 4 кОм и катушки индуктивностью
955 мкГп подведен ток амплитудой 10 мА синусоидальной
формы длиной волны 600 м, Определить токи в ветвях,
входное напряжение и построить векторную диаграмму.
Схема на рис. 7.12.
Решение. Определяем частоту тока по формуле
(7.1):
f= _ ±221 =5- Ю5 Гц=500 кГц.
' А 600
Находим индуктивное сопротивление катушки пр фор-
муле (7.8):
Л1=2яД=21г-500-103-955-10-6=3000 Ом.
93
Находим полное сопротивление параллельного соедине-
ния по формуле (7.10):
RX. 4000-3000
Z= - L = . =9400 Ом.
1<А-2+д-2 ]/4000Ч 30002
Определяем входное напряжение: *
Ю -10-3- 2400=24 В.
Находим токи в ветвях:
Строим векторную диаграмму токов в масштабе 1 см —
2 мА па рис. 7.15. В связи с тем, что ток через резистор
совпадает по фазе с напряжением, ток в индуктивности
должен отставать по фазе от тока в резисторе на 90 °.
Вектор общего тока находится как диагональ прямоу-
гольника.
Задача 7.3. Найти полную, реактивную и активную
мощности, а также коэффициент мощности по условиям
задачи 7.1.
Решение. Находим полную мощность по формуле
(7.П):
5 Л7/ 220-0,65 М3 ВЛ.
Из векторной диаграммы на рис. 7.13 находим sin ф, как
отношение противолежащего катета к гипотенузе:
sin = P-:L.. = — =0,463.
311
Находим по формуле (7.12) реактивную мощность:
Q=67§шф=220• 0,65-0,463=66,2 ВАР.
Из векторной диаграммы находим cos ф, как отношение
прилежащего катета к гипотенузе:
cos ф = U.mR = — =0,887.
311
Находим по формуле (7.13) активную мощность:
Р=^/созф=220.0,65-0,887=127 Вт.
Коэффициент мощности составляет 0,887.
94
8. РЕЗОНАНС
8.1. ЯВЛЕНИЕ РЕЗОНАНСА
Резонансными, или колебательными, цепями в радио-
технике называются электрические цепи, в которых могут
возникать явления резонанса. Явления резонанса хоро-
шо известны читателю из повседневной жизни. Чтобы
раскачать качели, их необходимо подталкивать с опрё-
деленной частотой, близкой к частоте собственных коле-
баний. Если их подталкивать чаще или реже, их колеба-
ния начнут затухать. В электрической цепи резонанс
представляет собой такой режим, при котором реактив-
ное сопротивление цепи, содержащей индуктивность и
емкость, равно нулю.
Колебания качелей или маятника происходят пото-
му, что сила тяжести возвращает отклоненный маятник
в положение равновесия, а вернувшись в положение рав-
новесия, маятник, обладая скоростью, продолжает дви-
гаться по инерции и снова отклоняется от положения
равновесия в другую сторону. Потенциальная энергия
отклоненного маятника полностью переходит в кинети-
ческую энергию в положении равновесия. Кинетическая
энергия отклоняет маятник дальше, и, когда она пол-
ностью переходит вновь в потенциальную энергию, маят-
ник зависает в верхней точке. Затем вновь накопленная
потенциальная энергия заставляет его опять двигаться
к положению равновесия, которое он проскакивает
по инерции, возвращаясь в исходное положение. Да-
лее процесс повторяется. Однако из-за неизбежных по-
терь на трение суммарная энергия системы расходуется
на преодоление этих сил трения. Поэтому постепенно
колебания маятника затухают. Такие колебания назы-
ваются свободными или собственными. Если потери
энергии на трение компенсировать, подталкивая маят-
ник, он будет продолжать колебаться, но уже с часто-
той этих подталкиваний. Такие колебания называются
вынужденными. Наибольшей амплитуды колебания до-
стигают в том случае, если частота вынужденных коле-
баний совпадает с частотой собственных колебаний. Этот
случай* и соответствует резонансу.
Аналогичные явления происходят в замкнутой цепи,
содержащей индуктивность и емкость/ Заряженный кон-
денсатор начинает разряжаться на индуктивность нара-
95
стающим током. Энергия электрического поля заряжен-
ного конденсатора переходит в энергию магнитного
поля катушки индуктивности. В тот момент, когда кон-
денсатор полностью разрядится, ток в цепи будет макси-
мальным, и ЭДС самоиндукции не даст ему прекратить-
ся. За счет энергии магнитного поля катушки ток будет
продолжать течь в том же направлении, перезаряжая
конденсатор напряжением обратной полярности. Посте-
пенно убывая, ток уменьшится до нуля, а конденсатор
полностью зарядится, вновь накопив энергию электриче-
ского поля.. Затем процесс будет повторяться, но уже в
обратной полярности. За счет электрических потерь на
нагрев проводов суммарная энергия системы убывает и
колебания постепенно затухают. Если цепь подпитывать
переменным напряжением, свободные колебания будут
заменены вынужденными с частотой переменного напря-
жения. При равенстве частоты подпитки частоте собст-
венных колебаний наступает резонанс с резким увеличе-
нием амплитуды.
8.2. ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЙ КОЛЕБАТЕЛЬНЫЙ КОНТУР
До сих пор рассматривались цепи, содержащие ак-
тивное сопротивление и емкостное или активное сопро-
тивление и индуктивное. Рассмотрим теперь цепь, сос-
тоящую из активного, индуктивного и емкостного сопро-
тивлений, показанную на рис. 8.1. Такая цепь называется
последовательным колебательным контуром. Пусть бу-
дет задан ток и попробуем найти входное напряжение
этой цепи, для чего построим векторную диаграмму. Па-
дение напряжения на активном сопротивлении совпадает
по фазе с током, падение напряжения на индуктивном
сопротивлении опережает ток на 90 °, а падение напря-
жения на емкостном сопротивлении отстает по фазе от
тока на 90 °. Результирующее напряжение равно геомет-
рической сумме этих трех векторов. В данном случае ин-
дуктивное сопротивление было принято больше емкост-
ного.
В связи с тем, что вектор результирующего напря-
жения является гипотенузой прямоугольного треуголь-
ника, один из катетов которого представляет собой па-
дение напряжения на активном сопротивлении, другой
катет является разностью между падениями напряже-
96
Рис. 8.1. Последовательный
колебательный контур
U ис
Рис. 8.2. Резонанс
напряжений
ния на индуктивном и емкостном сопротивлениях, а все
напряжения пропорциональны току, можно найти полное
сопротивление цепи:
Представляет интерес случай, когда индуктивное со-
противление цепи равно емкостному сопротивлению. При
этом, как показано на рис. 8.2, все приложенное напря-
жение падает на активном сопротивлении, падения на-
пряжения на катушке и конденсаторе могут значитель-
но превышать приложенное напряжение, а ток и при-
ложенное к цепи напряжение совпадают по фазе. Такое
явление соответствует резонансу и имеет огромное прак-
тическое применение в радиотехнике и электронике. Ре-
зонанс наступает при определенной частоте, на которой
индуктивное и емкостное сопротивления оказываются
равными. Эта частота называется резонансной и может
быть найдена по формуле
“”~)Ж и™ ''"“SvW'- (8-2’
Если индуктивность выражена в Гн, а емкость — в Ф,
угловая частота получается в рад/с, а частота — в Гц.
Выражение для полного сопротивления цепи (8.1)
можно преобразовать следующим образом:
4—2085
97
и ввести такие обозначения:
]/^=Р. (8.3)
ц %
<о0 (О
где р называется волновым сопротивлением и выража-
ется в омах, а у — безразмерная величина, называемая
относительной расстройкой. Тогда выражение для пол-
ного сопротивления цепи можно записать следующим об-
разом:
z=/7q^v=r j/T+572.
Отношение волнового сопротивления к активному на-
зывается добротностью и обозначается буквой Q. Тогда
окончательно получим:
2=rj/l+QV. (8.5)
Попробуем оценить физический смысл полученных
формул. Резонансная частота обратно пропорциональна
значениям индуктивности и емкости цепи, если извле-
кать из их значении квадратный корень. Значит, для уве-
личения частоты резонанса, скажем, в 2 раза индуктив-
ность или емкость нужно уменьшить в 4 раза. Относи-
тельная расстройка представляет собой меру отклонения
фактической частоты протекающего в цепи тока от ре-
зонансной частоты, которая определяется индуктивно-
стью и емкостью этой цепи. Относительная расстройка
может быть положительной, когда частота тока боль-
ше резонансной частоты, и отрицательной, когда частота
меньше резонансной. В связи с тем, что угловая часто-
та связана с частотой постоянным коэффициентом 2л, в
формуле (8.4) вместо угловой частоты можно использо-
вать частоту: относительная расстройка от этого не из-
меняется. Чем больше индуктивность при постоянной
емкости или чем меньше емкость при постоянной индук-
тивности, тем больше волновое сопротивление. В связи
с тем, что произведение индуктивности на емкость опре-
деляет резонансную частоту, а их отношение — волно-
вое сопротивление, заданное значение частоты резонанса
можно получить при самых разных значениях индуктив-
ности и емкости, подчиняя их выбор нужному значению
98
волнового сопротивления. Так, если заданы угловая ча-
стота и волновое сопротивление, индуктивность и ем-
кость для резонанса на этой частоте можно найти по
формулам:
С==—~ = —Г—; £=-₽_=—₽— (8.6)
(О0р 2.с/0р (О0 2к/0
Если заданы резонансная частота и одна из двух ре-
активностей (индуктивность или емкость), другую реак-
тивность можно найти по формулам:
1 1
С = ——; .
Поэтому, подставив поочередно эти значения реактив-
ностей в формулу для определения волнового сопротив-
ления, получим:
P=v=-V- («•»)
Таким образом, волновое сопротивление представля-
ет собой индуктивное сопротивление катушки и емкост-
ное сопротивление конденсатора на частоте, равной ре-
зонансной. Они, естественно, равны, так как это равен-
ство и является непременным условием резонанса. Из
векторной диаграммы рис. 8.1 и из формулы (8.5) вид-
но, что при резонансе полное сопротивление минималь-
но и равно активному сопротивлению, так как расстрой-
ка равна нулю. Чем больше отклонение частоты от ре-
зонансной, чем больше относительная расстройка, тем
больше полное сопротивление. При этом полное сопро-
тивление не зависит от знака расстройки, так как она
входит в формулу в квадрате.
В связи с тем, что добротность показывает, во сколь-
ко раз волновое сопротивление больше активного, а вол-
новое сопротивление — это реактивное сопротивление ин-
дуктивности или емкости при резонансе, согласно вектор-
ной диаграмме рис. 8.2 добротность показывает также,
во сколько раз напряжение на индуктивности или емко-
сти больше напряжения на активном сопротивлении или
входного напряжения при резонансе. Обычно на радио-
частотах (в диапазонах длинных, средних и коротких
волн) добротность имеет порядок ста. Таким образом,
при резонансе напряжения на индуктивности и емкости
4
99
Рис. 8.3. Зависимости тока
от расстройки
Рис. 8.4. Зависимости сопро-
тивлений от частоты
при такой добротности оказываются в 100 раз больше
входного напряжения.
Если на вход последовательного контура подать фик-
сированное напряжение и изменять частоту этого напря-
жения, сила тока будет иметь максимум на резонансной
частоте, на которой полное сопротивление контура ми-
нимально. В связи с гем, что полное сопротивление на
резонансной частоте равно акiявному сопротивлению,
сила тока получается равной отношению входного на-
пряжения к активному сопротивлению. На рис. 8.3 по-
казано изменение относительного значения силы тока
последовательного контура в зависимости от расстройки
при разных значениях добротности, определенное как от-
ношение силы тока при данной расстройке к силе тока
при расстройке, равной нулю. Такие кривые называются
резонансными кривыми или амплитудно-частотными ха-
рактеристиками (АЧХ). Иногда их называют просто ча-
стотными характеристиками.
Для иллюстрации на рис. 8.4 приведены зависимости
индуктивного, емкостного и полного сопротивлений от
частоты для последовательного контура, состоящего из
индуктивности 300 мкГн, емкости 1000 пФ и активного
сопротивления 20 Ом. Резонансная частота такого кон-
тура, определенная по формуле (8.2), составляет
290,5 кГц, волновое сопротивление — 548 Ом, доброт-
ность — 27,4.
100
Часто вместо добротности контура используется по-
нятие его затухания, представляющее собой величину,
обратную добротности. Затухание, так же как доброт-
ность, является величиной безразмерной и обозначается
буквой di
d=-^. (8.9)
Резонанс в последовательном колебательном контуре
называют последовательным резонансом или резонан-
сом напряжений, так как напряжения на индуктивности
и емкости противоположны по фазе и взаимно вычита-
ются, а при резонансе эта разность равна нулю.
8.3. ПАРАЛЛЕЛЬНЫЙ КОЛЕБАТЕЛЬНЫЙ КОНТУР
Рассмотрим два соединения активного и реактивного
сопротивлений (рис. 8.5). Оказывается, что в большинст-
ве практических случаев, встречающихся в радиотехни-
ке, одно из -лих соединений можно заменять другим.
Для определения формул nepecae'ia найдем полное соп-
ротивление каждого соединения и приравняем их. Сог-
ласно формулам (7.9) и (7.10) можно записать: х
Освободимся от иррациональности в знаменателе и воз-
ведем обе части равенства в квадрат:
R' I № (R2-\-X2)2
В большинстве случаев при параллельном соедине-
нии активное сопротивление значительно больше реак-
тивного. Поэтому в знаменателе реактивным сопротив-
лением можно пренебречь:
2 . .. А^(/?2+%2) 2 , 2 X* , v2
г2-\-х2 - —-———L или г2-4-х2—---------'ГХ2.
R2 R2 1
В обоих частях полученного равенства содержатся
активная и реактивная составляющие, которые можно
приравнять раздельно:
г2 — ——; х2 ---X2 или г= —; х=Х. (8.10)
A2 R А /
101
Рис. 8.5. Экви-
валентные цепй
Рис. 8.6. Параллельный ко-
лебательный контур
Если процесс рассматривается вблизи резонансной
частоты, реактивное сопротивление равно волновому и
тогда:
г = —; х=Х или /? = —; (8.11)
Н г
Таким образом, параллельное соединение активного
и реактивного сопротивлений можно заменять последо-
вательным соединением, и наоборот с пересчетом величи-
ны активного сопротивления. Хотя на схеме рис. 8.5 в
качестве реактивного сопротивления была изображена
индуктивность, при расчете использовалось значение
реактивного conpoiпиления, независимо от того, индук-
тивное оно или емкостное. Поэтому формулы (8.11)
справедливы и для использования емкости.
Рассмотрим параллельное соединение активного, ин-
дуктивного и емкостного сопротивлений, показанное на
рис. 8.6, которое называется параллельным контуром.
Напряжения на всех элементах равны. На векторной ди-
аграмме ток через резистор совпадает по фазе с напряже-
нием, а токи через реактивные сопротивления сдвинуты
на 90° относительно напряжения, при этом взят случай,
когда индуктивное сопротивление больше емкостного,
поэтому индуктивный ток меньше емкостного. Входной
суммарный ток находится как гипотенуза прямоуголь-
ного треугольника, одним из катетов которого является
ток через активное сопротивление, а другим — раз-
ность реактивных токов. На рис. 8.7 приведена вектор-
ная диаграмма в случае резонанса, когда равны реак-
тивные сопротивления. В параллельном контуре резо-
нанс называют параллельным или резонансом токов, так
как при резонансе разность противоположных но фазе
индуктивного и емкостного токов равна нулю.
102
Попробуем найти полное сопротивление такого кон-
тура как сопротивление параллельных ветвей:
В связи с тем, что ХеХь= — =р2 и, кроме того, как
О) С
было показано при рассмотрении последовательного кон-
тура:
Xl-Xc^L - -L=P{/>
соС
можно записать:
Добротность выше была определена как отношение
волнового сопротивления контура к активному сопротив-
лению, включенному в контур последовательно. Если ак-
тивное сопротивление подключено к контуру параллель-
но, то, согласно формуле (8.11), его можно пересчитать
в последовательно включенное сопротивление или для
параллельно подключенного активного сопротивления
считать, что добротность контура равна отношению ак-
тивного сопротивления к волновому:
— = У»+<32уг или z = (8.12)
z R +
Видно, что полное сопротивление параллельного кон-
тура при резонансе, когда относительная расстройка рав-
на пулю, максимально. На рис. 8.8 показана зависимость
полного сопротивления параллельного контура, состоя-
щего из индуктивности 300 мкГн, емкости 1000 пФ и ак-
тивного сопротивления 15 кОм, от частоты. При резонан-
се полное сопротивление параллельного контура равно
активному сопротивлению, подключенному к контуру.
Иногда оно может быть неизвестно, но известна доброт-
ность контура. В этом случае полное резонансное сопро-
тивление контура определяется произведением доброт-
ности на волновое сопротивление:
Z0=QP. ’ (8.13)
103
Рис. 8.8. Зависимость полного
сопротивления от частоты
Рис. 8.7. Резонанс токов
Если задан фиксированный входной ток контура, на-
пряженно на контуре определяется произведением вход-
ного зона на полное сопротивление. Тогда зависимость
напряжения на контуре от частоты имеет такую же фор*
му, как и полное сопротивление (рис. 8.8). Практически
такую же форму имеют зависимости напряжений на ин-
дуктивности и емкости от частоты в последовательном
контуре. Только при малых добротностях контуров ча-
стоты максимумов напряжений на индуктивности и емко-
сти последовательного контура не совпадают с резонан-
сной частотой. При этом максимум напряжения на ем-
кости имеет место на частоте, несколько меньшей, чем
резонансная, а максимум напряжения на индуктивно-
сти — на частоте, несколько большей, чем резонансная.
Это связано с тем, что, хотя максимум тока соответст-
вует резонансной частоте, с увеличением частоты емко-
стное сопротивление уменьшается, а индуктивное — уве-
личивается. Поэтому максимумы смещаются. Величина
такого смещения зависит от добротности контура: чем
больше добротность, тем меньше смещение максимумов
от резонансной частоты. Уже при добротности контура,
равной 25, смещение максимумов относительно резонан-
сной частоты не превышает 0,04 %.
104
8.4. СОБСТВЕННОЕ И ВНОСИМОЕ ЗАТУХАНИЕ
При рассмотрении процессов, происходящих в после-
довательном и параллельном контурах, было показано,
что добротность контура зависит от активного сопротив-
ления, входящего в контур. Добротность представляет
собой крайне важную характеристику контура, так как
напряжения на реактивностях в последовательном кон-
туре или токи в реактивных цепях параллельного конту-
ра пропорциональны добротности. В рассмотренных схе-
мах контуров активное сопротивление входило в состав
контура в виде конкретного резистора. Возникает вопрос,
можно ли полностью избавиться от активного сопротив-
ления, собрав контур только из индуктивности и емкости.
Оказывается, сделать это невозможно.
Дело в том, что катушка индуктивности намотана
проводом, который обладает определенным сопротивле-
нием постоянному току, называемым омическим. Помимо
этого, при прохождении переменного тока по проходу
катушки возникает электромагнитное иоле, которым в
самом проводе наводился электродвижущие силы индук-
ции, что приводит к появлению в толще провода замкну-
тых поперечных токов. Такие токи называют вихревыми,
они приводят к дополнительному нагреву провода, то
есть вносят в катушку дополнительное сопротивление.
Чем больше частота переменного тока в катушке, тем
больше вихревые токи и больше вносимое ими сопро-
тивление.
Наконец, вихревые токи препятствуют равномерному
распределению тока по поперечному сечению провода:
чем больше частота, тем сильнее ток вытесняется на по-
верхность. Это явление называется поверхностным эффек-
том и объясняется наличием индуктивности провода. При
изменении тока ЭДС самоиндукции направлена против
него. Электрическое поле самоиндукции имеет наиболь-
шую напряженность по оси провода, что связано с тем,
что осевую линию охватывают все кольцевые магнитные
силовые линии. Поверхностный же слой провода охваты-
вается меньшим количеством силовых линий — его не
охватывают те силовые линии, которые находятся внут-
ри провода. В качестве примера можно указать, что на
частоте 1 МГц глубина проникновения тока в медном
проводе оказывается менее 0,07 мм. Конечно же это
увеличивает сопротивление провода на высокой частоте.
105
Конденсаторы также нельзя считать приборами, об-
ладающими идеальной емкостью. Диэлектрик, помещен-
ный между пластинами конденсатора, обладает не бес-
конечно большим сопротивлением. Таким образом, кон-
тур имеет активное сопротивление, которое на высокой
частоте может значительно превышать омическое сопро-
тивление провода катушки индуктивности. Поэтому кон-
тур даже при отсутствии в его составе резисторов обла-
дает определенной добротностью за счет наличия собст-
венного активного сопротивления. С увеличением часто-
ты это сопротивление растет. Однако нельзя считать,
что добротность должна падать (подразумевается ак-
тивное сопротивление, включенное в контур последова-
тельно). Если увеличения резонансной частоты добивать-
ся за счет уменьшения емкости, сохраняя индуктивность
постоянной, одновременно будет увеличиваться и волно-
вое сопротивление контура. Поэтому характер изменения
добротности зависит от того, что быстрее увеличивается
с ростом частоты — активное сопротивление или волно-
вое.
Помимо собственного активного сопротивления кон-
тура при его использовании в каком-либо устройстве
почти всегда к нему параллельно присоединены другие
элементы схемы, в частности резисторы. Если рассмат-
ривать параллельный контур, эти резисторы оказывают-
ся подключены параллельно активному сопротивлению
контура Ro, что приводит к уменьшению результирую-
щего сопротивления, которым определяется добротность.
Для того чтобы иметь возможность оценить влияние
внешних сопротивлений, вводят понятие собственного и
вносимого затуханий. Собственное затухание контура оп-
ределяется его собственным активным сопротивлением.
Если это сопротивление включено в контур последова-
тельно (например, активное сопротивление катушки ин-
дуктивности), а обычно так и бывает, потому что актив-
ным сопротивлением конденсатора почти всегда можно
пренебречь, собственное затухание находится по форму-
ле
4, = —• (8Л4)
Р
Если в контуре используется конденсатор с низким со-
противлением изоляции, это сопротивление оказывается
подключенным к контуру параллельно. Тогда собствен-
106
ное затухание контура за счет этого конденсатора на-
ходится по формуле
4)==~-- (8.15)'
'Ч)
Если контур одновременно имеет и активное сопротив-
ление катушки индуктивности г0, и сопротивление изоля-
ции конденсатора RQt собственное затухание находится
как сумма этих двух затуханий.
Когда к контуру в схеме оказывается подключено
сопротивление какого-то внешнего резистора, которое
шунтирует контур это сопротивление обусловливает
появление вносимого затухания:
4ВН=/-. (8.16)
При наличии двух или нескольких резисторов, под-
ключенных параллельно контуру, можно находить зату-
хание, вносимое каждым из них, и затем их просумми-
ровать. Общее результирующее' затухание контура на-
ходится сложением собе таенного и вносимого затуханий:
б/-— ^о+^вн* (8.17)
После того как найдено полное затухание контура, его
добротность с учетом вносимых затуханий можно най-
ти, взяв обратную величину, то есть поделив единицу на
полное затухание.
8.5. ПОЛОСА ПРОПУСКАНИЯ КОНТУРА
Па рис. 8.3 были показаны резонансные кривые кон-
туров при различных значениях их добротности. Чем
больше добротность контура, тем резонансная кривая
оказывается уже. Для оценки ширины резонансной кри-
вой используется понятие полосы пропускания контура.
Полосой пропускания называется интервал частот вбли-
зи резонансной частоты, на границах которого амплиту-
ды тока или напряжения уменьшаются до 0,707 от их
значения при резонансе. Это соответствует уменьшению
мощности в два раза. На рис. 8.9 показан способ опре-
деления полосы пропускания по резонансной кривой.
Полоса пропускания обозначается буквой П и измеряет-
ся в Гц (кГц, МГц), как и частота. Можно доказать,
что если известны резонансная частота контура и его
107
Рис. 8.9. К определению полосы пропу*
екания
добротность или затухание, поло-
са пропускания находится путем
перемножения резонансной ча-
стоты на затухание:
n=~fod. (8.18)
Знание полосы пропуска-
ния контура крайне важно при
разработке радиотехнических
устройств, содержащих колебательные контуры, так как
большинство таких устройств должны быть рассчитаны
на прохождение сигналов не одной определенной часто-
ты, а целого спектра частот, лежащих вблизи резонанс-
ной. Если полоса пропускания контура будет уже необ-
ходимой, крайние частоты этого спектра будут излишне
ослаблены. Если же полоса пропускания окажется шире
необходимой, устройство будет пропускать помехи, ча-
стоты которых находятся вне полезного спектра. При
необходимости можно воздействовать па полосу пропу-
скания как в сторону ее 'сужения, так и в сторону ее
расширения. Нели необходимо сузить полосу пропуска-
ния, нужно уменынн'1ь :<;пухание (увеличить доброт-
ность) контура, например, путем увеличения индуктив-
ности и соответствующею уменьшения емкости для со-
хранения прежней резонансной частоты. Если же необ-
ходимо расширить полосу пропускания, этого легко
достигнуть подключением к контуру дополнительного
шунтирующего резистора.
Зная фактическое затухание контура, определив его
по формуле (8.18) и найдя нужное затухание по той же
формуле для получения требуемой полосы пропускания,
можно определить их разность, то есть дополнительное
затухание, вносимое параллельным резистором. Сопро-
тивление этого резистора легко находится по формуле
(8.16). Шунтирование контуров резисторами в целях
расширения их полосы пропускания широко использует-
ся в радиоаппаратуре, например в телевизионных и ра-
диолокационных приемниках.
Необходимо сделать одну оговорку. Иногда опреде-
ляют полосу пропускания не на уровне 0,707 от значе-
ния тока или напряжения при резонансе, а на другом
108
уровне, обязательно оговаривая это. Для такой полосы
пропускания, конечно, формула (8.18) непригодна. Если
уровень определения полосы пропускания не указан, это
означает, что она определена на уровне 0,707.
8.6. СВЯЗАННЫЕ КОНТУРЫ
Колебательный контур представляет собой частотно-
избирательную систему, так как лучше пропускает сиг-
налы, частоты которых лежат в его полосе пропускания,
и хуже — помехи, находящиеся вне полосы пропускания,
ослабляя их. Идеальной характеристикой такого частот-
ного фильтра была" бы характеристика, имеющая пря-
моугольную форму с плоской вершиной и крутыми скло-
нами. Тогда сигналы с частотой внутри полосы пропус-
кания проходили бы без ослабления, а помехи с часто-
той вне полосы пропускания подавлялись. Однако
форма частотной характеристики одиночного контура
весьма далека от идеальной. Значительно ближе к пря-
моугольным характерце гики систем из двух колебатель-
ных контуров. Иа рис. 8.10 приведены схемы двухконтур-
ных полосовых филыров с разными способами связи
между контурами (буквой М обозначена взаимная ин-
дуктивность между катушками). При одинаковых кон-
турах коэффициент связи между ними (k) для схемы а
равен отношению взаимной индуктивности к индуктивно-
сти контура, для схемы б — отношению емкости связи
к емкости контура, для схемы в — отношению емкости
контура к емкости связи. Для индуктивно-емкостной свя-
зи выражение для коэффициента связи сложнее и при-
водить его не будем. Коэффициент передачи системы из
двух одинаковых связанных контуров (отношение вы-
ходною напряжения U2 к входному будет равен
п ^2)2+4^2- V • /
Форма частотной характеристики зависит от соотно-
шения между коэффициентом связи и затуханием конту-
ров. С увеличением коэффициента связи резонансный
коэффициент передачи растет, достигая максимума при
k=d, а частотная характеристика имеет один максимум
(одногорбая). При дальнейшем увеличении коэффициен-
та связи характеристика становится двугорбой (два мак-
симума с провалом на частоте резонанса), глубина про-
109
Рис. 8.10. Виды связи между контурами:
а — индуктивная; б — внешне-емкостная; в — внутренне-емкостная; г — индук-
тивно-емкостная
вала растет, а горбы раздвигаются. Уровень горбов ос-
тается постоянным.
На рис. 8.11 показаны характеристики двух связан-
ных контуров с индуктивностями 300 мкГн, емкостями
Рис. 8.11. АЧХ полосовых
фильтров
1000 пФ и активными со-
противлениями 20 Ом (зату-
хание 0,0365) при разных
коэффициентах связи. Здесь
же показана характеристик
ка аналогичного одиночного
контура, уменьшенная вдвое
но высок' для сравнения.
Если сравни гь се с характе-
ристикой двухконтурного
фильтра при коэффициенте
связи, равном затуханию-,
видно, что характеристики
двухконтурной системы
обладают более плоскими вершинами и более крутыми
склонами. Характеристики приведены только для поло-
жительных значений относительной расстройки. В обла-
сти отрицательных расстроек кривые располагаются
симметрично показанным.
В связи с тем, что при равенстве коэффициента свя-
зи затуханию происходит переход от одногорбой харак-
теристики к двугорбой, такая связь между контурами
называется критической.
Если в формуле (8.19) положить расстройку равной
нулю, получится выражение для коэффициента переда-
чи при резонансе:
sb <8 20>
При критической связи резонансный коэффициент пе-
редачи максимален, и таков же коэффициент передачи
при связи больше критической и расстройках, соответст-
вующих горбам:
Кта< = ~~‘ (8.21)
(8.23)
Значения расстроек, соответствующих горбам ЛЧХ:
г/г=±|/*2-^. (8.22)
Коэффициент передачи одиночного контура может
быть найден по следующей формуле’ }
К = 1
п
В заключение следует заметить, что вычисление от-
носительной расстройки но формуле (8.4) при малых
расстройках может приводить к значительным ошибкам
из-за близких значений слагаемых. Поэтому целесооб-
разнее пользоваться приближенной формулой
2(<о-<^) = 2(f—/о)
/о
(8.24)
8.7. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РЕЗОНАНСА В РАДИОТЕХНИКЕ
Трудно преувеличить роль резонансных явлений при
их использовании в радиотехнике. Все радиопередатчики
и радиоприемники — связные, вещательные, телевизион-
ные, радиолокационные и другие — обязательно содер-
жат колебательные контуры. Это необходимо для того,
чтобы передатчик излучал сигналы в пределах узкого
частотного спектра, а приемник мог выделить из мно-
жества сигналов, излучаемых разными передатчиками,
только сигнал нужного корреспондента, а остальные зна-
чительно ослабить. Для осуществления этих целей в
радиоаппаратуре используются самые различные резо-
нансные системы от одиночных контуров до фильтров
сосредоточенной селекции, содержащих сложные системы
соединений индуктивностей, емкостей и активных сопро-
тивлений. Задачей разработчика при создании таких
Ш
фильтров является получение АЧХ, приближающейся по
форме к идеальной, с наиболее плоской горизонтальной
вершиной в пределах заданной полосы пропускания и
наиболее крутыми склонами для максимального ослаб-
ления помех, частоты которых могут примыкать к грани-
цам полосы пропускания.
Наряду с использованием резонансных систем, со-
держащих индуктивности и емкости, широко использу-
ются их аналоги в виде кварцевых резонаторов, электро-
механических фильтров (ЭМФ), фильтров на поверхно-
стно-акустических волнах (ПАВ), которые обладают
большими достоинствами: высокой стабильностью харак-
теристик, чрезвычайно высокой добротностью и воз-
можностью применения передовой технологии изготов-
ления.
На явлении электрического резонанса основаны прин-
ципы действия феррорезонансных стабилизаторов на-
пряжения. Явление резонанса лежит в основе исправле-
ния коэффициента мощности потребителей электроэнер-
гии путем подключения к ним конденсаторов.
8.8. РЕШЕНИЕ КОНТРОЛЬНЫХ ЗАДАЧ
Задача 8.1. Найти резонансную частоту последова-
тельного контура, образованного индуктивностью 20
мкГн и емкостью 150 нФ. Онречелп i ь полное сопротив-
ление контура при резонансе, если его добротность рав-
на 120.
Решение. Находим резонансную частоту контура по
формуле (8.2):
Л=о—=-----------— 1 2,91 МГц.
10 ^yLC 2^/20-10-6.150-10-12
Находим волновое сопротивление контура по формуле
.(8.8):
р=2</=2к-2,91 • 106-20- 10-G=365 Ом.
Определяем активное сопротивление контура и равное
ему полное сопротивление при резонансе:
г = -?- = —5 =3,04 Ом.
Q 120
Задача 8.2. К параллельному контуру, состоящему
из индуктивности 20 мкГн и емкости 150 пФ и имеюще-
112
му добротность 120, подключен параллельно дополни-
тельный резистор сопротивлением 120 кОм. Найти ре-
зультирующую добротность контура.
Решение, Из решения задачи 8.1 известно волновое
сопротивление контура 365 Ом. Находим собственное за-»
тухание контура по формуле (8.9):
d0 = — = — =0,00833.
0 Q 120
Находим затухание, вносимое в контур резистором по
формуле (8.16):
dm = Л- = - -61?— =0,00304.
вн ₽ш 12010»
Находим полное затухание контура по формуле (8.17):
rf=tfo+dBH=O,00833+0,00304-0,01137.
Определяем результирующую добротность контура по
формуле (8.9):
Q
-------87,95.
0,01137
Задача 8.3. Подобрать значения индуктивности и
емкости контура на резонансную частоту 465 кГц и вол-
новое сопротивление 500 Ом.
Решение. Находим индуктивность и емкость конту-
ра по формулам (8.6):
500
L=—
с= —
-1,71-10- 'Гн-171 мкГн,
2к • 465 • 103
1
6,85-10-10Ф=б85 пФ.
2*.465-103-500
Задача 8.4 Два индуктивно связанных контура с
индуктивностями 171 мкГн, емкостями 685 пФ и актив-
ными сопротивлениями катушек 4 Ома должны иметь
двугорбую АЧХ с максимумами на частотах, отличаю-
щихся от резонансной на 4 кГц. Определить необходи-
мый коэффициент связи между катушками и коэффи-
циенты передач при резонансе и на максимумах.
Решение. Из решения задачи 8.3 известны резонанс-
ная частота контуров 465 кГц и волновое сопротивление
500 О+ Находим собственные затухания контуров по
формуле (8.14):
113
cL = — = — =0,008.
0 p 500
Находим необходимую относительную расстройку, соот*
ветствующую максимумам АЧХ, по формуле (8.24):
= 2.(/-/о). = 2-4-103 q172
/о 465-103
Определяем коэффициент связи по преобразованной фор-*
муле (8.22):
k== ]/у2 + й!2 = )/0101722+010082==0)019#
Находим коэффициент передачи при резонансе по фор*?
муле (8.20):
К„„- - °-0'9 -44,7.
0,01924-0,0082
Находим коэффициент передачи на максимумах по форм
муле (8.21):
Ктах = — =---------=62,5.
тах 2d 2-0,008
9. НЕСИНУСОИДЛЛЬНЫЕ ТОКИ
9.1. ПОНЯТИЕ ОБ ИМПУЛЬСНОЙ ТЕХНИКЕ
До сих пор нами рассматривался переменный ток,
имеющий синусоидальную форму. Однако в жизни с си-
нусоидальной формой тока или напряжения приходится
иметь дело крайне редко. Даже форма напряжения в
осветительной сети заметно отличается от синусоидаль-
ной. Что же касается формы звуковых колебаний — пев-
ческого голоса или звуков музыкальных инструментов,
то она обычно вовсе не похожа ни синусоиду. Так, на
рис. 9.1 показана форма звуковых колебаний, издавае-
мых роялем (а) и кларнетом (б) при одной и той же
звучащей ноте. Видно, что оба колебания являются пе-
риодическими. Период колебания несинусоидальной фор-
мы определяется длительностью минимального интер-
вала, форма которого периодически повторяется. По ана-
логии с синусоидальными колебаниями величина, обрат-
ная периоду, называется частотой повторения. У
звуковых колебаний частота повторения определяет вы-
114
Ч/ъЫ
Л
Риа. 9.2. Параметры им*
пульсного напряжения
Рис. 9.1. Форма му-
зыкальных колебаний
рояля (а) и кларне-
та (б)
соту тона: басовые ноты обладают низкой частотой пов-
торения, дискантные—высокой. Как видно, оба приве-
денных колебания имеют одинаковую частоту повторе-
ния, то есть соответствуют звукам одной и той же ноты.
Однако на слух, даже не зная формы колебаний, слуша-
тель безошибочно определи г, звучит ли рояль или клар-
нет. Это оказываемся возможным благодаря различным
тембрам звучания лих инструментов. Форма колебаний
и определяет тембр звука.
Особое значение среди электрических колебаний не-
синусоидальной формы занимают импульсные напряже-
ния и токи. Импульсное напряжение (или ток) харак-
терны тем, что определенную часть периода напряжение
отсутствует (равно нулю), что соответствует паузе, и не
равно нулю в течение остальной части периода. На
рис. 9.2 показана импульсная последовательность, кото-
рая характеризуется амплитудой импульсов (/7т), пе-
риодом повторения (Т) и длительностью импульсов
(т). Как длительность импульсов, так и период повторе-
ния измеряются в единицах времени. Период повторения
состоит из длительности импульса и длительности
паузы.
В общем случае форма импульсов может быть самой
разнообразной, однако наибольшее практическое приме-
нение нашли импульсы прямоугольной формы, позво-
ляющие сконцентрировать энергию в течение минималь-
ного интервала времени, соответствующего длительности
импульса. Впервые прямоугольные импульсы начали ис-
пользоваться в радиолокации и телевидении, затем они
стали применяться в многоканальной связи, в вычисли-
115
тельной технике и в других областях. В качестве при-
мера на рис. 9.3 показаны прямоугольные импульсы ам-
плитудой 5 В, длительностью 200 мкс и периодом повто-
рения 1 мс, то есть частотой повторения 1000 Гц, Для
характеристики соотношения между периодом повторе-
ния и длительностью импульсов, которое определяет
энергетические преимущества импульсов перед непре-
рывным сигналом, вводится понятие скважности — без-
размерной величины, равной отношению периода к дли-
тельности:
/’
(9J)
Так, для показанных на рис. 9.3 импульсов скважность
равна 5.
Если при постоянном периоде повторения увеличи-
вать длительность импульсов, скважность уменьшается,
Минимальное возможное значение скважности равно
двум. При такой скважности длительность импульсов
равна длительности паузы или ровно вдвое меньше пери-
ода повторения. Форма прямоугольных импульсов при
скважности, равной двум, называется меандром (древ-
нее название реки Большой Мендерес в Турции, отли-
чающейся обилием извилин).
Помимо приведенных параметров импульсы характе-
ризуются также полярностью — положительной или от-
рицательной в зависимости от того, положительно или
отрицательно напряжение (или ток) в течение импуль-
са. Когда все импульсы последовательности имеют оди-
наковую полярность, они называются униполярными,
116
когда же полярность импульсов чередуется — биполяр-
ными. Если попытаться увеличивать длительность им-
пульсов сверх половины периода повторения, добиваясь
Получения скважности менее двух, пауза станет меньше
длительности импульсов. При этом можно считать, что
импульс превращается в паузу, а пауза — в импульс об-
ратной полярности. Таким образом, скважность умень-
шается до двух, а затем вновь начинает расти.
9.2. ПОНЯТИЕ О ГАРМОНИЧЕСКОМ АНАЛИЗЕ
Математически доказано, что путем разложения
Фурье любая несинусоидальная функция может быть
представлена суммой синусоид, которые называются гар-
мониками. Поясним это следующим примером. На
рис. 9.4 показаны две синусоиды: 1 — амплитудой 2,5 В
И частотой 1000 Гц, 2 — амплитудой 1 В и частотой
2000 Гц. Если сложить их мгновенные значения в каж-
дый момент времени, получится несинусоидальная кри-
вая 3. Таким образом, данную несниусондальную кри-
вую можно представи 11, суммой двух гармоник: первой
гармоники, часкна шпорой равна частоте повторения не-
синусоидалыюй криво!!, и второй гармоники, частота ко-
торой в два раза больше. Если известно математическое
выражение несинусоидальной функции, с помощью оп-
ределенных формул, которые здесь рассматривать не бу-
дем, .можно определить все параметры гармоник этой
функции. На практике для этого пользуются специаль-
ными приборами, которые называются анализаторами
спектра.
Форма песинусоидальной функции зависит не толь-
ко от амплитуд и частот гармонических составляющих,
Рис. 9.6. Спектральная харак-
теристика
117
а также от начальных фаз каждой из высших гармоник
по отношению к первой гармонике. На рис. 9.5 показаны
те же две синусоиды, но вторая гармоника сдвинута на
1/4 своего периода по фазе. Форма результирующей
кривой при этом оказывается совершенно другой, чем
на рис. 9.4.
Периодически повторяющаяся несинусоидальная
функция всегда содержит первую гармонику, частота ко-
торой равна частоте повторения этой функции, а также
высшие гармоники: вторую, третью и последующие. Но-
мер гармоники показывает, во сколько раз ее частота
больше частоты первой гармоники. При разложении ко-
личество гармоник может быть ограничено, но может
быть также и. бесконечно большим. С увеличением но-
мера гармоники ее амплитуда, как правило, уменьшает-
ся. Поэтому, начиная с определенного номера гармони-
ки, остальными высшими гармониками из-за малости
их амплитуд можно пренебречь. Сложное колебание не
обязательно должно содержать подряд все гармоники,
отдельные гармонические составляющие могут отсутст-
вовать, то есть иметь амплитуду, равную нулю.
Диапазон основных тонов (нот) музыкальных инст-
рументов и человеческого голоса достаточно узок. Так,
кабинетный рояль, содержащий 7,5 октав, имеет диапа-
зон основных гопов (первых гармоник) всего от 27,5 Гц
(ля субконтроктавы) до 3250 Гц (си 4-й октавы). Более
90 % акустической энергии человеческого голоса прихо-
дится на диапазон частот не более 2000 Гц. Однако за
счет высших гармонических составляющих фактический
диапазон частот, необходимый для сохранения тембро-
вой окраски звука, должен быть значительно шире. В
наши дни его верхняя частота считается не менее 20 кГц,
а для особо высокого качества — не менее 30 кГц.
Рассмотрим далее вопросы гармонического анализа
импульсных напряжений, как наиболее простой несину-
соидальной функции. Для примера возьмем импульсную
последовательность, показанную на рис. 9.3. В первую
очередь необходимо заметить, что униполярная импуль-
сная последовательность обладает постоянной составля-
ющей, которая для прямоугольных импульсов равня-
ется:
Ц>=-^. (9-2)’
118
В данном случае, как легко убедиться, постоянная сос-
тавляющая равна 1 В. Если поднять горизонтальную ось
времени до уровня в 1 В, площадь под импульсом от
приподнятой оси будет равна площади над паузой до
той же оси.
Как уже было замечено, первая гармоника должна
иметь частоту, равную частоте повторения импульсов.
Частоты остальных гармоник равны произведению ча-
стоты повторения на номер гармоники. Амплитуду каж-
дой гармоники можно определить по формуле
= (9.3)
где Un — аплитуда n-ной гармоники;
п — номер гармоники;
т — длительность импульсов;
Т — период повторения импульсов.
Исходя из формулы (9.3), на рис. 9.6 показана спек-
тральная характеристика импульсной последовательно-
сти» изображенной на рис. 9.3. Ио горизонтальной осн
отложены значения частот гармоник, а по вертикаль-
ной— их амплитуды. Вертикальными линиями показа-
ны гармонические составляющие импульсного спектра.
В связи с тем, что отношение п/Т представляет собой
частоту очередной гармоники, каждый раз, когда эта
частота кратна 1/т, аргумент синуса оказывается крат-
ным л, и огибающая спектральной характеристики, пока-
занная штриховой линией, достигает нуля. Если отноше-
ние Т/т представляет собой целое число, как в рассма-
триваемом примере, амплитуды гармоник, частоты ко-
торых 1/т, 2/т, 3/т и т. д., равняются нулю, то есть эти
гармоники в спектре такой импульсной последователь-
ности отсутствуют.
Основная часть энергии импульсного сигнала сосре-
доточена в тех гармониках, которые расположены под
первой волной огибающей спектральной характеристики.
Поэтому устройство, предназначенное для прохождения
импульсов, должно иметь полосу пропускания, хотя бы
равную 1/т. Если же требуется сохранить высокую вер-
ность формы импульсов, полоса пропускания должна
быть расширена до 2/т и даже до 3/т.
Формула (9.3) позволяет оценить, как изменяется
гармонический состав импульсов при изменениях их па-
раметров. С увеличением амплитуды импульсов пропор-
119
ционально увеличиваются амплитуды всех гармоник, а
также и постоянная составляющая согласно формуле
(9.2). При постоянной длительности и увеличении пе-
риода повторения импульсов (то есть при уменьшении
частоты повторения) гармоники в спектральной характе-
ристике располагаются гуще, а форма огибающей оста-
ется неизменной. Предельному случаю, когда период пов-
торения бесконечно велик или частота повторения равна
нулю, соответствует не периодическая импульсная пос-
ледовательность, а одиночный импульс. При этом ча-
стотный спектр такого импульса из дискретного превра-
щается в сплошной. Одновременно с увеличением перио-
да повторения импульсов уменьшаются амплитуды гар-
моник.
Следует заметить, что положение нулей огибающей
спектральной характеристики от амплитуды и периода
повторения не зависит и определяется только длитель-
ностью импульсов. При увеличении длительности им-
пульсов нули огибающей сдвигаются влево, а при ме-
андре обращаются в нуль все четные гармоники, и пер-
вая волна спектральной характеристики содержит толь-
ко первую гармонику. Все остальные волны содержат
тоже только по одной гармонике. Одновременно увели-
чиваются амплитуды । армоник. При уменьшении дли-
тельности импульсов пули огибающей спектральной ха-
рактеристики сдвигаются вправо, п для прохождения им-
пульсов через какое-либо устройство приходится рас-
ширять его полосу пропускания. Для сохранения
хорошей крутизны фронтов прямоугольных импульсов
полоса пропускания должна соответствовать гармони-
кам, амплитуды которых хотя бы в 10 раз меньше амп-
литуды первой гармоники.
9.3. ПЕРЕХОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ
Переходными или нестационарными процессами на-
зываются изменения, возникающие в системе под внеш-
ним воздействием, имеющим вид мгновенного скачка от
нуля до некоторой постоянной величины или, наоборот,
от некоторой постоянной величины до нуля. В электри-
ческих цепях переходные процессы возникают при скач-
кообразном приложении постоянного напряжения или
при скачкообразном исчезании напряжения, если цепи
содержат емкости или индуктивности.
120
Так как заряженный конденсатор является накопи-
телем энергии электрического поля, количество электри-
чества и напряжение на не^м не могут изменяться скач-
ком, для их изменения требуется некоторое время. В
связи с тем, что ток, протекающий через индуктивность,
создает магнитное поле, для изменения энергии этого
поля и тока через индуктивность также требуется неко-
торое время. Показателем инерционности электрических
цепей, содержащих емкости или индуктивности и актив-
ные сопротивления, служит специальная характеристика
таких цепей, которая называется постоянной времени,
измеряется в секундах и обозначается греческой буквой
т (тау).
Рассмотрим простейшие цепи, изображенные на
рис. 9.7. В исходном состоянии, показанном на схеме,
источник тока отключен от нагрузки, конденсатор раз-
ряжен, ток через индуктивность отсутствует. Проследим
за переходным процессом, возникающим в цени, содер-
жащей емкость, при нажатии выключателя. В первый
момент напряжение на конденсаторе не изменится и ос-
танется равным пулю. Таким образом, все напряжение
источника тока окажется приложено к резистору и сог-
ласно закону Ома сила начального тока будет равна от-
ношению напряжения источника к сопротивлению рези-
стора. Этим током начнет заряжаться конденсатор и на-
пряжение на нем постепенно будет нарастать. По мере
заряда конденсатора напряжение, приложенное к рези-
стору, будет уменьшаться, соответственно будет умень-
шаться и ток в цени. Когда конденсатор полностью за-
рядится до напряжения источника, ток в цепи прекра-
тится.
а b
Рис. 9.7. К нестационарным
процессам в емкостной (а)
и индуктивной (б) цепях
Рис. 9.8. Осциллограммы не*
стационарных процессов
121
Однако такой полностью установившийся режим дол-
жен наступить через бесконечно большое время после
включения, так как чем ближе напряжение на конден-
саторе к напряжению источника, тем меньше ток заряда.
Выражения для начальных (в момент включения), уста-
новившихся (через бесконечно большое время после
включения) и мгновенных значений тока, а также на-
пряжений на резисторе и конденсаторе приведем в виде
следующих формул:
/0=^; /у=0;/=-^ ’
___________________t
Uro—E\ UR=Ee т *
£/co=O; Ucy=E\ Uc=E(\-e~~}'
1
(9-4)
где e— основание натуральных логарифмов 2,71828;
т— постоянная времени: x=RC.
В качестве примера на рис. 9.8 показаны зависимости
напряжения на конденсаторе (кривая /) и напряжения
на резисторе (кривая .?) для пени, состоящей из источ-
ника тока напряжением 5 В, резистора сопротивлением
1 МОм и конденсатора емкостью 1 мкФ. Такие кривые
называются экспонентами. Экспонента имеет две осо-
бенности, которые полезно запомнить, чтобы приближен-
но изображать ее без расчета по формуле: касательная,
проведенная к экспоненте в ее начале (показана на
рис. 9.8 штриховой линией), пересекает ось времени в
точке, равной постоянной времени; в точке, соответст-
вующей трем постоянным времени, экспонента достига-
ет 95 % своего конечного значения.
Если в той же схеме, после того как конденсатор пол-
ностью зарядился, установить переключатель в исход-
ное, показанное на схеме положение, источник тока от-
ключится от цепи и конденсатор окажется присоединен
к резистору. Начнется разряд конденсатора. По мере
разряда ток и напряжение на конденсаторе будут убы-
вать. Выражения для начальных, установившихся и
мгновенных значений тока и напряжений соответствуют
следующим формулам:
122
t
___ { (9 5)
(Лго—^y=0; UR=-Ee -
U(^E\ Ucy^Q; Uc=Ee~~- I
Отрицательные значения тока здесь указывают, что на-
правление тока обратно показанному на схеме. Отрица-
тельные значения напряжений на резисторе связаны с
тем, что эти напряжения направлены навстречу напря-
жениям на конденсаторе. Для приведенного выше при-
мера зависимость напряжения на конденсаторе при его
разряде соответствует кривой 2 на рис. 9.8, такую же
Зависимость имеет и напряжение на резисторе, но в об-
ратной полярности.
Аналогичные процессы происходят в цепях, содержа-
щих индуктивность и активное сопротивление (рис. 9.7,
б). При включении возникает ЭДС самоиндукции, пре-
пятствуя скачкообразному нарастанию тока, который
увеличивается постепенно. При этом ЭДС самоиндукции
уменьшается В установившемся режиме все напряже-
ние источника приложено к резистору, в цепи течет по-
стоянный ток, напряжение на индуктивности равно нулю.
р р ~~~ 11
/о=О; ’ );
К К I
(9.6)
UЕ\ U,<- Е(\-е t );
__________________________1_
ULQ--=E; ULy=0; UL=Ee . •
Если после того, как настал установившийся режим,
вернуть переключатель в исходное положение (но так,
чтобы в момент переключения не обрывать цепь), источ-
ник тока окажется отключенным, но ток в индуктивности
не может прекратиться скачком, возникнет ЭДС само-
Uw=E-, №У=О; UR=Ee ' ;
Ul^-E\ ULy=0; U1~-E<T^\
.(9.7)
123
индукции обратного знака, поддерживающая ток в преж-
нем направлении. Постепенно ЭДС самоиндукции будет
убывать, ток уменьшаться и в установившемся режиме
прекратится.
Формулы (9.6) и (9.7) отражают тот же экспонен-
циальный закон нарастания 'и спадания токов и напря-
жений, что и формулы (9.4) и (9.5). Различие между
ними состоит в выражении постоянной времени, кото-
рая для соединения индуктивности с активным сопро-
тивлением выражается иначе: х = —Поэтому кривые
изменения напряжений, показанные на рис. 9.8, могут
быть получены при значениях индуктивности, например,
100 Гн и сопротивления 100 Ом.
В связи с тем, что в реальных электрических цепях
всегда имеются индуктивности и емкости, например ин-
дуктивности соединительных проводников и емкости
монтажа, на практике чисто прямоугольных импульсов
со скачкообразными передним и задним-фронтом не бы-
вает. Как передний, так и задний фронты импульсов
обычно представляют собой экспоненты, хотя и с малой
постоянной времени.
9.4. ДИФФ1 РГНЦИРУЮЩШ И ИПТ1-ГРИРУЮ1ЦИЕ ЦЕПИ
Часто в схемах различных ус i poiici в используется
цепь, состоящая из последовательного соединения кон-
денсатора и резистора, показанная на рис. 9.9, на вход
которой поступает импульсное напряжение. Такая цепь
может выполнять одну из двух задач: либо пропустить
через конденсатор к резистору импульсы при минимуме
искажения их формы, либо, наоборот, сильно исказить
форму импульсов, обострив их, пропустив к резистору
лишь фронты. Для минимальных искажений формы им-
пульсов постоянная времени этой цепи должна быть во
много раз больше длительности импульса, чтобы за вре-
мя импульса конденсатор не успевал заметно заряжать-
ся. В этом случае конденсатор выполняет роль разде-
лительного конденсатора, а форма импульсов на рези-
сторе показана сплошной линией.
Иногда, однако, необходимо пропустить через кон-
денсатор только перепады импульсного напряжения,
сделать импульсы острыми и укороченными по длитель-
124
Рис. 9.9. Дифференци-
рующая цепь
Рис. 9.10.
щая цепь
Интегрирую-
ности. В этом случае постоянная времени выбирается
меньше длительности импульсов, а 7?С-цепочка называ-
ется дифференцирующей. Форма выходного импульса
при этом показана штриховой линией. Спад вершины за
время импульса зависит от постоянной времени цепи:
чем меньше постоянная времени, тем больше этот спад.
Дифференцирующая цепочка пропускает только высшие
гармоники импульсного спектра и задерживает низ-
шие.
На рис. 9.10 1акже показана А^С-цепочка, но вклю-
ченная так, что выходной сигнал снимается с емкости.
Такие цепи встречаются повсеместно, когда емкостью яв-
ляются паразитные емкости элементов схемы и емкость
монтажа. Для минимальных искажений формы импуль-
сов постоянная времени цепи должна быть значительно
Рис. 9.11. К использова-
нию интегрирующей цепи
и
меньше длительности импульсов, чтобы емкость полно-
стью и быстрее успела зарядиться за время импульса.
Форма импульса при этом показана сплошной линией.
Иногда же требуется растянуть импульсы во времени,
сгладить их. Тогда постоянную времени увеличивают, а
такая цепь носит название интегрирующей. Форма им-
пульса при этом показана штриховой линией. С помо-
щью интегрирующей цепи можно выделить группу час-
тых импульсов, если вслед за ними следует группа бо-
лее редких импульсов, как показано на рис. 9.11.
125
9.5. РЕШЕНИЕ КОНТРОЛЬНЫХ ЗАДАЧ
Задача 9.1. Схема, показанная на рис. 9.7, а, содер-
жит источник тока напряжением 3 В, резистор сопротив-
лением 100 кОм и конденсатор емкостью 0,5 мкФ. Оп-
ределить время, необходимое для нарастания напряже-
ния на конденсаторе до 1,2 В после включения.
Решение. Находим постоянную времени цепи:
т=/?С=100-103-0,5-10-б=50 мс.
Согласно преобразованной формуле (9.4), находим:
Натуральный логарифм числа определяем по таблицам
или с помощью микрокалькулятора. Находим искомое
время:
/=—т1п0,6=50-0,51=25,5 мс.
Задача 9.2. Схема, показанная на рис. 9.7, б, содер-
жит источник тока напряжением 10 В, катушку индук-
тивностью 20 Гн и резистор сопротивлением 1 кОм. Най-
ти время, необходимое для нарастания напряжения на
резисторе до 9,2 В после включения.
Решение. Находим постоянную времени цени:
Согласно преобразованной формуле (9.6), находим:
-ЬЧ’-тН1-»!-'"m
Находим искомое время:
/=-т1п 0,08=20-2,526=50,5 мс.
Задача 9.3. Импульсы длительностью 10 мкс следуй
ют с частотой повторения 100 Гц. Определить скваж-
ность импульсов.
Решение. Согласно формулам (7.1) и (9.1), находим
скважность:
Q = — =----5---=1000.
Ft 100-10Ю-6
126
10. ТРАНСФОРМАТОРЫ
И АВТОТРАНСФОРМАТОРЫ
10.1. ТРАНСФОРМАЦИЯ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
Основное техническое преимущество переменного то-
ка по сравнению с постоянным состоит в том, что его
силу и напряжение можно в широких пределах преобра-
зовывать (трансформировать) без больших потерь энер-
гии. Нагрев проводов линий электропередач и связанные
с ним потери энергии зависят от силы передаваемого
тока, текущего по этим проводам. Передаваемая же
мощность зависит от произведения силы тока на напря-
жение. Одну и ту же мощность можно передать при ма-
лом напряжении и большой силе тока или при большом
напряжении и малой силе тока. Во втором случае поте-
ри энергии на нагрев проводов будут существенно мень-
ше. Поэтому линии электропередач выполняются высо-
ковольтными, напряжение в них достигает миллионов
вольт. Преобразование напряжения и тока на входе и
выходе линии электропередач производится при помощи
трансформаторов.
Трансформаторы, предназначенные для преобразова-
ния энергии в электрических сетях энергосистем, назы-
ваются силовыми. Также силовыми (иногда — сетевыми)
называют трансформаторы, используемые в различной
аппаратуре, питание которой производится от сети пере-
менного тока, для преобразования напряжения сети в
нужное напряжение. Силовые трансформаторы работа-
ют на фиксированной частоте переменного тока, равной,
как правило, 50 Гц. Как упоминалось в разделе 7.4, в
автономных подвижных объектах используются повы-
шенные частоты электропитания 400, 800 и 2400 Гц.
Помимо силовых широкое применение получили тран-
сформаторы звуковой частоты, трансформаторы высокой
частоты и импульсные.
10.2. СИЛОВЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ
Различные электронные устройства: радиоприемники,
телевизоры, магнитофоны, электрофоны, усилители низ-
кой частоты и другие аппараты нуждаются в источниках
энергии для питания электронных ламп, транзисторов,
микросхем и других радиоэлементов. В качестве таких
127
Рис. 10.1. Устройство (а)
и обозначение (б) транс-
форматора
источников для носимых аппаратов используются сухие
элементы, батареи иди аккумуляторы, которые время от
времени приходится'^аменять новыми или подзаряжать.
Для стационарной, аппаратуры обычно в качестве источ-
ника энергии используется сеть переменного тока напря-
жением 220 В. Для указанных же выше радиоэлементов
обычно требуется питание напряжением, которое значи-
тельно отличается от напряжения сети. Так, для пита-
ния нитей накала электронных ламп и кинескопов необ-
ходим источник напряжением 6,3 В, для питания анод-
ных цепей ламп необходимо напряжение 250...300 В, для
питания транзисторов и микросхем нужны источники на-
пряжением от 5 до 24 В. Получить такие напряжения
при наличии напряжения сети позволяет силовой транс-
форматор. В связи с тем, что большинство радиоэлемен-
тов нуждается в питании постоянным током, выходное
напряжение с трансформатора подается па них через
выпрямитель.
Трансформатор был изобретен 11. II. Яблочковым в
1876 году. Устройство трансформатора показано на
рис. 10.1. Он состоит из стального сердечника и обмоток,
намотанных изолированным обмоточным проводом. Сер-
дечник собирается из тонких пластин специальной элек-
тротехнической стали для снижения потерь энергии за
счет вихревых токов. Обмотка, предназначенная для
подключения к сети переменного тока, называется пер-
вичной. Нагрузка подключается к вторичной обмотке (в
трансформаторе может быть несколько таких обмоток).
Номера обмоток обычно проставляются римскими циф-
рами. Часто обмоткам присваивают номера их выводов.
Работа трансформатора основана на магнитном свой-
стве электрического тока. При подключении концов пер-
вичной обмотки к сети по этой обмотке протекает пере-
менный ток, который создает вокруг ее витков и в сер-
дечнике трансформатора переменное магнитное поле.
128
Пронизывая витки вторичной обмотки, это поле индуци-
рует в них ЭДС. Соотношение количества витков пер-
вичной и вторичной обмоток определяет получаемое
напряжение на выходе трансформатора. Если количест-
во витков вторичной обмотки больше, чем первичной, вы-
ходное напряжение трансформатора будет выше напря-
жения сети, и такая обмотка называется повышающей.
Если же вторичная обмотка содержит меньше витков,
чем первичная, выходное напряжение будет ниже на-
пряжения сети, а обмотка называемся понижающей.
Трансформатор — это пассивный преобразователь
энергии. Его коэффициент полезного действия всегда
меньше единицы. Это означает, что мощность, потреб-
ляемая нагрузкой, которая подключена к вторичной об-
мотке трансформатора, всегда меньше, чем мощность,
потребляемая нагруженным трансформатором от сети.
Известно, чю мощность равна произведению силы тока
на напряжение, следовательно, в повышающих обмотках
сила тока меньше, а в понижающие—больше силы то-
ка, потребляемо!<> i р.шеформ.пором от сети.
. 10.3. ПАРАМЕТРЫ СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ
Два разных трансформатора при одинаковом напря-
жении сети могут быть рассчитаны на получение одина-
кового напряжения вторичной обмотки. Но если нагруз-
ка первого трансформатора потребляет большой ток, а
второго маленький, значит, первый трансформа гор ха-
рактеризуется но сравнению со вторым большей мощ-
ностью. Чем больше сила тока в обмотках трансформато-
ра, тем больше и магнитный поток в его сердечнике, поэ-
тому сердечник должен быть толще. Кроме того, чем
больше сила тока в обмотке, тем более толстым прово-
дом она должна быть намотана, а это требует увели-
чения окна сердечника. Поэтому от мощности трансфор-
матора зависят его габариты, и наоборот. Сердечник оп-
ределенного размера пригоден для изготовления транс-
форматора только до определенной мощности, предель-
ной для данных размеров сердечника, которая называет-
ся габаритной мощностью трансформатора.
Для определения габаритной мощности трансформа-
тора необходимо определить мощности, потребляемые от
каждой вторичной обмотки, и сложить их, учтя также
КПД трансформатора. Мощность, потребляемую от лю-
5—2085
129
бой обмотки, определяют путем перемножения напря-
жения этой обмотки на силу потребляемого от нее тока.
Для определения габаритной мощности трансформа-
тора полученное значение суммарной мощности Pi нуж-
но разделить на КПД трансформатора:
РГ=2Д. (10.1)
ч
Как и всякий преобразователь энергии, трансформа-
тор характеризуется коэффициентом полезного дейст-
вия — отношением мощности, потребляемой нагрузкой
трансформатора, к мощности, которую нагруженный
трансформатор потребляет от сети.
КПД маломощных трансформаторов, которые обыч-
но применяются для питания бытовой электронной ап-
паратуры, колеблется в пределах от 0,8 до 0,95. Более
высокие значения имеют трансформаторы большей мощ-
ности.
Заранее рассчитать КПД трансформатора нельзя, так
как для этого нужно знать величину потерь энергии в
обмотках и в сердечнике, а для этого нужно знать и па-
раметры обмоток (диаметры проводов и их длину), и
параметры сердечника (длину магнитной силовой линии,
марку стали). Однако с достаточной для практического
расчета точностью КПД трансформатора можно опреде-
лить по табл. 10.1.
Таблица 10.1
Суммарная мощность Pi, Вт 10...20 20...40 40...100 100...300
КПД трансфор- матора, Г| 0,8 0,85 0,88 0,92
Габаритная мощность называется так потому, что она
определяет габариты трансформатора, точнее, сечение
керна сердечника, показанное на рис. 10.2:
S=l,2]/p; (10.2)
где S — сечение среднего керна, см 2.
Количество витков вторичной обмотки трансформа-
тора определяет напряжение на выводах этой обмотки.
Но это напряжение зависит также и от количества вит-
130
Рис. 10.2. Форма и раз*
меры сердечников
ков первичной обмотки. При определенном значении на-
пряжения питания первичной обмотки напряжение вто-
ричной обмотки зависит от отношения количества вит-
ков вторичной обмотки к количеству витков первичной
обмотки. Это отношение называется коэффициентом
трансформации.
Если напряжение на вторичной обмотке зависит от
коэффициента трансформации, можно ли выбирать ко-
личество витков одной из обмоток, например первичной,
произвольно? Оказывается — нельзя. Дело в том, что
чем меньше габариты сердечника, гем больше должно
быть количество витков каждой обмотки. Поэтому каж-
дый размер сердечника трансформатора характеризует-
ся вполне определенным количеством витков его обмо-
ток, приходящимся на один вольт напряжения, меньше
которого брать нельзя. Эта характеристика называется
количеством витков на 1 вольт.
Количество витков, приходящихся на 1 вольт напря-
жения, определяется сечением рабочего керна сердечни-
ка по формуле
// = А (io)
где п — количество витков на 1 вольт;
/г — коэффициент, определяемый свойствами сердеч-
ника;
5 — сечение рабочего керна сердечника, см2.
Из приведенной формулы видно, что чем меньше ко-
эффициент k, тем меньше витков будут иметь обмотки
трансформатора. Однако’произвольно выбирать коэффи-
циент k нельзя. Его значенйе обычно лежит в пределах
от 35 до 60. В первую очередь оно зависит от техноло-
гии изготовления сердечника. При использовании сер-
дечников С-образной формы, витых из тонкой ленты,
можно брать &=35. Если используется сердечник О-об-
разной формы, собранный из П- или Г-образных пластин
5*
131
без отверстий по углам, берут &=40. Такое же значе-
ние k берется при использовании пластин типа УШ, у
которых ширина боковых кернов больше половины ши-
рины среднего керна. Если используются пластины типа
Ш, у которых ширина среднего керна ровно вдвое боль-
ше ширины боковых кернов, без отверстий по углам, це-
лесообразно взять Лг=45, а если Ш-образные пластины
имеют отверстия, то &=50. Наконец, коэффициент k бе-
рется равным 60 при использовании Ш-образных плас-
тин толщиной 0,5 мм с отверстиями, в то время как мень-
шие значения k соответствуют толщине пластин 0,35 мм.
Следует заметить, что выбор значения k в значитель-
ной мере условен и им можно в некоторых пределах
варьировать, если учесть, что уменьшение k облегчает
намотку, но ужесточает режим трансформатора. При ис-
пользовании пластин из высококачественной трансфор-
маторной стали этот коэффициент можно немного умень-
шить, а при низком качестве стали приходится его уве-
личивать.
Зная необходимое напряжение каждой обмотки и ко-
личество витков на 1 вольт, легко определить количество
витков обмотки, перемножив эти величины:
W=Un. (10.4)
Это соотношение справедливо для первичной обмотки,
а при определении количества витков вторичных обмо-
ток нужно вводить приближенную поправку на падение
напряжения на самой обмотке от протекающего по ее
проводу тока нагрузки:
W=mUn. (10.5)
Коэффициент т зависит от силы тока, протекающего по
данной обмотке, и может быть найден из табл. 10.2.
Таблица 10.2
Сила тока вторичной обмотки, А 0.2...0,5 0,5...!,0 1,0...2,0 2,0...4,0
т 1,02 1,03 1,04 1,06
Если сила тока меньше 0,2 А, можно принимать т=\.
Толщина провода, которым наматывается обмотка
трансформатора, определяется силой тока, протекающе-
го по этой обмотке. Чем больше ток, тем толще долдон \
132
быть провод. Это связано с тем, что толщина провода
определяет сопротивление обмотки. Чем тоньше провод,
тем больше сопротивление обмотки, а значит, и падение
напряжения на ней, и тем сильнее она нагревается. Для
каждого же типа обмоточного провода существует пре-
дел допустимого нагрева, который учитывается введени-
ем в расчет коэффициента р, определяемого по табл.
10.3.
Таблица 10.3
Марка провода пэл ПЭВ-1 ПЭ В-2 ПЭТ
Р 0,8 ' 0,72 0,69 0,65
Выбрав коэффициент проводи каждой обмотки: р, можно определить диаметр
d />|/7, (10.6)
где d— диаметр провод;! по меди, мм;
/ — сила тока в обмотке, Л.
Найденное значение диаметра провода округляют до
ближайшего стандартного диаметра.
Сила тока в первичной обмотке определяется исходя
из габаритной мощности трансформатора и напряжения
сети:
10.4. ДРУГИЕ ВИДЫ ТРАНСФОРМАТОРОВ
Среди других трансформаторов, широко используе-
мых в радиоаппаратуре, находят применение трансфор-
маторы звуковой частоты. К ним относятся микрофон-
ные, междукаскадные и выходные трансформаторы. Все
они предназначены для согласования сопротивлений ис-
точника и нагрузки. Что такое согласование сопротив-
лений источника энергии и нагрузки и зачем необходимо
такое согласование?
Рассмотрим схему, показанную на рис. 10.3, которая
представляет собой соединение источника тока, имеюще-
го внутреннее сопротивление Ri, с сопротивлением наг-
рузки 7?н. Представляет большой интерес решение зада-
133
Рис, 10.3. К передаче
максимальной мощности
чи о том, каким должно быть сопротивление нагрузки,
для того чтобы на нем выделялась максимальная мощ-
ность. Сила тока в цепи составляет:
/ -
Тогда мощность, выделяемая на нагрузке, будет равна:
р /2г>
н (Шн)2 ’
Видно, что при сопротивлении нагрузки, равном нулю,
мощность в нагрузке также равна нулю, так как обра-
щается в нуль числитель выражения. Если сопротивле-
ние нагрузки неограниченно увеличивать, мощность в
нагрузке также будет стремиться к нулю из-за значи-
тельного возрастания знаменателя, который увеличива-
ется быстрее числителя, так как сопротивление нагруз-
ки входит в знаменатель в квадрате. Отсюда видно, что
при определенном значении сопротивления нагрузки
мощность должна получаться максимальной, а при отк-
лонении от этой величины, как в мейьшую, так ‘и в
большую сторону, мощность должна уменьшаться. Мате-
матически, с помощью дифференциального исчисления
доказано, что максимум мощности, выделяемой на на-
грузке, имеет место тогда, когда сопротивление нагруз-
ки равно внутреннему сопротивлению источника энергии:
/?н.опт — А?/»
Выходные каскады усилителей звуковой частоты, соб-
ранные на электронных лампах, как правило, обладают
большим выходным сопротивлением. В то же время они
должны быть нагружены на малое сопротивление гром-
коговорителя. Если выход такого усилителя непосредст-
венно подключить к малому сопротивлению нагрузки,
произойдет рассогласование сопротивлений и усилитель
работать не будет из-за резкого уменьшения мощности в
нагрузке. При использовании выходного трансформатора
134
можно обеспечить согласование выходного сопротивле-
ния усилителя с любым сопротивлением нагрузки,-соот-
ветственно выбрав коэффициент трансформации.
По определению коэффициент трансформации равен
отношению количества витков вторичной обмотки к ко-
личеству витков первичной обмотки. Напряжение на вто-
ричной обмотке пропорционально напряжению на пер-
вичной обмотке и коэффициенту трансформации. Сила
же тока вторичной обмотки пропорциональна силе тока
первичной обмотки и обратно пропорциональна коэффи-
циенту трансформации.
Сопротивление, подключенное к входу трансформато-
ра, равно отношению напряжения первичной обмотки к
силе тока этой обмотки. Однако со стороны выходных
клемм трансформатора это сопротивление оказывается
иным, чак как должно измеряться отношением напря-
жения нюрпчной обмотки к силе тока этой же обмотки.
Тогда
где /< ► - коэффициент трансформации. Таким образом,
трансформатор помимо напряжений и токов трансформи-
рует также и сопротивления, но ужё в № раз.
В отличие от силовых трансформаторов трансформа-
торы звуковой частоты работают не на фиксированной
частоте, а в широком диапазоне частот в пределах от
30...80 Гц до 10...20 кГц в зависимости от требований к
качеству звука. Эго накладывает определенные требова-
ния к конструкции трансформатора. Так, во избежание
ослабления высших звуковых частот приходится прини-
мать меры к тому, чтобы весь магнитный поток замыкал-
ся в сердечнике и пронизывал вторичную обмотку, не
создавая потока рассеяния.
Широко используются также импульсные трансфор-
маторы, которые должны работать в еще более широком
диапазоне частот, определяемом частотой повторения им-
пульсов снизу и длительностью импульсов сверху.
Наряду с трансформаторами большое применение на-
ходят и так называемые автотрансформаторы, которые
имеют вместо двух только одну обмотку с отводом. Ус-
ловное обозначение автотрансформатора показано на
рис. 10.4. Входное напряжение при необходимости его
понижения подается на всю обмотку, а выходное сни-
135
Рис, 10.4, Схема авто-
трансформатора
мается с ее части. Коэффициент трансформации опре-
деляется отношением количества витков, к которому
подключен выход, ко всему количеству витков. Видно,
что по общей части обмотки протекает разность вход-
ного и выходного токов. Благодаря этому общая часть
обмотки может быть выполнена более тонким проводом.
Недостаток автотрансформаторов состоит в том, что они
не обеспечивают гальванической развязки между вход-
ной и выходной цепями, которые оказываются между
собой соединены. При использовании трансформатора та-
кое соединение отсутствует. Автотрансформаторы часто
выполняются регулируемыми, когда отвод можно пере-
двигать по виткам обмотки, что создает возможность ре-
гулирования выходного напряжения.
Как трансформаторы, так и автотрансформаторы яв-
ляются обратимыми приборами. Названия их первичной
и вторичной обмоток чисто условны и определяются
лишь тем, какая из них в схеме аппарата является вход-
ной, а какая — выходной. Гак, понижающий трансфор-
матор или автотрансформатор можно превратить в по-
вышающий, используя вторичную обмотку в качестве
входной, а первичную — в качестве выходной. В этом
случае соответственно изменяется и коэффициент тран-
сформации.
10.5. РЕШЕНИЕ КОНТРОЛЬНЫХ ЗАДАЧ
Задача 10.1. Рассчитать трансформатор, имеющий
три вторичные обмотки, со следующими параметрами
при питании первичной обмотки от сети переменного
тока напряжением 220 В:
£71=6,3 В; Л=1,5 А;
£72=12 В; /2=0,3 А;
Z73=120 В; /3=59 мА.
Решение. Находим суммарную мощность, потребляе-
мую от вторичных обмоток:
136
Pt=(71/1+C2/2+t/9/3=6,3 -1,54-12- 0,3+120 • 0,059=
=20,13 Вт.
Из табл. 10.1 находим КПД трансформатора т)=0,85
и определяем его габаритную мощность по формуле
(10.1).
Р, 20,13
Рг= — = ТТГ = 23,7 Вт.
-г) 0,85
Находим сечение сердечника трансформатора по форму-
ле (10.2):
S= 1,2/Л= 1,21/23?7=5,84 см2.
Находим приближенное значение ширины рабочего кер-
на:
а 0,81/5 = 0,81/+84* - 1,93 см.
• Выбираем пласriiiii.i трансформатора типа Ш-19, для
ко|оры\ и 1,4 см, и находим толщину пакета:
<• - 3,1 см.
'/ 1,9
Факгич(‘ски полученное сечение сердечника:
S=<2C=1,9-3,1=5,89 см2.
Определяем коэффициент k. Допустим, что исполь-
зуются пластины трансформаторной! стали типа Ш-19
без отверстий по углам. Тогда /г = 45.
Находим количество витков па 1 вольт по формуле
(10.3):
п= — = — =7,64 в/в.
S 5,89
Определяем количество витков первичной обмотки по
формуле (10.4):
W=Un = 220 -7,64= 1680 витков.
Находим из табл. 10.2 коэффициент т для каждой
из вторичных обмоток:
т} = 1,04 при 1{ = 1,5 А;
m2 =1,02 при 72 = 0,3 А;
т3=1,00 при 7з=0,059 А.
Определяем количество витков каждой вторичной
обмотки по формуле (10.5):
137
W^m^U^n— 1,04• 6,3 • 7,64=50 витков;
U72=m2£/2n=l,02-12-7,64=94 витка;
Ws=m3Uzn=\. • 120-7,64=917 витков.
Количество витков округлено до ближайшего целого
числа.
Находим силу тока в первичной обмотке по формуле
(Ю.7)<
/ = А = JiL=o,lO8 А.
U 220
Выбрав марку провода ПЭВ-1, находим диаметры
проводов обмоток по формуле (10.6) с учетом коэффи-
циента р из табл. 10.3:
d=pyT=Q,72/0Д08=0,24 мм;
</1==р/7;=О,72/Г5=0,88 мм;
rf2=Jo/7;=0)72‘|/C)J3=0,39 мм;
4?3=р/Т;=0,72/0,059=0,18 мм.
11. ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ
11.1. ДВИГАТЕЛИ ПОСТОЯННОГО ТОКА
Электрическим двигателем называется машина, пре-
образующая электрическую энергию в механическую
энергию вращения. Остановимся сначала на особенно-
стях двигателей постоянного тока.
Магнитное поле в них может создаваться постоянным
магнитом, но чаще используют электромагниты, обмотки
которых располагаются на статоре и называются обмот-
ками возбуждения. Для подачи питания от источника
тока возможны два разных способа соединения обмоток
возбуждения с обмотками ротора: параллельное и по-
следовательное. Двигатели с параллельным возбужде-
нием иногда называют шунтовыми. На рис. 11.1 показа-
на схема питания*такого двигателя. Для снижения теп-
ловых потерь обмотки ротора обычно выполняются тол-
стым медным проводом или медными шинами, что
уменьшает их сопротивление. Поэтому при включении
питания, пока противоЭДС отсутствует, для снижения
тока ротора до допустимой величины приходится исполь-
138
Рис. 11.1. Схема вклю-
чения шунтового дви-
гателя
Рис. 11.2. Схема вклю-
чения сериесного дви-
гателя
зовать пусковой реостат (переменный резистор R2), со-
противление которого после достижения номинальных
оборотов уменьшают до нуля. С помощью реостата R1
можно регулировать ток обмоток возбуждения, изменяя
обороты двигателя. Шунтовые двигатели малочувстви-
тельны к изменениям нагрузки па вал: при ее колебани-
ях от холостого хода до поминальной частота вращения
остается почти посюянноп. Вместе с тем она легко под-
дается регулировке путем изменения тока возбуждения.
Эти достоинства обеспечили шунтовым двигателям ши-
рокое применение в технике.
Недостаток их состоит в том, что они малопригодны
в качестве тяговых двигателей, используемых в трамва-
ях, троллейбусах, электровозах, прокатных станах, где
пусковой момент трогания должен быть значительно
больше, чем в дальнейшем уже при движении. Для этих
целей используются двигатели с последовательным воз-
буждением, иначе называемые сериесными. Схема пи-
тания такого двигателя показана на рис. 11.2. Обмотки
возбуждения у него, как и обмотки ротора, содержат
немного витков толстого провода. Если у шунтовых дви-
гателей большая .индукция магнитного поля создается
за счет большого количества витков обмоток возбужде-
ния при малом токе возбуждения, то у сериесных двига-
телей большая индукция обеспечивается большим током
возбуждения при малом количестве витков.
В момент включения, когда противоЭДС отсутствует,
сила тока в обмотках возбуждения и ротора одна и та-
же и достигает большой величины. Этим обеспечивается
высокий пусковой момент. После разгона за счет проти-
воЭДС ток уменьшается, обеспечивая значительно мень-
ший момент вращения, необходимый при нормальном
139
Рис. 11.3. Механиче-
ские характеристики
двигателей
движении. Регулировка тягового усилия и одновремен-
но частоты вращения достигается использованием мощ-
ного реостата, обычно не плавного, а ступенчатого, ко-
торый называется контроллером. Недостаток сериесных
двигателей — сильная зависимость частоты вращения от
нагрузки: при уменьшении нагрузки их обороты резко
возрастают, а при холостом ходе превосходят допусти-
мый предел. Двигатель, как говорят, идет вразнос. Поэ-
тому иногда используют двигатели со смешанным воз-
буждением (компаундные), которые содержат одновре-
менно обмотки с последовательным и параллельным воз-
буждением.
Одной из важнейших характеристик электродвига-
теля — механическая, которая определяет зависимость
частоты вращения от момента механической нагрузки на
вал. На рис. 11.3 приведены такие характеристики для
шунтового (1), сериесного (3) и компаундного (2) двига-
телей. Наиболее стабильной частотой вращения, мало за-
висящей от нагрузки, обладают двигатели с параллель-
ным возбуждением. Характеристика таких двигателей
называется жесткой. Характеристика же двигателей с по-
следовательным возбуждением, частота вращения кото-
рых сильно зависит от нагрузки, называется мягкой.
Возможна и так называемая абсолютно жесткая харак-
теристика, при которой частота вращения совершенно
постоянна и не зависит от нагрузки на вал. Однако дви-
гатели постоянного тока такими характеристиками не
обладают.
Коллекторные двигатели постоянного тока малой
мощности нашли применение в лентопротяжных меха-
низмах портативных носимых кассетных магнитофонов.
Магнитное поле в таких двигателях создается постоян-
ными магнитами, а для получения жесткой характери-
стики, необходимой для стабильной скорости движения
магнитной ленты, используются центробежные автома-
140
тические регуляторы. При достижении определенной ча-
стоты вращения такой регулятор размыкает контакты
питания двигателя, и частота вращения уменьшается.
Когда она достигает другого порога, регулятор вновь
включает питание. Во избежание неравномерности вра-
щения используется маховик. Недостаток таких двига-
телей — наличие коллектора и контактов центробежного
регулятора, что является причиной невысокой надежно-
сти, а искрение в контактах повышает уровень помех.
Кроме того, тяжелый маховик увеличивает общую мас-
су магнитофона.
11.2. ДВИГАТЕЛИ ПЕРЕМЕНННОГО ТОКА
Работа всех электродвигателей переменного тока ‘ос-
нована на эффекте вращающегося магнитного поля, ко-
торое возникает в результате наложения двух или более
переменных магнитных нолей, имеющих одинаковую ча-
стоту, но сдвинутых одно о'гнос'нтч'льно другого по фазе
в пространстве. г)ю наиболее очевидно при рассмотре-
нии трехфазной электрической машины, работающей в
режиме двигателя. Обратимся к рис. 7.13 и подключим
клеммы машины к трехфазной электрической сети.
В связи с тем, что максимумы мгновенных значений то-
ков в обмотках сдвинуты по времени, а сами обмотки
сдвинуты в пространстве, максимум мгновенного значе-
ния магнитного поля за один период переменного тока
делает как бы один полный оборот.
Если ротор образован постоянным магнитом (явно-
полюсная машина), он будет вращаться с частотой маг-
нитного поля, то есть с частотой переменного тока, про-
текающего в обмотках. Такой электродвигатель назы-
вается синхронным и обладает абсолютно жесткой ха-
рактеристикой. Однако ротор может быть выполнен и в
виде электромагнита, питаемого постоянным током че-
рез контактные кольца со щетками. Увеличивая коли-
чество пар магнитных полюсов, можно уменьшать ча-
стоту вращения ротора в целое число раз относительно
частоты переменного тока, питающего двигатель.
При нагрузке на вал ротор синхронного двигателя
лишь отстает на некоторый угол, зависящий от нагрузки,
от вращающегося магнитного поля статора, но частота
вращения остается неизменной, пока нагрузка не превы-
сит определенный предел. В случае чрезмерной нагрузки
141
двигатель выпадает из синхронизма и останавливается.
В момент включения питания ротор из-за инерции не в
состоянии самостоятельно сразу набрать синхронные
обороты и остается неподвижным. Для вхождения в син-
хронизм его необходимо раскрутить.
Другая группа электродвигателей переменного тока—
асинхронные двигатели. В них вращающееся магнитное
поле статора взаимодействует с током, индуктирован-
ным этим полем в обмотке ротора. Ротор у асинхронно-
го двигателя имеет полюсные катушки, замкнутые на-
коротко. Магнитный поток статора, пересекая витки ка-
тушек ротора, возбуждает в них переменный ток, обра-
зующий свое магнитное поле. Направления полей
статора и ротора, согласно закону Ленца, таковы, что
стремятся воспрепятствовать движению поля статора от-
носительно ротора, заставляя ротор вращаться.
При полном отсутствии механической нагрузки ротор
достигает синхронных оборотов, когда вращающееся по-
ле статора и ротор неподвижны относительно друг друга
и индуцируемые в катушках ротора токи равны нулю.
Как только появится нагрузка, ротор слегка затормажи-
вается, обороты его становятся меньше оборотов поля
и в катушках возникает ток, сила и частота которого
определяются разностью оборотов. В результате ротор
асинхронного двигателя под нагрузкой вращается с ча-
стотой, несколько меньшей частоты тока питания. Их раз-
ница называется скольжением, причем чем больше ме-
ханическая нагрузка на ротор, тем больше скольжение.
Обычно при номинальной мощности, отдаваемой двига-
телем, скольжение не превышает 3 % от синхронной ча-
стоты вращения.
Трехфазный двигатель можно питать и от однофаз-
ной сети. В этом случае два из трех фазовых выводов
статора подключаются к сети, а третий — к одному из
проводов сети через конденсатор. Емкость конденсатора
зависит от мощности двигателя: чем больше мощность,
тем больше должна быть емкость. Приближенно емкость
конденсатора в мкФ определяется делением мощности в
Вт на 18 при напряжении сети 220 В. Рабочее напряже-
ние конденсатора должно быть не менее 400 В. Перек-
лючением конденсатора с одного сетевого провода на
другой можно изменить направление вращения двигате-
ля на обратное.
Среди маломощных асинхронных двигателей большое
142
Рис. НА. Схема вклю-
чения индукционного
двигателя
распространение получили однофазные конденсаторные,
имеющие на статоре две обмотки, одна из которых вклю-
чается в сеть непосредственно, а вторая — последователь-
но с конденсатором. Благодаря конденсатору создается
сдвиг фаз между токами обмоток, которые расположены
под углом, и образуется вращающееся магнитное поле.
Такие двигатели используются в электропроигрывателях
и магнитофонах, рассчитанных на питание от электросе-
ти неременного тока. На рис. 11.4 показана схема вклю-
чения таких )лектродвигатслеи. Емкость конденсатора
указывается в паспорте каждого двигателя.
11.3. БЕСКОНТАКТНЫЕ ДВИГАТЕЛИ ПОСТОЯННОГО ТОКА
В разделе 11.1 уже говорилось о недостатках коллек-
торных двигателей постоянного тока с центробежными
регуляторами, которые используются в носимых магни-
тофонах, рассчитанных на питание от батарей. В послед-
ние годы в таких магнитофонах стали применяться бес-
контактные двигатели, обладающие рядом преимуществ,
главными из которых являются высокая надежность,
большой срок службы и бесшумность. Ротор таких дви-
гателей содержит два постоянных магнита: магнит воз-
буждения и магнит датчика положения ротора (ДПР).
На статоре размещены три основные обмотки под углом
120°, соединенные звездой, и обмотки ДПР, с которых
снимаются сигналы управления коммутатором, выпол-
ненным на транзисторах. Коммутатор поочередно под-
ключает к клеммам питания основные обмотки статора.
Таким образом, коммутатор выполняет функции коллек-
тора. Наличие ДПР позволяет использовать устройство
электронной стабилизации частоты вращения.
Бесконтактными двигателями постоянного тока с
электронным управлением оснащается все большее ко-
личество портативных магнитофонов батарейного пита-
ния.
М3
12» ЭЛЕКТРОРАДИОЭЛЕМЕНТЫ
12.1. РЕЗИСТОРЫ
Резисторы можно разделить на две основные группыз
постоянные и переменные. Сопротивление постоянного
резистора определено при его изготовлении и не может
быть в дальнейшем изменено. Конструкция переменного
резистора позволяет изменять его сопротивление. Для
переменного резистора указывается максимальное зна-
чение его сопротивления. Постоянные резисторы имеют
два вывода, переменные — не менее трех: средний вывод
соединен с движком, и при повороте оси изменяется со-
противление между средним выводом и крайними. Как
постоянные, так и переменные резисторы могут быть
непроволочными и проволочными.
Основными параметрами резисторов являются вели-
чина сопротивления, допуск на сопротивление, допусти-
мая мощность рассеяния и допустимое падение напря-
жения.
Сопротивления наиболее распространенных постоян-
ных резисторов находятся в пределах от 10 Ом до
10 МОм. Государственным стандартом определена шкала
номинальных значений сопротивлений:
10 15 22 33 47 68
11 16 24 36 51 75
12 18 27 39 56 82
13 20 30 43 62 91
Любое из значений этого ряда может быть умножено на
10, 100, 1000 и т. д. Шкала номинальных значений пере-
менных резисторов ограничивается только верхней стро-
кой указанного ряда.
Наиболее широко используются допуски ±5 %,
г± 10 % и ±20 %. Допуск означает, что если на резистор
нанесена маркировка, указывающая, что его сопротив-
ление равняется, например, 200 Ом, то фактически оно
может отличаться от номинального значения в пределах
'допуска. Так, если указан допуск ±10 %, то фактически
этот резистор может иметь сопротивление от 180 до
220 Ом. По указанным допускам резисторы относятся
соответственно к I, II или III классу точности.
На каждый резистор наносится маркировка, указы-
вающая его номинальное сопротивление и допуск (или
144
класс точности). Номинальное значение сопротивления
указывается либо в натуральном виде соответствующим
числом и единицей измерения (часто вместо кОм указы-
вается только буква к, а вместо МОм — буква М), либо
закодировано двумя цифрами и буквой, причем буква
ставится на место запятой. Используются три буквы:
Е — единицы ом, К — килоомы, М — мегомы. Таким об-
разом, сопротивление 51 Ом обозначается 51Е; 220 Ом —
К22; 7,5 кОм —7К5; 470 кОм —М47;,2 МОм — 2М0.
Использование такого кода позволяет нанести различи-
мую маркировку даже на поверхность резистора малых
габаритов.
На непроволочных постоянных резисторах допусти-
мая мощность рассеяния не указывается: она определя-
ется размерами резисторов. Не указывается также допу-
стимое падение напряжения, которое можно определить
по справочнику для данного типа резистора. В частно-
сти для резисторов типа МЯТ мощностью 0,125; 0,25;
0,5; 1 и 2 Вт допустимые падения напряжения соответ-
ственно составляют 200, 250, 350, 500 и 750 В.
Промышленностью выпускаются также специальные
резисторы с малыми допусками порядка 0,25 %, высо-
коомные резисторы сопротивлением до 47 ГОм, низкоом-
ные сопротивлением от 1 Ома.
12.2. КОНДЕНСАТОРЫ
Выпускаемые промышленностью конденсаторы мож-
но разделить на три группы: постоянной емкости, пере-
менной емкости и полупеременные или подстроечные.
У конденсаторов постоянной емкости емкость изменить
нельзя, а емкость конденсаторов переменной емкости
может регулироваться вручную в сравнительно боль-
ших пределах. Емкость же полупеременных конденса-
торов может регулироваться в значительно меньших
пределах.
Конденсаторы постоянной емкости делятся на множе-
ство типов в зависимости от того, какой диэлектрик в
них используется. Промышленностью выпускаются кон-
денсаторы, у которых в качестве диэлектрика исполь-
зуется бумага, керамика, слюда, стекло, полимерная
дленка, окись алюминия или тантала, полупроводники.
Такое обилие типов объясняется тем, что объем требо-
ваний, предъявляемых к конденсаторам, достаточно ши-
145
ром, причем эти требования в разной аппаратуре могут
быть различными. К основным параметрам конденсато-
ров постоянной емкости относятся номинальная емкость,
допуск по емкости, рабочее напряжение, температурный
коэффициент емкости (ТКЕ), сопротивление утечки или
эквивалентное сопротивление потерь на высокой часто-
те, морозостойкость.
Конденсаторы постоянной емкости выпускаются со
значениями номинальной емкости от долей пФ до тысяч
мкФ. Номинальные емкости соответствуют шкале номи-
нальных значений, совпадающей со шкалой номиналь-
ных значений резисторов. Для некоторых типов конден-
саторов принято сокращенное количество номиналов, со-
ответствующее первой и третьей строкам приведенной
таблицы или только первой строке. Номинальные емко-
сти керамических и слюдяных конденсаторов находятся
в пределах от 1 до 10 000п Ф, а для некоторых типов до
0,2 мкФ; бумажных и металлобумажных конденсато-
ров— в пределах от 4700 пФ до 30 мкФ; пленочных —
от 22 пФ до 22 мкФ; оксидных — от 1 до 220 000 мкФ;
оксиднополупроводниковых — от 0,1 до 1500 мкФ.
Конденсаторы выпускаются с различными допуска-
ми по .емкости: ±2 %, ±5 %, ±10 % и ±20 %. Некото-
рые типы конденсаторов характеризуются значительно
большими допусками в пределах от — 20 до 4 80 %.
ТКЕ характеризует относительное изменение емкости
конденсатора в зависимости от изменения температуры
на один градус. ТКЕ может быть положительным, когда
при увеличении температуры емкость конденсатора уве-
личивается, отрицательным, когда при увеличении тем-
пературы емкость уменьшается, или близким к нулю.
Для обозначения ТКЕ используют буквы, показывающие
знак ТКЕ (П — плюс, М — минус, МП — близкий к ну-
лю), и число, показывающее миллионные доли ТКЕ. Но-
минальное значение емкости конденсатора соответству-
ет температуре +25 °C. Емкость конденсатора при дру-
гой температуре можно определить по формуле
С^С+ТКЕ-Ю-^Г-гб), (12.1)
где С — емкость конденсатора при температуре + 25 °C;
Ct — емкость конденсатора при температуре Г.
В связи с тем, что катушки индуктивности колеба-
тельных контуров обычно имеют положительный темпе-
ратурный коэффициент индуктивности (ТКИ), исполь-
146
зование конденсатора с отрицательным ТКЕ в этом кон-
туре позволяет получить стабильную резонансную ча-
стоту контура, почти не зависящую от изменений тем-
пературы. Для некоторых типов конденсаторов ТКЕ не
нормирован и обозначается буквой Н с числом 30, 50^
70 или 90. Для таких конденсаторов емкость может на-
ходиться в пределах от —20 % и соответственно до
[+130, +150, +170 или +190% от номинального зна-
чения.
Рабочее напряжение обычно указывается на корпу-
се конденсатора, а для малогабаритных конденсаторов
может быть найдено в справочниках. Рабочее напряже-
ние— это максимально допустимая сумма постоянного
напряжения и амплитуды переменного напряжения, при-
ложенных к конденсатору, при которой он может на-
дежно работать в течение гарантируемого срока службы.
Во избежание выхода конденсатора из строя превышать
рабочее напряжение нельзя.
Считается, что идеальный конденсатор совершенно
не пропускает постоянный ток. Фактически же все кон-
денсаторы обладают определенным эквивалентным соп-
ротивлением утечки. Поэтому реальный конденсатор
можно представить в виде параллельного соединения
идеального конденсатора и резистора утечки. Сопротив-
ление такого эквивалентного резистора утечки для слю-
дяных, керамических, стеклянных и пленочных конден-
саторов достаточно велико и может достигать десятков
тысяч мегом. Сопротивление утечки для бумажных и
металлобумажных конденсаторов существенно ниже и
при температуре +100 °C может измеряться сотнями
мегом. Их значения приводятся в справочниках. Там же
указаны эквивалентные сопротивления потерь на высо-
кой частоте и морозостойкость.
Конденсаторы переменной емкости конструктивно
выполняются в виде двух наборов параллельных пластин
статора и ротора. При вращении ротора его пластины
входят в пространство между пластинами статора. Час-
то на одной оси установлено два или несколько ротор-
ных наборов, а на корпусе — два или несколько изоли-
рованных один от другого статорных наборов. Такая
конструкция называется агрегатом конденсаторов пере-
менной емкости. В качестве диэлектрика обычно исполь-
зуется воздух, однако иногда для увеличения емкости
используется диэлектрическая пленка или слюда.
147
Полупеременные конденсаторы также могут выпол-
няться с воздушным, пленочным или слюдяным диэлект-
риком.
112. 3. КАТУШКИ ИНДУКТИВНОСТИ
Катушки индуктивности подразделяются на одно-
слойные и многослойные, намотанные на каркасе и бес-
каркасные, с сердечниками и без сердечников, экрани-
рованные и неэкранированные, большой и малой доб-
ротности. J
В зависимости от необходимой индуктивности выби-
рается однослойная или многослойная намотка катушки.
Если индуктивность должна быть достаточно малой и
количество витков оказывается слишком мало, выбирают
однослойную намотку с принудительным шагом, что
позволяет получить нужную индуктивность при реаль-
ном количестве витков. Однослойные катушки обычно
наматывают эмалированным проводом, а многослой-
ные — эмалированным проводом с шелковой изоляцией.
Однослойные катушки, намотанные достаточно толстым
проводом, иногда выполняют бескаркасными. Наличие
сердечника, вводимого внутрь катушки, позволяет изме-
нять ее индуктивность для настройки.
В металлическом сердечнике магнитным полем ка-
тушки наводятся вихревые токи, которые нагревают его,
внося в катушку^потери и снижая ее добротность. По-
этому такой сердечник должен иметь как можно меньшее
сопротивление и выполняется из меди, а иногда даже
покрывается серебром. Если же сердечник выполнен из
ферромагнетика, используется мелкодисперсный ферро-
магнитный порошок, введенный в качестве наполнителя
в пластмассу. Такие сердечники равноценны диэлектри-
ку, хотя и обладают значительной магнитной проницае-
мостью. Поэтому потери в них на вихревые токи оказы-
ваются мизерными. Экранировка катушки осуществля-
ется помещением их в металлический кожух, алюминие-
вый или латунный, покрытый серебром.
12.4 . ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ
Пьезоэлектрический эффект — это появление на по-
верхности некоторых диэлектриков электрических заря-
дов под воздействием механической деформации (сжа-
148
Рис. 12.1, Устройство ПАВ
тие, растяжение или изгиб) или, наоборот, появление
механической деформации этого же диэлектрика под
воздействием на него электрического поля. К пьезоэлек-
трическим материалам относятся кварц, сегнетова соль,
титанат бария и специальные пьезокерамики. Если к
пьезокрнсгаллv подвесiи переменное электрическое по-
ле, в нем возникаю! механические колебания с частотой
этого поля. Можно подобрать такие размеры кристал-
ла, при которых в нем возникнет механический резонанс.
Такой кристалл подобен колебательному контуру с
очень высокой добротностью порядка нескольких тысяч.
Это явление используется для стабилизации частоты за-
дающих генераторов, в схему которых вместо колеба-
тельного контура включают кварцевый резонатор. Про-
мышленностью выпускаются кварцевые резонаторы, рас-
считанные на самые разные частоты.
Из пьезоэлементов также собираются пьезоэлектри-
ческие фильтры, обладающие частотной характеристи-
кой с большим коэффициентом прямоугольности, то есть
с очень крутыми склонами. Может быть получена весь-
ма узкая полоса пропускания, которую невозможно по-
лучить с помощью обычных колебательных контуров.
В последние годы в телевизионных приемниках вме-
сто колебательных контуров стали использовать фильт-
ры на поверхностно-акустических волнах (ПАВ). Прин-
цип работы ПАВ поясняется на рис. 12.1. Пьезоэлектри-
ческий кристалл 1 выполнен в виде тонкой прямоуголь-
ной пластцны, на верхнюю поверхность которой методом
вакуумного напыления нанесены две системы электро-
дов 2 и 3. Эти электроды называется встречно-штыре-
выми преобразователями ВШП. ВШП представляет со-
149
бой ряд встречно расположенных алюминиевых полосок,
соединенных шинами. Один из преобразователей — вход-
ной и соединяется с источником сигнала, второй — вы-
ходной и соединен с нагрузкой. Входной сигнал с по-
мощью ВШП создает в кристалле упругие деформации,
которые в виде поверхностных акустических волн рас-
пространяются по направлению к второму ВШП. В вы-
ходном преобразователе происходит обратное преобра-
зование акустических волн в электрический сигнал. Ис-
пользование фильтров ПАВ, которые выпускаются ме-
тодами совершенной технологии, резко сокращает тру-
доемкость изготовления приемной части телевизора, ис-
ключает необходимость настройки контуров в процессе
налаживания и улучшает качество за счет высокой ста-
бильности настройки. Частота настройки фильтра ПАВ
определяется конфигурацией ВШП, от которой также за-
висит и полоса пропускания.
12.5 . ЛИНИИ ЗАДЕРЖКИ
Иногда какой-то электрический сигнал необходимо
задержать на определенное время. Эту функцию выпол-
няют линии задержки. Линия задержки, собранная из
индуктивностей и емкостей, показана на рис. 12.2. Она
эквивалентна длинной проводной линии или длинному
кабелю. Поэтому кроме времени задержки сигнала она
характеризуется волновым сопротивлением. Для нор-
мальной работы линия задержки должна быть подклю-
чена к источнику сигнала с внутренним сопротивлением,
равным волновому сопротивлению линии, а также долж-
на быть нагружена на сопротивление, также равное ее
волновому сопротивлению. Задержка, осуществляемая
такими линиями, невелика и обычно не*, превышает не-
скольких микросекунд. В цветном телевидении необходи-
мы линии задержки на значительно большее время —
64 мкс. Такое время задержки могут обеспечить так на-
зываемые ультразвуковые линии задержки УЛЗ (рис.
12.3).
На входе и выходе УЛЗ установлены пьезоэлектри-
ческие преобразователи. Поэтому упругая деформация
распространяется в УЛЗ со скоростью звука, которая
примерно в 100 000 раз меньше скорости распростране-
ния электрических колебаний. Таким образом, задержка
сигнала в УЛЗ определяется временем распространения
150
Рис. 12.2. Схема линии
задержки
Рис, 12.3. Обо-
значение УЛЗ
ультразвука в звукопроводе. В качестве звукопровода ис-
пользуется металл или стекло.
12.6 . КОММУТАЦИОННЫЕ ИЗДЕЛИЯ
В качестве коммутационных изделий в радиоаппара-
туре используются кнопки, выключатели типа «тумблер»,
кнопочные и галетные переключатели, герконы и элект-
ромагнитные реле. Назначение контактов всех этих из-
делий —соединение или разьединение цепи, в разрыв ко-
торой включены коп гак гы.
Промышленное гь выпускает широкий ассортимент
кнопочных выключи гелей и переключателей с самой раз-
личной логикойг Имеются кнопки с фиксацией нажатого
состояния, а при повторном нажатии контакты размы-
каются. Имеются кнопки, собранные в группы, когда на-
жатие любой из кнопок группы освобождает ранее нажа-
тую кнопку.
Выключатели и переключатели типа «тумблер» ха-
рактеризуются мгновенным действием. Это особенно
важно при размыкании цепей, содержащих индуктив-
ности, которое сопровождается появлением электриче-
ской дуги. Если размыкание производить медленным раз-
движением контактов, дуга сожжет их.
Галетные переключатели также выпускаются в широ-
ком ассортименте. Одна галета содержит 12 неподвиж-
ных контактов, а на оси, снабженной фиксатором на не-
обходимое количество положений, установлен ротор,
имеющий один или несколько подвижных контактов. Ко-
личество этих контактов определяет количество направ-
лений одной галеты. Количество положений указывается
буквой П, а количество направлений — буквой Н. Таким
образом, возможны следующие варианты исполнения га-
леты: 11П1Н, 5П2Н, ЗПЗН, 2П5Н. На оси может быть
установлено несколько галет, тогда количество направ-
лений соответственно увеличивается.
151
Рис. 12.4. Обозначение ком-
мутационных изделий
Рис. 12.5. Обозна-
чение электромаг-
нитных реле
На рис.12.4 приведены условные графические обоз-
начения кнопок, тумблеров и галетных переключателей.
Кнопочный однополюсный выключатель SB1 и однопо-
люсный переключачель SB2 не имеют фиксации в нажа-
том положении, и после отпускания кнопки контакты воз-
вращаются в исходное положение. Кнопочный двухпо-
люсный переключатель SB3.1 фиксируется в нажатом по-
ложении и возвращается в исходное при нажатии другой
кнопки SB3.2 (не показана). Кнопочный однополюсный
переключатель SB4 фиксируется в нажатом положении
и возвращается в исходное после повторного нажатия.
SA1 и SA2— соответственно однополюсный и двухпо-
люсный тумблеры-выключатели, a S43 — двухполюсный
тумблер;переключатель. SA4 — галетный переключатель
на 5 положений и 2 направления — 5П2Н, SA5 — галет-
ный переключатель на 3 положения и 3 направления —
ЗПЗН.
Электромагнитные реле предназначены для дистан-
ционного или автоматического управления замыкающи-
ми, размыкающими или переключающими контактами.
Реле может быть установлено вблизи цепей аппарата,
подлежащих коммутации, а ток в его обмотку может
подаваться по длинным проводам, причем включение или
выключение тока управления реле может производиться
либо на значительном удалении от коммутируемых це-
152
пей, либо автоматически, в результате появления или из-
менения тока какой-то другой цепи. Реле, таким обра-
зом, не только осуществляет гальваническую развязку
цепи управления и коммутируемой цепи., но служит и
элементом логического расширения, так как оно может
содержать несколько контактных групп, включенных в
разные цепи коммутации. Реле может также содержать
вместо одной обмотки электромагнита две или несколь-
ко, в результате чего обеспечивается его срабатыва-
ние от разных факторов, не зависимых один от дру-
гого.
Промышленностью выпускаются самые различные
типы реле, чаще всего рассчитанные на питание постоян-
ным током. Важнейшими характеристиками реле явля-
ются ток срабатывания, рабочий ток, сопротивление об-
мотки, а также максимально допустимые напряжение и
ток коммутации. Тип реле определяет его конструкцию,
но выпускается множество разновидностей каждого типа
реле, отличающихся указанными характеристиками, а
также количеством к< шта к i и ы х групп. Каждой такой раз-
новидности присваивается свой номер паспорта. Частные
характеристики разных типов реле по номерам их пас-
портов приводятся в справочниках.
На рис. 12.5 приведены условные графические обоз-
начения реле. Обмотку электромагнита обозначают пря-
моугольником, а штриховая линия показывает механи-
ческую связь якоря с контактами. У реле К1 по одно-
му замыкающему, размыкающему и переключающему
контакту. Часто контакты реле на схемах показывают не
рядом с обмоткой реле, а в коммутируемых цепях. Тогда
контакты нумеруют, присваивая им схемный номер реле
и номер контактов, как показано для реле К2. Косые
черточки на обозначении обмотки указывают, что дан-
ное реле содержит две раздельные обмотки.
Срабатывание простого электромагнитного реле не
зависит от направления тока в обмотке: якорь притяги-
вается к сердечнику электромагнита, когда ток обмотки
достигает тока срабатывания. Как только ток в обмотке
станет меньше тока отпускания (это тоже одна из ха-
рактеристик каждого реле), якорь возвращается в исход-
ное положение под воздействием возвратной пружины.
Выпускаются также поляризованные реле, конструкция
которых содержит постоянный магнит, что улучшает чув-
ствительность реле и приводит к зависимости направле-
153
ння движения якоря от направления тока в обмотке. У та-
ких реле возвратная пружина обычно отсутствует, а пост
ле прекращения тока в обмотке якорь остается в том
положении, в которое он переместился под воздействием
ранее протекавшего тока в обмотке. На рис. 12.5 в каче-
стве поляризованного показано реле КЗ. Точки у обмот-
ки и контактов показывают контакт, к которому под-
ключается подвижный контакт, когда на помеченный
точкой вывод обмотки реле подается положительное на-
пряжение относительно второго вывода обмотки.
Выпускаются также реле без якоря и механической
связи с контактами, у которых магнитное поле электро-
магнита непосредственно воздействует на чувствитель-
ные к нему магнитоуправляемые контакты, заключен-
ные в запаянный герметичный корпус. Такие герметизи-
рованные контакты сокращенно называют герконами
(К4.1). Это обозначение показывает принадлежность
данного геркона к обмотке реле К4 (на рисунке не пока-
зана). Если геркон управляется не электромагнитом ка-
кого-либо реле, а постоянным магнитом, его обозначают
буквами SF с позиционным номером, например SF1.
13. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ
13.1. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД
Вопросы строения полупроводников, электронной и
дырочной проводимостей, донорной и акцепторной при*
месей уже были рассмотрены в разделе 2. Принцип ра-
боты полупроводниковых приборов основан на процес-
сах, происходящих в контакте двух областей полупровод-
ника, имеющих различный тип проводимости. Этот кон-
такт между областями р и п типа называется электрон-
но-дырочным переходом или сокращенно р-«-переходом.
В p-области основными носителями являются дырки
и их концентрация значительно больше, чем в «-области.
Поэтому дырки стремятся диффундировать из р-области
в «-область. Аналогично в связи с повышенной концент-
рацией электронов в «-области они диффундируют в.
p-область. В пограничном районе толщиной в доли мик-
рометра происходит рекомбинация электронов с дырка-
ми, в результате которой концентрация основных носит
телей в этом слое резко уменьшится. Уменьшение, крн-
154
центрации дырок в пограничном слое p-области приводит
к образованию в нем отрицательного пространственного
заряда, уменьшение концентрации электронов в погра-
ничном слое n-области приводит к образованию в нем
положительного пространственного заряда. Область об-
разовавшихся пространственных зарядов и является об-
ластью р-п-перехода. В связи с тем, что в области пере-
хода концентрация основных носителей значительно
уменьшена, ее часто называют обедненным, или запор-
ным, слоем.
Положительный и отрицательный пространственные
заряды в зоне перехода создают электрическое поле, на*
правленное от n-области к p-области и препятствующее
дальнейшей диффузии основных носителей. Однако это
же поле вызывает движение неосновных носителей: элек-
тронов из p-области в n-область и дырок из лг-области
в р-область. Ток через р-п-псреход основных носителей
называется юком диффузии, а юк неосновных носите-
лей— током дрейфа. Направление тока дрейфа противо-
положно направлению юка диффузии. В состоянии рав-
новесия, когда внешнее электрическое поле отсутствует,
а температура полупроводника не изменяется, токи дрей-
фа и диффузии равны и общий ток через переход равен
нулю.
’Пространственные заряды в зоне перехода образуют
потенциальный барьер порядка 0,3...0,4 В в германиевых
полупроводниках и 0,7...0,8 В в кремниевых. Если при-
ложить к р-лг-переходу внешнее напряжение минусом к
p-области, а плюсом к /г-области, обедненная область
расширится, а высота потенциального барьера увеличит-
ся. Такое включение перехода называется обратным.
Ток диффузии при внешнем обратном напряжении рез-
ко уменьшается, так как уменьшается количество основ-
ных носителей, способных благодаря своей энергии прео-
долеть увеличившийся потенциальный барьер.
При увеличении обратного напряжения сила обратно-
го тока через переход приближается к постоянному зна-
чению, которое называется тепловым током. Это свя-
зано с тем, что сначала по мере увеличения обратного
напряжения ток основных носителей (ток диффузии) по-
степенно уменьшается до нуля, а затем ток через пере-
ход определяется лишь током неосновных носителей (то-
ком дрейфа), который от напряжения не зависит. Если
к p-области приложен положительный потенциал внеш-
155
Рис, 13.1. Характери-
стика перехода
ней ЭДС, а к n-области отрицательный, внешнее поле
оказывается противоположно внутреннему. При этом
обедненная зона сужается и потенциальный барьер
уменьшается. Такое включение перехода называется пря-
мым. С ростом прямого напряжения значительно возра-
стает количество основных носителей, способных преодо-
леть потенциальный барьер. В результате прямой ток
резко увеличивается по экспоненте.
На рис. 13.1 показана вольт-амперная характеристика
перехода, которая имеет резко выраженную нелиней-
ность: при равных напряжениях разной полярности токи
через переход отличаются в десятки и сотни тысяч раз.
Это позволяет использовать р-п-переход для выпрямле-
ния переменного тока, а также проверять исправность
перехода с помощью омметра путем измерения прямого
и обратного сопротивлений. При достаточно большом
обратном напряжении обратный ток перехода резко вдз-
растает из-за возникновения пробоя. Различают три ос-
новных вида пробоя перехода: лавинный, туннельный и
тепловой. При лавинном пробое носитель приобретает
энергию, достаточную для ионизации кристаллической
решетки. При туннельном пробое электроны из валент-
ной зоны вырываются под воздействием высокой напря-
женности внешнего поля и переходят в зону проводимо-
сти. При тепловом пробое происходит разогрев полу-
проводника до такой температуры, при которой разры-
ваются валентные связи за счет теплового возбуждения.
13.2. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ диоды
Полупроводниковым диодом называется прибор, со-
держащий один р-п-переход и имеющий два вывода. В
зависимости от назначения полупроводниковые диоды
подразделяются на выпрямительные, высокочастотные,
156
Рис. 13.2. Условные обо-
значения диодов:
а —диода; б — варикапа;
в — туннельного диода; г —
стабилитрона
сверхвысокочастотные, импульсные, стабилитроны, вари-
капы и другие.
Выпрямительные диоды применяют для выпрямле-
ния переменного тока с использованием вентильных
свойств перехода: малое сопротивление в прямом на-
правлении п большое в обратном.
Условное графическое обозначение полупроводнико-
вого диода показано на рис. 13.2. Треугольник изобра-
жает стрелку, пока пинающую направле ние прямого то-
ка через диод. Вывод, соединенный с основанием тре-
угольника, называен'я анодам; вывод, соединенный с
вершиной треугольника, — катодом. К основным харак-
теристикам выпрямительных диодов относятся макси-
мально допустимый прямой ток и падение напряжения
на диоде при этом токе, а также максимально допусти-
мое обратное напряжение и обратный ток при этом на-
пряжении. С ростом прямого тока увеличивается темпе-
ратура перехода и может наступить тепловой пробой.
Температура германиемых диодов не должна превышать
85 °C, а кремниевых 150 °C. При эксплуатации мощные
диоды для охлаждения монтируют на специальных ра-
диаторах, а иногда подвергают обдуву.
Увеличение приложенного к диоду обратного напря-
жения может привести к лавинному пробою, во избежа-
ние которого для каждого диода указывается допусти-
мое обратное напряжение, примерно равное 0,7—0,8 от
напряжения лавинного пробоя.
Для выпрямительных диодов тепловой и лавинный
пробой являются необратимыми процессами, выводящи-
ми диод из строя.
Выпрямительные диоды подразделяются на маломощ-
ные с допустимым прямым током до 0,3 А, средней мощ-
ности — до 10 А и силовые, допустимый прямой ток ко-
торых превышает 10 А. В бытовой радиоаппаратуре ис-
157
пользуются диоды лишь маломощные и средней мощ-
ности.
Высокочастотные и импульсные диоды по принципу
действия не отличаются от выпрямительных, но характе-
ризуются дополнительными параметрами: собственной
емкостью, временем установления прямого сопротивле-
ния и временем восстановления обратного сопротивле-
ния. Собственная емкость на высокой частоте снижает
обратное сопротивление. Для ее уменьшения приходится
уменьшать размеры кристалла, что приводит к умень-
шению среднего прямого тока через диод. Для импуль-
сных диодов в паспорте указывается кроме среднего
максимальный ток в импульсе, который может быть зна-
чительно больше среднего тока, так как за время паузы
между импульсами кристалл имеет возможность охлаж-
даться.
Наличие собственной емкости диода позволяет ис-
пользовать его в качестве конденсатора при приложении
обратного напряжения. С ростом обратного напряжения
ширина обедненного слоя увеличивается, что равносиль-
но увеличению расстояния между пластинами конденса-
тора, и емкость диода уменьшается. Изменяя приложен-
ное к диоду обратное напряжение, можно регулировать
его емкость. Такие диоды называются варикапами. Про-
мышленность выпускает широкий ассортимент варикапов
с максимальной емкостью от единиц до сотен пикофарад.
Достоинство варикапов состоит в том, что при необхо-
димости одновременного изменения емкости нескольких
конденсаторов варикапы могут конструктивно распола-
гаться в разных местах аппарата и вдали от органа уп-
равления их емкостью. Их также удобно использовать в
системах автоматической подстройки частоты, когда ре-
гулирующее напряжение вырабатывается электронным
способом.
Туннельные диоды отличаются высокой концентраци-
ей примесей и очень малой шириной обедненной зоны,
-что приводит к наличию падающего участка вольт-ам-
перной характеристики (участок 1—2 на рис. 13.3), на
котором динамическое сопротивление диода отрицатель-
но. В области обратных токов туннельный диод анало-
гичен простому диоду с очень крутой характеристикой
обратного тока. К основным параметрам туннельных
диодов относятся напряжение и ток пика (точка /), от-
ношение тока пика к току впадины (в точке 2), динами-
158
Рис. /3.3. Характеристи-
ка туннельного диода
ческое отрицательное сопротивление и рабочая частота.
Участок с отрицательным сопротивлением позволяет ис-
пользовать туннельные диоды в усилителях и генерато-
рах вплоть до очень высоких частот (до 1000 МГц).
Время переходных процессов в туннельных диодах до-
стигает долей наносекунды (10-9 с). Они обладают сла-
бой зависимое।ыо параметров от температуры.
Стабнли।ропы представляют собой полупроводнико-
вые диоды, работающие в области пробоя обратным на-
пряжением. Они харак герпзуются напряжением стаби-
лизацйи, которое соответствует вертикальному участку
обратного напряжения вольт-амперной характеристики
(см. рис. 13.1). На этом участке значительные изменения
токд сопровождаются незначительными изменениями на-
пряжения. Другой важной характеристикой стабилитро-
нов являются значения минимального и максимального
токов, при которых сохраняется стабилизация, то есть
обеспечивается малое изменение напряжения. Важной
характеристикой стабилитронов также является темпе-
ратурный коэффициент напряжения ТКН, который оп-
ределяется как изменение напряжения стабилизации при
изменении температуры на один градус при неизменном
токе. У стабилитронов с напряжением стабилизации ме-
нее 5,4 В ТКН отрицателен (с увеличением температуры
напряжение стабилизации уменьшается), у стабилитро-
нов с напряжением стабилизации более 5,4 В ТКН поло-
жителен.
Промышленностью выпускается широкий ассортимент
стабилитронов малой, средней и большой мощности, ко-
торые отличаются максимально допустимым обратным
током. Выпускаются также прецизионные стабилитроны,
у которых ТКН на один-два порядка меньше, чем у обыч-
ных. Это достигается благодаря такой конструкции, при
159
которой последовательно со стабилитроном включен ди-
од. Положительный ТКН стабилитрона компенсируется,
отрицательным ТКН диода, включенного в прямом на-
правлении. При необходимости достижения малых на-
пряжений стабилизации (менее 1 В) используется пря-
мое включение специальных стабилитронов, у которых
вольт-амперная характеристика прямого тока имеет та-
кой же крутой участок, как и обратного тока, но при
значительно меньших напряжениях. Такие стабилитро-
ны называются стабисторами. Условное графическое
обозначение стабилитрона показано на рис. 13.2, е.
13.3. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Биполярный транзистор представляет собой трехслой-
ную полупроводниковую структуру с двумя р-л.-перехо-
дами. Если в качестве исходного берется полупроводник
n-типа, путем введения акцепторных примесей создает-
ся транзисторная структура из чередующихся слоев
р-п-р. Если в качестве исходного берется полупроводник
р-типа, путем введения донорных примесей создается
структура п-р-п. Такие структуры показаны на рис. 13.4
с соответствующими условными графическими обозначе-
ниями транзисторов р п р и п-р-п типа. Одна из крайних
областей называется эмиттером, а прилегающий к ней
р-и-переход — эмиттерным. Другая крайняя область на-
зывается коллектором, а прилегающий к ней р-п—пере-
ход — коллекторным. Средняя область называется ба-
зой транзистора.
Полярность подводимых извне напряжений к перехо-
дам транзистора, как видно из рис. 13.4, такова, что
эмиттерный переход- смещен в прямом направлении, а
коллекторный — в обратном. Рабочими носителями в
транзисторах р-п-р являются дырки, а в транзисторах
Рис. 13.4. Строение тран-
зисторов
160
Рис. 13.5. Конструкция
п-р-п— электроны. Названия электродов транзистора
объясняются тем, что эмиттер испускает (эмитирует) ос-
новные носители в базу, а коллектор собирает носители,
прошедшие через базу. .
В связи с тем, что крайние области транзистора име-
ют одинаковый тип проводимости, транзистор является
обратимым прибором: эмиттер и коллектор можно поме-
нять мгс।ами. Однако конструктивное выполнение край-
них облас!(Ч1 иг о/шиаково, как видно из рис. 13.5, где
показана конеi рукция одною из видов транзистора. Поэ-
тому характеристики при нормальном и инверсном вклю-
чениях транзистора нс одинаковы.
Транзисторы подразделяются на низкочастотные, рас-
считанные на нормальную работу на частотах до 3 МГц,
среднечастотные — до 30 МГц, высокочастотные — до 300
МГц и сверхвысокочастотные — свыше 300 МГц, а так-
же на маломощные — до 0,3 Вт, средней мощности — от
0,3 до 1,5 Вт и большой мощности — свыше 1,5 Вт. Про-
мышленностью выпускаются разнообраные транзисторы
на основе германия и кремния, разных категорий по ча-
стотным свойствам и мощности, разной конструкции и
разной технологии производства. Однако используемая
система основных параметров пригодна для биполярных
транзисторов всех категорий.
В дальнейшем будем рассматривать р-п-р транзи-
сторы, но все приводимые рассуждения и выводы при-
годны для п-р-п транзисторов с учетом необходимого из-
менения полярности источников питания. На рис. 13.6
приведены три возможные схемы включения транзистора;
схема с общей базой (ОБ), схема с общим эмиттером
(ОЭ) и схема с общим коллектором (ОК). Все эти три
схемы используются на практике, но обладают разными
характеристиками. Любая из этих схем характеризуется
коэффициентом передачи тока, которым принято назы-
6—2085
161
Рис. 13.6. Схемы включения транзисторов
вать отношение приращения выходного тока к прираще-
нию входного тока.
Для схемы ОБ выходным током является ток кол-
лектора, а входным — ток эмиттера. Тогда коэффициент
передачи тока будет равен
Для схемы ОЭ выходным током является ток кол-
лектора, а входным — ток базы. Тогда коэффициент пе-
редачи тока будет равен
.(13.2)
Для схемы ОК выходным чоком является ток эмит-
тера, а входным —ток базы. Тогда коэффициент переда-
чи тока будет равен
Д/б 1—а
Последнее выражение объясняется тем, что, согласно
первому закону Кирхгофа, ток эмиттера для всех трех
схем равен сумме токов базы и коллектора. Поэтому
коэффициенты аир связаны между собой следующими
соотношениями:
Отсюда можно сделать следующие выводы: коэффици-
ент передачи тока в схеме ОБ всегда меньше единицы,
коэффициент передачи тока в схеме ОЭ всегда больше
единицы, наибольшим коэффициентом передачи тока об-
ладает схема ОК.
162
Помимо разницы в коэффициентах передачи тока
имеется также разница в значениях входных и выходных
сопротивлений, а отсюда и в возможности получения от
каждой из схем усиления по напряжению. Схема ОБ
имеет малое входное сопротивление и большое выход-
ное, что позволяет получить усиление только по напря-
жению. Схема ОЭ имеет средние значения входного и
выходного сопротивлений и позволяет получить усиление
как по напряжению, так и по току. Схема ОК имеет
большое входное и малое выходное сопротивления, уси-
ливая только по току. Указанные различия предостав-
ляют возможность путем комбинирования разной после-
довательности схем включения транзисторов решать са-
мые разнообразные задачи.
Необходимо обратить внимание также на следующие
осрб(‘ннос। и всех трех схем: ток базы значительно мень-
ше токов эмиттера и коллектора, которые примерно
равны; управляющим переходом в транзисторе является
эмн I । с р 111.1 й переход.
Важным iiapaMcipoM биполярного транзистора явля-
ется обратный 'юк коллектора /к()0, который определяет-
ся как ток межлу коллекюром и базой при разорванной
цепи эмиттера. У хороших транзисторов обратный ток
коллектора очень мал, но с увеличением температуры он
резко возрастает, примерно удваиваясь на каждые
10 градусов.
В некоторых схемах часть обратного тока коллекто-
ра проходит через управляющий эмиттерный переход.
Это может приводить при увеличении температуры к
сильному увеличению тока коллектора, нарушая нор-
мальный режим транзистора и даже выводя его из строя.
Поэтому часто предпочтение отдается кремниевым тран-
зисторам, у которых обратный ток коллектора также
растет с повышением температуры, но обычно в сотни
раз меньше, чем у германиевых транзисторов.
13.4. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ БИПОЛЯРНЫХ.
ТРАНЗИСТОРОВ
Рассмотрим основные параметры, которые характери-
зуют свойства биполярных транзисторов и приводятся
в справочниках.
Определения коэффициентов передачи тока и обрат-
ного тока коллектора были даны в предыдущем разделе.
6*
163
Статический коэффициент передачи тока в схеме ОЭ
определяется отношением постоянного тока коллектора
к постоянному току базы при заданных постоянном на-
пряжения коллектор — эмиттер и токе эмиттера. Стати-
ческий коэффициент передачй тока может быть легко из-
мерен простейшими приборами для измерения токов и
напряжений.
Максимально допустимый постоянный ток коллекто-
ра — наибольший постоянный ток коллектора, который
нельзя превышать ни при каких условиях эксплуатации;
Нельзя также превышать максимально допустимые по-
стоянные токи эмиттера и базы.
Максимально допустимое постоянное напряжение
коллектор — эмиттер определяет наибольшее напряже-
ние источника питания, приложенное между коллектором
и эмиттером. Аналогичны понятия максимально допусти-
мых постоянных напряжений коллектор — база и эмит-
тер — база.
Максимально допустимая постоянная рассеиваемая
мощность коллектора определяется произведением по-
стоянного напряжения между коллектором и эмиттером
и постоянным током коллектора. При превышении этой
мощности происходит перегрев транзистора, и он может
выйти из строя.
Граничная nacioia коэффициента передачи тока в
схеме ОЭ — частота, при кочорой коэффициент переда-
чи тока в схеме ОЭ приближается к единице. Граничная
частота характеризует транзистор по его способности
работать на высокой частоте.
Помимо указанных основных параметров транзисто*
ра при расчете различных схем полезно иметь графиче-
ские характеристики транзистора, которые показывают
зависимости его токов от напряжений. К таким характе-
ристикам относятся статические входные и выходные ха-
рактеристики. Входные характеристики показывают за-
висимость входного тока от входного напряжения, вы-
ходные характеристики показывают зависимость выход-
ного тока от выходного напряжения. На рис. 13.7 приве-
дена входная характеристика транзистора, включенного
по схеме ОБ, — зависимость тока эмиттера от напряже-
ния эмиттер — база. Строго говоря, характеристика
должна содержать не одну кривую, а семейство кривых,
каждая из которых соответствует определенному напря-
жению коллектор — база. Однако кривые такого семей-
164
Рис. 13.7. Входная ха-
рактеристика схемы
ОБ
ства расположены довольно тесно одна к другой и мож-
но ноль юваться одной из кривых. У германиемых тран-
зисторов кривые начинаются практически из начала
коордвп.11, а характеристики кремниевых транзисторов
сдвнп\ । ы вправо примерно па 0,5 В.
Но в\<»/I।к)П характеристике можно определить зна-
чения с। а । и'К‘ск<и о (по пос।ояппому току) и динамиче-
ского (но переменном у юку) входных сопротивлений
транзистора, (магическое входное сопротивление нахо-
дится как отношение напряжения к току в данной рабо-
чей точке характеристики. Для нахождения динамичес-
кого входного сопротивления нужно провести касатель-
ную к характеристике в рабочей точке и построить на
ней так называемый характеристический треугольник.
По катетам этого треугольника и находится динамиче-
ское входное сопротивление транзистора. Таким обра-
зом:
= (13.5)
Для схемы ОЭ входная характеристика выглядит
примерно так же, как и для схемы ОБ, только по оси
ординат откладывается ток базы.
На рис. 13.8 приведены статические выходные харак-
теристики транзистора, включенного по схеме ОБ, — за-
висимости тока коллектора от напряжения коллектор —
база при разных значениях тока эмиттера. Здесь же пунк-
тирными линиями нанесены границы максимального то-
ка коллектора, максимального напряжения коллектор —
база и максимальной мощности рассеяния коллектором.
165
Им
Рис. 13.9. Выходная харак-
теристика схемы ОЭ
Рис. 13.10. Устройство поле-
вого транзистора
Рабочий режим транзистора должен находиться внутри
этих границ.
На рис. 13.9 приведены статические выходные харак-
теристики транзистора, включенного по схеме ОЭ, — за-
висимости тока коллектора от напряжения коллектор —
эмиттер при разных значениях тока базы. Пользуясь
статическими выходными характеристиками транзисто-
ра, можно выбрать рабочий режим и сопротивление на-
грузки каскада.
13.5. ПОЛГВЫГ ТРАНЗИСТОРЫ
Полевые, или как нх иногда называю г, канальные,
транзисторы по своим свойствам, конструкции и харак-
теристикам значительно отличаются от биполярных
транзисторов. Основное достоинство полевых транзисто-
ров заключается в очень большом входном сопротивле-
нии. Поэтому входные токи чрезвычайно малы, а управ-
ление выходным током осуществляется входным напря-
жением. По принципу действия полевые транзисторы
можно разделить на две группы: полевые транзисторы с
управляющим р-п-переходом и полевые транзисторы с
изолированным затвором.
Принцип действия полевых транзисторов с управляю-
щим p-rz-переходом поясняется на рис. 13.10. Полупро-
водниковая пластина n-типа имеет на торцах контакты,
образующие выводы транзистора: И — исток и С — сток.
Исток подключается к минусу источника питания, а
сток — к плюсу. На верхней и нижней сторонах пласти-
ны создаются области p-типа, на границах которых об-
разуются обедненные слои. Области p-типа соединены с
выводом 3 — затвором. У полевого транзистора основ-
166
Рис. 13.11. Характеристики полевого транзистора
ные носители, в данном случае электроны, движутся от
пенны к стоку по каналу, образованному между обед-
ненными слоями. 11а затвор подается отрицательное от-
i/ocn । глi.iio исюна напряжение, смещающее переходы в
обра । ним направлении. Регулируя напряжение на затво-
ре, мо/мю и iMeiiMii» поперечное сечение канала за с^ет
расширения обедненных слоев. ?)ю приводит к измене-
нию coiipoi инлспня капала и изменению тока, проходя-
щего через капал. При увеличении отрицательного на-
пряжения на затворе относительно истока расширение
обедненных слоев приводит к сужению канала и умень-
шению тока стока.
, На рис. 13.11 приводятся стоковые характеристики
полевого транзистора с управляющим р-лг-переходом —
зависимости тока стока от напряжения сток — исток при
разных напряжениях затвор — исток, а также передаточ-
ная характеристика—зависимость тока стока от напря-
жения затвор — исток при фиксированном напряжении
сток — исток. При достаточно большом отрицательном
напряжении на затворе обедненные слои полностью пе-
рекрывают канал, сток оказывается изолирован от исто-
ка и ток через канал прекращается. Такое напряжение
на затворе называется напряжением отсечки. Если на
передаточной характеристике построить характеристиче-
ский треугольник с касательной в точке А, можно опре-
делить крутизну передаточной характеристики в этой
точке, которая равна отношению Д/ к Д(7.
Полевые транзисторы с управляющим р-лг-переходом
выпускаются двух видов: с каналом типа п, который был
рассмотрен, и с каналом типа р. Принцип действия тран-
зисторов с каналом типа р такой же, затвор формируется
областями лг-типа, а полярности напряжений на стоке и
167
затворе относительно истока должны быть изменены на
противоположные.
Полевые транзисторы с изолированным затвором в
последние годы находят более широкое применение по
сравнению с транзисторами с управляющим р-ц-перехо-
дом, так как обладают лучшими электрическими свойст-
вами и проще конструктивно. У транзисторов с изолиро-
ванным затвором между полупроводниковым каналом и
металлическим затвором расположен изолирующий слой
из диэлектрика. Поэтому они также называются МДП-
транзисторами (металл-диэлектрик-полупроводник). Раз-
новидностью МДП-транзисторов являются МОП-тран-
зисторы (металл-окисел-полупроводник), у которых в
качестве диэлектрика используется двуокись кремния.
Благодаря наличию изолирующего слоя между затвором
и каналом управление каналом производится исключи-
тельно напряжением затвора, а ток затвора отсутствует.
Таким образом, входное сопротивление затвора оказы-
вается чрезвычйно большим и определяется сопротивле-
нием изоляции. Полевые транзисторы с изолированным
затвором подразделяются на две группы: транзисторы с
встроенным каналом и транзисторы с индуцированным
каналом.
На рис. 13.12 схематически показано устройство поле-
вых транзисторов с встроенным каналом p-типа. В чи-
стом или слабо легированном кремнии (подложке П)
создаются сильно легированные области истока и стока.
Между ними создается тонкий приповерхностный слой с
проводимостью, аналогичной проводимости истока и сто-
ка. Этот слой является каналом, по которому протека-
ет ток стока даже при отсутствии напряжения на затво-
ре. Если к затвору приложен положительный потенциал
относительно истока, происходит выталкивание основных
носителей (в данном случае дырок) из канала, возраста-
ет его сопротивление и ток стока уменьшается. Такой ре-
жим называется обеднением. Если же к затвору прило-
жен отрицательный потенциал, концентрация основных
носителей в канале увеличивается, сопротивление канала
уменьшается и ток стока возрастает. Этот режим назы-
вается режимом обогащения.
Еще проще устройство полевых транзисторов с ин-
дуцированным каналом, показанное на рис. 13.13. Как и
в транзисторах с встроенным каналом металлический за-
твор изолирован он поверхностного слоя подложки, по
168
Il 3 C p
Рис. 13.12. Устрой-
ство встроенного
капала
Рис. 13.13. Устрой-
ство индуцирован-
ного канала
путем легирования создаются лишь области истока и сто-
ка противоположной подложке проводимости. В данном
случае при положительном или равном нулю напряже-
нии за ।нора относительно истока ток стока отсутствует,
так кин обласи! истока и стока образуют с соседними
облай ям и подложки р-н-иерсходы, включенные навстре-
чу один друюму. Гели же к затвору приложено отрица-
тельное напряжение, приповерхностный слой полупро-
водника, расположенный между истоком и стоком, обо-
гащается основными носи юлями (дырками) и создается
капал с повышенной проводимостью, по которому про-
текает ток стока. При увеличении отрицательного напря-
жения на затворе концентрация основных носителей в
кагнале возрастает, сопротивление канала падает и ток
стока увеличивается. Таким образом, транзисторы с изо-
лированным затвором и индуцированным каналом рабо-
тают только в режиме обогащения.
На рис. 13.14 показаны условные графические обоз-
начения полевых транзисторов: с управляющим /^-пе-
реходом и каналом п (а) или р (б), с изолированным
затвором и встроенным каналом п (в) или р (г), с изо-
лированным затвором и индуцированным каналом п (д)
или р (е).
13.6. ДРУГИЕ ВИДЫ ТРАНЗИСТОРОВ
Для того чтобы увеличить коэффициент передачи то-
ка биполярного транзистора в схеме ОЭ, при его произ-
водстве приходится уменьшать толщину базы, что пред-
ставляет технологические трудности. Однако такая за-
дача легко решается использованием двух транзисторов,
соединенных так, как показано на рис. 13.15. Такая схема
169
3
Рис. 13.14. Обозначения полевых транзисторов:
а. б —с управляющим р-п-переходом; в, г —с изолированным затвором и
встроенным каналом; д, е —с изолированным затвором и индуцированным
каналом
соединения транзисторов называется схемой Дарлингто-
на или составным транзистором. Составной транзистор,
как и простой, имеет три вывода, эквивалентные эмит-
теру, базе и коллектору обычного биполярного транзи-
стора. Составной транзистор может быть собран из двух
р-п-р транзисторов или п-р-п транзисторов. Коэффициент
передачи тока составного транзистора в схеме ОЭ равен
произведению коэффициентов передачи тока входящих
в него транзисторов и может составлять несколько ты-
сяч при использовании рядовых транзисторов.
Недостатком составного транзистора является повы-
шенный обратный ток коллектора, который примерно
равен произведению обратного тока коллектора первого
транзистора па коэффициент передачи тока второго
транзистора. Однако при использовании кремниевых
транзисторов этот недостаток несуществен. Тем не ме-
нее при самостоятельной сборке составного транзистора
следует подбирать первый транзистор с меньшим обрат-
ным током коллектора. Помимо самостоятельной сборки
можно использовать и готовые составные транзисторы,
выпускаемые промышленностью в общем корпусе.
Однопереходный транзистор (ОПТ) имеет три выво-
да: эмиттер и две базы. По этой причине его иногда на-
зывают двухбазовым диодом. Выполняется ОПТ из крем-
ниевого стержня дг-типа, на торцах которого делаются
выводы баз. На некотором расстоянии от конца стержня
создается область p-типа, и образуется р-п-переход. Вы-
вод от области p-типа является эмиттером. Если между
базами приложено напряжение плюсом на базу 2, потен-
циал точки стержня, соответствующей положению эмит-
тера, относительно базы 1 будет определяться расстоя-
нием от этой точки до базы 1. Если потенциал эмиттера
относительно базы 1 отрицателен или равен нулю, пере-
ход включен в обратном направлении и в цепи эмиттера
течет небольшой обратный ток. Участок между базами
170
Рис. 13.15. Схе-
ма составного
транзистора
Рис. 13.16.
транзистор
Щыкл.Щмк
Однопереходный
имеет линейную ' вольт-амперную характеристику, как
обычный резистор сопротивлением в несколько кОм.
При подаче на эмиттер положительного напряжения
запирающее напряжение на переходе уменьшается и ста-
11О1ИНСЯ ранным нулю, когда потенциалы эмит'юра и точ-
ки с।е।>ж11я, ।/к* находится эмпыер, сравняются. Даль-
нейшее увеличение но i енн на л а лпгнера, когда он пре-
высит потенциал ука tainioii ючкп на величину падения
напряжения на переходе, приведет к тому, что переход
окажется включен в прямом направлении. Ток эмиттера
резко возрастает. На участке между эмиттером и ба-
зой J увеличивается концентрация носителей, сопротив-
ление этого участка падает и падает потенциал точки,
соответствующей положению эмиттера. Это приводит к
еще большему смещению перехода в прямом направле-
нии, что сопровождается еще большим нарастанием
эмиттерпого юка.
В результате лавинообразного процесса возникает
скачок эмиттерпого тока. Теперь участок между эмит-
тером и базой 1 насыщен носителями и при дальнейшем
увеличении потенциала эмиттера сопротивление этого
участка не изменяется, оставаясь в пределах нескольких
ом. Поэтому ток эмиттера вновь начинает плавно нара-
стать. Если теперь уменьшать потенциал эмиттера, пере-
ключение перехода в обратное состояние произойдет уже
при меньшем его потенциале, соответствующем понижен-
ному потенциалу упомянутой точки.
Условное графическое обозначение и вольт-амперная
характеристика ОПТ показаны на рис. 13.16, где поме-
чены значения напряжений включения и выключения.
Пунктирными линиями показаны направления скачков
171
эмиттерного тока, а стрелками — цикл его изменения.
При изменении напряжения между базами вольт-ампер-
ная характеристика ОПТ сдвигается параллельно без из-
менения своей формы влево при уменьшении напряже-
ния или вправо при его увеличении. Наличие на харак-
теристике ОПТ участка с отрицательным динамическим
сопротивлением позволяет использовать этот прибор в
схемах генераторов, релейных схемах, электронных клю-
чах и т. д.
13.7. ТИРИСТОРЫ
Тиристорами называются многослойные полупровод-
никовые приборы с чередующимися слоями электронной
и дырочной проводимости. На рис. 13.17 показано устрой-
ство четырехслойного тиристора и его представление в
виде двух транзисторов. Четырехслойная структура со-
держит три перехода: /7Ь П2 и /73. Если приложить внеш-
нее напряжение к выводам А (анод) и К (катод) плю-
сом к аноду, переходы Пх и /73 окажутся смещены в пря-
мом направлении, а переход П2— в обратном. Практи-
чески все напряжение окажется приложено к переходу
П2 и через тиристор будет протекать небольшой ток, ко-
торый называется прямым током запертого тиристора.
При увеличении внешнею напряжения ток через тири-
стор увеличивается незначительно до тех нор, пока на-
пряжение не приблизится к некоторому критическому
значению, которое называется напряжением включения.
Возникает лавинообразное нарастание носителей и про-
бой перехода П2. Ток через тиристор резко увеличивает-
ся и ограничивается только сопротивлением внешней це-
пи. Пробой не вызывает разрушения перехода П2 — при
уменьшении тока восстанавливается большое сопротив-
ление этого перехода.
Лавинообразный переход тиристора во включенное
состояние иллюстрируется комбинацией двух транзисто-
ров разной проводимости, коллектор каждого из которых
подключен к- базе другого. При незначительном увели-
чении базового тока одного транзистора увеличивается
его коллекторный ток, то есть базовый ток второго тран-
зистора. Это приводит к увеличению коллекторного тока
второго транзистора, то есть к увеличению базового тока
первого.
172
Рис. 13.17. Устройство, и аналог
тиристора
Рис. 13.18. Характеристи-
ки тиристора
Падение напряжения на открытом тиристоре мало,
практически не зависит от прямого тока и обычно не
превышает нескольких вольт. Для перевода тиристора из
открытого сос'юяиия в запертое ирямой ток должен быть
уменьшен ниже определенной величины, которая назы-
вается током удержания. При обратной полярности при-
ложенного к тиристору напряжения через него течет не-
большой обратный ток. Для тиристоров средней мощно-
сти сила прямого тока в закрытом состоянии тиристора
и сила обратного тока имеют порядок 5...10 мА при пря-
мом токе открытого тиристора порядка 10 А.
Тиристоры, снабженные двумя выводами (анода и ка-
тода), носят название динисторов или неуправляемых ти-
ристоров. Если же у тиристора выведен управляющий
электрод (третий! вывод), то он называется тринистором
или управляемым тиристором. Подача на управляющий
электрод тринистора положительного напряжения отно-
сительно катода сопровождается уменьшением напря-
жения включения.
На рис. 13.18 приведено семейство вольт-амперных
характеристик тринистора при разных токах управляю-
щего электрода. Часто используется такой режим , три-
нистора, когда моментом его отпирания управляют по-
ложительным импульсом, подавая его на управляющий
электрод. По этому электроду тринисторы подразделяют
на незапираемые и запираемые.-Незапираемые тринисто-
ры могут быть переведены из открытого состояния в за-
пертое только снижением тока ниже тока удержания.
После отпирания тринистор безразличен к напряжению
173
Рис. 13.19. Обозначения
тиристоров:
а — динистора; б — незапи-
раемого тринистора; в — за-
пираемого тринистора; г —
симистора
или току управляющего электрода. Запираемые же три-
нисторы можно перевести из открытого состояния в за-
пертое путем воздействия на него через управляющий
электрод.
Наконец, четырехслойные тиристоры представляют
собой приборы, проводящие ток только в одном направ-
лении: от анода к катоду. Часто же возникает необходи-
мость наличия двусторонней проводимости. Такие функ-
ции могут выполнять пятислойные тиристоры, которые
носят название симисторов.
На рис. 13.19 приведены условные графические обоз-
начения тиристоров: динистора (а), незапираемого три-
нистора (б), запираемого тринистора (в) и симистора
.(г).
138. ФОТОЭЛЕКТРОННЫЙ приборы
Фотоэлектронными называются полупроводниковые
приборы, работа которых основана на изменении элект-
рического режима под действием световой энергии. Взаи-
мосвязь электричества и света основана на том, что свет
является одним из видов электромагнитной энергии. Ви-
димый свет лежит в диапазоне длин волн от 0,38 до
0,76 мкм. Излучения с длиной волны короче 0,38 мкм
относятся к ультрафиолетовому, а длиннее 0,76 мкм —
к инфракрасному диапазонам. Устройство фотоэлектрон-
ных приборов основано на явлениях фотоэффекта. Внут-
ренний фотоэффект, состоит в возбуждении оптическим
излучением электронов вещества, переводе их на более
высокий энергетический уровень, что приводит к изме-
нению концентрации свободных носителей. Внешний фо-
тоэффект заключается в выходе электронов под воздей-
ствием излучения за пределы поверхности вещества, то
есть в фотоэлектронной эмиссии. Если внутренний фото-
174
эффект присущ только полупроводникам, то внешний фо-
тоэффект может наблюдаться в любом веществе.
Наиболее простым фотоэлектронным прибором явля-
ется фоторезистор, сопротивление которого изменяется
под воздействием оптического излучения на основе внут-
реннего фотоэффекта. Фоторезисторы характеризуются
темновым сопротивлением, рабочим напряжением и то-
ковой чувствительностью — отношением тока через ос-
вещенный фоторезистор при заданном напряжении пита-
ния к световому потоку. Разные типы фоторезисторов
обладают разными спектральными характеристиками, то
есть разной чувствительностью к той или другой полосе
частот оптического излучения.
Фотодиоды, как и обычные полупроводниковые дио-
ды, состоят из двух слоев полупроводника с различным
типом проводимости и р-п-переходом. Если фотодиод ос-
вещается, на его выводах образуется ЭДС, а если к вы-
водам фо।одпода подключил, ре.шпор, в цепи появляйся
ток, онрг'Н'лясмЫн сопротивлением ре.шпора. Такой ре-
жим район,। фо lo'iiio'ia 11 а и >1 в я е । <’я режимом фотогене-
ратора. На лом же принципе работают солнечные бата-
реи, находящие все большее применение. Другим режи-
мом фотодиодов является режим фотопреобразователя.
В этом случае последовательно с фотодиодом вклю-
чается резистор и источник питания, включенный в на-
правлении запирания фотодиода. Вольт-амперные харак-
теристики фотодиодов в режиме фотопреобразователя
схожи с выходными характеристиками транзистора,
включенного ио схеме ОБ, по вместо тока эмиттера в ка-
честве параметра является световой поток.
Фототранзисторы содержат два р-/г-перехода и выпол-
няются как обычные транзисторы из германия или крем-
ния, но с двумя выводами эмиттера и коллектора. Кор-
пус фототранзистора содержит окно для освещения базы.
Выходные характеристики фототранзистора аналогичны
выходным характеристикам транзистора, включенного по
схеме ОЭ, но в качестве параметра вместо тока базы
является световой поток.
Рис. 13.20. Обозначения фото-
приборов:
а — фоторезистора; б — фотодиода;
в — фототранзистора; г — фототири-
стора; д — светодиода
175
Рис. 13.21. Обозна-
чения оптронов:
а — фоторезисторно-
го; б — фотодиодно-
го; в — фототранзи-
сторного; г — фото-
тиристорного
Фототиристоры аналогичны тринисторам и имеют та-
кую же вольт-амперную характеристуку, функции тока
управления выполняет световой поток, освещающий вто-
рую от катода область через окно.
Условные графические обозначения перечисленных
'фотоэлектронных приборов приведены на рис. 13.20: фо-
торезистора (а), фотодиода (б), фототранзистора (в),
фототиристора (а), светодиода (5). Светодиоды отлича-
ются от рассмотренных фотоэлектронных приборов тем,
что под воздействием проходящего через них тока в пря-
мом направлении созд’ают излучение света. Выпускаются
светодиоды красного, желтого, зеленого свечения, а так-
же инфракрасного излучения. Различают светодиоды то-
чечные, знаковые и матричные. Знаковые светодиоды
обычно содержат семь сегментов, комбинируя включение
которых можно получить отображение цифр или букв.
Матричные светодиоды содержат обычно 35 точек, рас-
положенных в виде матрицы 5 - 7. Включая определен-
ные диоды матрицы, можно получить огображенне любо-
го знака.
Если установить рядом светодиод и фотодиод так,
чтобы излучение светодиода попадало в окно фотодиода,
получится система передачи тока со связью исключи-
тельно через световой поток и обеспечивающая гальва-
ническую развязку между входом и выходом. Вместо фо-
тодиода могут быть установлены фоторезистор, фото-
транзистор или фототиристор с соответствующим выпол-
нением выходной функции. Промышленность выпускает
уже готовые комбинации таких приборов в едином кор-
пусе, которые называются оптронами. Соответственно
выпускаются фоторезисторные, фотодиодные, фототран-
зисторные и фототиристорные оптроны. Условные графи-
ческие обозначения оптронов приведены на рис. 13.21.
176
14. ИНТЕГРАЛЬНЫЕ МИКРОСХЕМЫ
14.1, КЛАССИФИКАЦИЯ МИКРОСХЕМ
Вторая половина XX века характеризуется усложне-
нием электронной аппаратуры. В профессиональной ап-
паратуре начинают широко использоваться системы ав-
томатического регулирования. На смену сравнительно
простым радиолокационным станциям обнаружения при-
ходят сначала более сложные станции орудийной навод-
ки с системами управления артиллерийским зенитным
огнем, затем сложные радиолокационные комплексы; ос-
нащенные аппаратурой защиты от пассивных и активных
помех с ссл(Ч\ппеп движущихся целей, радиолокационные
узлы и vein, okц’обныс отображать сложную воздушную
обс1 .Н1ОП1 \ н любом регионе страны и за ее пределами.
с)Л(чы poiiii.Di ивюматика быстрыми темпами внедряется
в 11р»»мы111ле1111<X*111, соз/iaioicH ав iома i пческпе системы
управления ir\iu».ioi вчсск ими процессами. Аюмная энер-
reiiiKu, ранения icninini, радиоастрономия, овладение
околоземным космическим пространством, полеты чело-
века па (/1\пу, высадка автоматических исследователь-
ских аппаратов на другие планеты—все это требова-
ло гш антского усложнения электронной аппаратуры.
Создаются сложные быстродействующие электронные вы-
числительные машины, способные выполнять миллионы
операций в секунду. Повышаются требования к качеству
бытовой электронной аппаратуры, внедряется черно-бе-
лое, а затем и цветное телевидение, студийные, а затем и
бытовые магнитофоны и видеомагнитофоны, обработка
информации, персональные и бытовые компьютеры.
Непрерывное усложнение аппаратуры требовало уве-
личения ее габаритов, приводило к увеличению потреб-
ляемой ею мощности и резко снижало ее надежность.
Замена электронных ламп транзисторами позволила зна-
чительно снизить габариты и массу каждого аппарата,
уменьшить потребляемую мощность и увеличить время
наработки аппарата на один отказ. Успехи технологии,
достигнутые в процессе производства транзисторов, поз-
волили сделать следующий важнейший шаг на пути мик-
роминиатюризации электронной аппаратуры—производ-
ство и внедрение интегральных микросхем.
Транзистор представляет собой полупроводниковый
кристалл с двумя электронно-дырочными переходами и
177.
размерами порядка 1 мм 2, Микросхема — это кристалл
такого же размера, на котором имеется несколько тран-
зисторов, резисторы, иногда и конденсаторы, а также
соединительные проводники, объединяющие все эти ком-
поненты в схему одного или нескольких каскадов, за-
ключенных в единый герметизированный корпус. Это по-
зволило увеличить плотность упаковки и значительно со-
кратить габариты всего аппарата. Одновременно умень-
шился уровень потребляемой энергии за счет использо-
вания режима микротоков. Наконец, резко увеличилась
надежность аппаратуры, так как надежность целой мик-
росхемы примерно равна надежности одного дискретно-
го транзистора—транзистора, выполненного в виде го-
тового отдельного изделия.
С развитием микроэлектроники достигался все более
высокий уровень объединения (интеграции) в одном кор-
пусе большого количества элементов схемы. Современ-
ные микросхемы повышенной степени интеграции содер-
жат более тысячи элементов (диодов, транзисторов, ре-
зисторов, конденсаторов). Наконец, стали выпускаться
большие интегральные схемы (БИС) с числом элементов
до 10 000. В настоящее время имеются технологические
возможности создания сверхбольших интегральных схем
(СБИС) с числом элементов свыше 100 тысяч в одном
корпусе.
Достоинством дискретных элементов является их уни-
версальность: транзистор с определенными параметрами
может быть использован при построении самых разных
схем самого различного назначения. Интегральная мик-
росхема, содержащая уже готовое соединение большого
числа элементов, менее универсальна, так как предназ-
начена для выполнения определенных функций и являет-
ся функциональным узлом. Однако при наличии доста-
точно разнообразных функциональных узлов их приме-
нение лишь облегчает задачи конструктора аппаратуры,
так как он освобождается от необходимости производить
расчеты отдельных каскадов, а использует уже готовые
отработанные и надежные узлы, зная их параметры, а
также входные и выходные характеристики.
Часто радиолюбители, начинающие использовать ми-
кросхемы, пытаются узнать их внутреннее строение, на-
личие и связи внутренних каскадов, ищут внутренние
принципиальные схемы. В этом проявляется определен-
ная инерция мышления человека, привыкшего составлять
178
схему аппарата из дискретных элементов. Но ведь при
использовании дискретных транзисторов разработчик ап-
парата не интересуется внутренним строением транзисто-
ра: размерами и толщиной его базы, концентрацией но-
сителей и другими сведениями. Ему достаточно знать
параметры уже готового транзистора и его входные-вы-
ходные характеристики. При сборке домашнего радио-
комплекса из готовых покупных устройств (радиоприем-
ника, усилителя, проигрывателя, магнитофона и т. д.)
тоже вполне достаточно знать параметры каждого аппа-
рата и его* входные-выходные характеристики, и нет ни-
какой необходимости иметь принципиальные схемы каж-
дого аппарата, входящего в комплекс. Точно так же нуж-
но подходить и к использованию микросхем.
✓ Kri.Tiii, с повышением степени интеграции изготови-
тели микросхем все реже публикуют их внутреннее по-
строение, ни; как, с одной стороны, принципиальные схе-
мы о|\иai>iiiaio'iся громоздкими, а с другой - оно не долж-
но пи । ересон;| । к hoi реГип еля. Полому все чаще приво-
дятся лппп. вну । ренине с i рук гурпыс схемы. Попытки же
заменить вышедшую из сгроя микросхему сборкой из
дискретных элемепюв за неимением исправной становят-
ся все более нереальными.
, Выпускаемые в настоящее время микросхемы подраз-
деляются на полупроводниковые и гибридные. Первые
выполнены на одном кристалле, причем все их элементы
и межэлементные соединения размещены в объеме и на
поверхности полупроводника. Вторые содержат отдель-
ные бескорпусные диоды, транзисторы или полупровод-
никовые микросхемы, впаянные в миниатюрную, обычно
керамическую, подложку, на поверхности которой созда-
ны соединительные проводники и необходимые резисто-
ры. С развитием технологии гибридные микросхемы, об-
ладающие меньшей надежностью и плотностью упаков-
ки, постепенно снимаются с производства и заменяются
полупроводниковыми микросхемами.
В зависимости от функционального назначения мик-
росхемы также делятся на две основные категории: ана-
логовые и цифровые. Аналоговые микросхемы предназ-
начены для преобразования и обработки аналоговых
сигналов, то есть сигналов, изменяющихся по законам не-
прерывных функций. Так, например, синусоидальное на-
пряжение является аналоговым сигналом и для его уси-
ления требуется аналоговая микросхема, которая харак-
179
теризуется вполне определенным соответствием мгновен-
ного значения выходного напряжения входному. Цифро-
вые микросхемы предназначены для преобразования и
обработки цифровых сигналов, которые строятся по
принципу да — нет. К таким сигналам, в частности, от-
носятся импульсные сигналы, если амплитуда импульсов
безразлична. Цифровыми они называются потому, что
наличие на входе или выходе микросхемы напряжения,
превышающего определенный уровень, отождествляется
с состоянием входа или выхода, соответствующим еди-
нице, а наличие напряжения, меньшего другого опреде-
ленного уровня, — с состоянием, соответствующим ну-
лю. Простейшим цифровым элементом, к примеру, яв-
ляется выключатель: контакты соединены — состояние
1, контакты разъединены — состояние 0.
Аналоговые и цифровые микросхемы выпускаются в
виде серий. Каждая серия характеризуется одинаковой
внешней конструкцией корпуса, обычно одинаковым на-
пряжением питания и состоит из комплекта интеграль-
ных схем, рассчитанных на выполнение разных функций,
но предназначенных для совместного использования.
Поэтому входпые-выходные характеристики микросхем
одной серии обычно позволяют соединять их между со-
бой без дополни тельных согласующих элементов.
14.2. СИСТЕМА УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ МИКРОСХЕМ
Для ориентации потребителей условные обозначения
микросхем должны содержать информацию об их осо-
бенностях и назначении. Для этого установлена опреде-
ленная система их обозначений. Первым элементом обо-
значения является цифра. Цифрами 1, 5, 6 и 7 обозна-
чаются полупроводниковые микросхемы, цифрами 2, 4 и
8 — гибридные, цифрой 3 — прочие микросхемы. Второй
•элемент — двух- или трехзначное число, присвоенное дан-
ной серии. Совокупность первого и второго элементов
обозначения составляет полный номер серии. Третий эле-
мент— две буквы русского алфавита, которыми закоди-
ровано функциональное назначение микросхемы. Табли-
цы таких кодов приводятся в справочниках. Т^ак, напри-
мер, буквами УН обозначаются усилители звуковой
частоты, буквами АФ — формирователи импульсов спе-
циальной формы, буквами НД — набор диодов. Четвер-
тый элемент обозначения указывает порядковый номер
180
разработки, который состоит из одной или нескольких
цифр. В конце обозначения может быть добавлена буква,
определяющая разброс электрических параметров дан-
ного вида микросхемы. Такова основная часть условного
обозначения. К дополнительным обозначениям относятся
некоторые буквы, стоящие перед основной частью. Так,
буква К указывает, что микросхема предназначена для
использования в устройствах широкого применения. Если
за ней стоит буква Р, это означает пластмассовый кор-
пус, буква М — керамический или металло-керамический.
Приведем примеры некоторых обозначений микро-
схем. Обозначение КР504УН1А означает полупроводни-
ковую микросхему серии 504, усилитель звуковой часто-
ты первого номера разработки с параметрами группы А
'(параметры указаны в справочнике), в пластмассовом
корпусе для устройств широкого применения. К237УР5—
гибридная микросхема серии 237, усилитель промежуточ-
ной 'Kicioibi пятого номера разработки. КМ155ИЕ7—-
полунронодппконая микросхема серии 155, счетчик им-
пульсов седьмо! <» номера разработки.
14.3. ОСОЫ ПНОСТИ РАЗЛИЧНЫХ СЕРИЙ МИКРОСХЕМ
Разработка аналоговых микросхем сначала шла по пу-
тй создания микросхем универсального назначения низ-
кой степени интеграции. Два-три транзистора и несколь-
ко резисторов, соединенные различными способами, об-
разовывали как бы отдельные кирпичики, комбинируя
которые можно было собирать схемы разного назначе-
ния. К таким микросхемам относились серии 218, 224,
118, 122. Однако скоро выяснилось, что универсальными
микросхемами исчерпать все многообразие необходимых
'кирпичиков невозможно: приходилось либо помимо мик-
росхем использовать дискретные элементы, либо мирить-
ся с избыточностью, оставляя незадействованными неко-
торые элементы внутри микросхемы. Это противоречие
усугублялось при попытках создания микросхем повы-
шенной степени интеграции. Поэтому микросхемы после-
дующих выпусков серии 224 становились все менее уни-
версальными, хотя некоторые из них могли быть
использованы как в радиовещательных, так и в теле-
визионных приемниках.
В дальнейшем разработки аналоговых микросхем
шли по пути создания функциональных узлов. К ним от-
181
носились последние разработки серии 224, которые пред-
назначались для использования в цветных телевизорах,
микросхемы серии 237 — для радиовещательных прием-
ников. Впоследствии была создана большая серия микро-
схем 174 повышенной степени интеграции в основном для
черно-белых и цветных телевизоров. Некоторые микро-
схемы этой серии находят применение в радиоприемни-
ках. Создана и используется серия 157 для магнитофо-
нов. Выпускается несколько серий, в частности серий
140, 544, состоящих почти исключительно из операцион-
ных усилителей, широко используемых в радиотехнике.
Некоторые из них содержат не только биполярные, но
и полевые транзисторы.
Наиболее широко выпускаются микросхемы цифровых
серий. Их количество в настоящее время достигает сотен
миллионов в год. Особенность этих микросхем состоит в
том, что они одновременно являются функциональными
узлами и имеют универсальное назначение. В последние
годы цифровые микросхемы выпускаются в основном
трех видов: ТТЛ, КМОП и ЭСЛ.
Наименование ТТЛ трансформировалось из названия
ДТЛ. Микросхемы ДТЛ строились на основе так назы-
ваемой диодно-транзисторной логики, когда они содер-
жали диоды и транзисторы. Впоследствии диоды удалось
изъять, заменив их много литерными транзисторами,
что упростило технологию производива таких микро-
схем. Таким образом, ТТЛ означает трапзисторно- i рап-
зисторную логику. Сокращение КМОП обозначает ком-
плементарные МОП-транзисторы. Комплементарными
называется пара транзисторов с наиболее близкими па-
раметрами, но разной проводимости. ЭСЛ означает эмит-
терно-связанную логику. Микросхемы этого вида строят-
ся на основе пары одинаковых транзисторов, эмиттеры
которых соединены и общий эмиттерный ток стабилизи-
рован.
Микросхемы ТТЛ появились ранее микросхем КАдОП
и ЭСЛ, поэтому они пока наиболее многочисленны и вы-
пускаются наиболее широкой номенклатурой. Микросхе-
мы КМОП являются самыми экономичными и почти не
потребляют энергии от источников питания при отсут-
ствии сигнала. Микросхемы ЭСЛ — наиболее быстродей-
ствующие, хотя и менее экономичные по потребляемой
энергии.
Среди микросхем ТТЛ в настоящее время наиболь-
182
шее распространение имеет серия 155, номенклатура ко-
торой содержит более 100 типов и продолжает разви-
ваться, По сравнению с серией 155 развивающаяся сей-
час серия 555 обладает меньшим потреблением энергии
и примерно таким же быстродействием. Поэтому по мере
наращивания номенклатуры серия 555 будет вытеснять
микросхемы серии 155. Наиболее перспективными из
микросхем ТТЛ следует считать серии 1531 и 1533, об-
ладающие примерно в 3 раза большим быстродействием
и в 10 раз меньшим потреблением энергии.
Развитие микросхем КМОП началось с 1975 года.
Первая отечественная серия 176, рассчитанная на на-
пряжение питания 9 В, в настоящее время уже широко
развита и интенсивно используется. Быстродействие мик-
росхем КМОП растет пропорционально напряжению пи-
тания. Поэтому в настоящее время акцент делается на
использование и расширение номенклатуры серий 561 и
564, рассчитанных на питание напряжением 15 В.
Субнаносскундные ЭСЛ микросхемы имеют номера
серий 100, 500 п 1500. У серий 100 и 500 идентичные па-
раметры и отличаются они функциональным составом и
типом корпуса. Серия 1500 является перспективной.
, 15. МИКРОМОДУЛИ
Микромодули, как и микросхемы, представляют собой
функционально законченные узлы в миниатюрном ис-
полнении при плотной упаковке радиоэлементов. Однако
габариты микромодулей значительно больше габаритов
микросхем, а плотность упаковки меньше. Разработка и
производство микросхем целесообразны только тогда,
когда количество однотипных микросхем достаточно ве-
лико. При этом стоимость одной микросхемы оказывает-
ся ненамного больше стоимости одного радиоэлемента,
например транзистора, хотя расходы, связанные с раз-
работкой микросхемы и изготовлением оснастки для ее
промышленного выпуска, очень велики. Если же требует-
ся выпуск сравнительно небольшого количества функ-
циональных узлов в миниатюрном исполнении, то их
делают в виде микромодулей. Микромодуль — это обыч-
но герметизированное устройство с определенным коли-
чеством выводов, внутри которого радиоэлементы соеди-
нены между собой согласно принципиальной схеме.
В состав микромодулей могут входить самые разные ра-
183
диоэлементы, включая транзисторы и микросхемы в бес-
корпусном или корпусном исполнении. Сборка микромо-
дулей производится по обычной технологии. Поэтому
они собираются из таких же радиоэлементов, которые
используются при обычном монтаже. Отсюда следует,
что габариты микромодулей существенно больше, чем
габариты микросхем той же сложности. Специализиро-
ванное производство микромодулей при тщательном
контроле качества обеспечивает их повышенную надеж-
ность, хотя она значительно ниже надежности микро-
схем, особенно полупроводниковых.
Микромодули различаются конструктивным исполне-
нием. Наиболее широкое применение нашли микромоду-
ли этажерочпой конструкции, выполненные в виде паке-
та тонких пластин размером 9,6X9,6 мм, собранных в
столбик высотой от 5 до 25 мм. Каждая пластина содер-
жит один или несколько элементов схемы, а выводы рас-
положены по краям — обычно по три вывода с каждой
из четырех сторон. Часть выводов может быть холосты-
ми, не подключенными к элементам, расположенным на
пластине. После сборки пластин в столбик их выводы,
припаиваются к поперечным проводникам, которыми
осуществляется соединение пластин между собой и про-
изводится герметизация мпкромодуля. Те же поперечные
проводники являются выводами микромодуля.
Помимо этажерочной конструкции бывают микромо-
дули и других конструктивных исполнений — плоские,
таблеточные, цилиндрические.
16. ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫЕ ПРИБОРЫ
16.1. ТЕРМОЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ
Работа большинства электровакуумных приборов ос-
нована на термоэлектронной эмиссии — испускании
электронов с поверхности металла при его нагреве. При
повышении температуры металла электроны, находящие-
ся в зоне проводимости, приобретают дополнительную
энергию, достаточную для преодоления работы выхода.
При наличии электрического поля, вырвавшиеся из на-
гретого металла, электроны движутся под его воздейст-
вием. Если же поле отсутствует, они падают обратно, но
на их место вылетают другие, и в пространстве над по-
верхностью накаленного металла образуется электрон-
184
ное облако. Чем больше температура металла, тем боль-
ше электронов испускается с поверхности, тем выше их
концентрация в электронном облаке. Таким образом соз-
дается отрицательный пространственный заряд вблизи
нагретой поверхности.
В электровакуумных приборах для эмиссии электро-
нов используется специальный электрод, называемый ка-
тодом. Существуют приборы с катодами прямого накала
или с катодами косвенного накала (подогревные). В том
и в другом случае нагрев осуществляется за счет элек-
трического тока, который пропускают через нить накала,
как в электроплитке через спираль. Этот ток называется
током накала. В приборах прямого накала сама нить
является катодом и эмитирует электроны. В приборах
косвенною накала нить подогревает металлический ци-
линдр, изолированный от нее, который и служит катодом.
Использование катодов косвенного накала (подогрев-
ных) позволяет питать нить (подогреватель) перемен-
ным чоком от отдельного накальною трансформатора
или от отдельной обмотки общею силовою трансформа-
тора.
Для получения приемлемой эмиссии электронов като-
ды необходимо нагревать до очень высоких температур
порядка 2.‘.3 тысяч градусов. Поэтому нити накала при-
ходится выполнять из тугоплавких металлов, обычно ис-
пользуется вольфрам. Но и вольфрамовая нить накала
при такой высокой температуре быстро выходит из строя,
так как проволоку абсолютно одинакового сечения по
всей длине сделать невозможно. В тех местах, где сече-
ние проволоки чуть меньше, происходит местный пере-
грев, отчего в этом месте сечение становится еще мень-
ше, а это приводит к ещё большему нагреву. Оказалось,
что если нанести на поверхность вольфрама тонкий слой
окиси или щелочного металла, эмиссия электронов с та-
кого оксидированного или активированного слоя резко
увеличивается. Оксидированный вольфрам при темпера-
туре 730 °C обеспечивает такую же эмиссию, как неок-
сидированный при температуре 1580 °C. Поэтому в элек-
тровакуумных приборах за редкими исключениями ис-
пользуют оксидированные катоды. В приборах прямого
накала оксидный слой наносится непосредственно на
вольфрамовую нить. В приборах косвенного накала ок-
сидный слой наносится на катод, который обычно выпол-
няется из никеля.
185
16.2. ВАКУУМНЫЕ ДИОДЫ
Вакуумный диод представляет собой двухэлектрод-
ный прибор. Одним из его электродов является катод
прямого накала или подогревный. Второй электрод на-
зывается анодом. Конструктивно анод обычно выполнен
в виде металлического цилиндра, на оси которого распо-
ложен катод. Вся система заключена в стеклянный или
металлический баллон, из которого откачан воздух до
высокой степени вакуума. Выводы подогревателя, катода
и анода впаяны в стекло баллона. При металлическом
баллоне один из его торцов закрыт стеклянным диском
с впаянными выводами, который приварен к баллону.
Если на анод подать положительное напряжение относи-
тельно катода, электрическое поле в пространстве меж-
ду анодом и катодом вынуждает электроны из электрон-
ного облака двигаться к аноду. Их убыль в электронном
облаке покрывается новыми электронами за счет термо-
электронной эмиссии катода. В цепи, соединяющей диод
с источником питания, возникает ток, направление ко-
торого, как обычно, противоположно направлению пото-
ка электронов. Условное графическое обозначение ваку-
умного диода и его вольт-амперная характеристика по-
казаны на рис. 16.1. Выводы нити накала показаны
стрелками.
При напряжении источника питания, равном пулю
(если выводы анода и катода замкнуты внешним про-
водником), в цепи протекает небольшой.ток, называемый
начальным. Он вызван электронами, начальная скорость
которых при вылете из катода достаточно велика. Толь-
ко при отрицательном напряжении на аноде порядка
0,5 В анодный ток полностью прекращается, а при даль-
нейшем увеличении отрицательного напряжения обрат-
ный ток отсутствует. Диоды, специально предназначен-
ные для выпрямления переменного тока в блоках пита-
ния, называются кенотронами. Промышленность выпус-
кает наряду с одинарными диодами двойные диоды с
общей нитью накала и раздельными катодами и анода-
ми, а также двуханодные кенотроны с общим катодом и
двумя раздельными анодами.
К предельным эксплуатационным параметрам отно-
сятся минимальное и максимальное напряжение накала,
наибольшее допустимое обратное напряжение, наиболь-
шее напряжение между катодом и подогревателем, н&и-
186
Рис. 16.1. Включение и характеристи-
ке. 16.2. Схема включения
ка диода
триода
больший средний анодный ток и предельная мощность,
рассеиваемая анодом. Превышать максимальное напря-
жение накала во избежание выхода лампы из строя
нельзя. '1 ниже нельзя превышать и другие предельные
парами ры, (новоренные в паспорте или справочниках.
16.3. IPI X )Л1 К1РОДНЫР ЛАМПЫ
Вакуумные диолы имеют сравнительно ограниченное
применение. Значшельно шире область применения трех-
электродных ламп — триодов. Триод отличается от дио-
да наличием третьего электрода — управляющей сетки,
которая выполнена в виде проволочной спирали, разме-
щенной в пространстве между катодом и анодом. Если
напряжение на сетке относительно катода отрицатель-
ное, она будет тормозить движение электронов от катода
к аноду, что приведет к уменьшению анодного тока. При
достаточно большом минусе на сетке анодный ток мо-
жет вообще прекратиться. Если же потенциал сетки от-
носительно катода положителен, сетка будет способство-
вать увеличению анодного тока. При этом часть электро-
нов будет оседать на сетке, образуя сеточный ток, хотя
режим использования электронных ламп с сеточным то-
ком применяется редко. Таким образом, изменяя потен-
циал сетки относительно катода, можно управлять анод-
ным током триода, что и послужило причиной названия
сетки управляющей.
Условное графическое обозначение триода показано
на рис. 16.2. Промышленность выпускает широкий ассор-
тимент самых разных триодов, а также двойных триодов
с общим и раздельными катодами, которые применялись
в различной радиоаппаратуре, еще находящейся в экс-
187
a
Рис, 16.3. Анодная (а) и сеточная
ff
(6) характеристики триода
плуатации. На рис. 16.3 приведены характеристики трио-
да: анодная (а) и сеточная (б). Анодной характеристи-
кой называется зависимость анодного тока от анодного
напряжения при постоянном напряжении на сетке. При
разных напряжениях на сетке получается семейство
анодных характеристик. Сеточной характеристикой на-
зывается зависимость анодного тока от напряжения на
сетке при постоянном напряжении на аноде. Сеточные ха-
рактеристики при разных анодных напряжениях также
образуют семейство.
Анодные и сеточные характеристики не являются
взаимно независимыми: из семейства анодных характе-
ристик можно получить семейство сеточных характери-
стик, и наоборот, проводя вертикальные линии, соответ-
ствующие постоянному анодному или сеточному напря-
жению и перенося точки пересечения их с кривыми на
другую характеристику. На семействе анодных характе-
ристик построен характеристический треугольник, поз-
воляющий определить параметры триода в точке, в ко-
торой проведена касательная к характеристике. К этим
параметрам триода относятся: внутреннее сопротивле-
ние— отношение приращения анодного напряжения к
приращению анодного тока, коэффициент усиления —
отношение приращения анодного напряжения к прира-
щению напряжения на сетке, крутизна характеристики
анодного тока — отношение приращения анодного тока к
приращению напряжения на сетке:
188
#JAL-ALL. s=-^~. (W.l)
Д/а r At/C AVC
Внутреннее сопротивление измеряется в кОм, крутизна
характеристики — в мА/B, коэффициент усиления — ве-
личина безразмерная.
Для триода, характеристики которого показаны на
рис. 16.3, в указанной точке приращение анодного напря-
жения составляет 50 В, приращение анодного тока —
1,1 мА, приращение напряжения на сетке — 0,5 В. Таким
образом:
—=45 кОм; |1== — = 100; $=-Ь1_=2,2 мА/В.
1,1 • 0,5 0,5
К предельным эксплуатационным параметрам трио-
дов относя к я io же параметры, что и к диодам: мини-
мальное и максимальное напряжения накала, наиболь-
шее допус1пмое обратное напряжение анода, наиболь-
шее напряжение между катодом и подогревателем, наи-
больший среди и н анодный юк, предельная мощность,
рассеиваемая анодом, а также дополнительные парамет-
ры (наибольшее о i рица юльнре напряжение на сетке и
наибольшее сопротивление в цепи сетки). Необходимость
ограничения сопротивления в цепи сетки связана с тем,
что сетка обычно располагается очень близко к катоду и
может им нагреваться. При этом возможно появление
термоэлектронной эмиссии с сетки, которая приводит к
обратному сеточному току. Хотя эта эмиссия и обратный
сеточный ток очень малы, ио при большом сопротивле-
нии в цепи сетки ток создает па нем ощутимое падение
напряжения, которое может нарушить нормальный ре-
жим лампы.
Приведенные выше параметры триода — внутреннее
сопротивление, коэффициент усиления и крутизна харак-
теристики — являются неизвестными трех уравнений
(16.1). Такая система может быть решена. А это значит,
что из трех параметров триода независимыми являются
только два, а третий может быть найден по двум неизве-
стным. Действительно,
* (16.2)
Отсюда по любым двум известным параметрам можно
найти третий.
189
16.4. ЭКРАНИРОВАННЫЕ ЛАМПЫ
При использовании триодов в схемах, работающих на
высокой частоте, приходится учитывать и собственные
междуэлектродные емкости лампы: входную емкость
между сеткой и катодом, выходную емкость между ано-
дом и катодом, а также проходную емкость между ано-
дом и сеткой. Все эти емкости в реальных лампах сос-
тавляют примерно несколько пикофарад. Если входная
и выходная емкости оказываются подключенными парал-
лельно нагрузкам предыдущего и данного каскадов, что
не очень страшно, то проходная емкость может приво-
дить к очень неприятным последствиям. В усилительных
схемах слабый сигнал обычно подается на сетку лампы,
а на аноде образуется усиленный сигнал. Проходная
емкость создает путь этому сигналу с анода обратно на
сетку, что может привести к самовозбуждению каскада.
Это особенно опасно на высокой частоте, когда сравни-
тельно небольшая емкость обладает небольшим емкост-
ным сопротивлением.
Для уменьшения проходной емкости были созданы
четырехэлектродные лампы — тетроды (рис. 16.4). У та-
кой лампы между управляющей сеткой и анодом распо-
лагается экранная сетка, которая заземляется по пере-
менному току конденсатором большой емкости. Благо-
даря этому проходная емкость уменьшается в сотни и
тысячи раз. По постоянному току на экранную сетку по-
дается положительное напряжение, примерно такое же,
как на анод. Так эта сетка увеличивает притягивающее
поле, которым электроны из электронного облака вынуж-
даются лететь к аноду. Для получения хорошей экра-
нировки проходной емкости сетка выполняется в виде гу-
стой спирали, и часть летящих к аноду электронов попа-
дает .на нее. Образуется ток экранной сетки, составляю-
щий примерно 10...20 % от анодного тока, с чем прихо-
дится мириться.
Основной недостаток тетрода — динатронный эф-
фект — состоит в следующем. Электроны на пути от ка-
тода к аноду разгоняются до большой скорости. При на-
пряжении на аноде 100 В эта скорость достигает
6000 км/с — в 10 000 раз больше скорости пули при вы-
лете из дула винтовки. Ударяясь о поверхность анода,
электроны выбивают из него другие, вторичные электро-
ны. Такое явление называется вторичной электронной
.190
Рис. 16.4. Обозначения электронных ламп:
а— тетрода; б — лучевого тетрода; в — пентода
эмиссией.. Если напряжение на экранной сетке больше
напряжения на аноде, вторичные электроны с анода на-
правляются на экранную сетку. В результате анодный
ток уменьшается, а на анодной характеристике тетрода
появляется провал. В области провала на характеристи-
ке тезрода (рис. 16.5) возникает падающий,участок с от-
рицательным динамическим сопротивлением, что может
привести к ।енерацнн.
Для борьбы с дина грешным эффектом в конструкцию
тетродов вводят специальные лучеобразующие пластины,
которые концентрируют электронный поток на неболь-
шой части поверхности анода, где создается пространст-
венный заряд, препятствующий обратному потоку вто-
ричных электронов на экранную сетку. Такие тетроды
называются лучевыми. Другой способ борьбы с дина-
тронным эффектом состоит в установке еще одной сетки
между экранной сеткой и анодом. Она носит название
защитно!! пли антидинатронной сетки и соединяется с
катодом внутри или снаружи лампы, для чего имеет от-
дельный вывод. Такие пятиэлектродные лампы называ-
ются пентодами. Антидинатронная сетка выполняется
редкой, на поток быстрых первичных электронов влияния
не оказывает, медленные же'вторичные электроны оттал-
киваются ею обратно на анод.
Вольт-а'мперные характеристики лучевых тетродов и
пентодов похожи на характеристики тетродов, но не име-
ют провала. Тетроды и пентоды отличаются по своим
параметрам от триодов большим внутренним сопротив-
лением, порядка 1 МОм и выше. В связи с тем, что кру-
тизна характеристики их анодного тока мало отличается
от крутизны триодов, коэффициент усиления превышает
1000. Поэтому форма анодных характеристик тетродов
191
Рис. 16.5. Анодные ха-
рактеристики тетрода
и пентодов резко отличается от характеристик триодов.
Сеточные характеристики, наклон которых определяется
крутизной, для триодов, тетродов и пентодов имеют оди-
наковую форму. Для удобства регулировки усиления вы-
пускаются пентоды с удлиненной сеточной характеристи-
кой в левой ее части. Иногда имеющая отдельный вывод
антидинатронная сетка используется в качестве второй
управляющей.
16.5. МНОГОЭЛЕКТРОДНЫЕ И КОМБИНИРОВАННЫЕ
‘ЛАМПЫ
К многоэлектродным электронным лампам относятся
лампы, имеющие более трех сеток, например, гептоды, у
которых пять сеток. Гептоды предназначены для преоб-
разования частоты сигнала н содержат две раздельные
управляющие сетки. Очередность расположения сеток
при отсчете от катода следующая: первая сетка является
первой управляющей, вторая сетка-—экранная, далее
следует вторая управляющая сетка, за ней еще одна
экранная и, наконец, антидинатронная сетка. Экранные
сетки обычно соединены внутри лампы между собой чи
имеют один общий вывод. Вольт-амперные характеристи-
ки гептодов такие же, как у пентодов, а наличие экран-
ной сетки между управляющими снижает паразитную
емкость между ними. Иногда используется устаревшее
название гептода — пентагрид, что в переводе означает
пять сеток.
К комбинированным относятся такие лампы, которые
содержат в одном баллоне более одной лампы. Из числа
комбинированных промышленностью выпускаются двой-
ные триоды, двойные диод-триоды (два диода и триод),
диод-пентоды, двойные диод-пентоды, триод-пентоды,
двойные пентоды, триод-гептоды. Возможны и другие
192
комбинации. Использование комбинированных ламп не
только сокращает общее количество ламп в схеме аппа-
рата. Иногда схема требует использования пары ламп с
одинаковыми параметрами и характеристиками. При раз-
дельных лампах из-за естественного разброса парамет-
ров разница между ними получается сравнительно боль-
шой, а для некоторых сдвоенных ламп за вод-изготови-
тель гарантирует минимальную разницу их параметров.
16.6. КОНСТРУКТИВНОЕ ВЫПОЛНЕНИЕ
ЭЛЕКТРОННЫХ ЛАМП
Конструктивное выполнение электронных ламп весь-
ма разнообразно. Здесь рассмотрены только приемно-
усил игольные электронные лампы, которые ранее приме-
нялись и еще используются в бытовой радиотелевизион-
ной и звуковоспроизводящей аппаратуре, так как с ге-
нери горными, модуляторными и специальными лампами
радиолюбитель не встречается.
Лампы серии И',> (стеклянные) выполняются в стек-
лянном баллоне, к которому приклеен пластмассовый цо-
коль с ключом. Цоколь снабжен 8 ножками — металли-
ческими, выводами электродов лампы. Ножки расположе-
ны по окружности диаметром 17,5 мм через 45 градусов.
Отдельные ножки могут отсутствовать. Ключ обеспечи-
вает правильную установку лампы в ламповую панель,
которая имеет специальное гнездо под ключ. Такой цо-
коль называется октальным. Лампы в металлическом бал-
лоне также снабжены октальным цоколем. Некоторые
лампы имеют контактный колпачок сверху.
Лампы серии «П» (пальчиковые) выполнены в стек-
лянном баллоне цилиндрической формы диаметром 19
или 22,5 мм различной высоты от 40 до 73 мм, но цо-
коля не имеют. Ножки впаяны непосредственно в стек-
лянный торец баллона. Лампы этой серии выпускаются
либо с 7 ножками, либо с 9 ножками. При 7 ножках они
расположены по окружности диаметром 9,5 мм через
45 градусов, при 9 ножках они располагаются по окруж-
ности диаметром 12 мм через 36 градусов. Ключа эти
лампы не имеют, но при указанных угловых расстояниях
между ножками угол между крайними вдвое больше
указанного. Этот удвоенный промежуток не позволяет
вставить лампу в ламповую панель неправильно. Неко-
торые лампы также снабжены контактным колпачком
7—2085
193
вверху баллона. Лампы серии «П» иногда называют ми-
ниатюрными.
Лампы серии «Б» также выполнены в стеклянном
баллоне, но вместо выводов жесткого типа имеют тон-
кие проволочные выводы. Диаметр этих ламп от 7,2 до
13 мм. Лампы этой серии иногда называют сверхминиа-
тюрными. Те из них, диаметр которых равен 7,2 мм, для
отличия от других обозначаются индексом «А».
Нумерация ножек ламп с октальным цоколем произ-
водится по направлению движения часовой стрелки, ес-
ли смотреть со стороны цоколя, начиная от ключа. У
пальчиковых ламп нумерация ведется также по часовой
стрелке, начиная с удвоенного промежутка между нож-
ками. У сверхминиатюрных ламп начало отсчета либо
помечено на баллоне несмываемой краской, либо одна из
симметрично расположенных ножек отсутствует, либо
один из проволочных выводов укорочен.
16.7. СИСТЕМА ОБОЗНАЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ ЛАМП
Система обозначения приемно-усилительных ламп,
выпускаемых в СССР, состоит из основных четырех эле-
ментов.
Первый элемент обозначения является числом, кото-
рое округленно соответствует напряжению накала лампы
в вольтах.
Второй элемент обозначения — буква, указывающая
тип лампы: Д — диод, X — двойной диод, Ц — кенотрон,
С — триод, Н — двойной триод, Э — тетрод, П — лучевой
тетрод, Ж — высокочастотный пентод с короткой харак-
теристикой, К — высокочастотный пентод с удлиненной
характеристикой, Р — двойной тетрод или двойной пен-
тод, Г — диод-триод, Б — диод-пентод, Ф — триод-пен-
тод, И — триод-гептод, А — гептод, Е — электронно-лу-
чевой индикатор настройки.
Третий элемент обозначения — число, соответствую-
щее порядковому номеру разработки.
Четвертый элемент обозначения — буква, характери-
зующая конструктивное исполнение лампы: П — в стек-
лянном баллоне миниатюрные диаметром 19 и 22,5 мм,
А — в стеклянном баллоне сверхминиатюрные диаме-
тром от 5 до 8 мм, Б — то же диаметром от 8 до 10,2 мм,
Г — то же диаметром свыше 10,2 мм, С — в стеклянном
баллоне диаметром более 22,5 мм. Лампы в металличе-
194
сном баллоне четвертого элемента обозначения не имеют.
К перечисленным элементам обозначения иногда до-
бавляется через дефис буква, характеризующая специ-
альные свойства лампы: В — лампы повышенной надеж-
ности и механической прочности, Е — лампы повышенной
долговечности до 5 тыс. часов и более, Д — лампы осо-
бо долговечные с гарантированной долговечностью 10
тыс. часов и более (лампы без индексов Е или Д рас-
считаны на долговечность от 500 до 2000 часов), И —
лампы, рассчитанные для работы в импульсном режиме,
ЕВ—лампы повышенной надежности и долговечности.
16.8. ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫЕ ТРУБКИ
Элек тронно-лучевой трубкой называется электроваку-
умный прибор, предназначенный для преобразования
электрических сигналов в видимое изображение, или на-
оборот Существует несколько разновидностей электрон-
но-лучевых (рубок по их назначению: осциллографиче-
ские, приемные (елсвизнонныс, телевизионные передаю-
щие и специальные. К специальным можно отнести труб-
ки, которые не имею г отношения к бытовой радиоаппа-
ратуре: потенциалоскопы, графеконы, запоминающие,
знакопечатающие и другие, которых мы здесь касаться
не будем. По принципу действия электронно-лучевые
трубки можно разделить на трубки с электростатическим
отклонением и трубки с магнитным отклонением луча.
Осциллографические трубки относятся к трубкам с
электростатическим отклонением луча. Условное графи-
ческое обозначение осциллографической трубки приведе-
но на рис. 16.6. Рассмотрим ее устройство. Катод К пред-
ставляет собой, как обычно, полый цилиндр, но с одним
донышком. Оксидный слой нанесен только на это доныш-
ко, которым катод обращен' внутрь трубки. Далее уста-
новлен управляющий электрод или модулятор М, кото-
рый выполнен в виде цилиндра с донышком, в котором
имеется отверстие. На модулятор подается отрицательное
напряжение относительно катода, которым отталкивают-
ся к оси трубки электроны, вылетающие из катода под
углом. Через отверстие в донышке модулятора проходят
лишь те электроны, которые находятся на оси. Модуля-
тор также выполняет функции управляющей сетки: с
увеличением отрицательного напряжения интенсивность
выходящего из отверстия электронного потока уменьша-
7*
195
on
/I /7 шт ди
Рис, 16,6. Обозначение
осциллографической ЭЛТ
ется и при определенном отрицательном напряжении
полностью прекращается. Такое напряжение называется
запирающим.
За модулятором установлен первый анод 1а, на кото-
рый подается относительно катода положительное на-
пряжение^ Конфигурация электрического поля в прост-
ранстве между модулятором и первым анодом имеет
форму линзы. Этим полем осуществляется фокусировка
электронного пучка, благодаря которой он приобретает
форму спицы. Первый анод выполнен в виде полого ци-
линдра диаметром больше, чем диаметр цилиндра моду-
лятора. Изменяя напряжение на первом аноде, можно
осуществлять фокусировку электронного пучка. Далее
следует второй анод 2а, который является ускоряющим
электродом. Он также выполнен в виде полого цилиндра.
Основная часть электронов в пучке, разогнавшись до
большой скорости, не попадает па стенки второго анода,
а пролетает по его оси. На второй анод подается высо-
кое напряжение, необходимое для придания электронам
в пучке большой скорости. Комплект перечисленных
электродов трубки (катод с подогревателем, модулятор,
первый и второй аноды) образует электронный прожек-
тор или электронную пушку и выполняется в виде жест-
кого единого узла, собранного на слюдяных пластинках,
с использованием керамических цилиндрических изоля-
торов.
Далее на пути электронного пучка установлены две
пары отклоняющих пластин ОП. Средний потенциал от-
клоняющих пластин равен потенциалу второго анода и
не должен воздействовать на электронный пучок. Но
если между пластинами пары имеется напряжение, пучок
отклоняется от оси трубки в сторону более положитель-
ной пластины. Одна пара пластин расположена верти-
кально, может отклонять электронный пучок в горизон-
тальном направлении и называется горизонтально-откло-
196
няющей. Вторая пара пластин расположена горизонталь-
но и называется вертикально-отклоняюгцей.
Пройдя мимо системы отклоняющих пластин, элект-
ронный луч попадает на экран Э, покрытый слоем спе-
циального вещества, которое называется люминофором.
Под воздействием электронной бомбардировки происхо-
дит свечение люминофора, наблюдаемое с внешней сто-
роны экрана. В связи с тем, что бомбардировка люмино-
фора, покрытого тонким слоем металла, сопровождается
вторичной электронной эмиссией, коническая часть кол-
бы трубкц покрыта графитовым слоем (аквадагом) и
соединяется со вторым анодом. Вторичные электроны
улавливаются аквадагом и образуют ток второго анода.
(Осциллографические трубки различного назначения
выпускаются с разными видами экранов. Люминофоры
moi у। бы и» разного цвета свечения: зеленого, синего,
желиио. красного. Если необходимо получить белое све-
чение, иолОирлегея смесь цветов, так как белый цвет —
эи» смесь основных цветов. Экраны также различаются
своим послесвечением. Дли гелыюстыо послесвечения на-
зывается время, необходимое для спадания яркости све-
чения о г первоначальной до минимальной величины пос-
ле прекращения электронной бомбардировки экрана. Ус-
ловно в зависимости от состава люминофора длитель-
ность послесвечения делят на пять групп: очень корот-
кое— длительностью менее 10 мкс, короткое — длитель-
ностью от 10 мкс до 10 мс, среднее — длительностью от
10 до 100 мс, длительное — длительностью от 100 мс до
16 с, очень длительное — длительностью более 16 с.
Цвет свечения экрана и цвет послесвечения обычно
оказываются разными. Это позволяет, используя цвет-
ные светофильтры, установленные перед экраном, отде-
лить послесвечение от первоначального свечения.
Осциллографические трубки характеризуются номи-
нальным электрическим режимом (напряжение накала,
запирающее напряжение модулятора, фиксирующее на-
пряжение первого анода, ускоряющее напряжение вто-
рого анода) и чувствительностью по отклонению при
этом режиме, то есть отношением смещения пятна на
экране к напряжению отклоняющего напряжения на
каждой паре отклоняющих пластин. Чувствительность
сильно зависит от напряжения на втором аноде. При
уменьшении этого напряжения скорость электронов в
пучке оказывается меньше, они большее время находят-
197
ся под воздействием отклоняющих пластин, и отклоне-
ние пятна на экране оказывается больше. Однако при
этом уменьшается яркость пятна.
Существует широкий ассортимент осциллографиче-
ских трубок, выпускаемых промышленностью, которые
различаются размерами экрана, цветом свечения, дли-
тельностью послесвечения и другими параметрами.
Для специальных индикаторов, например индикато-
ров кругового обзора радиолокационных станций, выпу-
скаются электронно-лучевые трубки с магнитным откло-
нением. Они содержат такой же прожектор, как у осцил-
лографических трубок, но не имеют отклоняющих пла-
стин. Отклонение луча таких трубок осуществляется
магнитным полем отклоняющих катушек, которые уста-
навливаются на горловине трубки между электронным
прожектором и экраном. Часто на горловину трубки кре-
пится еще и фокусирующая катушка, изменяя ток в ко-
торой удается лучше сфокусировать луч на поверхности
экрана. Комбинация фокусирующей и отклоняющих ка-
тушек называется фокусирующее-отклоняющей системой
(ФОС).
К приемным электронно-лучевым трубкам относятся
черно-белые и цветные кинескопы. Устройство черно-бе-
лого кинескопа ничем практически не отличается от уст-
ройства трубки с магнитным отклонением луча. В про-
жектор лишь добавлен ускоряющий электрод между мо-
дулятором и первым анодом. Промышленностью выпус-
каются самые разные кинескопы с размером экрана по
диагонали от 8 до 67 см. Все современные кинескопы
имеют прямоугольный экран с соотношением сторон в
пределах от 3:4 до 4:5, что примерно соответствует фор-
мату телевизионного изображения. Для сокращения га-
баритов у кинескопов с большим экраном используется
большой угол отклонения, доходящий до 110°. Экраны
обрамляются специальным взрывозащитным металличе-
ским бандажом, который одновременно является элемен-
том крепления кинескопа.
Цветные кинескопы содержат три электронных про-
жектора и экран, покрытый люминофорами трех цве-
тов — красного, синего и зеленого свечения. В настоя-
щее время промышленность выпускает цветные кинеско-
пы двух различных конструкций. У кинескопов с дельто-
видным расположением прожекторов они расположены
.в вершинах равностороннего треугольника, центр которо-
198
го находится на оси кинескопа. У кинескопов с планар-
ным расположением прожекторов они расположены в
одной плоскости, один находится на оси кинескопа, а два
других — по обе стороны от первого.
Перед экраном установлена цветоделительная маска
с отверстиями, назначением которых является направ-
лять луч каждого прожектора только на люминофор со-
ответствующего цвета. Так, луч красного прожектора,
пройдя через любое отверстие маски, должен попасть
именно на красный люминофор, луч синего прожекто-
ра — только на синий, а луч зеленого прожектора — толь-
ко на зеленый люминофор. Отверстия маски у кинеско-
пов с ’ дельтообразным расположением прожекторов
круглой формы и расположены под углом 120° одно от-
носительно другого. Маска содержит около 500 тыс. та-
ких о। верегий. Соответственно отверстиям маски люми-
нофоры па экран нанесены в виде цветных точек так,
что к/1>к/1ому отверстию маски соответствуют три точки
люминофора красного, синего н зеленого цвета. Таким
образом, экран coi'ioiit из 500 тыс. люминофорных «три-
ад».
Отверстия маски у кинескопов с планарным располо-
жением>нрожекторов продолговатой формы и ориентиро-
ваны в вертикальном направлении. Они расположены
рядом одно с другим, причем каждая тройка смещена
относительно соседней в вертикальном направлении на
половину высоты отверстий. Люминофоры на экран пла-
нарных кинескопов нанесены сплошными вертикальными
полосками чередующихся цветов.
Для того чтобы обеспечить точное попадание элек-
тронных лучей на «свои» люминофоры по всей поверхно-
сти экрана, служит система сведения лучей. Конструкция
кинескопов с планарным расположением прожекторов
обеспечивает большое постоянство сведения лучей и
практически его независимость от магнитного поля Зем-
ли. Это позволяет настраивать систему сведения лучей
заводом — изготовителем кинескопа и в таком виде по-
ставлять кинескоп вместе с отклоняющей системой и си-
стемой сведения лучей жестко взаимно закрепленными.
В процессе эксплуатации система сведения лучей этих
кинескопов регулировке не подлежит.
Обозначение осциллографических и приемных элект-
ронно-лучевых трубок состоит из четырех элементов.
Первый элемент — число, округленно указывающее диа-
199
метр экрана трубки, выраженный в сантиметрах, а для
трубок с прямоугольным экраном — размер диагонали
экрана. Вторым элементом обозначения являются две
буквы, указывающие назначение трубки: ЛК — кинес-
коп, ЛО — трубка с электростатическим отклонением лу-
ча, ЛМ — трубка с электромагнитным отклонением луча.
Третьим элементом обозначения является порядковый
номер разработки. Четвертый элемент — буква, указы-
вающая тип экрана: Б — белое свечение с коротким или
средним послесвечением, И — зеленое свечение со сред-
ним послесвечением, В — белое свечение с длительным
послесвечением желтого цвета, Ц — мозаичный экран
цветных кинескопов. Выпускаются трубки и с другими
типами экранов для специального назначения.
16.9. ГАЗОРАЗРЯДНЫЕ ПРИБОРЫ
К газоразрядным приборам относятся электроваку-
умные приборы, использующие электрический разряд в
газах. В качестве наполнителя в таких приборах исполь-
зуются инертные газы (неон, аргон, ксенон, криптон),
водород и пары ртути. Наиболее широкое применение
получили газотроны, тиратроны, стабилитроны и инди-
каторы.
Газотрон подобен вакуумному диоду, но заполнен га-
зом. В связи с тем, что в газоразрядных приборах ос-
новными носителями являются не электроны, а положи-
тельные ионы, газотроны обеспечивают получение зна-
чительно большего среднего прямого тока, чем вакуум-
ные диоды. Выпускаются газотроны с накаленным и с
холодным катодами.
Тиратрон подобен триоду и, как триод, имеет управ-
ляющую сетку. Разница, однако, состоит в том, что на-
пряжением на сетке можно управлять лишь зажиганием
тиратрона, но после зажигания запереть тиратрон по
сетке уже невозможно. Дело в том, что при подаче на
анод газотрона или тиратрона небольшого положитель-
ного напряжения относительно катода возникает неболь-
шой анодный ток, носителями которого являются элек-
троны, как в вакуумных диодах и триодах. По мере
увеличения анодного напряжения возникает ионизация
газа, все большее количество ионов участвует в создании
анодного тока, пока не произойдет зажигания прибора,
при котором возникает тлеющий разряд. При этом паде-
200
вие напряжения между анодом и катодом резко умень-
шается, а положительные ионы нейтрализуют отрица-
тельное напряжение на сетке.
Чтобы погасить разряд, нужно уменьшить анодное
напряжение. Ток через газотроны и тиратроны с холод-
ным катодом при отсутствии разряда равен нулю. Вид-
но, что по своему действию газотроны и тиратроны ана-
логичны динисторам и тринисторам. Поэтому в связи с
тем, что динисторы и тринисторы обладают значительно
лучшими характеристиками, более технологичны в про-
изводстве и значительно дешевле, в настоящее время
они почти^полностыо вытеснили газотроны и тиратроны.
Газоразрядные стабилитроны имеют анод й холодный
катод. Они характеризуются напряжением зажигания,
напряжением горения, минимальным и максимальным то-
ками, при которых сохраняется разряд в газе. При на-
личии разряда падение напряжения на стабилитроне
практически не изменяется. Поэтому их используют в
качестве стабнлизаюров постоянного напряжения.
Выпускается большое количество разнообразных га-
зоразрядных индикаторов. Одни используют просто све-
чение газа внутри баллона при наличии разряда. В дру-
гих внутри баллона помещены проволочные знаки или
цифры, и при наличии разряда начинает светиться бли-
жайшее пространство около этих знаков или цифр. Пода-
вая напряжение на ту или иную цифру, можно ее вы-
светить. В условном графическом обозначении газораз-
рядного прибора внутри баллона изображают небольшой
зачерненный кружок.
17. УСИЛИТЕЛЬНАЯ СХЕМА
17.1. НАЗНАЧЕНИЕ И РАЗНОВИДНОСТИ УСИЛИТЕЛЕН
Задача усиления электрических сигналов часто воз-
никает в самых различных отраслях науки и техники.
Устройства, предназначенные для выполнения такой за-
дачи, называются усилителями. Электрический сигнал,
как правило, возникает в результате преобразования не-
электрической величины в электрическую — напряжение
или ток. Так, звуковые колебания воздуха микрофоном
преобразуются в переменное напряжение, механические
колебания иглы звукосниматель преобразует также в
переменное напряжение, температуру окружающей сре-
201
ды термодатчик преобразует в постоянное напряжение.
Полученные в результате преобразования электрические
сигналы не могут быть, как правило, сразу использованы
по назначению в связи с тем, что их уровень недостато-
чен. Поэтому они подлежат усилению. Такие сигналы не
самоцель: они предназначены либо для передачи на рас-
стояния, либо для записи каким-либо запоминающим уст-
ройством, либо для какой-нибудь обработки, а затем
вновь должны быть преобразованы в первичный неэлек-
трический сигнал. И вновь возникает необходимость
предварительного усиления электрического сигнала. Поэ-
тому трудно себе представить какое-то устройство, свя-
занное с электрическим сигналом и не нуждающееся в
усилителе.
Электрический сигнал может представлять собой по-
стоянное напряжение, переменное напряжение низкой
или высокой частоты или импульсное напряжение. Соот-
ветственно следует подразделять и все возможные уси-
лительные устройства на усилители постоянного напря-
жения, усилители низкой или звуковой частоты, усилите-
ли высокой частоты и импульсные усилители.
В зависимости от элементной базы усилители могут
быть транзисторными, ламповыми или гибридными, со-
держащими и транзисторы, и электронные лампы. Су-
ществуют и другие типы усилителен, но в этой книге мы
их рассматривать не будем.
Основное определяющее свойство усилителя состоит
в том, что он лишь усиливает входной сигнал, но не дол-
жен искажать его формы, если это специально не преду-
смотрено. Поэтому основным параметром усилителя яв-
ляется его коэффициент усиления, под которым обычно
подразумевают коэффициент усиления по напряжению —
отношение напряжения сигнала на выходе усилителя к
напряжению сигнала на его входе. Иногда используется
понятие коэффициента усиления по мощности — отноше-
ние мощности сигнала на выходе усилителя к мощности
сигнала на его входе. Будучи выражен через отношения
напряжений или мощностей, коэффициент усиления яв-
ляется величиной безразмерной и относительной. Оказы-
вается удобным вместо выражения коэффициента уси-
ления (и других относительных величин) абсолютным
числом выражать его в логарифмических единицах —
децибелах. Коэффициент усиления в абсолютном выра-
жении будем обозначать буквой К, а в децибелах —
202
Тогда
А'р=^;^б=201?4Г’=101^- <17Л)
Замена в этих выражениях числа 20 числом 10 связана
с тем, что мощность пропорциональна квадрату напря-
жения.
Для многокаскадного усилителя общий (сквозной)
коэффициент усиления равен произведению коэффициен-
тов усиления каждого каскада. Если же коэффициенты
усиления выражены в децибелах, то общий коэффициент
усиления (также выраженный в децибелах) равен сумме
коэффициентов усиления каскадов. Это часто позволяет
определять необходимые коэффициенты усиления в уме,
не прибегая к подсчетам путем перемножения или деле-
ния. Еще одно удобство выражения коэффициента уси-
ления в децибелах состоит в том, что в этом случае нет
необходимости уточнять, о каком коэффициенте усиле-
ния идет речь, но напряжению или мощности, так как и
в том и в друюм случае коэффициент усиления, выра-
женный в децибелах, одинаков. Полезно запомнить сле-
дующую таблицу перевода коэффициента усиления по
напряжении) в децибелы.
Таблица 17.1
к 1,12 1,26 1,41 2,00 10 100 1000 10 000 100 000
Хлб 1 2 3 6 20 40 60 80 100
Зная эту таблицу, можно, разложив в уме какое-либо
число на множители, перевести его в децибелы. Так, на-
пример, в связи с тем, что число 25 приблизительно рав-
но 1,26X2X10, оно соответствует 24-6+20=28 дБ.
Другим важным параметром усилителя является его
полоса пропускания или рабочий диапазон частот — та
область частот входного сигнала, в пределах которой ко-
эффициент усиления изменяется не больше чем допусти-
мо по техническим условиям. Естественно, что при этом
должна быть задана не только полоса пропускания, но и
те пределы, в которых может изменяться коэффициент
усиления. Если для какого-то усилителя в его техниче-
ских характеристиках указан только рабочий диапазон
частот, но не указаны пределы изменения коэффициента
203
усиления в этом диапазоне, такая информация бесполез-
на, так как она не может характеризовать этот усили-
тель и не может быть использована для сравнения с па-
раметрами другого усилителя.
Качество усилителя в основном определяется тем, на-
сколько он удовлетворяет требованиям неискаженного
усиления сигнала. Искажения состоят в изменении фор-
мы сигнала на выходе усилителя по сравнению с формой
сигнала на его входе. При этом обычно допустим неко-
торый сдвиг во времени между входным и выходным на-
пряжениями сигнала, равный времени задержки сигнала
в усилителе. Искажения сигнала могут вызываться раз-
ными причинами.
Если коэффициент усиления зависит от частоты сиг-
нала, его составляющие различных частот усиливаются
по-разному. При этом возникают частотные искажения.
Они отражаются амплитудно-частотной характеристикой
усилителя — зависимостью коэффициента усиления от ча-
стоты. Часто амплитудно-частотная характеристика на-
зывается просто частотной. Если составляющие различ-
ной частоты сложного сигнала задерживаются в усилите-
ле на различные промежутки времени, такие искажения
называются (разовыми и отражаются фазочастотной ха-
рактеристикой — зависимостью изменения фазы выход-
ного напряжения от частоты. Иногда эта характеристика
называется просто фазовой.
Наконец, когда усилитель содержит элемент с нели-
нейной вольт-амперной характеристикой, в котором ток
пропорционален не первой степени напряжения, в соста-
ве выходного сигнала появляются такие частотные сос-
тавляющие, которых нет в составе входного сигнала^
Такие искажения называются нелинейными и отражают-
ся амплитудной характеристикой усилителя — зависи-
мостью амплитуды выходного сигнала от амплитуды сиг-
нала на входе усилителя. Искривление амплитудной ха-
рактеристики приводит к появлению нелинейных искаже-
ний. В отличие от них частотные и фазовые искажения
называются линейными.
17.2. ШУМОВЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ УСИЛИТЕЛЕЙ
Хаотические самопроизвольные колебания какой-ли-
бо величины около своего среднего значения называются
флуктуациями. Флуктуации напряжения возникают во
204
всех электронных устройствах из-за того, что электриче-
ский ток не является непрерывным, а представляет со-
бой поток отдельных дискретных носителей. Эти флук-
туации мешают нормальной работе электронного устрой-
ства. Если их усилить и подать на громкоговоритель, он
будет воспроизводить шипение. Поэтому в радиоэлектро-
нике такие помехи принято называть собственными шу-
мами устройства, например усилителя.
К основным видам шумов относятся тепловые и дро-
бовые шумы. Тепловой шум возникает в проводниках под
воздействуем теплового движения электронов и зависит
от температуры проводника, его сопротивления и полосы
частот, в пределах которой определяется уровень шума.
ЭДС эффективного значения теплового шума может быть
найдена но формуле Найквиста:
Em=V4kTRAf, ’ О7-2)
где эффективное значение ЭДС шумов, В;
А’- постоянная Больцмана, равная 1,38-10“23
Дж/град;
Т — абсолютная температура шумящего сопротивле-
ния, К;
R—активное шумящее сопротивление, Ом;
Af — полоса частот, в пределах которой определяется
уровень шумов, Гц.
Дробовый шум транзисторов и электронных ламп вы-
зывается разными эффектами, в основном флуктуация-
ми тока за счет его дискретной структуры. Хотя дробо-
вый шум создастся в анодной цепи лампы и в коллектор-
ной цепи транзистора, удобнее его представлять как ре-
зультат включения какого-то эквивалентного сопротивле-
ния на вход лампы или транзистора, считая их
идеальными, нешумящими. Тогда эффективное напряже-
ние дробовых шумов электронной лампы или транзисто-
ра может быть подсчитано по той же формуле Найкви-
ста (17.2), где в качестве сопротивления подставляется
эквивалентное сопротивление шумов данной лампы или
транзистора, указанное в справочнике.
Вместо эквивалентного шумового сопротивления
транзисторов чаще используется для характеристики их
шумовых свойств специальный параметр, называемый
коэффициентом шума или шумфактором. Коэффициен-
том шума N называется отношение суммы интенсивно-
стей шума самого усилителя и шума источника сигнала к
205
интенсивности шума источника сигнала. Таким образом,
коэффициент шума идеального нешумящего усилителя
должен быть равен единице, а эффективное значение
напряжения шумов, приведенное к входу усилителя, —
тепловому уровню шумов источника сигнала. Уровень
собственных шумов усилителя накладывает ограничение
на тот минимальный уровень сигнала, который может
быть усилен. Напряжение сигнала должно превышать
напряжение шумов, иначе сигнал затеряется в шумах и
не сможет быть распознан. Поэтому важно знать не само*
напряжение шумов, а отношение напряжения сигнала к
напряжению шумов. Коэффициент шума и показывает,
во сколько раз отношение сигнал/шум на входе усилите-
ля больше отношения сигнал/шум на его выходе. Таким
образом, коэффициент шума показывает, насколько уси-
литель портит отношение сигнал/шум.
Полевые транзисторы обладают значительно мень-
шим уровнем шумов по сравнению с биполярными. В
связи с тем, что ток затвора полевых транзисторов очень
мал, дробовым шумом этого тока можно пренебречь и
считать, что шумы полевых транзисторов определяются
только тепловыми шумами токопроводящего канала, и
эквивалентное шумовое сопротивление полевых транзи-
сторов примерно равно 0,7/5, где 5 крутизна характери-
стики.
В связи с рассмотрением шумовых свойств усилите-
лей нельзя не остановиться на таком параметре усили-
тельного устройства, каким является чувствительность.
Чувствительностью называют минимальный уровень.вход-
ного сигнала, при котором на выходе усилителя обеспе-
чивается номинальный уровень выходного сигнала. Каза-
лось бы, чувствительность можно неограниченно улуч-
шать (уменьшать, так как чем меньше чувствительность,
тем она лучше), увеличивая коэффициент усиления. Это
весьма распространенная ошибка начинающих, которые
забывают о собственных шумах усилителя. Пока коэф-
фициент усиления мал, и для получения номинального вы-
ходного напряжения на вход приходится подавать боль-
шой сигнал, действительно, увеличение коэффициента
усиления улучшает чувствительность. Но как только бу-
дет достигнуто усиление, при котором входной сигнал
окажется сравним с уровнем собственных шумов, даль-
нейшее увеличение усиления к улучшению чувствитель-
ности приводить уже не будет. Это относится не только
206
Рис. 17.1. Сдемы усилительных каскадов:
а — с общей базой; б, « - с общим затвором; г — с общей сеткой
к собственно усилителям, но и к более сложной аппара-
туре (радиоприемникам, телевизорам и другим устрой-
ствам), в состав которой входят усилители.
17.3. основные схемы УСИЛИТЕЛЬНЫХ каскадов
На рис. 17.1, а приведена схема усилительного каска-
да с общей базой (ОБ) на биполярном транзисторе.
Прямое смещение эмиттерного перехода и обратное сме-
щение коллекторного перехода создаются источниками
питания соответствующей полярности. Входной сигнал
подается на эмитер относительно базы, которая зазем-
лена. Под воздействием входного сигнала изменяется
эмиттерный ток, что влечет соответствующее изменение
тока коллектора и напряжения на коллекторе, перемен-
ная составляющая которого является выходным, усилен-
ным сигналом каскада. Выходное напряжение снимается
с резистора коллекторной нагрузки 7?н.
На рис. 17.2 приведено семейство статических харак-
теристик транзистора, включенного по схеме ОБ, — за-
висимость тока коллектора от напряжения коллектор-
база. Эти характеристики по сути дела представляют со-
бой уравнение с двумя неизвестными: /к и (7кб. Для того
чтобы определить в данной схеме фактические значения
тока коллектора и напряжения коллектор-база, необхо-
димо второе уравнение, связывающее эти величины.
Очевидно, что напряжение коллектор-база должно рав-
няться напряжению источника питания коллекторной це-
пи за вычетом падения напряжения на резисторе на-
грузки /?н, которое равно произведению тока коллектора
207
на сопротивление резистора. Тогда второе уравнение бу-
дет иметь вид:
UK6=EK-IKRa. (17.3)
Чтобы решить систему из двух уравнений с двумя не-
известными, нужно их выразить в одинаковой форме —
либо выразить семейство выходных характеристик тран-
зистора аналитически, что весьма затруднительно, либо
изобразить уравнение (17.3) графически, что значитель-
но проще, так как оно представляет собой уравнение’
прямой линии и его график можно построить по двум
точкам. Для этого можно задаться произвольно двумя
конкретными значениями тока коллектора и найти соот-
ветствующие им значения напряжения коллектор-база.
Проще всего для нахождения одной точки задать ток
коллектора, равным нулю, и соответствующее ему напря-
жение коллектор-база будет равно напряжению источни-
ка Ек. Для второй точки зададим равным нулю напря-
жение коллектор-база. Тогда соответствующий ток кол-
лектора будет равен EK/RU. По найденным двум точкам
строим прямую, которая называется динамической ха-
рактеристикой. При разных значениях сопротивления на-
грузки и постоянном напряжении питания коллектора
Е1Л динамические характеристики выходят из одной и той
же точки, но имеют разный наклон, зависящий от со-
противления нагрузки: чем оно больше, тем меньше на-
клон. Решение системы этих двух уравнений, заданных
графически, то есть рабочий режим транзистора, нахо-
дится на пересечении одной из статических выходных
характеристик и динамической характеристики.
Выбор статической характеристики производится та-
ким образом, чтобы рабочая точка находилась примерно
в середине динамической характеристики. На рис. 17.2
рабочая точка выбрана на пересечении динамической и
статической характеристики, соответствующей току эмит-
тера /э2. Тогда напряжение коллектор-база соответст-
вует абсциссе рабочей точки Л, а ток коллектора — ор-
динате этой точки. Если амплитуда сигнала соответству-
ет изменению тока эмиттера от /Э1 (отрицательный полу*
период) до /э3 (положительный полупериод), то напряже-
ние на коллекторе будет изменяться в пределах, пока-
занных пунктирными линиями. Очевидно, что при мень-
ших сопротивлениях нагрузки динамическая характери-
стика пойдет круче и изменения напряжения коллектор-
208
Рис.. 17.2. К построению ди
намической характеристики
Рис. 17.3. Схема усилитель-
ного каскада ОБ
база при тех же изменениях тока эмиттера будут мень-
ше, что соответствует меньшему коэффициенту усиления
каскада.
Если входной сигнал представляет собой не ток, а на-
пряжение, соответствующий ему ток находится по вход-
ной характерне।икс. Проводя на ней горизонтальные ли-
нии, соответствующие юкам эмиттера I э1, /э2, /эз, на-
ходим значения необходимого постоянного напряже-
ния на эмиттере и амплитуду напряжения входного сиг-
нала.
На рис. 17.1, б, в и г соответственно показаны схемы
усилительных каскадов с общим затвором полевых тран-
зисторов и лампового триода. Построение динамических
характеристик для этих каскадов и выбор рабочей точ-
ки производятся аналогично.
Конкретные схемы усилительных каскадов с общей
базой, общим затвором или общей сеткой могут быть
весьма разнообразны, в основном по особенностям пода-
чи напряжений питания. База, затвор транзисторов или
сетка электронной лампы по постоянному току могут
быть не заземлены, что обычно позволяет вместо двух
раздельных источников питания использовать один сов-
местно с делителем напряжения. Достаточно заземлить
указанные электроды по переменному току при помощи
конденсатора большой емкости, емкостное сопротивле-
ние которого на самой низшей частоте рабочего диапазо-
на мало. В качестве примера на рис. 17.3 показана прак-
тическая схема усилительного каскада ОБ. Рассмотрим
назначение ее элементов.
Конденсатор С1 является разделительным: он пре-
пятствует поступлению на эмиттер транзистора постоян-
209
ной составляющей напряжения с выхода предыдущего
каскада. Емкость этого конденсатора должна быть на-
столько большой, чтобы его емкостное сопротивление на
самой низшей рабочей частоте было значительно меньше
входного сопротивления каскада, которое в схеме ОБ
тоже мало и обычно не превышает десятка ом для мало-
мощных транзисторов. Резистор R1 служит для пропус-
кания постоянной составляющей тока эмиттера, его со-
противление берется в несколько раз больше входного
сопротивления. Конденсатор С2 заземляет базу транзис-
тора по переменному току. Резисторы R2 и R4 образуют
делитель напряжения, обеспечивающий необходимый от-
рицательный потенциал базы относительно земли, что
равносильно положительному потенциалу эмиттера от-
носительно базы, так как падение напряжения на рези-
сторе R1 от эмиттерного тока мало. Постоянное напря-
жение эмиттер-база определяет постоянную состав-
ляющую тока эмиттера и ту статическую выходную ха-
рактеристику, на которой находится рабочая точка.
Сопротивления резисторов делителя обычно измеряются
десятками кОм.
Резистор R3 является коллекторной нагрузкой каска-
да и определяет наклон динамической характеристики.
Конденсатор СЗ — разделительный и препятствует про-
хождению постоянной составляющей напряжения с кол-
лектора на вход следующего каскада. Его емкость вы-
бирается такой, чтобы емкостное сопротивление на низ-
шей рабочей частоте было значительно меньше входного
сопротивления следующего каскада. В зависимости от
схем предыдущего и последующего каскадов раздели-
тельные конденсаторы С1 и СЗ или один из них могут
оказаться ненужными, если допустимо поступление по-
стоянной составляющей напряжения с выхода одного
каскада на вход другого. Такая связь между каскадами
называется непосредственной.
Недостатком усилительных каскадов с общей базой,
затвором или сеткой является низкое входное сопротив-
ление, что не позволяет использовать большое сопро-
тивление нагрузки в предыдущем каскаде, так как вход-
ное сопротивление данного каскада включено параллель-
но сопротивлению нагрузки предыдущего и шунтирует
его. Кроме того, эта схема обладает коэффициентом уси-
ления по току, меньшим единицы, хотя коэффициент уси-
ления по напряжению достаточно велик. Достоинство
210
Рис. 17.4. Схемы усилительных каскадов:
а —с общим эмиттером; б —с общим истоком; в —с общим катодом
этих схем состоит в хорошей развязке между выходом и
входом за счет малой емкости коллектор-эмиттер, сток-
исток или анод-катод, благодаря чему они обычно ис-
пользуются в усилителях высокой частоты, где емкост-
ная связь между выходом и входом должна быть мини-
мальной. К особенное!ям рассмотренных схем относится
неизменность фазы проходящего сигнала: положитель-
ной полуволне входного сигнала соответствует также
положительная полуволна выходного сигнала.
На рис. 17.4 приведены схемы построения усилитель-
ных каскадов с общим эмиттером, истоком и катодом.
Эти схемы наиболее употребительны благодаря прису-
щим им достоинствам — высокому входному сопротивле-
нию и значительно меньшему выходному, что позволяет
легко создавать многокаскадные усилители, так как
большое входное сопротивление не шунтирует сопротив-
ление нагрузки предыдущего каскада. Схемы обладают
большими значениями коэффициента усиления и по на-
пряжению, и по току. Построение динамической харак-
теристики не отличается от рассмотренного выше. Рабо-
чая точка находится на пересечении динамической ха-
рактеристики и статической выходной характеристики
транзистора, соответствующей такому току базы, при ко-
тором рабочая точка оказывается примерно на середине
динамической характеристики.
На рис. 17.5 приведена практическая схема усили-
тельного каскада ОЭ с питанием от одного источника,
где смещение базы осуществляется с помощью делителя
напряжения Rl, R2. Использование такого делителя ста-
билизирует положение рабочей точки по сравнению с
упрощенной схемой, в которой резистор R2 отсутствует.
211
Рис. 17.5. Схема
усилительного ка-
скада ОЭ
Рис. 17.6. Схема уси-
лительного каскада на
триоде
Иногда для стабилизации положения рабочей точки при
отсутствии резистора R2 верхний по схеме вывод рези-
стора R1 подключают непосредственно к выводу коллек-
тора транзистора. Стабилизация положения рабочей точ-
ки особенно необходима при использовании германиевых
транзисторов, у которых при изменениях температуры
токи базы и коллектора могут изменяться в значитель-
ных пределах. Конденсаторы CI и С2 являются раздели-
тельными и препятствуют прохождению постоянных сос-
тавляющих напряжений на вход данного и на вход по-
следующего каскадов. R3 — резистор нагрузки.
На рис. 17.6 приводится наиболее употребительная
схема усилительного каскада с общим катодом на элек-
тронной лампе. Ее особенностью является способ подачи
напряжения смещения на управляющую сетку с помо-
щью резистора R2, включенного в цепь' катода. Анодный
ток лампы протекает от плюса источника анодного пита-
ния через резистор анодной нагрузки R3, с анода на ка-
тод лампы, через резистор R2 на землю и минус источ-
ника питания.
За счет падения напряжения на катодном резисторе
потенциал катода оказывается положительным относи-
тельно земли. Потенциал сетки относительно земли ра-
вен нулю, так как сеточный ток отсутствует. Поэтому
потенциал сетки относительно катода получается отри-
цательным. Конденсатор С2 должен иметь такую ем-
кость, чтобы на низшей частоте рабочего диапазона его
212
Рис. 17.7. Схема усили-
тельного каскада на пен-
тоде
сопротивление было значительно меньше сопротивления
катодною резистора. Тогда по переменному току мож-
но счн нт», чю катод лампы заземлен. Резистор R1 яв-
ляется элементом утечки сетки и создает утечку для
тех отдельных электронов, которые могут осесть на сет-
ке, iiecMoipu на ее отрицательный потенциал, относи-
тельно ка Ю/I,а. Х(ня количество таких электронов очень
мало, но нрн оОорнапнон цени сетки со временем они на-
капливаются, что приводит к медленному увеличению
отрицательного потенциала сетки, и лампа запирается.
Следует учесть при составлении любых схем, что все
электроды транзисторов и электронных ламп должны
иметь утечку по постоянному току на общий провод (на
шасси, которое обозначается на схемах значком «земля»)
за счет включения соответствующих сопротивлений. Ес-
ли электронная лампа при отсутствии утечки в цепи сет-
ки просто постепенно запирается и пе пропускает сигнал,
то транзисторы при «оборванной базе» обычно быстро
выходят из строя.
На рис. 17.7 показана практическая схема усилитель-
ного каскада, собранного на пентоде. Помимо создания
напряжения смещения на управляющей сетке за счет
падения напряжения на резисторе R3 она характерна
способом подачи питания на экранную сетку за счет
включения гасящего резистора R4. Протекая через этот
резистор, ток экранной сетки создает падение напряже-
ния, благодаря которому потенциал экранной сетки мо-
жет быть выбран равным заданному. Конденсатор СЗ
замыкает экранную сетку по переменному току на землю.
Это необходимо по той же причине, по которой катодный
резистор блокируется конденсатором С2. Эти конденса-
торы в отличие от разделительных С1 и С4 называются
213
блокировочными. Переменное напряжение сигнала на
управляющей сетке воздействует и на анодный ток, и
на ток экранной сетки, который кроме постоянной сос-
тавляющей приобретает и переменную. При отсутствии
конденсатора СЗ переменная составляющая тока экран-
ной сетки создает на гасящем резисторе R4 переменное
падение напряжения.
В результате при положительной полуволне сигнала
на управляющей сетке образуется отрицательная полу-
волна на экранной сетке, мешающая влиянию управляю-
щей сетки на анодный ток. Это приводит к резкому
уменьшению коэффициента усиления каскада. Блокиро-
вочный конденсатор обеспечивает получение постоянного
потенциала на экранной сетке, для чего его емкостное
сопротивление на низшей частоте рабочего диапазона
должно быть значительно меньше сопротивления гасяще-
го резистора, включенного в цепь экранной сетки. Иног-
да, когда сопротивление резистора анодной нагрузки не-
велико, гасящий резистор и блокировочный конденсатор
в цепи экранной сетки не устанавливают, подключая ее
непосредственно к источнику анодного питания.
Следует иметь в виду, что усилительные каскады с
общим эмиттером, истоком или катодом инвертируют фа-
зу входного сигнала: положительная полуволна входного
напряжения соответствует отрицательной полуволне вы-
ходного напряжения. Это связано с тем, что ток коллек-
тора, стока или анода находится в фазе с управляющим
напряжением на базе, затворе или сетке, а напряжение
на коллекторе, стоке или аноде равно разности между
напряжением источника питания и падением напряже-
ния на резисторе коллекторной, стоковой или анодной
нагрузки.
Схемы усилительных каскадов с общим коллектором
(эмиттерный повторитель), общим стоком (истоковый
повторитель) и общим анодом (катодный повторитель)
показаны на рис. 17.8. Коэффициент усиления по напря-
жению этих схем всегда меньше единицы, но коэффици-
ент усиления по току может быть очень большим. Это
связано с тем, что входное сопротивление таких схем
велико, а выходное сопротивление мало. Эмиттерные, ис-
токовые и катодные повторители применяются в тех слу-
чаях, когда каскад должен работать на низкоомную на-
грузку, которая не может быть подключена к каскаду с
большим выходным сопротивлением, например к каскаду
214
a
Pup. 17.8. Схемы повторителей:
a — эмитгерного; б — истокового; в — катодного
ОЭ. Поэтому между каскадом, собранным по схеце ОЭ,
и низкоомной нагрузкой включают повторитель. Повто-
рители также используются в тех случаях, когда к выхо-
ду усилителя должен быть подключен длинный кабель,
для согласования которого его вход и выход подключа-
ются к резисторам с небольшими сопротивлениями.
Большим достоинством повторителей является хоро-
шая передача формы входного сигнала, которая, «повто-
ряется» па выходе, чему и обязаны эти схемы своим на-
званием. Повторители не изменяют фазы входного сиг-
нала: положительная полуволна или положительный им-
пульс на входе соответствуют положительной полуволне
или положительному импульсу на выходе.
Коэффициент усиления по напряжению каскада ОЭ:
/<„= -Р~-. (17.4)
“ вх
Коэффициент усиления по напряжению каскада с об-
щим истоком:
Коэффициент усиления по напряжению каскада с об-
щим катодом:
=----—(натриоде) и/Гп = —5/?^(на пентоде). (17.6)
Ra+Rl
Коэффициент усиления по напряжению каскада ОБ:
(17.7)
Коэффициент усиления по напряжению каскада с об-
215
щим затвором примерно равен коэффициенту усиления
каскада с общим истоком.
Коэффициент усиления по напряжению каскада с об-
щей сеткой:
я (17.8)
Коэффициент усиления по напряжению каскада ОК:
я _ /гн(1+Р)
“ Я(1 + р)+Явх-
Коэффициент усиления по напряжению каскада с об-
щим стоком:
. (17.10)
“ 1+5Я,. Л '
Коэффициент усиления по напряжению каскада с об-
щим анодом:
= (17.11)
В приведенных формулах входное сопротивление би-
полярного транзистора при постоянном
напряжении коллектор-эмиттер, внутреннее сопротивле-
ние полевого транзистора/?/ - Д(/с/Л/с' при постоян-
ном напряжении затвора и внутреннее сопротивление
лампы при постоянном напряжении на
сетке определяются по их характеристикам в рабочей
точке путем построения характеристического треуголь-
ника.
17.4. УСИЛИТЕЛИ ЗВУКОВОЙ ЧАСТОТЫ
Усилители звуковой частоты чрезвычайно широко
применяются и в профессиональной, и в бытовой элек-
тронной аппаратуре.
Частотный диапазон звуковой частоты относительно
широк и простирается от примерно 20 Гц до 20 кГц.
Хотя органы человеческого слуха способны восприни-
мать верхние звуковые частоты всего до 16 кГц, да и то
лишь в молодом возрасте, а примерно к пятидесяти го-
дам порог частотной чувствительности понижается при-
мерно до 12...14 кГц, более высокие частотные составля-
ющие все же оказывают влияние на восприятие звуко-
216
вой окраски. Так, при раздельном воспроизведении двух
синусоидальных звуков частотой 14 и 17,5 кГц второй
совершенно экспертами не слышен. Если же их воспро-
изводить одновременно (разница между ними соответ-
ствует музыкальному интервалу — терции), звук приоб-
ретает определенную окраску, которая экспертами заме-
чается. Поэтому современные усилители звуковой часто-
ты рассчитываются на усиление более широкого диапа-
зона частот, вплоть до 30...40 кГц.
Выходная мощность усилителей звуковой частоты
весьма различна. Усилители носимых (карманных) ра-
диоприемников могут развивать мощность менее 100 мВт;
усилители стационарных радиоприемников, телевизоров,
электрофонов и магнитофонов обладают выходной мощ-
ностью до нескольких ватт; усилители, выполненные в
виде отдельного аппарата, выпускаются с выходной мощ-
ностью до 100 Вт.
Все усилители звуковой частоты подразделяются на
монофонические и стереофонические. Последние отли-
чаются тем, что имени два совершенно одинаковых кана-
ла, но на их входы поступают разные сигналы: один от
источника левого канала, а второй от источника правого
канала. Такими источниками могут быть два микрофона,
размещенные слева и справа от источника звука. Вос-
приятие слушателем стереозвука отличается большей ес-
тественностью и объемностью.
Чувствительность усилителей также весьма различна.
В радиоприемниках и телевизорах вход усилителя зву-
ковой частоты рассчитывается на напряжения сигнала
порядка 0,25 В, а воспроизводящие головки магнитофо-
нов создают сигнал всего> в несколько милливольт.
На качество воспроизводимого звука большое влия-
ние оказывают частотные и нелинейные искажения. Час-
тотные искажения выражаются в ослаблении усиления
в областях нижних и верхних частот. На нижних часто-
тах ослабление усиления связано с наличием в схемах
разделительных и блокировочных конденсаторов. Чем
больше их емкости, тем меньше искажения в области
нижних частот. На верхних частотах ослабление усиле-
ния связано с наличием паразитных емкостей монтажа и
входных-выходных емкостей транзисторов или электрон-
ных ламп. Эти емкости присоединены параллельно рези-
сторам нагрузки. В результате параллельное соединение
на высших частотах оказывается меньше, чем на сред-
217
них, и коэффициент усиления на высших частотах умень-
шается. Следует, однако, предостеречь от увлечения соз-
давать или стремиться приобрести усилители с мизер-
но малыми частотными искажениями. Такие тенденции
пропагандируются зарубежными фирмами в целях кон-
куренции. Нельзя забывать о том, что качество звука за-
висит не только от усилителя, а громкоговорителей, кото-
рые без ослабления воспроизводят колебания частотой
ниже 40 Гц и выше 18 кГц, встречается мало.
Усилитель звуковой частоты можно разделить на две
части — усилитель напряжения и усилитель мощности.
Функции усилителя напряжения состоят в усилении сиг-
нала до такого напряжения, на которое рассчитан вход
усилителя мощности. Задача усилителя мощности состо-
ит в получении номинальной мощности сигнала в нагруз-
ке, а его коэффициент усиления по напряжению обычно
меньше единицы.
Для достижения необходимого усиления усилитель
напряжения обычно выполняется многокаскадным. При
создании таких усилителей часто используют интеграль-
ные микросхемы, которые объединяют в одном корпусе
несколько каскадов, имеют большой коэффициент усиле-
ния и малые частотные искажения. Используются также
и операционные усилители.
Для получения максимальной мощности в нагрузке
внутреннее сопротивление усилителя мощности должно
быть равно сопротивлению нагрузки, что легко достига-
ется использованием выходного трансформатора. Одна
из таких схем показана на рис. 17.9, а. Конденсатор С —
разделительный, два резистора образуют делитель на-
пряжения для установки рабочей точки транзистора на
середине динамической характеристики. Выходной тран-
сформатор Т обеспечивает согласование сопротивлений.
Простейший расчет такой схемы (рис. 17.9, б) прово-
дится в следующем порядке. На семействе выходных ха-
рактеристик транзистора из точки Ек восстанавливается
перпендикуляр и выбирается рабочая точка А так, что-
бы ток коллектора в этой точке был не более половины
максимально допустимого для данного транзистора.
Через рабочую точку проводится динамическая характе-
ристика, наклон которой должен удовлетворять следую-
щим условиям. Приращения тока базы /б1 — /62 и
/бв должны быть одинаковыми, точка Б должна находить-
ся в области колена характеристики /бз, отрезки АБ и
218
Рис. 17.9. Однотактный выходной каскад:
а — схема; б — расчет схемы
АВ должны быть одинаковыми, динамическая характе-
ристика нигде не должна заходить в область превышения
мощности рассеяния коллектора, абсцисса точки В дол-
жна быть меньше предельного напряжения коллектор-
эмиттер транзистора. Эти условия обеспечивают макси-
мальную мощность в нагрузке при данном напряжении
питания коллектора Ек. Затем из точки £к проводится
линия, параллельная динамической характеристике, по-
казанная пунктирной линией, и по оси ординат отсчиты-
вается значение EK/R'Hl, откуда находится эквивалентное
сопротивление нагрузки /?' . Зная фактическое сопротив-
ление нагрузки /?н, можно найти необходимый коэф-
фициент трансформации выходного трансформатора
#=)//?„//?'• Режим транзистора выходного каскада,
при котором рабочая точка находится на середине ди-
намической характеристики, называется режимом клас-
са А.
На рис. 17.10 приведена другая}схема выходного кас-
када, которая называется двухтактной. Она собрана на
двух транзисторах, и сигналы подаются на их базы в
противофазе. В данной схеме это обеспечивается приме-
нением входного трансформатора Т1, который может
быть повышающим, что позволяет уменьшить коэффици-
ент усиления усилителя напряжения. Резисторы R1 и R2
образуют делитель для установки рабочей точки тран-
219
Рис, 17.10. Схема двух-
тактного каскада
Рис. 17.11. Схема бес-
трансформаторного ка-
скада
зисторов. Резистор R3 ограничивает постоянные состав’
ляющие коллекторных токов. В простейшем случае этого
резистора может и не быть. Выходной трансформатор
дает возможность согласовать каскад с нагрузкой. Такая
схема может обеспечить удвоенную выходную мощность
(по сравнению с однотактной) за счет удвоенного пере-
менного напряжения на первичной обмотке трансформа-
тора Т2. Двухтактная схема позволяет еще больше уве-
личить выходную мощность, если рабочую точку выбрать
не на середине динамической характеристики, а на ее
краю — в точке В (рис. 17.9,6), одновременно увеличив
амплитуду базового тока от /о1 до /,)3. При этом транзи-
сторы будут работать поочередно: при положительной
полуволне сигнала на базе верхнего транзистора он за-
пирается, но одновременно на базе нижнего транзисто-
ра действует отрицательная полуволна и его коллектор-
ный ток увеличивается, через полпериода отпирается
верхний транзистор, а запирается нижний. Такой режим
называется режимом класса В.
Возможен и промежуточный режим, называемый ре-
жимом класса АВ, если рабочая точка выбирается в про-
межутке между точками А и В. Для подачи противо-
фазного сигнала на базы транзисторов не обязательно ис-
пользовать входной трансформатор. Для этой цели слу-
жат так называемые фазоинверсные схемы. Одной из
таких схем является схема с разделенной нагрузкой, ис-
пользующая два резистора одинакового сопротивления,
один из которых включен в цепь коллектора, а второй —
в цепь эмиттера. Равные и противофазные напряже-
ния сигнала снимаются с эмиттера и коллектора транзи-
стора.
220
Использование трансформаторов в усилителях мощ-
ности имеет серьезные недостатки. Не говоря уже о до-
роговизне, сложной технологии производства и больших
трудностях унификации, трансформаторы плохо работа-
ют в широком диапазоне звуковых частот, где верхняя
частота отличается от нижней в тысячу раз. Для нор-
мальной работы трансформатора на нижней частоте ди-
апазона его первичная обмотка должна иметь большое
количество витков. Но при этом трудно обеспечить полное
потокосцепление между обмотками: часть силовых линий
магнитного поля первичной обмотки замыкается по воз-
духу, минуя вторичную обмотку, и создает магнитный по-
ток рассеяния, который уменьшает усиление в области
верхних частот. Кроме того, увеличивается собственная
межвитковая емкость, которая также снижает*усиление
высших частот. Для устранения частотных искажений
выходные трансформаторы приходится выполнять гро-
моздкими, разбивать первичную и вторичную обмотки на
секции и наматывать их поочередно.
С внедрением транзисторов оказалось возможным
создание усилителей мощности с выходным сопротивле-
нием, много меньшим сопротивления нагрузки, что из-
бавило or необходимости использования выходного тран-
сформатора, привело к повышению КПД усилителя и
обеспечило демпфирование свободных механических ко-
лебаний диффузора громкоговорителя.
На рис. 17.11 приведена одна из возможных схем, в
которой используется пара одинаковых по параметрам
транзисторов разной проводимости, называемая компле-
ментарной. Питание обеспечивается двумя одинаковыми
источниками £к. Схема оказывается двухтактной, не-
смотря на поступление одного и того же сигнала на базы
транзисторов. Постоянная составляющая коллекторных
токов в цепи нагрузки отсутствует, так как они проте-
кают через нагрузку встречно. В тдт момент, когда мгно-
венное значение сигнала проходит через нуль, оба тран-
зистора оказываются заперты, и для их отпирания необ-
ходимо небольшое отпирающее напряжение. В результа-
те форма выходного сигнала приобретает ступеньку. Для
ее ликвидации между базами транзисторов включают
небольшое сопротивление или диод в прямом направле-
нии. Работа транзисторов в этой схеме соответствует ре-
жиму класса В.
221
Рис. 17.12. Двухтактный
усилитель с инвертором
Рис, 17.13. Схема обрат-
ной связи
Комплементарная пара транзисторов может использо-
ваться в фазоинверсном каскаде для подачи противофаз-
ных сигналов на входы двухтактного каскада, собран-
ного на двух одинаковых транзисторах одинаковой про-
водимости, как это показано на рис. 17.12. Особенность
этой схемы состоит в питании от одного источника на-
пряжения Ек. Это, однако, требует использования разде-
лительного конденсатора С для предотвращения поступ-
ления постоянной составляющей тока в нагрузку, при-
чем приходится применять электролитические конденса-
торы емкостью в несколько тысяч микрофарад, имею-
щие большие габариты. Если эту схему питать от двух
одинаковых источников, можно обойтись без конденса-
тора, подключив нагрузку к средней точке источника пи-
тания. Однако в таких схемах всегда существует риск
выведения из строя дорогостоящего громкоговорителя
или акустической системы при появлении неисправно-
стей, нарушающих симметрию. Правда, следует заме-
тить, что имеются разработки подобных схем, в которых
используется специальная защита от постоянного тока в
нагрузке.
17.5. ОБРАТНАЯ СВЯЗЬ В УСИЛИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВАХ
Обратной связью называются цепи, с помощью кото-
рых часть выходного сигнала усилителя подается на
вход этого же усилителя. При этом говорят, что усили-
тель охвачен обратной связью. Рассмотрим структур-
ную схему усилителя, охваченного обратной связью, по-
222
казанную на рис. 17.13. Обозначим напряжение входного
сигнала U, напряжение на входе усилителя t7BX, коэффи-
циент усиления усилителя без обратной связи ^= ВЬ1*-,
коэффициент передачи цепи обратной связи р = р...
{-'вых
и найдем коэффициент усиления усилителя с учетом об-
ратной связи. Действующее на входе усилителя напря-
жение представляет собой сумму напряжения входного
сигнала и напряжения обратной связи:
Найдем выходное напряжение усилителя с учетом по-
лученного значения входного напряжения:
Перенося члены, содержащие выходное напряжение, в
одну часть уравнения, получим
AfVAn,.x- V.х(1 АР).
Тогда коэффициент усиления усилителя, охваченного об-
ратной связью, будет равен:
Полученное выражение является основным соотноше-
нием в теории усилителей с обратной связью. Произве-
дение Кр называется фактором обратной связи. Из ана-
лиза выражения (17.12) можно сделать следующие вы-
воды.
Если знак Лр положительный, а это означает, что на-
пряжение обратной связи совпадает по фазе с напряже-
нием входного сигнала, коэффициент усиления, усилите-
ля с обратной связью оказывается больше, чем коэффи-
циент усиления усилителя без обратной связи. Такая об-
ратная связь называется положительной.
Если значение фактора положительной обратной свя-
зи приближается к единице, коэффициент усиления не-
ограниченно возрастает и при его равенстве единице ста-
новится бесконечно большим. Это означает, что усили-
тель превращается в генератор.,
Если фактор обратной связи имеет отрицательный
знак, а это означает, что фаза напряжения обратной,свя-
зи противоположна фазе входного сигнала, коэффициент
223
усиления усилителя с обратной связью меньше, чем ко-
эффициент усиления усилителя без обратной связи. Та-
кая обратная связь называется отрицательной.
Если фактор отрицательной обратной связи значитель-
но больше единицы, в знаменателе выражения (17.12)
единицей можно пренебречь. Тогда числитель и знаме-
натель можно сократить на К, и в результате коэффи-
циент усиления усилителя с обратной связью будет за-
висить только от коэффициента передачи цепи обратной
связи 1/0 и не будет зависеть от коэффициента уси-
ления усилителя без обратной связи. Это крайне важно,
так как коэффициент усиления К нестабилен и зависит
от нестабильности источников питания усилителя, от ста-
рения электронных ламп, от температуры транзисторов.
Коэффициент же передачи цепи обратной связи можно
сделать достаточно стабильным, если она не содержит
активных элементов. При этом, конечно, коэффициент
передачи цепи обратной связи меньше единицы, но фак-
тор обратной связи можно увеличивать'за счет увели-
чения К.
Отрицательная обратная связь широко применяется
в усилительной технике. Для стабилизации режимов
транзисторов в многокаскадных усилителях с непосред-
ственной связью используется ООС по постоянному току,
когда с выхода усилителя на его вход подается только
постоянная составляющая напряжения. При этом стаби-
лизируется режим транзисторов в той части усилителя,
которая охвачена обратной связью без уменьшения коэф-
фициента усиления. Использование ООС по переменно-
му току снижает частотные и нелинейные искажения, воз-
никающие в той части усилителя, которая охвачена об-
ратной связью. Наконец, часто используется частотно-
зависимая ООС, при которой коэффициент передачи цепи
обратной связи на разных частотах имеет разное значе-
ние. Это позволяет сформировать необходимую форму
частотной характеристики усилителя. На тех частотах,
где коэффициент обратной связи больше, коэффициент
усиления меньше, и наоборот.
Помимо специально созданной обратной связи часто
возникает паразитная обратная связь, которая может
приводить к нежелательным последствиям. Такая связь
может появиться в результате неудачного монтажа, ког-
да выход усилителя близко расположен к его входу (за
счет емкости между ними); когда входные и выходные
224
провода оказываются рядом, будучи собраны в общий
жгут; в том случае, если источник питания обладает
большим внутренним сопротивлением, на котором выход-
ной ток создает падение напряжения, поступающее вме-
сте с питанием на первый каскад.
Чем больше коэффициент усиления усилителя, тем
опаснее наличие даже самой слабой обратной связи, так
как фактор обратной связи при этом возрастает. Неже-
лательные последствия паразитной обратной связи могут
выражаться .в самовозбуждении усилителя на какой-ли-
бо частоте или в искажении частотной характеристики,
на которой могут появляться подъемы или провалы. Ра-
циональный монтаж и тщательное устранение паразит-
ной обратной связи являются непременными условиями
создания усилителя с большим коэффициентом усиления,
и порой эта задача оказывается очень нелегкой.
17.6. РУЧНЫЕ РЕГУЛИРОВКИ В УСИЛИТЕЛЯХ
Ручные регулировки в усилителях звуковой частоты
обычно сводятся к регулированию уровня громкости и
тембра звука. Простейшая схема ручного регулятора
громкости, с использованием переменного резистора, ко-
торым изменяют напряжение входного сигнала, поступа-
ющего на вход усилителя, приведена на рис. 17.14. Такая
схема применяется повсеместно и в транзисторных, и в
ламповых усилителях. Ее достоинство состоит в том, что
при изменении положения движка переменного резисто-
ра остаются неизменными его общее сопротивление и
нагрузка на предыдущий каскад. Для нормальной регу-
лировки громкости сопротивление переменного ре-
зистора должно быть значительно меньше сопротивлений
резисторов, параллельно подключенных к базе транзи-
стора.
В связи с тем, что органы человеческого слуха раз-
личают уровни громкости не пропдрционально мощности,
а пропорционально логарифму мощности, регуляторы
громкости выполняются с нелинейной зависимостью из-
менения сопротивления от угла поворота движка. Такая
зависимость называется обратной логарифмической и
в обозначении резистора указывается буквой В.
Органы слуха человека обладают неодинаковой чув-
ствительностью к звукам различного тона: наименьшая
чувствительность наблюдается в области низших звуко-
8—2085
225
Рис. 17.15. Тонкомпенса-
ция регулятора громко-
сти
Рис. 17.14. Схема ре-
гулировки громкости
вых частот. Поэтому при малых уровнях громкости чело-
век перестает хорошо слышать басовые звуки. Для ис-
правления этого используют компенсированные регуля-
торы громкости — переменные резисторы с отводом, к
которому подключается последовательная цепочка из
конденсатора и постоянного резистора, как показано на
рис. 17.15. Такая цепочка при нижних по схеме поло-
жениях движка регулятора громкости понижает уровень
средних и высших частотных составляющих сигнала, чем
относительно увеличивает уровень низших частот. В вы-
сококачественной аппаратуре иногда используются ре-
гуляторы громкости с двумя отводами, к которым под-
ключаются цепочки с разными сопротивлениями и емко-
стями.
Регуляторы тембра предназначены для изменения в
составе сигнала содержания низших и высших частот.
Иногда это позволяет исправить первоначальную фоно-
грамму, на которой при записи содержание этих частот
оказалось недостаточным или избыточным. В других слу-
чаях с помощью регулятора тембра удается восстано-
вить нормальную слышимость указанных частот, если
используется недостаточно высококачественный громко-
говоритель, плохо воспроизводящий эти частоты сигнала.
Наконец, есть любители музыки, предпочитающие мяг-
кое или резкое звучание, получающие возможность уста-
новить приятный для их слуха тембр звука. Поэтому с
помощью регуляторов тембра необходимо иметь воз-
можность увеличивать и уменьшать уровни воспроизве-
дения низших и высших звуковых частот раздельно.
В простейшей аппаратуре часто используется регу-
лятор тембра, который позволяет лишь ослабить вос-
произведение высших частот (рис. 17.16). В верхнем по
226
Рис. 17.16. Схема про-
стого регулятора темб-
ра
Рис. 17.17. Схема сложного регулято-
ра тембра
схеме положении переменного резистора параллельно
резистору коллекторной нагрузки подключается конден-
сатор, ослабляющий уровень высших частот. В ниж^нем
по схеме положении переменного резистора этот конден-
сатор не влияет на усиление, так как сопротивление ре-
гулятора тембра берется значительно больше сопротив-
ления коллекторной нагрузки. В промежуточных поло-
жениях изменяется степень подавления высших звуковых
частот.
Схема универсального регулятора тембра на рис. 17.17
часто используется в высококачественной аппаратуре.
Она содержит раздельные регуляторы тембра низших и
высших частот и обеспечивает возможность как подъе-
ма, так и завала частотной характеристики. Рассмотрим
работу регуляторов тембра подробнее. Сопротивления
конденсаторов С/ и С 2 в области средних и высших ча-
стот достаточно малы. Поэтому можно считать, что рези-
стор R2 ими замыкается накоротко и положение его дви-
жка не оказывает влияния на частотную характеристи-
ку. В области же низших частот эти конденсаторы обла-
дают большими сопротивлениями и можно считать, что
они отсутствуют. Тогда при перемещении движка R2
вверх коэффициент передачи регулятора увеличивается,
а при перемещении движка вниз—уменьшается. Таким
образом, переменный резистор R2 является регулятором
тембра в области низших частот.
В области низших и средних частот сопротивления
конденсаторов СЗ и С4 велики, они как бы отключают
переменный резистор R5 от остальной схемы и положе-
ние его движка не влияет на частотную характеристику.
8*
227
В области же высших частот сопротивления этих кон-
денсаторов малы и перемещение движка R5 вверх при-
водит к подъему частотной характеристики, а его пере-
мещение вниз—к завалу частотной характеристики в
области высших частот. Резистор R4 осуществляет раз-
вязку регуляторов между собой, а резистор R6 является
регулятором громкости.
Следует заметить, что в рассмотренном регуляторе
тембра, как и во всех регуляторах, не содержащих ак-
тивных элементов, подъем частотной характеристики осу-
ществляется на низших и высших частотах за счет зава-
ла ее в области средних частот. Коэффициент передачи
этого регулятора по напряжению в области средних ча-
стот составляет примерно 0,1. Поэтому использование
подобных регуляторов приводит к необходимости допол-
нительного усиления сигнала. Для нормальной работы
таких регуляторов тембра источник сигнала должен
иметь малое выходное сопротивление, что обеспечивает-
ся применением эмиттерпого или катодного' повторителя.
Нагружен регулятор должен быть на сравнительно боль-
шое сопротивление. В ламповых схемах, где регуляторы
громкости имеют сопротивления порядка 1 МОм, сопро-
тивления всех резисторов рассмотренного регулятора
тембра можно увеличить в 10—20 раз, одновременно
уменьшив в такое же число раз емкости конденсаторов.
Переменные резисторы в этой схеме должны иметь ли-
нейную характеристику типа А.
Исключение среди регуляторов тембра на пассивных
элементах, позволяющих получить подъем частотной ха-
рактеристики без дополнительного усиления, представля-
ют такие регуляторы, которые используют явление ре-
зонанса. Однако из-за трудоемкости изготовления ка-
тушек индуктивности, причем индуктивность должна
быть сравнительно большой, а также из-за большой чув-
ствительности этих катушек к наводкам со стороны
внешних магнитных полей такие регуляторы тембра в
настоящее время практически не применяются.
Для регулировки тембра часто используется частот-
но-зависимая ООС. Эта ООС в сочетании с операцион-
ными усилителями в интегральном исполнении позволила
создавать многополосные регуляторы тембра (эквалай-
зеры) в виде отдельных самостоятельных блоков, кото-
рые включаются между источником сигнала и усилите-
лем звуковой частоты. В продаже имеются эквалайзеры
228
промышленного производства, а в литературе приводи-
лись многочисленные описания радиолюбительских кон-
струкций. Весь диапазон звуковых частот разбивается
на большое число полос (до 12), и усиление сигнала в
пределах каждой полосы можно изменять отдельным ре-
гулятором, увеличивая или уменьшая усиление этой по-
лосы частот. При использовании движковых регулято-
ров, расположенных рядом, они изображают результи-
рующую частотную характеристику.
17.7. РЕЗОНАНСНЫЕ УСИЛИТЕЛИ
Если усилители звуковой частоты рассчитаны на уси-
ление сигнала в широкой полосе частот, что обеспечи-
вается- неизменным сопротивлением нагрузки усилитель-
ного каскада, то в схемах резонансных усилителей осу-
ществляется узкополосное усиление. Это достигается
применением в качестве нагрузки усилительного каскада
колебательного контура или системы контуров. Полное
сопротивление параллельного контура на резонансной
частоте имеет максимум и уменьшается по мере откло-
нения частоты сигнала от резонансной. Соответственно
и коэффициент усиления каскада обладает максималь-
ным значением на резонансной частоте. При этом для оп-
ределения коэффициента усиления каскада можно поль-
зоваться выражениями коэффициента усиления для уси-
лителя звуковой частоты, заменив сопротивление рези-
стора нагрузки полным сопротивлением контура, которое
зависит от частоты и максимально при резонансе.
Для выравнивания коэффициента усиления в полосе
пропускания в каскадах резонансных усилителей исполь-
зуют связанные контуры со связью больше критической,
комбинируя их с каскадами на одиночных контурах.
Этим компенсируется провал АЧХ на частоте резонанса.
В других случаях используются взаимно расстроенные
контуры в каждом каскаде многокаскадного усилителя.
Частотная характеристика такого усилителя строится по
точкам, для чего перемножаются коэффициенты усиле-
ния каждого каскада на одинаковых частотах.
Резонансные усилители можно подразделить на два
основных класса: перестраиваемые и неперестраиваемые.
В процессе эксплуатации перестраиваемый усилитель мо-
жет настраиваться пользователем на ту или другую ча-
стоту в пределах того диапазона частот, на который рас-
229
считан данный усилитель. Для этого резонансная систе-
ма усилителя должна содержать элемент перестройки
резонансной частоты. Чаще всего таким элементом явля-
ется конденсатор переменной емкости, входящий в сос-
тав колебательного контура. Если используются связан-
ные контуры или усилитель является многокаскадным,
применяют агрегат конденсаторов переменной емкости,
что позволяет производить перестройку сразу всех кон-
туров одной ручкой. При этом неизбежны погрешности
настройки из-за того, что контуры могут находиться в
неодинаковых условиях, а секции агрегата конденсато-
ров переменной емкости не являются совершенно одина-
ковыми. Поэтому в профессиональной аппаратуре могут
использоваться раздельные конденсаторы переменной
емкости в каждом контуре, позволяющие точно настро-
ить каждый контур в резонанс с частотой сигнала, хотя
это и приводит к меньшему удобству настройки.
В аппаратуре, подверженной вибрациям, например
установленной на транспорте, вместо конденсаторов пе-
ременной емкости иногда используются катушки пере-
менной индуктивности, настройка которых производится
перемещением ферромагнитного сердечника. Такая кон-
струкция обеспечивает лучшую стабильность настройки
под воздействием вибраций.
Неперестраиваемые усилители рассчитаны на работу
при фиксированной частоте сигнала, на которую они
настроены, и в процессе эксплуатации перестройке не
подлежат. Для настройки каждого контура на нужную
частоту при налаживании в состав контуров вводятся
элементы подстройки либо в виде подстроечных конден-
саторов, либо в виде ферромагнитных сердечников ка-
тушек индуктивности. Каждый контур заранее рассчи-
тан на нужную резонансную частоту, и с помощью под-
строечных элементов достаточно ее изменять в очень
небольших пределах для компенсации разброса индук-
тивностей и паразитных емкостей, не поддающихся уче-
ту при расчете.
17.8. ПРОЧИЕ УСИЛИТЕЛИ
Иногда оказывается необходим узкополосный уси-
литель, рассчитанный на низкую частоту, находящую-
ся в пределах звуковых частот. Использовать для это-
го в качестве нагрузки колебательный контур крайне
230
Рис. 17.18. Двойной Т-образный фильтр:
в—-схема; б — частотная характеристика
нежелательно, так как потребуется громоздкая и доро-
гая катушка индуктивности. В таких случаях обычно
используют усилитель с частотно-зависимой отрицатель-
ной обратной связью. Цепь обратной связи представля-
ет собой фильтр, коэффициент передачи которого на
определенной частоте равен нулю. На этой частоте ко-
эффициент усиления усилителя с обратной связью по-
лучается максимальным. Фильтры могут быть собраны
из резисторов и конденсаторов и не содержать индук-
тивностей.
Схема одного из таких фильтров, который называется
двойным Т-образным фильтром, и его частотная
характеристика показаны на рис. 17.18. Частота, на
которой коэффициент передачи фильтра равен нулю,
называется частотой квазирезонанса:
(17.13)
Для фильтра этого типа при R= 100 кОм и С =
0,1 мкФ частота квазирезонанса составляет всего
примерно 16 Гц. Использование малогабаритных рези-
сторов и конденсаторов обеспечивает компактность
конструкции такого моста. Для сравнения можно опре-
делить необходимую индуктивность для получения той
же резонансной частоты колебательного контура при та-
кой же емкости конденсатора. Индуктивность оказыва-
ется равной 1000 Гн. Чтобы получить такую индуктив-
231
ность катушки без сердечника, пришлось бы на каркасе
диаметром 150 мм намотать многослойную катушку, со-
держащую 90 тысяч витков при ширине и толщине на-
мотки по 50 мм.
Видеоусилители или импульсные усилители харак-
теризуются тем, что полоса пропускания таких усилите-
лей должна простираться от постоянного тока до мега-
герц. Нижняя граница полосы пропускания определя-
ется либо необходимостью усиления постоянной состав-
ляющей сигнала, либо, если такой необходимости нет,
усилением первой гармоники частоты повторения сиг-
нала. Верхняя граница полосы пропускания зависит от
длительности импульсов сигнала и от необходимости
сохранить неискаженными их фронты.
В каскадах видеоусилителей приходится использо-
вать высокочастотные транзисторы и электронные лам-
пы, малые сопротивления резисторов нагрузки и высо-
кочастотную коррекцию для компенсации завала ча-
стотной характеристики в области высших частот за
счет наличия паразитных емкостей. Такая коррекция
достигается включением последовательно с резистора-
ми нагрузки небольших индуктивностей. Благодаря это-
му полное сопротивление нагрузки на высших частотах
увеличивается, и спад усиления происходит на более
высоких частотах, чем при отсутствии коррекции.
Наконец, используются усилители постоянного нап-
ряжения в тех случаях, когда входным сигналом явля-
ется небольшое постоянное напряжение, подлежащее
усилению. Как правило, такие усилители не рассчитаны
на усиление переменных напряжений частотой, превы-
шающей несколько герц. Многокаскадные усилители
постоянного напряжения должны иметь непосредствен-
ную связь между каскадами. Трудность создания таких
усилителей состоит в том, что при нулевом уровне вход-
ного сигнала напряжение на выходе усилителя также
должно быть равно нулю. Это обеспечивается компен-
сацией напряжения питания на выходе усилителя нап-
ряжением обратной полярности. При этом остро встает
вопрос стабильности напряжений питания, колебания
которых приводят к дрейфу нуля выходного напряже-
ния.
232
18. ВЫПРЯМИТЕЛИ И СТАБИЛИЗАТОРЫ
НАПРЯЖЕНИЯ
18.1. ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫЕ СХЕМЫ
Нормальная работа всех активных элементов ра-
диоэлектронной аппаратуры — электронных ламп, тран-
зисторов и микросхем — рассчитана на их питание от
источников постоянного напряжения. Но такие источ-
ники, как батареи сухих элементов и аккумуляторы,
недолговечны, расходуют запасенную в них электриче-
скую энергию и нуждаются в периодической замене
или подзаряде. Поэтому химические источники элект-
рической энергии могут считаться приемлемыми исклю-
чительно для питания носимой аппаратуры или аппара-
туры, эксплуатируемой в условиях отсутствия постоян-
ных источников тока. Питание стационарной профес-
сиональной и бытовой аппаратуры удобнее осуществ-
лять от сети переменного тока, используя для этого
преобразователь переменною напряжения в постоян-
ное. Таким преобразователем является выпрямитель.
Различные транзисторы, микросхемы и электронные
лампы рассчитаны на питание разными напряжениями,
поэтому оказывается очень удобно наличие в электро-
сети именно переменного напряжения, так как при по-
мощи трансформатора из стандартного напряжения се-
ти 220 В легко можно получить любые другие значения
напряжений на его вторичных обмотках. Задача полу-
чения различных напряжений при наличии сети посто-
янного тока оказалась бы значительно более сложной.
Простейшей выпрямительной схемой является схема
однополупериодного выпрямителя, приведенная на рис.
18.1. Ее отличительной особенностью является то, что
диод пропускает ток только в течение одной половины
периода переменного напряжения, когда оно положи-
тельно на верхнем по схеме выводе вторичной обмотки
трансформатора. Поэтому схема и называется однопо-
лупериодной.
Если бы параллельно нагрузке /? не был подключен
конденсатор С, форма напряжения на нагрузке была
бы такой, как показано пунктирной линией, и вместо
постоянного напряжение на нагрузке было пульсирую-
щим. Конденсатор сглаживает пульсации выпрямленно-
го напряжения. После включения при первом же поло-
233
Рис. 18.1. Однополупериодный выпрямитель
жительном полупериоде конденсатор быстро заряжает-
ся. Ток заряда течет по вторичной обмотке трансфор-
матора через открытый диод, конденсатор и обратно к
вторичной обмотке. Сопротивление этой цепи мало и
определяется сопротивлением обмотки и открытого
диода. Поэтому заряд конденсатора происходит быстро.
В точке А напряжение заряженного конденсатора рав-
но напряжению на обмотке, а в дальнейшем оказыва-
ется больше его, из-за чего диод запирается и заряд
конденсатора прекращается.
Теперь начинается разряд конденсатора на нагруз-
ку Сопротивление нагрузки значительно больше, чем
сопротивление цепи заряда. Поэтому разряд конденса-
тора происходит медленно, до точки 5, когда напряже-
ние на обмотке трансформатора вновь становится боль-
ше напряжения па конденсаторе, и вновь начинается
его заряд. Результирующее напряжение на конденса-
торе и нагрузке показано сплошной линией. Оно содер-
жит постоянную составляющую (собственно выпрям-
ленное напряжение) и переменную составляющую (нап-
ряжение пульсации). Очевидно, что чем меньше сопро-
тивление нагрузки (чем больше потребляемый нагруз-
кой от выпрямителя ток), тем больше амплитуда пуль-
саций и меньше выпрямленное напряжение, так как
точка Б будет располагаться ниже. Чем больше емкость
конденсатора, тем медленнее он станет разряжаться и
тем меньше будет амплитуда пульсаций и больше вы-
прямленное напряжение. Поэтому в схемах выпрямите-
лей используют электролитические конденсаторы боль-
шой емкости.
Наибольшее выпрямленное напряжение определяет-
ся амплитудой переменного напряжения на вторичной
обмотке трансформатора. Поэтому рабочее напряжение
конденсатора должно быть не менее амплитудного зна-
чения напряжения на вторичной обмотке.
234
IL
Рис. 18.2. Двухполупериодный выпрямитель
Выбор диода в этой схеме связан со следующими
требованиями. Средний выпрямленный ток диода равен
току нагрузки. Прямой импульсный ток диода равен
отношению амплитуды напряжения на вторичной об-
мотке трансформатора к сопротивлению этой обмотки^
Наконец, во время отрицательного полупериода к диоду
приложено обратное напряжение, равное удвоенной
амплитуде напряжения вторичной обмотки.
11едос'1 а'юк однонолупериодной схемы выпрямления
очевиден: из за большою промежутка времени между
точками Л и />, коюрый несколько превышает полови-
ну периода, конденсатор успевает заметно разрядиться,
что приводит к повышенной амплитуде пульсаций вы-
прямленного напряжения. Дальнейшее сглаживание этих
пульсаций, как будет показано далее, затруднено тем,
что частота пульсаций равна частоте сети питающего
напряжения 50 Гц. Поэтому однополупериодная схема
используется лишь при больших сопротивлениях на-
грузки, то есть при малом токе потребления, когда по-
стоянная времени разряда конденсатора велика и он не
успевает заметно разряжаться за время отрицательных
полупериодов.
Указанные недостатки слабее в двухполупериодной
схеме выпрямления, показанной на рис. 18.2. Здесь ис-
пользуются два диода и увеличенная вдвое вторичная
обмотка трансформатора со средней точкой. В течение
одного полупериода конденсатор заряжается через
один диод, а второй в это время заперт, в течение вто-
рого полупериода отпирается второй диод, а первый
заперт. Форма напряжения на нагрузке при отсутствии
конденсатора показана пунктирной линией, а при нали-
чии конденсатора — сплошной. Время, в течение кото-
рого конденсатор разряжается, уменьшено в этой, схеме
более чем вдвое. Поэтому выпрямленное напряжение
235
Рис. 18.3. Мостовая схе-
ма выпрямления
получается больше, а амплитуда пульсаций значитель-
но меньше, чем при однополупериодной схеме. Сущест-
венно также и то, что частота пульсаций вдвое превы-
шает частоту питающей сети и составляет 100 Гц, что
облегчает их последующее сглаживание,
К недостаткам двухполупериодной схемы со сред-
ней точкой относится усложнение трансформатора, а
также невозможность создания двух совершенно одина-
ковых половин вторичной обмотки. Это приводит к то-
му, что амплитуды напряжений на половинах вторич-
ной обмотки оказываются разными. В связи с тем, что
конденсатор заряжается попеременно от каждой из по-
ловин вторичной обмотки, в составе пульсаций вы-
прямленного напряжения появляется составляющая с
частотой 50 Гц, хотя она и меньше, чем при однополу-
периодпом выпрямлении. Двухполупериодная схема
выпрямителей широко использовалась в эпоху лампо-
вой техники, когда вместо полупроводниковых диодов
применялись двуханодные кенотроны с общим катодом.
Это оказывалось удобно, так как катоды в такой схеме
соединены. С внедрением полупроводниковых диодов,
у которых отсутствует подогреватель, двухполупериод-
ная схема со средней точкой вторичной обмотки транс-
форматора оказалась почти полностью вытесненной
мостовой схемой выпрямления, которая в устаревшей
литературе называется схемой Греца.
Мостовая схема выпрямителя показана на рис. 18.3.
Она содержит вместо двух диодов четыре, но не требу-
ет удвоения вторичной обмотки трансформатора. В те-
чение одной половины периода ток проходит от верх-
него по схеме вывода вторичной обмотки через диод
VD2, через нагрузку, через диод VD3 к нижнему выво-
ду вторичной обмотки. В течение следующей половины
периода ток проходит от нижнего вывода обмотки через
диод VD4, через нагрузку, через диод VD1 к верхнему
выводу вторичной обмотки трансформатора. Таким об-
разом, в течение обоих полупериодов диодами выпрям-
236
ляется одно и то же переменное напряжение вторичной
обмотки и в составе пульсации составляющая с часто-
той 50 Гц отсутствует. Мостовая схема также является
двухполупериодной. Форма напряжения на нагрузке в
этой схеме оказывается такой же, как и в двухполупе-
риодной схеме со средней точкой. Рабочее напряжение
конденсатора также равняется амплитуде переменного
напряжения па вторичной обмотке. Однако требования
к диодам в обеих двухполупериодных схемах отлича-
ются от требований в однополупериодной схеме. В свя-
зи с тем, что 'гон нагрузки проходит через диоды пооче-
редно, средний выпрямленный ток каждого диода равен
половине тока нагрузки.
Обратные напряжения на диодах мостовой схемы
равны in* удвоенной, а одинарной амплитуде напряже-
ния вторичной обмотки. Обратные напряжения на дио-
дах двухполупериодной схемы со средней точкой и зна-
чения импульсных токов обеих схем такие же, как и в
однополупериодной схеме. Однако ток вторичной об-
мотки трансформа гора в мостовой схеме равен по свое-
му эффективному значению току нагрузки, что вдвое
больше, чем в однополупериодной схеме и в схеме со
средней" точкой. Поэтому сечение провода вторичной
обмотки трансформатора в мостовой схеме должно
быть в два раза больше, чем в двух других (диаметр
провода — в 1,41 раза больше).
Удвоение количества диодов в мостовой схеме оку-
пается вдвое уменьшенным количеством витков вторич-
ной обмотки трансформатора и уменьшением пульсаций
выпрямленного напряжения. Для упрощения монтажа
мостовых схем промышленностью выпускаются готовые
сборки из четырех одинаковых диодов в одном корпусе,
которые уже соединены между собой по схеме моста.
К таким сборкам, например, относятся сборки типа
КД906 со средним выпрямленным током до 400 мА и
обратным напряжением до 75 В.
Недостатком мостовой схемы является прохождение
выпрямленного тока последовательно через два диода.
Падение напряжения на открытом кремниевом диоде
достигает 1 В, а на двух последовательно включенных
диодах падение напряжения составляет 2 В при макси-
мальном прямом токе. Если выпрямитель рассчитан на
низкое выпрямленное напряжение, которое соизмеримо
с падением напряжения на диодах, требуется увели-
237
чение напряжения на вторичной обмотке трансформа-
тора. Это необходимо учитывать при расчете выпря-
мителя.
18.2. УДВОЕНИЕ И УМНОЖЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ
Если необходимо получить выпрямленное напряже-
ние, которое превышает амплитудное значение напря-
жения на вторичной обмотке трансформатора, можно
использовать схему удвоения выпрямленного напряже-
ния, приведенную на рис. 18.4. В течение первого полу-
периода, когда ток вторичной обмотки направлен свер-
ху вниз по схеме, открыт диод VD1 и заряжается кон-
денсатор С1, как в схеме однополупериодного выпря-
мителя. В течение второго полупериода диод VD1 за-
перт и отпирается диод VD2. Теперь конденсатор С2
заряжается суммарным напряжением вторичной обмот-
ки трансформатора и напряжением заряженного кон-
денсатора С1, которые соединены согласно. Благодаря
этому на конденсаторе С2 образуется удвоенное нап-
ряжение. Рабочее напряжение конденсатора С1 равно
амплитуде, а рабочее напряжение конденсатора С2 —
удвоенной амплитуде напряжения вторичной обмотки
трансформатора. Обратные напряжения обоих диодов
равны удвоенной амплитуре напряжения вторичной об-
мотки. Частота пульсаций равна частоте сети — 50 Гц.
Удвоенное напряжение на конденсаторе С2 и низ-
кая частота пульсаций являются недостатком данной
схемы. Кроме того, во время заряда конденсатора С2
конденсатор С1 быстро разряжается током заряда кон-
денсатора С2. Во избежание резкого увеличения пуль-
саций и уменьшения выпрямленного напряжения при-
ходится выбирать емкость С1 значительно больше ем-
кости С2. Поэтому, если использование этой схемы, не
диктуется построением остальной схемы блока пита-
ния, лучше применять другую схему удвоения напря-
жения, которая показана на рис. 18.5.
Здесь за один полупериод заряжается через диод
один конденсатор, а в течение второго полупериода че-
рез второй диод заряжается второй конденсатор. Вы-
ходное выпрямленное напряжение снимается с обоих
конденсаторов, включенных последовательно и согласно.
Каждый конденсатор заряжается по схеме однополупе-
риодного выпрямителя, но суммарное напряжение ока-
238
Рис. 18.4. Одноиолупсриод-
ное удвоение напряжения
Рис. 18.5. Двухполунериод-
ное удвоение напряжения
зывается двухполупериодным, разряд конденсаторов
происходит только через нагрузку, поэтому частота
пульсаций вдвое больше частоты питающей сети,
а форма выходного напряжения аналогична форме
у двухполупериодного выпрямителя. Выходное напря-
жение почти равно удвоенной амплитуде напряжения
вторичной обмотки. Рабочее напряжение обоих конден-
саторов равно амплитуре этого напряжения. Обратное
напряжение па каждом диоде равно удвоенной ампли-
туде. Таким образом, использование этой схемы выгод-
нее, чем схемы, показаппоп па рис. 18.4.
Интересно заметить, что при постоянном значении
напряжения на вторичной обмотке трансформатора мос-
товая схема обеспечивает получение выпрямленного нап-
ряжения в два раза большего, а схема удвоения нап-
ряжения рис. 18.5 — в четыре раза большего, чем двух-
полупериодная схема со средней точкой. Следует упо-
мянуть, что в устаревшей литературе схема удвоения
напряжения, приведенная па рис. 18.5, называется схе-
мой Латура.
Рассмотрим еще две схемы выпрямителей с умноже-
нием напряжения.
На рис. 18.6 приведена схема выпрямителя с учет-
верением напряжения, построенная по принципу схемы
рис. 18.4. В течение одного полупериода заряжаются
конденсаторы С1 напряжением обмотки и СЗ суммой
напряжения обмотки и заряженного конденсатора С2
минус напряжение на С1\ при этом С2 разряжается.
Конденсатор С1 заряжается до амплитуды, а СЗ — до
удвоенной амплитуды напряжения на обмотке. В тече-
ние следующего полупериода заряжаются С2 суммар-
ным напряжением на обмотке и на С1, а также С4 сум-
мой напряжений на обмотке, на С1 и на СЗ минус нап-
ряжение на С2; при этом С1 и СЗ разряжаются, Оба
239
Рис. 18.6. Однополу-
периодный умножи-
тель напряжения
Рис. 18.7. Двухполупериод-
ный умножитель напряже-
ния
конденсатора С2 и С4 заряжаются до удвоенной ампли-
туды напряжения на обмотке. Результирующее напря-
жение снимается с соединенных последовательно и со-
гласно конденсаторов С2 и С4. Частота пульсаций вы-
прямленного напряжения в этой схеме составляет, как и
в схеме рис. 18.4, 50 Гц.
На рис. 18.7 показана двухполупериодная схема
учетверения напряжения, подобная схеме рис. 18.5.
Принцип ее действия читатель может рассмотреть са-
мостоятельно по аналогии с предыдущими . схемами.
Здесь частота пульсаций составляет 100 Гц, и два кон-
денсатора С1 и СЗ работаюг при напряжении, равном
одинарной амплитуде напряжения вторичной обмотки
трансформатора вместо одного конденсатора С1 в схе-
ме рис. 18.6. При одинаковом количестве элементов эта
схема выгоднее предыдущей.
Достоинством схемы, изображенной на рис. 18.6,
является возможность умножения напряжения в нечет-
ное число раз. Так, если удалить конденсатор С4 и под-
ключенный к нему диод, а выпрямленное напряжение
снимать с конденсаторов С1 и СЗ, получится утроенное
напряжение. Схема рис. 18.7 позволяет получать выпрям-
ленное напряжение только в четное число раз большее
напряжения на вторичной обмотке трансформатора.
Выпрямление с умножением напряжения не ограни-
чивается его учетверением: подключая дополнительные
цепочки, состоящие из диода и конденсатора, можно
увеличивать коэффициент умножения. Часто требуется
получить высокое выпрямленное напряжение, изме-
ряемое киловольтами. Для достижения этой цели име-
ются два .пути: либо намотать высоковольтную обмот-
240
ку на трансформаторе и выпрямить полученное с нее
высокое напряжение простым выпрямителем, либо ис-
пользовать схему умножения. Второй способ целесооб-
разнее. Высоковольтные обмотки трансформатора имеют
низкую надежность, гак как необходимо тщательно изо-
лировать их от других обмоток и от сердечника, а также
хорошо изолирован» слои этой обмотки один от другого.
Кроме того, сама намотка высоковольтных обмоток
весьма трудоемка: приходится наматывать тысячи вит-
ков очень тонким проводом, который при малейшем
натяжении лепи) рвется. Наконец, выпрямитель требу-
ет применения высоковольтных конденсаторов и диодов
с очень большим допустимым обратным напряжением.
Выход находя! путем последовательного соединения
нескольких конденсаторов и нескольких диодов. Но тог-
да при том же количестве конденсаторов и диодов целе-
сообразнее собрать выпрямитель с умножением напря-
жения, одновременно избавившись от необходимости на-
личия высоковольтной обмотки.
18.3. СГЛАЖИВАЮЩИЕ ФИЛЬТРЫ
Напряжение на выходе любого выпрямителя содер-
жит пульсации с частотой 50 или 100 Гц, которые вред-
но отражаются на работе питаемого этим выпрямите-
лем устройства. Если таким напряжением питается
усилитель звуковой частоты, пульсации, поступая на
базу первого транзистора, усиливаются им и всеми
последующими каскадами. В результате возникает фон
переменного тока, и громкоговорители помимо полезно-
го звукового сигнала воспроизводят неприятное гуде-
ние низкого тона.
Если пульсации содержатся в напряжении, питаю-
щем каскады телевизора, они приводят к искривлению
вертикальных линий изображения и появлению широ-
ких горизонтальных темных полос на экране. При
этом искривление и полосы перемещаются в вертикаль-
ном направлении, что крайне неприятно. Вредно ска-
зывается наличие пульсаций и при питании других
электронных устройств. Поэтому уровень пульсаций
нужно снизить до приемлемой величины, которая долж-
на быть значительно меньше уровня сигнала, поступаю-
щего в ту же точку устройства, куда поступают пульса-
ции. Для снижения уровня пульсаций служат сглажи-
живающие фильтры.
241
фильтр с резистором
На рис. 18.8 показан простейший сглаживающий
фильтр, состоящий из резистора и конденсатора. Если
емкостное сопротивление конденсатора на частоте пуль-
саций будет значительно меньше сопротивления рези-
стора, уровень пульсаций на нагрузке окажется также
значительно меньше, чем на входе фильтра. Отношение
амплитуды пульсаций на выходе фильтра к амплитуде
пульсаций на его входе называется коэффициентом
фильтрации и обозначается буквой q. Если сопротивле-
ние нагрузки значительно больше емкостного сопротив-
ления конденсатора фильтра и сопротивления резистора
фильтра, коэффициент фильтрации для такого фильтра
равен:
= (18.1)
где f — частота пульсаций. Так при частоте пульсаций
100 Гц, сопротивлений резистора фильтра 100 Ом и ем-
кости конденсатора 1000 мкФ коэффициент фильтрации
получается равным 63. Недостаток /?С-фильтра состо-
ит в падении напряжения на резисторе фильтра от по-
стоянной составляющей тока нагрузки, что приводит к
необходимости увеличивать напряжение на выходе вы-
прямителя на величину падения напряжения. Поэтому
такие фильтры используют лишь для питания схем,
рассчитанных на большое напряжение и малый ток на-
грузки.
Значительно большей эффективностью обладают
сглаживающие фильтры, содержащие индуктивность,
как показано на рис. 18.9. Для получения приемлемых
значений индуктивности приходится использовать дрос-
сели со стальными сердечниками, подобными сердечни-
кам силовых трансформаторов. В связи с тем, что по
242
обмотке дросселя протекает постоянная составляющая
тока нагрузки, во избежание насыщения сердечника и
связанного с этим падения магнитной проницаемости
его собирают не вперекрышку, как при сборке транс-
форматоров, а с зазором. Для этого все Ш-образные
пластины собирают в один пакет, а перемычки — в дру-
гой и между ними устанавливают картонную проклад-
ку. Коэффициент фильтрации для такой схемы сглажи-
вающего фильтра равен:
q=-A^LC— 1. (18.2)
На частоте пульсаций 100 Гц при индуктивности
дросселя 1 Гн и емкости конденсатора 1000 мкФ коэф-
фициент фильтрации оказывается равным 394. К тому
же сопротивление обмотки дросселя постоянному току
можно (‘делан» достаточно малым, выбрав соответст-
вующий диаметр провода при намотке. Поэтому паде-
ние напряжения па дросселе может быть получено так-
же малым.
• При необходимое! и очень большого ослабления
пульсаций можно последовательно включить два звена
фильтра. При этом результирующий коэффициент фильт-
рации равен произведению коэффициентов фильтрации
каждого звена. Если сравнить двухзвенный фильтр,
у которого суммарная индуктивность дросселей равна
индуктивности дросселя однозвенного фильтра, а сум-
марная емкость конденсаторов равна емкости конденса-
тора однозвенного фильтра, то окажется, что коэффи-
циент фильтрации двухзвенного фильтра получается на-
много больше при условии, что коэффициент фильтрации
больше 25.
Отсюда можно сделать вывод о том, что для дости-
жения такого же коэффициента фильтрации в двух-
звенном фильтре можно обойтись меньшими значения-
ми индуктивности и емкости по сравнению с однозвен-
ным фильтром. Наконец, из формулы (18.2) видно,
что сами по себе значения индуктивности и емкости
фильтра не определяют коэффициент фильтрации, а
важно их произведение. Можно уменьшать индуктив-
ность, во столько же раз увеличивая емкость, и коэф-
фициент фильтрации от этого не изменится.
Иногда параллельно дросселю подключают конден-
сатор, как показано на рис, 18.10. Если получившийся
243
параллельный колебательный контур окажется настро-
ен на частоту пульсаций, это резко уменьшит их уро-
вень. Указать значение коэффициента фильтрации для
Рис. 18.10. Использова-
ние фильтра-пробки
Рис. 18.11. Схема пара-
метрического стабилиза-
тора напряжения
такого случая трудно, так как он зависит от добротно-
сти контура. Однако такая схема используется редко,
в связи с тем что она крайне критична к току потреб-
ления нагрузкой и колебаниям напряжения сети, при-
водящим к соответствующим изменениям тока нагруз-
ки. При изменении тока изменяется постоянное подмаг-
ничивание дросселя, его индуктивность, и контур рас-
страивается. Это может привести к увеличению пульса-
ций даже сверх их уровня, который имеется при от-
сутствии конденсатора.
18.4. ПАРАМЕТРИЧЕСКИЕ СТАБИЛИЗАТОРЫ
НАПРЯЖЕНИЯ
*
Простейшим стабилизатором постоянного напряже-
ния является параметрический стабилизатор, схема ко-
торого приведена на рис. 18.11. Стабилизация напря-
жения необходима в тех случаях, когда напряжение пи-
тания какого-либо участка электронного устройства не
должно изменяться при изменениях напряжения пер-
вичного источника питания (напряжения сети или ба-
тареи), а также при изменениях тока, потребляемого
этим участкэм устройства. Может также оказаться не-
обходимым стабилизировать питание всего устройства.
Строго говоря, добиться идеальной стабилизации, то
есть совершенно постоянного напряжения на выходе
стабилизатора, нельзя. Поэтому задачей стабилизатора
является ослабить влияние изменений входного напря-
244
жения и изменений тока нагрузки на его выходное нап-
ряжение.
Принцип действия параметрического стабилизатора
основан на свойстве стабилитрона резко изменять про-
ходящий через него ток при небольших изменениях при-
ложенного напряжения. От этого параметра и зависит
степень стабилизации напряжения, что послужило при-
чиной названия такой схемы. Каждый тип стабилитро-
на характеризуется напряжением стабилизации [7СТ,
минимальным /М||„ и максимальным 1 макс токами ста-
билизации. Стабилизация напряжения на сопротивле-
нии нагрузки /?„ осуществляется за счет того, что почти
все изменение входного напряжения благодаря измене-
нию тока через стабилитрон падает на балластном ре-
зисторе R6. Через балластный резистор протекает сум-
ма токов С1абилитрона и нагрузки. При увеличении
входного на пряжения увеличивается напряжение на
нагрузке и на стабилитроне, что вызывает резкое уве-
личение тока через стабилитрон. Увеличивается паде-
ние напряжения па балластном резисторе, поэтому уве-
личение напряжения на стабилитроне и на нагрузке
оказывается значительно меньше, чем изменение вход-
ного напряжения. Аналогично происходит стабилизация
и при уменьшении входного напряжения. При увеличе-
нии тока нагрузки напряжение на ней и на стабилитро-
не уменьшается, что приводит к резкому уменьшению
тока стабилитрона. Поэтому суммарный ток через бал-
ластный резистор поддерживается почти прежней ве-
личины, чем и достигается стабилизация выходного
нанря жения.
При расчете параметрического стабилизатора нуж-
но знать номинальный ток нагрузки и выбрать номи-
нальный ток стабилитрона, примерно равный полусум-
ме его минимального и максимального токов стабили-
зации. Сложив номинальные токи стабилитрона и на-
грузки, находят номинальный__ток через балластный
резистор. Затем выбирают входное напряжение UQ, при-
мерно равное 1,5 (7СТ. Чем больше входное напряжение,
тем лучше стабилизация. Наконец, определяется сопро-
тивление балластного резистора. Для этого разность
между входным напряжением и напряжением стабили-
зации делится на ток через балластный резистор. Пе-
ремножая эти же величины, находят мощность, вы-
деляемую на балластном резисторе в номинальном
245
режиме. На этом расчет стабилизатора заканчива-
ется.
Можно определить значения максимального и мини-
мального входного напряжений, при которых будет под-
держиваться стабилизация выходного напряжения. Для
этого к току нагрузки прибавляют максимальный или
минимальный ток стабилитрона и сумму умножают на
сопротивление балластного резистора, определяя паде-
ние на нем напряжения при максимальном и мини-
мальном токах. Прибавив к полученным падениям нап-
ряжения напряжение стабилизации, находятся пределы
входного напряжения.
Чем меньше ток нагрузки по сравнению с током ста-
билитрона, тем лучше стабилизация. Иногда полагают,
что если ток нагрузки в несколько раз больше номи-
нального тока имеющегося стабилитрона, его нельзя
использовать для стабилизации. Такое мнение ошибоч-
но: в подобных случаях сокращаются пределы измене-
ния входного напряжения, при которых обеспечивается
стабилизация и приходится увеличивать входное нап-
ряжение и соответственно балластное сопротивление.
Промышленностью выпускается широкий ассорти-
мент кремниевых стабилитронов на самые различные
напряжения стабилизации, минимальные и максималь-
ные токи. Однако в устаревшей аппаратуре еще встре-
чаются газонаполненные стабилитроны, которые также
характеризуются аналогичными, приведенными выше
параметрами. Схемы их включения и способ расчета
стабилизатора те же.
18.5. ЭЛЕКТРОННЫЕ СТАБИЛИЗАТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ
Параметрические стабилизаторы напряжения обес-
печивают невысокую степень стабилизации, так как для
изменения тока стабилитрона напряжение на нем, а
следовательно, и на нагрузке должно изменяться. Зна-
чительно лучшую стабилизацию выходного напряжения
обеспечивают электронные стабилизаторы. Простейшая
схема такбго стабилизатора представлена на рис. 18.12.
Здесь стабилитрон является источником опорного нап-
ряжения и обеспечивает постоянный потенциал базы
транзистора, который включен по* схеме эмиттерпого
повторителя. Выходное напряжение равно опорному с
точностью до малой величины падения напряжения на
246
Рис. 18.12. Простои элект-
ронный стабплп <а гор на-
пряжения
Рис. 18.13. Регулируемый
стабилизатор напряже-
ния
эмиттерном переходе транзистора. Ток нагрузки может
во много раз превосходить номинальный ток стабилит-
рона.
Еще лучшую стабилизацию обеспечивают схемы, со-
держащие усилители разностного сигнала между вы-
ходным напряжением и опорным. Одна из таких схем
показана на рис. 18.13. Транзистор VT1 является регу-
лирующим, а транзистор VT2— усилительным. Часть
выходного напряжения при помощи делителя поступа-
ет на базу усилительного транзистора, потенциал эмит-
тера которого фиксирован стабилитроном. Усиленная
разность этих напряжений воздействует на базу регу-
лирующего транзистора, управляя выходным напряже-
нием. При увеличении входного напряжения выходное
также , незначительно увеличивается, усилительный
транзистор приоткрывается, его коллекторный ток уве-
личивается и потенциал коллектора, а стало быть, и
базы регулирующего транзистора уменьшается. Регули-
рующий транзистор подзапирается и гасит избыток
входного напряжения. За счет усиления изменения вы-
ходного напряжения оказываются во много раз меньше
изменений входного. Переменный резистор позволяет
осуществить регулировку выходного напряжения.
Существует большое разнообразие схем электрон-
ных стабилизаторов напряжения, рассмотреть которые
при ограниченном объеме книги нет возможности. Все
они построены по рассмотренному принципу. В качест-
ве усилительного элемента вместо одного транзистора
может использоваться два или операционный усили-
тель в интегральном исполнении. В качестве регули-
рующего элемента часто используют составной транзи-
247/
стор. Применяются прецизионные стабилитроны, кото-
рые характеризуются очень малыми изменениями нап-
ряжения стабилизации при изменениях температуры.
Если эмиттерный ток усилительного транзистора недо-
статочен для нормальной работы стабилитрона, исполь-
зуется дополнительный балластный резистор, подклю-
ченный либо к входному напряжению, либо к дополни-
тельному стабилизированному источнику более высоко-
го напряжения. В некоторых схемах стабилитрон вклю-
чается в базовую цепь усилительного транзистора.
Если необходимо получить на выходе отрицательное
напряжение относительно общего провода, можно с
этим общим проводом соединить плюс выходного нап-
ряжения стабилизатора или использовать источник от-
рицательного напряжения и изменить тип проводимо-
сти транзисторов стабилизатора. Имеются также схе-
мы, в которых регулирующий транзистор подключен
эмиттером к источнику входного напряжения, а кол-
лектором— к нагрузке. Так или иначе, но принцип ра-
боты стабилизатора остается прежним: стабилизация
выходного напряжения осуществляется за счет гашения
избытка входного напряжения на регулирующем тран-
зисторе.
Пульсации выпрямленного напряжения на выходе
выпрямителя также продета вл я ют собой колебания
напряжения и хорошо сглаживаются в стабилизаторе
напряжения. Поэтому при наличии стабилизатора сгла-
живающий фильтр может отсутствовать. При этом вы-
ход стабилизатора часто соединяют с базой усилитель-
ного транзистора конденсатором, что улучшает сглажи-
вание пульсаций.
18.6. ФЕРРОРЕЗОНАНСНЫЕ СТАБИЛИЗАТОРЫ
НАПРЯЖЕНИЯ
Помимо стабилизации уже выпрямленных напряже-
ний иногда стабилизируют переменное напряжение на
входе блока питания. Для этого используют ферроре-
зонансные стабилизаторы переменного напряжения. Од-
нако феррорезонансные стабилизаторы обладают рядом
недостатков, о которых необходимо знать. Согласно дей-
ствующему стандарту выходное напряжение стабилиза-
тора может находиться в пределах от 0,9 до 1,05 номи-
нального, то есть от 198 до 231 В. Стабилизаторы не
248
снабжаются вольтметром, проконтролировать выходное
напряжение нельзя, осуществить регулировку выходного
напряжения потребитель не может.
Феррорезонансныс стабилизаторы искажают сину-
соидальную форму кривой напряжения, которая на вы-
ходе стабилизатора приближается к прямоугольной с
коэффициентом нелинейных искажений до 12 %, и соз-
дают значительное магнитное поле, которое может при-
водить к появлению медленно перемещающихся в вер-
тикальном направлении горизонтальных полос на эк-
ране телевизора, или нарушать сведение лучей цветно-
го кинескопа.
Стабилизатор настроен на заводе на поддержание в
указанных пределах эффективного значения выходного
напряжения. Из-за искажения формы кривой аплитуд-
ное значение напряжения оказывается заниженным.
При синусоидальной форме напряжения 220 Вэфф его
амплитуда ('оставляет 311 В. При коэффициенте нели-
нейных искажений 12 % амплитуда уменьшается также
примерно на 12 %, достигая 274 В. Таким образом, даже
в том случае, если на выходе стабилизатора поддержи-
вается номинальное эффективное значение напряже-
ния, уменьшение амплитудного значения выходит за
допустимые для электробытовой аппаратуры десяти-
процентные пределы. Если же стабилизатор настроен за-
водом на нижний предел допустимого выходного нап-
ряжения 198 Вэфф , при указанных двенадцатипроцент-
ных искажениях формы кривой амплитуда может
упасть до 246 В, что на 21 % меньше номинального зна-
чения. А ведь именно от амплитудного значения напря-
жения зависят все выпрямленные напряжения в блоке
питания аппарата. Поэтому они также окажутся силь-
но заниженными.
В телевизоре это может привести к уменьшению
размеров растра, ухудшению линейности разверток,
падению яркости, контрастности и чувствительности,
нарушениям цветности и ухудшению сведения лучей.
В радиоприемнике — к ухудшению чувствительности,
уменьшению выходной мощности, к увеличению нели-
нейных искажений. В магнитофоне — к падению выход-
ной мощности, уменьшению скорости транспортирования
ленты, к ухудшению стирания старых записей, к от-
казам при перемотке. Наконец, в связи с Тем, что рабо-
тоспособность электронной бытовой аппаратуры гаран-
249
тируется лишь при уменьшении напряжения питания на
10 %, а выпрямленные напряжения в рассмотренных
условиях уменьшились на 21 %, может вообще нару-
шиться работоспособность аппарата. Таким образом,
при номинальном напряжении сети включение аппарату-
ры через стабилизатор может сопровождаться наруше-
нием работоспособности, хотя без стабилизатора она
работает хорошо.
Может показаться, что целесообразнее на заводе ре-
гулировать стабилизатор так, чтобы на его выходе под-
держивалось номинальным амплитудное значение нап-
ряжения. Однако при этом эффективное значение ока-
жется завышенным, что приведет к перекалу катодов
электронных ламп и кинескопа, а это совершенно недо-
пустимо.
Поэтому пользоваться феррорезонансным стабили-
затором можно лишь в тех случаях, когда напряжение
сети изменяется резкими скачками и в больших преде-
лах, что может вывести аппарат из строя. При этом
придется мириться с указанными недостатками, а во
избежание воздействия магнитных полей стабилизатора
размещать его на расстоянии не менее 1,5 м от подклю-
ченного к стабилизатору аппарата. Если же напряже-
ние сети изменяется медленно и плавно, вместо стаби-
лизатора целесообразнее использовать регулируемый
автотрансформатор с вольтметром.
Феррорезонансные стабилизаторы рассчитаны на ра-
боту при частоте переменного тока, находящейся в пре-
делах от 49,5 до 50,5 Гц. Если частота выходит за эти
пределы, использование стабилизатора совершенно -не-
допустимо. Такие уходы частоты в сетях переменного
тока, входящих в единую энергетическую систему стра-
ны, крайне редки, Однако еще многие населенные пунк-
ты получают энергию от автономных местных электро-
станций, где частота может изменяться в пределах от
49 до 51 Гц. Наконец, в экспедициях, геологоразведоч-
ных партиях, на кораблях и в поездах частота напря-
жения бывзет очень нестабильна и колебания напряже-
ния могут быть значительными. В этих условиях ис-
пользование феррорезонансных стабилизаторов вообще
должно быть исключено.
По мере развития техники конструкторы бытовой
аппаратуры постоянно стремятся к усовершенствова-
нию схем, чтобы упростить управление аппаратом и
250
свести ручные регулировки, к минимуму. В последние
годы разработаны и выпускаются телевизоры с им-
пульсным стабилизированным блоком питания, который
обеспечивает нормальную работу при колебаниях нап-
ряжения сети в пределах от 176 до 242 В. Такие телеви-
зоры. не нуждаются ни в регулируемом автотрансфор-
маторе, ни в стабилизаторе напряжения. К ним отно-
сятся аппараты 2УСЦТ и ЗУСЦТ, то есть унифициро-
ванные стационарные телевизоры цветного изображе-
ния с торговыми индексами Ц-255, Ц-256, Ц-257, Ц-275,
Ц-280, Ц-380 и последующие, а также переносные теле-
визоры типа «Электроника Ц-432». Кроме наличия ста-
билизированного блока питания в этих телевизорах рез-
ко снижена мощность, потребляемая от сети.
19. РАДИОПЕРЕДАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА
19.1. ИЗЛУЧ1 ЛИГ. И РЛС11РОСТРЛ1Илиг РАДИОВОЛН
Работа всякого радиопередатчика основана на трех
физических процессах: генерации электрических коле-
баний высокой частоты, управлении этими колебаниями
для передачи сигнала и излучении высокочастотных ко-
лебаний в пространство. Генерация колебаний высокой
частоты осуществляется задающим генератором с пос-
ледующим усилением и при необходимости умножени-
ем частоты. Управление высокочастотными колебания-
ми в целях их изменения но закону передаваемого сиг-
нала производится в модуляторе. Излучение промоду-
лированных электрических колебаний в пространство
осуществляется антенной.
Радиоволны представляют собой совокупность пере-
менных электрического и магнитного полей одинаковой
частоты. Вектор магнитного поля перпендикулярен
вектору электрического поля, а направление распрост-
ранения электромагнитного поля перпендикулярно
плоскости, в которой расположены указанные векторы,
и подчиняется правилу буравчика, если вектор электри-
ческого поля поворачивать в направлении вектора маг-
нитного поля.
Электромагнитное поле образуется в пространстве
в результате протекания в антенне переменного тока,
251
Таким образом, антенна при наличии в ней переменно-
го тока возбуждает электромагнитное поле. Будучи воз-
буждено в пространстве, электромагнитное поле стано-
вится свободным и уже не зависит от токов в антенне.
Это связано с тем, что электромагнитные волны рас-
пространяются от источника не мгновенно, а с конечной
скоростью, равной скорости света. Если ток в антенне
в какой-то момент прекратится, это не приведет к мгно-
венному исчезновению поля во всем пространстве: ра-
нее возбужденное поле будет продолжать распростра-
няться все в более удаленные точки, а вслед за ним бу-
•дет распространяться граница исчезновения поля, выз-
ванная прекращением протекания тока в антенне. На-
личие такого самоподдерживающегося поля вызвано
тем, что изменение во времени электрического поля воз-
буждает магнитное поле, и наоборот.
Свободно распространяющиеся в пространстве ра-
диоволны находят в современной науке и технике важ-
ное и многообразное применение. Прежде всего — это
передача на большие расстояния самой различной ин-
формации (телеграфия, телефония и фототелеграфия
по радио, радиовещание, телевидение); обнаружение
различных объектов с определением направления и
расстояния до них (радиолокация); управление на рас-
тоянии механизмами (телеуправление); определение
направления на излучающую станцию (радиопеленга-
ция и радионавигация); передача на расстояние ре-
зультатов измерений (радиотелеметрия). И многое,
многое другое.
Механизм распространения в околоземном прост-
ранстве радиоволн различных диапазонов оказывается
разным. Для радиоволн длинных и средних диапазонов
характерно распространение за счет земной волны, ко-
торая распространяется вдоль поверхности Земли бла-
годаря дифракции. Радиоволны коротковолнового диа-
пазона не подвержены дифракции, так как их дли-
на мала по сравнению с кривизной земной поверхно-
сти. Однако они подвергаются преломлению в высших
слоях атмосферы и отражению от ионосферных слоев.
Поэтому дальность распространения радиоволн длин-
новолнового и средневолнового диапазонов не превы-
шает нескольких тысяч километров, а волны коротко-
волнового диапазона за счет преломления и отражения
могут многократно огибать земной шар. В УКВ диапа-
252
зоне необходимо различать уверенный и случайный
сверхдальний прием, в частности телевизионных пере-
дач, которые ведутся в этом диапазоне.
Уверенным приемом называется такой прием, когда
независимо от состояния погоды, состояния солнечной
активности, температуры, влажности и других факто-
ров обеспечивается прием передач выбранного заранее
телевизионного передатчика.
Уверенный прием телевизионных передач обеспечи-
вается благодаря распространению прямой волны
вдоль поверхности Земли. Ультракороткие волны рас-
пространяются прямолинейно и совсем не отражаются
ионосферой в противоположность коротким волнам.
Поэтому максимально возможная дальность приема
должна- определяться условиями прямой видимости пе-
редающей антенны из точки установки приемной ан-
тенны. В связи с тем, что поверхность Земли шарооб-
разна с радиусом сферы около 6370 км, можно вывести
следующую формулу для определения максимальной
дальности, соответствующей прямой видимости:
1) 3,57(|/// (19.1)
где D — максимальная дальность, км;
Н — высота передающей антенны, м;
h — высота приемной антенны, м.
Эта формула не учитывает рельефа местности и
предполагает, что антенна установлена на идеально
ровной сферической поверхности Земли. Кроме того,
не учитывается нормальная рефракция радиоволн, ко-
торая может в диапазоне метровых волн обеспечить не-
которое огибание радиоволнами земной поверхности.
Поэтому определение максимальной дальности по этой
формуле получается заниженным, фактически макси-
мальная дальность приема будет всегда больше.
Явление нормальной рефракции заключается в том,
что радиоволны УКВ диапазона распространяются не
строго по прямой, а в связи с тем что плотность возду-
ха убывает с высотой, незначительно огибают поверх-
ность Земли, что приводит к увеличению максимальной
дальности уверенного приема по сравнению с макси-
мальной дальностью прямой видимости. Нормальной
рефракции также благоприятствуют изменения темпе-
ратуры и влажности воздуха.
Помимо нормальной рефракции дальнему распрост-
253
ранению радиоволн содействует рассеивание их различ-
ными преградами, встречающимися на пути распрост-
ранения, Такие преграды в виде железобетонных масс
зданий, мостов, мачт сами становятся как бы источни-
ками электромагнитных излучений. Вторичные излуче-
ния, конечно, значительно слабее по мощности, чем ос-
новное. Однако при наличии хорошей антенны и доста-
точно чувствительного приемника можно считать ре-
альным получение уверенного приема на значительно
больших расстояниях, чем дает формула дальности пря-
мой видимости.
Область, в пределах которой оказывается возмож-
ным уверенный прием, можно поэтому разбить на две
зоны: зону прямой видимости и зону полутени. В зоне
прямой видимости напряженность электромагнитного
поля сигнала достаточно велика, и прием возможен с
помощью обычных антенн. Расширить зону прямой ви-
димости данного передатчина можно лишь путем уве-
личения высоты установки приемной антенны. Однако
увеличение высоты приемной антенны расширяет зону
прямой видимости незначительно. В зоне полутени
напряженность поля значительно ниже, чем в зоне пря-
мой видимости, что вынуждает использовать высоко-
эффективные airieniibi. При достаточно большой мощ-
ности телевизионного передатчика зона полутени огра-
ничена расстоянием 200... 220 км от передатчика, рабо-
тающего на 1—2-м каналах, 160... 180 км4от передатчи-
ка, работающего на 3—5-м каналах, 120... 150 км от
передатчика, работающего на 6—12-м каналах. Зоны
полутени в диапазоне дециметровых волн не существу-
ет. Кроме того, в атмосфере наблюдается повышенное
затухание сигнала этого диапазона. Поэтому зона уве-
ренного приема дециметрового передатчика ограничи-
вается расстоянием прямой видимости, уменьшенным
примерно в 1,2 раза.
Следует заметить, что указанные границы зон полу-
тени и прямой видимости не являются резкими, а в зна-
чительной мере размыты. Кроме того, они очень при-
ближенны, так как не учитывают фактического рельефа
местности. При наличии на трассе холмов и горных
преград максимальные расстояния уверенного приема
могут оказаться значительно меньшими, а уверенный
прием даже при небольших расстояниях от передатчи-
ка — невозможным.
254
В отличие от уверенного иногда наблюдается слу-
чайный сверхдальний прием на расстояниях до несколь-
ких тысяч километров. Сверхдальний прием объясняет-
ся случайно сложившимися благоприятными условиями
распространения сигнала. Такие условия возникают при
повышенном уровне ионизации сравнительно низко рас-
положенных слоев атмосферы благодаря сильным
вспышкам на солнце, при наличии метеорных следов,
п]£и аномально резких перепадах плотности, влажно-
сти и температуры воздуха на разных высотах, а так-
же при других малоизученных явлениях. Сверхдальний
прием наблюдается крайне редко, как правило, толь-
ко на 1-м и 2-м каналах. Сеансы сверхдальнего приема
крайне непродолжительны: от нескольких минут до не-
скольких часов, а сигнал подвержен сильным замирани-
ям. Прогнозировать сеансы сверхдальнего приема не-
возможно. При появлении условий сверхдальнего прие-
ма уровень сигнала бывает иногда настолько велик,что
забивает прием передач местного телевизионного пере-
датчика. Тем не менее в связи со значительной ред-
костью сеансов сверхдальнего приема ориентироваться
н'а него не имеет смысла.
19.2. ПЕРЕДАЮЩИЕ И ПРИЕМНЫЕ АНТЕННЫ
Передающая антенна преобразует энергию высоко-
частотных колебаний электрического тока, сосредото-
ченную в выходных цепях радиопередатчика, в энергию
электромагнитного поля радиоволн. Приемная антенна
выполняет обратные функции, преобразуя энергию
электромагнитного поля принимаемых радиоволн в
энергию электрического тока, сосредоточенную во вход-
ных цепях радиоприемника. Формы, размеры и конст-
рукции антенн разнообразны и зависят от длины излу-
чаемых или принимаемых радиоволн и назначения ан-
тенн.
Важнейшей характеристикой антенны является ее
направленность, которая определяется диаграммой.
Диаграмму направленности передающей антенны пока-
зывает зависимость напряженности электрического по-
ля от направления. Направленное излучение приводит к
увеличению напряженности поля в заданном направле-
нии по сравнению с остальными и эквивалентно увели-
чению излучаемой мощности. Количественную оценку
255
направленности антенны дает коэффициент направлен-
ного действия (КНД), который показывает, во сколько
раз нужно увеличить мощность излучения при замене
данной антенны ненаправленной, чтобы напряженность
поля в точке, соответствующей максимуму излучения
данной антенны, осталась неизменной. Диаграмма на-
правленности приемной антенны показывает зависи-
мость ЭДС на выходе антенны от направления прихо-
да волны при условии, что напряженность поля не за-
висит от этого направления. КНД приемной антенны
показывает, во сколько раз мощность сигнала на выхо-
де данной антенны при приходе волны с направления
максимального приема больше, чем при использовании
ненаправленной антенны, помещенной в ту же точку
поля.
Форма диаграммы направленности и КНД любой
антенны одинаковы в режиме передачи и в режиме
приема. Это свойство называется принципом взаимно-
сти и позволяет исследовать характеристики антенн
только в режиме передачи или только в режиме
приема.
Области применения направленных и ненаправлен-
ных антенн определяются их назначением. Передающие
антенны для радиовещания и телевидения выполняют-
ся ненаправленными в горизонтальной плоскости для
создания одинаковой напряженности поля во всех на-
правлениях. Также ненаправленными в горизонтальной
плоскости выполняются радиовещательные приемные
антенны для возможности приема со всех направлений.
Передающие и приемные антенны, предназначенные
для связи между определенными пунктами, целесооб-
разнее делать направленными, что позволяет умень-
шить мощности передатчиков и увеличить мощности
сигналов на входах приемников. Также направленными
должны быть антенны радиорелейных линий связи.
Очень острая направленность необходима для радио-
локационных антенн, которая определяет точность по-
лучения координат цели. Направленными должны быть
и приемные телевизионные антенны, что обеспечивает
им пространственную избирательность приема. Это
позволяет ослабить побочный прием отраженных сиг-
налов, приходящих с других направлений, которые соз-
дают многоконтурность изображения на экране теле-
визора,
256
Не вся подводимая к антенне мощность сигнала от
передатчика излучается ею в пространство. Часть мощ-
ности теряется в проводах, изоляторах и окружающей
среде. Часть мощности отражается от антенны обратно
к передатчику, если антенна неточно согласована с фи-
дером (линией передачи энергии от передатчика к ан-
тенне). Отношение излучаемой антенной мощности ко
вцей подводимой к пей мощности называется коэффи-
циентом полезного действия (КПД) антенны.
Важной характеристикой антенны также является
ее входное сопротивление. Если оно не согласовано с
волновым сопротивлением фидера, часть энергии пере-
датчика будет отражаться от антенны. В случае же
приемной антенны такое рассогласование приведет к
отражению части принятой энергии от фидера и ее излу-
чению антенной обратно в пространство.
19.3. ЗАДАЮЩИЕ ГЕНЕРАТОРЫ
Задающим генератором или автогенератором назы-
вается каскад радиопередатчика, который является ис-
точником электрических колебаний и определяет (зада-
ет) частоту этих колебаний. Для возникновения коле-
баний используется усилитель с положительной обрат-
ной связью. Для генерации необходимо выполнение
двух условий: баланса амплитуд и баланса фаз. Баланс
амплитуд состоит в том, что произведение коэффициен-
та усиления усилителя на коэффициент передачи цепи
обратной связи на частоте генерации должно быть
больше или равно единице. Если это произведение рав-
но единице, поддерживаются колебания постоянной ам-
плитуды. Если оно больше единицы, амплитуда колеба-
ний нарастает. Если же оно меньше единицы, ампли-
туда колебаний уменьшается и генерация прекраща-
ется.
Любой усилитель содержит нелинейный элемент —
транзистор или электронную лампу, вольтамперная ха-
рактеристика которого нелинейна (криволинейна). При
увеличении амплитуды колебаний мгновенные значения
напряжения на выходе усилителя достигают нуля или
напряжения питания (отсечки или насыщения). На-
клон амплитудной характеристики усилителя уменьша-
ется, и она переходит на горизонтальный участок—-на-
ступает ограничение. От формы амплитудной характе-
9—2085
257
(б) режима возбуждения
ристики усилителя зависит режим возникновения коле-
баний автогенератора.
В разделе 17.5 было показано, что произведение коэф-
фициента усиления усилителя К на коэффициент пере-
дачи цепи обратной связи 0 называется фактором об-
ратной связи. Если фактор обратной связи меньше еди-
ницы /<0 < 1, значит, К < Г/р. Если же фактор обрат-
ной связи больше или равен единице /<01>1, значит,
Л 1/0. На основе этих выражений можно построить
колебательные характеристики автогенератора, пока-
занные на рис. 19,1 Кривая линия является амплитуд-
ной характеристикой усилителя, а прямая — характери-
стикой обратной связи. Левая колебательная характе-
ристика соответствует мягкому режиму возбуждения
колебаний автогенератора. Здесь характеристики пере-
секаются в двух точках: в начале координат и в точке А.
Левее точки А /<>1/0 и колебания должны нарастать.
Поэтому начало координат является неустойчивой точ-
кой колебательной характеристики. Правее точки
А /<<1/0 и колебания должны спадать. Поэтому
точка А является устойчивой точкой колебательной ха-
рактеристики. При включении питания генератора воз-
никает генерация с плавным нарастанием амплитуды до
вхождения генератора в режим, соответствующий
точке А.
Правая колебательная характеристика соответству-
ет жесткому режиму возбуждения колебаний. Здесь ха-
рактеристики пересекаются в трех точках, из которых
устойчивыми являются начало координат и точка Б.
258
Точка же А является неустойчивой, так как левее ее
колебания должны спадать, а правее — нарастать. При
включении питания генератора с такой колебательной
характеристикой генерация не возникает, так как схе-
ма находится в устойчивой точке (в начале координат).
Для возбуждения колебаний необходим насильствен-
ный перевод схемы в состояние правее точки А. Тогда
режим переходит в точку Б, которая является устойчи-
вой. Такой перевод схемы в режим генерации может
быть осуществлен разными способами, например крат-
ковременным увеличением К или р, либо подачей от
внешнего источника колебаний на вход усилителя, пре-
вышающих амплитуду колебаний в неустойчивой точке
А колебательной характеристики.
Условие, баланса фаз требует, чтобы сигнал, подан-
ный на вход усилителя в какой-то фазе, приводил к
появлению сигнала на выходе цепи обратной связи в
той же (разе на частоте генерации. При этом знак фак-
тора обратной связи должен быть положительным. Ес-
ли усилитель переворачивает (разу сигнала, как напри-
мер, усилитель с общим эмиттером, знак коэффициента
усиления получается отрицательным и знак коэффици-
ента обратной связи также должен быть отрицатель-
ным, иначе говоря, цепь обратной связи в этом.случае
также должна переворачивать фазу. Таким образом,
условие баланса фаз является условием положительной
обратной связи.
Рассмотрим несколько схем автогенераторов. На
рис. 19.2 приведена широкораспространенная схема ге-
нератора с индуктивной обратной связью. Колебатель-
ный контур, включенный в цепь коллектора, определя-
ет частоту колебаний. С контурной катушкой индук-
тивно связана катушка обратной связи, которая обеспе-
чивает подачу положительной обратной связи в цепь
базы транзистора. Резистор служит для подачи напря-
жения смещения на базу, а конденсатор С — блокиро-
вочный и заземляет по переменному току верхний по
схеме вывод катушки связи. Концы катушки связи долж-
ны быть подключены так, чтобы обеспечить положитель-
ную обратную связь. При переключении концов катушки
обратная связь изменяется на противоположную. Этим
обеспечивается баланс фаз. Коэффициент передачи цепи
обратной связи определяется коэффициентом индуктив-
ной связи между катушками. Его можно изменять сбли-
9:
259
Рис. 19.2. Автогенера-
тор с индуктивной
связью
Рис. 19.3. Схема индук-
тивной трехточки
жением катушек или их удалением одна от другой. Этим
обеспечивается баланс амплитуд.
Настройка генератора на нужную частоту произво-
дится либо подключением параллельно контурному кон-
денсатору полупеременного конденсатора и его под-
стройкой, либо сердечником, вводимым в контурную ка-
тушку. Съем генерируемых колебаний с генератора
можно произвести с дополнительной катушки связи, ко-
торая на схеме не показана.
На рис. 19.3 представлена другая распространенная
схема автогенератора, обычно называемая индуктивной
трехточкой, с индуктивной или автотрансформаторной
обратной связью. Средняя точка контурной катушки
соединена с источником питания, на выходе которого
обычно включен конденсатор. Поэтому средняя точка
по переменному току заземлена, как и эмиттер транзи-
стора. Таким образом, между коллектором и эмиттером
включена индуктивность L2, а между базой и эмитте-
ром— L1. Конденсатор С является разделительным и
препятствует> попаданию на базу постоянной состав-
ляющей напряжения из коллекторной цепи. Резистор
R создает необходимое смещение на базе. Частота оп-
ределяется суммарной индуктивностью и емкостью кон-
тура.
Схема автогенератора, приведенная на рис. 19.4, но-
сит название емкостной трехточки. Подобно предыду-
щей схеме, здесь контурные конденсаторы С1 и С2 об-
разуют среднюю точку контура, которая заземлена. Та-
260
Рис. 19.-1. Схема емкост-
ной трехтонки
Рис. 19.5. Схема квар-
цевого автогенератора
ким образом, между коллектором и эмиттером включен
конденсатор С1, а между базой и эмиттером — С2. Кон-
денсатор С является разделительным, а дроссель высо-
кой частоты Др обеспечивает подачу на коллектор на-
пряжения питания, вместе с тем препятствуя заземле-
нию коллектора по переменному току.
Баланс фаз в обеих трехточечных схемах обеспечи-
вается тем, что между эмиттером и коллектором и меж-
ду эмиттером и базой включены реактивности одинако-
вого характера. Баланс амплитуд обеспечивается выбо-
ром отвода на контурной катушке и соотношением меж-
ду емкостями конденсаторов. Если в схемах первых
двух генераторов использовать в контуре конденсатор
переменной емкости, удастся перестраивать генератор
в широкохм диапазоне частот.
Если автогенератор должен работать на фиксиро-
ванной частоте и необходимо обеспечить ее стабильность,
используется кварцевый резонатор. Одна из возможных
схем кварцованного автогенератора приведена на
рис. 19.5. Здесь кварцевый резонатор выполняет функ-
ции индуктивности, а емкость контура образована кон-
денсаторами С1 и С2. Схема аналогична емкостной
трехточке.
261
Задающие генераторы радиопередатчиков представ-
ляют собой маломощные каскады. Это объясняется не-
допустимостью нагрева элементов, который приводит
к нестабильности частоты генератора. Поэтому для нор-
мальной работы передатчика после задающего генерато-
ра устанавливают один или несколько промежуточных
усилительных каскадов, первый из которых обычно на-
зывают буферным. Буферный каскад обладает большим
входным сопротивлением и предотвращает влияние по-
следующих каскадов на работу автогенератора.
Последующие усилительные каскады в радиопере-
дающей технике обычно называют генераторами с
внешним возбуждением. Для экономии энергии они, как
правило, работают в режиме В или даже в режиме С,
при котором большую часть периода транзистор или
лампа заперты и отпираются лишь на короткую часть
периода входным синусоидальным напряжением. Кол-
лекторный ток такого каскада представляет собой си-
нусоидальные импульсы, содержащие большое коли-
чество гармоник основной частоты. Нагрузкой генера-
тора с внешним возбуждением является колебательный
контур, настроенный на одну из гармоник. Этим осу-
ществляется умножение частоты автогенератора.
19.4. МОДУЛЯЦИЯ И МОДУЛЯТОРЫ
Процесс модуляции состоит в том, чтобы осущест-
вить изменение простого синусоидального колебания jio
закону модулирующего сигнала и благодаря этому
обеспечить передачу этого сигнала по радио. У начинаю-
щих радиолюбителей часто возникает вопрос: зачем
нужна модуляция, нельзя ли усилить сам сигнал и из-
лучать его в пространство. Однако это неудобно по сле-
дующим причинам. Большинство сигналов имеют низ-
кую частоту,'для их излучения необходимы антенны ги-
гантских размеров, да и затухают такие сигналы в ат-
мосфере очень быстро. Поэтому дальность действия по-
добных передатчиков была бы невелика. Главное же
препятствие состоит в том, что оказалось бы невозмож-
ным выделить один нужный сигнал из большого коли-
чества, излучаемых разными передатчиками. Если же
для радиопередачи использовать высокую частоту, ко-
торую называют несущей частотой, и промодулировать
262
Рис. 19.6. Лмплп гуцно моцулпроваппыс колебания:
а — синусоидальным ст палом; (> tin налом сложной формы
ее по закону передаваемого сигнала, указанные трудно-
сти отпадают.
Синусоидальное напряжение характеризуется тремя
параметрами — частотой, амплитудой и фазой. Каждый
из этих параметров можно подвергнуть модуляции, по-
лучив амплитудную, частотную или фазовую модуляцию
несущей частоты. Основное требование при любом виде
модуляции состоит в том, что несущая частота должна
быть хотя бы в несколько раз больше самой высшей час-
тоты модулирующего сигнала.
Рассмотрим наиболее простой и распространенный
вид модуляции — амплитудную модуляцию. На рис.
19.6 показаны амплитудно-модулированные колебания:
слева — модулированные синусоидальным сигналом,
справа — сигналом сложной формы. Огибающая моду-
лированных колебаний, показанная пунктирной ли-
нией, является модулирующим сигналом. Векторная ди-
аграмма амплитудно-модулированного колебания, ког-
да модулирующее напряжение синусоидально, пока-
зана на рис. 19.7. В этом случае колебания, показан-
ные на рис. 19.6, а, состоят из суммы трех синусоидаль-
ных колебаний — несущей частоты соо, нижней боковой
частоты coo — и верхней боковой частоты (dq+Q, где
263
io
Рис. 19.8. Спектральная
характеристика АМК
Q — модулирующая частота. Вектор нижней боковой
частоты вращается по часовой стрелке, а вектор
верхней боковой частоты — против часовой стрелки.
Так как вектор несущей частоты тоже вращается
против часовой стрелки, представим себе, что вся
плоскость чертежа вращается по часовой стрелке с час-
тотой вектора несущей. Тогда он остановится, а векторы
боковых частот будут вращаться с частотой модуляции.
Их равнодействующая будет лежать на липни вектора
несущей и будет складываться с ним или вычитаться из
него. Суммарный вектор этих трех частот пульсирует
с частотой модулирующего сигнала.
На рис. 19.8 показана спектральная характеристика
такого сигнала. Если модуляция производится сигна-
лом сложной формы, такой сигнал, как известно, яв-
ляется суммой синусоид, и на спектральной характери-
стике вместо двух боковых частот появляются две бо-
ковые полосу частот — верхняя и нижняя, симметрич-
ные относительно несущей. Для количественной оцен-
ки глубины модуляции вводится понятие коэффициента
амплитудной модуляции, который равен отношению ам-
плитуды огибающей к среднему значению амплиту-
ды высокочастотного заполнения Ш (рис. 19.6)
== __ т^х U min
Vш U max~VU mln
(19.2)
264
Рис. 19.9. Частотно-модули-
рованпые колебания
Рис. 19.10. Векторная диа-
грамма ЧМК
Частотная модуляция отличается от амплитудной
тем, что амплитуда частотно-модулированного колеба-
ния остается постоянной, а по закону передаваемого
сигнала изменяется частота. Форма частотпо-модулиро-
ванного колебания показана па рис. 19.9. Здесь частота
модулированного колебания отклоняется от своего сред-
него значения, равного несущей частоте, в большую и
меньшую стороны на определенную величину, которая
называется девиацией частоты. При этом девиация про-
порциональна амплитуде модулирующего сигнала, а ско-
рость, с которой частота модулированного колебания ка-
чается относительно несущей, пропорциональна частоте
модулирующего сигнала. При больших амплитудах мо-
дулирующего сигнала, например при громких звуках, де-
виация велика, при малых амплитудах — мала. Если мо-
дуляция ведется низкой частотой, частота модулирован-
ного колебания изменяется медленно, если высокой
частотой — быстро. Одним из основных параметров ча-
стотной модуляции является индекс модуляции, равный
отношению девиации к модулирующей частоте:
(19-3)
Таким образом, индекс модуляции показывает, во
сколько раз девиация превышает модулирующую ча-
стоту при постоянной амплитуде модулирующего сиг-
нала.
На рис. 19.10 приведена векторная диаграмма ча-
265
напряжением при условии очень малого индекса мо-
дуляции. Здесь также имеются вектор несущей частоты
и два вектора боковых частот, как и при амплитудной
модуляции. Разница состоит в том, что вектор верхней
боковой частоты входит с обратным . знаком. Поэтому
равнодействующая векторов боковых частот не совпа-
дает с направлением несущей, а перпендикулярна ей.
В результате вектор модулированного колебания качает-
ся относительно вектора несущей. Размах этих качаний
зависит от амплитуд боковых частот, то есть от девиа-
ции, а скорость качаний — от модулирующей частоты.
Может показаться, что при модуляции изменяется
не только частота, но и амплитуда модулированного ко-
лебания, так как гипотенуза больше катета. Но это свя-
зано лишь с несоответствием взаимного масштаба век-
торов на векторной диаграмме: при очень малых индек-
сах модуляции девиация также мала и вектор модули-
рованного колебание качается около вектора несущей
в пределах малого угла.
На рис. 19.11 показана спектральная характеристи-
ка частотно-модулированного колебания с индексом
модуляции, не превышающим 0,5. Составляющая верхней
боковой частоты направлена вниз, показывая, что она
берется с обратным знаком. Из спектральной характе-
ристики видно, что с малыми индексами модуляции ши-
рина частотного спектра при частотной модуляции та-
кая же, как и при амплитудной. Однако работа с малы-
ми индексами модуляции крайне невыгодна и обычно
индекс модуляции бывает значительно больше едини-
цы. Тогда для сохранения постоянного значения ампли-
туды модулированного колебания приведенная вектор-
ная диаграмма непригодна. Оказывается, что даже при
266
модуляции чисто синусоидой частотный спектр частотно-
модулированного колебания должен содержать большое
количество боковых частот, отстоящих от несущей на ве-
личину модулирующей частоты, удвоенной модулирую-
щей частоты, утроенной модулирующей частоты и т. д.
Приближенно ширина частотного спектра частотно-моду-
лированного колебания при индексе модуляции, превы-
шающем 0,5, может быть определена по формуле:
а = 2(1+р)Л (19.4)
то есть в (1|- р) раз больше, чем при амплитудной
модуляции.
Частотная модуляция имеет большие преимущества
перед амплитудной. Дело в том, что при амплитудной
модуляции максимальный коэффициент модуляции по-
лучается юлько на пиках громкости. Средний же ко-
эффициент модуляции во время передачи не превыша-
ет 30 %. Поэтому мощность боковых частот, которые
несут полезную информацию, не превышает 10 %, ос-
тальные же 90 % излучаемой мощности приходятся на
несущую частоту, которая никакой информации не не-
сет. При ’частотной модуляции соотношение более вы-
годное и улучшается с увеличением индекса модуляции,
Кроме того, при частотной модуляции имеется возмож-
ность в радиоприемнике произвести ограничение приня-
того сигнала по амплитуде для срезания помех.
Однако при частотной модуляции с большими ин-
дексами модуляции значительно расширяется ширина
излучаемого спектра частот. Так, при действующих ны-
не стандартных она составляет примерно 200 кГц. По-
этому работа с частотной модуляцией допустима только
в диапазоне УКВ; отведенные для радиовещания диа-
пазоны длинных, средних волн и поддиапазоны корот-
ких волн слишком узки, и один-два передатчика с ча-
стотной модуляцией заняли бы весь диапазон.
Фазовая модуляция имеет некоторые отличия от
частотной, но в основном схожа с ней, поэтому рассмат-
риваться не будет.
В последнее время в любительской радиосвязи по-
лучила большое распространение однополосная модуля-
ция, при которой передатчик излучает только одну бо-
ковую полосу частот амплитудной модуляции, а несу-
щая частота и вторая боковая полоса подавляются. Это
позволяет всю мощность передатчика сосредоточить в
267
полезном сигнале, несущем информацию. Кроме того,
вдвое сужается ширина спектра частот, излучаемых в
пространство.
Амплитудная модуляция осуществляется модулято-
рами в основном двух видов — с модуляцией в цепи ба-
зы и с модуляцией в цепи коллектора (в ламповых
каскадах соответственно в цепи сетки и анода). Моду-
ляция по базе энергетически более экономична, моду-
ляция же по коллектору обеспечивает большую глубину
модуляции при меньших искажениях. При базовой мо-
дуляции напряжение на базе транзистора является сум-
мой модулируемого напряжения высокой частоты и мо-
дулирующего напряжения сигнала. При коллекторной
модуляции модулирующее напряжение подается после-
довательно на коллектор с напряжением питания, а мо-
дулируемое подается на базу.
Частотная модуляция обычно осуществляется в за-
дающем генераторе с использованием варикапа, ем-
кость которого изменяется под воздействием модули-
рующего сигнала. При последующем умножении часто-
ты достигается увеличение индекса модуляции.
20. РАДИОПРИЕМНЫЕ УСТРОЙСТВА
20.1. ОСОБЕННОСТИ ПРИЕМНЫХ АНТЕНН
Конструкции и устройство приемных антенн отлича-
ются большим разнообразием. Антенны бытовой радио-
аппаратуры можно подразделить на наружные, комнат-
ные и встроенные в приемник. Каждая из этих групп мо-
жет отличаться своим устройством в зависимости от
того диапазона волн, на который рассчитана антенна.
Наружные антенны для работы в диапазонах
длинных, средних и коротких волн, на которых ведется
радиовещание, должны быть ненаправленными и обыч-
но выполняются в виде вертикального провода. Чем
больше длина этого провода, тем эффективнее антенна,
тем больше уровень сигнала на выходе антенны при
постоянной напряженности поля в точке приема. Вме-
сто удлинения вертикального провода к его верхнему
концу можно присоединить элементы, приводящие к
увеличению емкости на Землю. Такими элементами яв-
ляются либо горизонтальный провод, либо пучок корот-
268
них проводов, образующий так называемую метелку.
Наружные антенны для указанных диапазонов часто
заменяют суррогатными, используя трубы центрально-
го отопления, водопровода или провода электросети.
Хотя трубы заземлены, их разветвленная по зданию
сеть вполне удовлетворительно выполняет функции ан-
тенны. При использовании электросети между одним из
сетевых проводов и антенным гнездом радиоприемника
включают конденсатор емкостью в несколько тысяч пи-
кофарад. Однако использование электросети в качест-
ве антенны краппе опасно, так как случайный пробой
конденсатора может привести к поражению владельца
приемника электрическим током, пожару, а в лучшем
случае - к ci оранию контурных катушек приемника.
Наружные тленны для работы в УКВ диапазоне
при приеме радиовещания или телевидения выполняют-
ся направленными. Размеры этих антенн зависят от но-
мера телевизионного канала или от частотного диапа-
зона УКВ радиовещания. В зависимости от расстояния
до передатчика, его мощности и рельефа местности на
трассе приходится выопрагь более пли менее сложную
конструкцию ангенны, о г которой зависит КНД.
Комнатные антенны для работы в диапазонах длин-
ных, средних и коротких волн в настоящее время приме-
няются редко в виде куска провода, подвешенного под
потолком. Промышленность выпускает разные конструк-
ции комнатных антенн для приема радиовещания на
УКВ и телевидения. Однако следует заметить, что они
применимы лишь в непосредственной близости от пере-
датчика. Кроме того, комнатные телевизионные антен-
ны не обеспечивают хорошего качества изображения,
так как помимо основного сигнала принимают отражен-
ные сигналы от стен, труб водопровода, газопровода и
центрального отопления, от проводов электросети, те-
лефонной сети, радиотрансляционной сети,, от металли-
ческих предметов домашней обстановки. Даже переме-
щение человека по комнате приводит к изменению ус-
ловий приема. Все эти отраженные сигналы создают
многоконтурность изображения на экране телевизора —
так называемые повторы. Поэтому для приема телеви-
дения в любых условиях лучше использовать наружную
антенну. Хорошие результаты дает применение телеви-
зионных антенн коллективного пользования. Одна та-
кая антенна, установленная на крыше здания и снаб-
269
жениая специальным антенным усилителем, способна
обслужить множество телевизоров.
Широкое применение получили встроенные антенны.
Все современные стационарные, переносные и носимые
радиоприемники снабжены встроенной магнитной ан-
тенной, работающей в диапазонах длинных и средних
волн, а некоторые приемники имеют такую же антенну
и для приема в диапазоне коротких волн. Магнитная
антенна представляет собой ферритовый стержень, на
котором расположены катушки индуктивности входных
контуров приемника. Такая антенна обладает направ-
ленным действием, что позволяет, вращая ее, выбирать
оптимальное положение по отношению к источникам
сигнала и помех. Портативные радиоприемники снаб-
жаются также выдвижной штыревой антенной для
приема передач на коротковолновых диапазонах. Та-
кие же штыревые антенны имеются у большинства пор-
тативных телевизоров. Стационарные приемники, рас-
считанные на работу в УКВ диапазоне, снабжаются
встроенной УКВ-антенной в виде проволочной петли,
расположенной внутри футляра. Помимо встроенных
антенн все приемники и телевизоры, конечно, имеют
специальные гнезда для подключения наружных ан-
тенн.
Для антенн диапазонов длинных, средних и корот-
ких волн основной характеристикой является действую-
щая высота антенны, которая выражается в метрах.
Если умножить напряженность электромагнитного по-
ля сигнала в данной точке пространства на действую-
щую высоту антенны, получится напряжение принято-
го сигнала на выходе антенны. Для вертикального про-
вода действующая высота примерно равна 0,64 от гео-
метрической длины провода. Для метелочной антенны
действующая высота примерно равна геометрической
длине антенны. Для направленных антенн УКВ диапа-
зона основной характеристикой является КНД, однако
для приемных антенн чаще пользуются понятием коэф-
фициента усиления.
Коэффициент усиления показывает, во сколько раз
увеличивается напряжение или мощность сигнала на
входе приемника при использовании данной антенны по
сравнению с напряжением или мощностью сигнала на
входе приемника при использовании одиночного полу-
волнового вибратора. Соответственно различают коэф-
270
фицйент усиления по напряжению (по полю) и по мощ-
ности. Если коэффициент усиления выражен в децибе-
лах, то эти значения равны. Если же его выражать «в
разах», то коэффициент усиления по мощности равен
квадрату коэффициента усиления по напряжению.
В связи с тем, что КПД полуволнового вибратора со-
ставляет 1,64, если известен КНД какой-либо антенны,
легко можно определить коэффициент усиления ее по
мощности, разделив КНД на 1,64. Если же КНД выра-
жен в децибелах, коэффициент усиления антенны
меньше КНД на 2,15 дБ.
При определении коэффициента усиления УКВ-ан-
тенн полуволновый вибратор выбран в качестве этало-
на в. связи с тем, что он является простейшей антенной
для этого'диапазона, а также потому, что легко опреде-
ляется напряжение сигнала на его выходе. Для этого
достаточно умножить напряженность поля на действую-
щую длину полуволнового вибратора, которая равна
\ (20.1)
Л
Поэтому напряжение сигнала на выходе какой-либо
другой антенны может быть определено введением до-
полнительного множителя, представляющего собой ко-
эффициент усиления этой антенны по напряжению:
{/=£•— Ки. (20.2)
Л
Коэффициент усиления здесь выражен «в разах», а
напряжение сигнала в режиме холостого хода (без на-
грузки). Если необходимо найти напряжение сигнала на
входе приемника при условии хорошего согласования
фидера с антенной и приемником, а также при отсутст-
вии потерь сигнала в фидере, напряжение сигнала,
найденное по формуле (20.2), нужно дополнительно
разделить на 2.
Важной! характеристикой УВК-антенн также явля-
ется их входное сопротивление, которое необходимо
знать для правильного согласования антенны с фиде-
ром. Входное сопротивление простого полуволнового
вибратора составляет 73 Ом, а петлевого вибратора —
в 4 раза больше — 292 Ом.
Из выражения (20.2) следует крайне важный вывод:*
напряжение принимаемого сигнала на входе приемника
271
VD5
С Ж П93
Л-.330Р 6ft к
Рис. 20.1. Схема амплитудного детектора
ЛИ 5^/t ^5 6>8к
С58
3399 4=
С59
1Л1К
УКВ диапазона (в том числе и телевизионного)
пропорционально длине волны. Поэтому при одинако-
вых напряженностях поля для получения одинаковых
напряжений сигнала при более высокой частоте сигна-
ла (меньшей длине волны) требуется больший коэф-
фициент усиления антенны. В частности при приеме те-
левидения по 12-му каналу антенна должна иметь ко-
эффициент усиления примерно в 4,3 раза (на 12,7 дБ)
больше, чем при приеме по 1-му каналу. В дециметро-
вом же диапазоне, например на 33-м канале коэффици-
ент усиления антенны должен быть в 10,8 раза (на
20,7 дБ) больше, чем на 1-м канале.
20.2. ДЕТЕКТИРОВАНИЕ
Детектированием называется физический процесс,
обратный модуляции. В результате детектирования из
принятого промодулированного сигнала должен полу-
чаться первоначальный модулирующий сигнал, содер-
жащий полезную информацию. Принципы работы и
схемного построения амплитудных и частотных детек-
торов различны.
Рассмотрим амплитудный детектор магнитолы
«ВЭФ-260-Сигма», принципиальная схема которого по-
казана на рис. 20.1. Детектор выполнен на диоде VD5
по схеме однополупериодного выпрямителя. С катушки
индуктивности на детектор подаются амплитудно-моду-
лированные сигналом звуковой частоты колебания.
В течение положительных полупериодов этих колеба-
ний диод заперт. Если бы не было конденсатора С54,
напряжение на нагрузке детектора (последовательно
272
Рис. 20.2. К процессу де*
тектирования
соединенные резисторы R41 и .R43) имело форму сину-
соидальных импульсов отрицательной полярности, по-
казанных на [Mie. 20.2 сплошными линиями. При нали-
чии конденса юра форма напряжения на нагрузке при-
обретае'1 .вид, показанный пунктиром. Часть продетек-
тироваппого напряжения с резистора R43 подается на
сглаживающий фильтр, состоящий из резистора R45 и
конденсатора С58. С этого конденсатора продетектиро-
ванный сигнал через конденсатор С59 поступает на
вход усилителя звуковой частоты. Заряд конденсатора
С54 происходит быстро через открытый диод и катуш-
ку, которая индуктивно связана с предыдущей частью
схемы. Разряд С54 происходит медленнее через под-
ключенные к нему резисторы. Постоянная времени раз-
ряда не должна быть слишком большой, иначе при раз-
ряде напряжение на конденсаторе С54 будет следовать
по пути штрихпунктирной линии на рис. 20.2, и кривая
сигнала исказится. Назначение сглаживающего фильт-
ра состоит в отфильтровывании высокочастотной сос-
тавляющей с частотой импульсов. Разделительный кон-
денсатор С59 не пропускает на вход усилителя посто-
янную составляющую продетектированного напря-
жения.
Рассмотрим две наиболее употребительные схемы
частотных детекторов. Первая, показанная на рис. 20.3,
называется частотным дискриминатором. На транзисто-
ре собрана последняя ступень усилителя частотно-
модулированных колебаний с контуром LI, С1, кото-
рый вместе со связанным с ним контуром L2, С2 на-
строен в резонанс на несущую частоту. При резонансе
напряжение на вторичном контуре U2 отстает по фазе
от напряжения на первичном контуре точно на 90 °, так
как ток в катушке L1 отстает по фазе от напряжения
на первичном контуре также на 90 °. Напряжение на
273
катушке связи L3 совпадает по фазе с напряжением на
первичном контуре.
Схема содержит два амплитудных детектора, со-
бранных на диодах VD1 и VD2. К верхнему приложено
напряжение, равное сумме U i и U 2/2, а к нижнему —
разности между U i и U 2/2, так как половины катушки
L2 намотаны в одну и ту же сторону. Эти напряжения
показаны на векторной диаграмме сплошными линия-
ми. Равенство напряжений U 3 и U 4 приводит к тому,
что конденсаторы СЗ и С4 заряжаются до одинаковых
напряжений, а выходное напряжение оказывается рав-
ным нулю.
При отклонении частоты сигнала от резонансной
разность фаз между напряжениями U j и U 2 уже не бу-
дет составлять 90 °, а изменяется в ту или другую сто-
рону в зависимости от того, в какую сторону отклоня-
ется частота от резонансной частоты вторичного конту-
ра. Соответственно изменяются и напряжения U3 и U
из-за чего напряжения на конденсаторах СЗ и С4 так-
же становятся неодинаковыми, и выходное напряже-
ние, равное их разности, получается отличным от нуля.
Это показано на векторной диаграмме пунктирными
линиями. Таким образом, выходное напряжение изме-
няется пропорционально изменениям частоты входного
сигнала. Недостатком схемы частотного дискриминато-
ра является зависимость выходного напряжения не
только от частоты, но и от амплитуды входного сигна-
ла. Поэтому во избежание влияния различных помех
частотному дискриминатору должен предшествовать
амплитудный ограничитель сигнала.
От указанного недостатка свободна другая схема
274
VD1
К У34
Рис. 20 А. Схема детектора отношений
частотного детектора, показанная на рис. 20.4, кото-
рая называется детектором отношений или дробным де-
тектором. Она отличается от предыдущей наличием
конденсатора большой емкости С5, согласным включе-
нием диодов и тем, что выходное напряжение снимает-
ся с точки соединения конденсаторов СЗ и С4. Поэтому
векторная Диаграмма остается прежней, но изменяется
полярность продетектированного напряжения на кон-
денсаторе С4. Наличие конденсатора большой емкости
С5 приводит к тому, что сумма напряжений, на конден-
саторах СЗ и С4 поддерживается постоянной и незави-
симой от изменений амплитуды входного сигнала. При
резонансе напряжения на СЗ и С4 по-прежнему равны
и выходное напряжение равно нулю, так как заземлена
средняя точка резисторов. При отклонении частоты от
резонанса напряжение на одном конденсаторе увели-
чивается, а на втором уменьшается и их отношение
пропорционально изменениям частоты сигнала.
20.3. СТРОЕНИЕ РАДИОПРИЕМНЫХ УСТРОЙСТВ
Первые радиоприемники строились по так называе-
мой схеме прямого усиления. Структурная схема таких
приемников показана на рис. 20.5. Принятый антенной
сигнал здесь поступает на усилитель высокой частоты
УВЧ, затем детектируется, усиливается в усилителе
звуковой частоты УЗЧ и поступает на воспроизводя-
щее устройство в виде громкоговорителя. Селекция
принятых сигналов по частоте осуществляется в УВЧ,
275
Рис. 20.5. Структурная схема приемника прямого усиления
для чего он содержит колебательные контуры, пере-
страиваемые конденсатором переменной емкости. УВЧ
может содержать несколько каскадов, что требует при-
менения агрегата конденсаторов переменной емкости.
Количество секций такого агрегата не обязательно
должно соответствовать количеству каскадов УВЧ, так
как отдельные каскады могут быть апериодическими
(без контура), а другие могут содержать полосовые
фильтры в виде связанных контуров. УЗЧ также может
содержать несколько каскадов в зависимости от необ-
ходимой выходной мощности.
Между антенной и УВЧ обязательно должен быть
включен контур, настраиваемый на частоту принимаемо-
го сигнала, который называется предварительным селек-
тором (сокращенно — преселектором). Это необходимо во
избежание паразитной перекрестной модуляции, кото-
рая может возникнуть, если на вход первого каскада
попадет помеха от ближней мощной радиостанции.
Такая помеха, на частоту которой приемник не на-
строен, промодулирует полезный сигнал и в дальнейшем
уже избавиться от нее окажется невозможно.
Частным случаем приемника прямого усиления явля-
ется простейший детекторный приемник, у которого
УВЧ и УЗЧ отсутствуют, а имеются лишь преселектор,
детектор и головные телефоны. Такой приемник, конеч-
но, способен принимать лишь сильные сигналы, мощ-
ность которых достаточна для работы телефонов.
Крупные недостатки приемников прямого усиления
выявились сразу же после начала их>эксплуатации. В
диапазоне длинных волн, например на частоте 150 кГц,
для получения полосы пропускания в 6 кГц колеба-
тельный контур должен иметь добротность, равную 25,
а в диапазоне средних волн на частоте 1600 кГц для
получения такой же полосы пропускания добротность
контура должна быть равна уже 267, что недостижимо,
276
V
Рис. 20.6; Структурная схема регенератора
Если же попытаться построить коротковолновый при-
емник по схеме прямого усиления, то работать он не
сможет хотя бы потому, что при добротности контура,
равной 200, па частоте 12 МГц его полоса пропускания
окажется равной 60 кГц. Таким образом в полосу про-
пускания попадает сразу более шести сигналов рядом
расположенных радиостанций. Поэтому встала задача
получить возможное in регулирования добротности кон-
туров в сторону се увеличения сверх обычно достижи-
мых пределов. Эта задача была решена за счет исполь-
зования положительной обратной связи. Так появились
регенеративные приемники прямого усиления.
Структурная схема регенеративного приемника при-
ведена на «рис. 20.6. Она отличается наличием положи-
тельной обратной связи в УВЧ. На схеме эта .обратная
связь показана условно, как будто опа охватывает весь
УВЧ. Фактически, если в УВЧ используется более од-
ного каскада, обратная связь охватывает только один
каскад. Такой каскад впоследствии стали называть
умножителем добротности. В регенеративных приемни-
ках степень обратной связи приходится регулировать
практически при перестройке приемника на каждую стан-
цию, немного не доводя ее до генерации, которая со-
провождается свистом. За счет такой обратной связи
резко сужается полоса пропускания контура регенера-
тивного каскада и улучшается отстройка от станции,
работающе?! на соседнем канале. Умножители доброт-
ности не потеряли своей актуальности и в настоящее
время: они иногда используются в схемах любительских
связных приемников.
Революционные преобразования в технике радио-
приема произошли за несколько лет до второй мировой
войны, когда появились супергетеродинные приемники.
277
V
Рис. 20.7. Структурная схема супергетеродина
Структурная схема супергетеродина показана на рис.
20.7. Качественное отличие этого типа приемников со-
стоит в наличии местного гетеродина (генератора),
контур которого перестраивается вместе с контурами
преселектора и УВЧ. Частота гетеродина выбирается вы-
ше частоты сигнала на определенную величину, которая
называется промежуточной частотой. Принятый антен-
ной и усиленный в УВЧ сигнал подается на смеситель
См, куда также пос ту па ют колебания от гетеродина Г ет.
За счет пелпнейной вольт-амнерпой характеристики
транзистора или лампы смесителя па его выходе обра-
зуются так называемые комбинационные частоты. По-
мимо собственно частоты самого принятого сигнала и
частоты гетеродина образуются гармоники частоты сиг-
нала и частоты гетеродина, суммарные и разностные
частоты. Полезным здесь является напряжение, частота
которого равна разности между частотой гетеродина и
частотой принятого сигнала.
Благодаря тому, что при перестройке приемника ча-
стота гетеродина всегда отличается от частоты сигнала
на промежуточную частоту, независимо от того, на ка-
кую частоту настроен приемник, промежуточная часто-
та остается постоянной, и на нее настроен усилитель
промежуточной частоты УПЧ. Это позволило сосредо-
точить основное усиление пр-иемника именно в УПЧ,
который работает на постоянной частоте и может быть
тщательно настроен на нее заводом. Использование в
качестве промежуточной частоты сравнительно низкой
частоты, лежащей между диапазонами длинных и сред-
них волн — 465 кГц, позволяет применять в УПЧ кон-
278
туры с добротностью, не превышающей 100, что конст-
руктивно легко выполнимо.
К другому важному достоинству супергетеродина
относится отсутствие в контурах УПЧ конденсаторов
переменной емкости. Это позволило упростить конст-
рукцию, сократив в них количество секций до трех в
приемниках ♦высшей категории или до двух в приемни-
ках средней категории при высоком качестве приема.
За счет того, что основное усиление достигается в УПЧ,
в приемниках средней категории удалось исключить
УВЧ, обходясь двухсекционным агрегатом конденсато-
ров переменной емкости, один из которых используется
в преселекторе, а второй — в гетеродине.
К недостаткам супергетеродинного метода приема
относится наличие паразитного канала, который назы-
вается зеркальным. Дело в том, что промежуточная ча-
стота может образоваться при данной частоте гетероди-
на не только в том случае, когда частота сигнала ниже
частоты гетеродина па величину промежуточной частоты,
но и при наличии помехи, частота которой выше частоты
гетеродина на ту же промежуточную частоту. Такая по-
меха называется помехой по зеркальному каналу, так
как она па оси частот расположена по отношению к час-
тоте гетеродина симметрично, зеркально частоте сигнала.
Таким образом, разность между частотой сигнала и час-
тотой зеркальной помехи равна удвоенной промежуточ-
ной частоте.
Борьба с помехами по зеркальному каналу возлага-
ется на преселектор и УВЧ. Их контуры легко могут от-
фильтровать зеркальную помеху в диапазонах длинных
и средних волн, но несколько труднее сделать это в
диапазонах коротких волн. Это связано с тем, что оди-
ночный контур, настроенный на частоту 150 кГц,
ослабляет зеркальную помеху, отстоящую на 930 кГц,
при добротности контура 100 в 1240 раз, при настройке
такого же контура на частоту 1600 кГц — в 116 раз, при
настройке на 6 МГц (длина волны 50 м) — в 31 раз, при
настройке на 30 МГц (длина волны 10 м)—всего в
6,3 раза..
Кроме помехи по зеркальному каналу супергетеро-
динный приемник подвержен влиянию еще одной поме-
хи по частоте, равной промежуточной. Поэтому проме-
жуточная частота выбрана в свободном от радиостан-
ций промежутке между диапазонами длинных и сред-
279
них волн и жестко регламентировано Международным
консультативным комитетом радио (МККР) ее значе-
ние, равное 465 кГц. Наиболее опасна помеха по про-
межуточной частоте при настройке приемника на верх-
нюю частоту длинноволнового диапазона и на нижнюю
частоту средневолнового диапазона. Несмотря на от-
сутствие радиостанций, работающих на частоте 465
кГц, помехи по этой частоте возможны, например, при
излучении второй гармоники радиостанцией, работаю-
щей на частоте 232,5 кГц, или третьей гармоники при
работе на частоте 155 кГц. Поэтому во многих супер-
гетеродинах в цепь антенны включается специальный
фильтр-пробка, настроенный на 465 кГц.
Еще одним недостатком супергетеродинных прием-
ников является необходимость сопряжения контуров
преселектора и УВЧ с контуром гетеродина. Это связа-
но, с тем, что указанные контуры настроены на разные
частоты, а секции агрегата конденсаторов переменной
емкости одинаковы. Но и разными их делать нельзя,
так как на каждом диапазоне требования к гетеродинной
секции агрегата оказываются другими. Сопряжение кон-
туров состоит в том, чтобы при настройке гетеродина на
любую частоту настройка контуров преселектора и
УВЧ точно соответствовала частоте сигнала, которая
ниже частоты гетеродина па величину промежуточной
частоты.
При одноручечной настройке приемника, когда пе-
ременные конденсаторы контуров гетеродина, преселек-
тора и УВЧ находятся на одной оси, обеспечить точное
сопряжение контуров невозможно. Приближенное со-
пряжение достигается подключением к гетеродинной
секции дополнительных параллельных и последова-
тельных постоянных конденсаторов. В зависимости от
их количества обеспечивается точное сопряжение в од-
ной или в большем количестве точек шкалы приемника.
При настройках на другие частоты получается по-
грешность сопряжения, состоящая в том, что контуры
преселектора и УВЧ настроены на частоты, не совпа-
дающие с частотой принимаемого сигнала. Это вынуж-
дает использовать в преселекторе и УВЧ контуры с мень-
шим значением добротности, то есть с более широкой
полосой пропускания, чем это необходимо с точки зре-
ния прохождения частотного спектра сигнала. Соот-
ветственно ухудшается ослабление помехи по зеркаль-
280
ному каналу. В профессиональных приемниках этот не-
достаток устраняется путем отказа от одноручечной
настройки, когда каждый контур преселектора и УВЧ
настраивается отдельным переменным конденсатором.
Такая настройка на каждую принимаемую станцию до-
статочно сложна и, естественно, не может считаться до-
пустимой для бы юной радиоаппаратуры.
Разновидное 1 ыо супергетеродинных приемников
являются приемники с двойным преобразованием ча-
стоты. Такне приемники имеют два гетеродина, два
смесителя н два УПЧ. Первая промежуточная частота
выбирается в промежутке между диапазонами средних и
коротких волн, вюрая — стандартная 465 кГц. За счет
увеличения первой промежуточной частоты облегчаются
требования к контурам преселектора и УВЧ по ослабле-
нию зеркальной помехи. Однако выбирать слишком боль-
шой первую промежуточную частоту нельзя, так как при
двойном преобразовании частоты появляются дополни-
тельные паразитные каналы приема. При двойном пре-
образовании частоты обычно перестраиваются только
контуры преселектора, УВЧ п гетеродина (первого).
Второй гетеродин работает на фиксированной частоте.
Необходимо заметить, что в супергетеродинах нали-
чие отдельных каскадов гетеродина и смесителя не обя-
зательно. Часто они объединены в один каскад, кото-
рый называется преобразователем.
В настоящее время промышленные радиоприемники
бытового назначения выполняются либо по схеме пря-
мого усилейия, либо по супергетеродинной схеме, причем
приемники прямого усиления выпускаются исключитель-
но в виде миниатюрных. Среди радиолюбительской аппа-
ратуры встречаются также и другие схемы построения
радиоприемников, одной из них является схема суперре-
генерат.ора или сверхрегенератора. Регенератор обладает
максимальной чувствительностью, когда обратная связь
близка к порогу генерации, что приводит к неустойчи-
вой работе. В сверхрегенераторе применяется возбуж-
денный, регенератор, работающий в режиме прерывис-
той генерации с ультразвуковой .частотой вспышек. На-
растание амплитуды во время вспышки прерывается
раньше, чем она достигла бы в режиме непрерывной
генерации. При наличии на входе сверхрегенератора
принимаемого сигнала амплитуда вспышек управляется
этим сигналом, что позволяет затем выделить огибаю-
281
щую. Сверхрегенеративный каскад обладает очень
большим усилением, доходящим до 100 тысяч, но имеет
широкую полосу пропускания, а радиоприем сопровож-
дается характерным «сверхрегенеративным» шумом.
Поэтому такие приемники находят применение в миниа-
тюрных конструкциях УКВ диапазона.
В последние годы среди радиолюбительских конст-
рукций встречаются также приемники прямого преоб-
разования, рассчитанные на прием сигналов любитель-
ских радиостанций с однополосной модуляцией, когда
передатчиком излучается одна боковая полоса ампли-
тудно-модулированного сигнала, а несущая и вторая
боковая полосы подавлены. В этих приемниках гетеро-
дин работает на частоте принимаемого сигнала или на
частоте вдвое ниже частоты сигнала. Перед смесителем
приемник может содержать УВЧ с небольшим коэффи-
циентом усиления, а после смесителя — фильтр нижних
частот и УЗЧ с большим коэффициентом усиления.
20.4. ХАРАКТЕРИСТИКИ РАДИОПРИЕМНЫХ УСТРОЙСТВ
Радиоприемные устройства характеризуются боль-
шим количеством параметров, которые определяются в
зависимости от назначения аппарата и в свою очередь
определяют его качество.
Диапазоны принимаемых частот определяются на-
значением приемника. Радиовещательные приемники
рассчитаны на прием сигналов в диапазонах длинных
(150... 405 кГц), средних (525... 1605 кГц), коротких
(3,95... 12,1 МГц) и ультракоротких волн (65,8... 73
МГц). В зависимости от группы сложности некоторые
диапазоны могут отсутствовать. Иногда диапазоны мо-
гут быть разбиты на поддиапазоны. Часто коротковол-
новый диапазон разбит на несколько растянутых диа-
пазонов, при этом сплошное перекрытие всего указан-
ного выше коротковолнового диапазона отсутствует.
;Это связано с тем, что радиовещание ведется в узких
специально выделенных участках коротковолнового
диапазона в областях длин волн 25, 31, 41, 49, 62 и
75 м.
За рубежом для радиовещания также используются
участки И, 13, 16 и 19 м. Поэтому радиоприемники
зарубежного производства или отечественные, постав-
ляемые на экспорт, рассчитываются и на прием, этих
282
диапазонов. Радиоприемники для любительских радио-
связей рассчитаны на прием сигналов в специально вы-
деленных участках коротковолнового диапазона 160,
80, 40, 20, 15 и 10 м и ультракоротковолнового диапа-
зона 144, 430, 1215 МГц и более высоких участках
частот. Для служебных связей выделены отдельные
участки диапазонов, па которые и рассчитаны соот-
ветствующие радиоприемники.
Чувствительность радиоприемника определяет его
возможноен> принимать радиосигналы низкого уров-
ня, то есть (чо дальнобойность. Чувствительностью
называется минимальный уровень входного сигнала,
выраженный в микровольтах, при котором выходная
мощность ('осчавляет 50 мВт при' отношении уровней
сигнала к шуму 20 дБ (по напряжению в 10 раз). Та-
кая чуве'iHii гельность называется реальной, так как из-
меряется при широкой полосе пропускания приемника
(если он снабжен регулятором полосы пропускания) и
при положениях регуляторов тембра, установленных на
максимум. Максимальная чувствительность измеряет-
ся в положении регулятора громкости, установленного
на максимум, при узкой полосе, при положениях регу-
ляторов тембра, установленных на минимум, и при от-
ношении сигнал/шум не менее 3 дБ. В диапазоне УКВ
реальная чувствительность измеряется при отношении
сигнал/шум 26 дБ (по напряжению в 20 раз).
Такие определения чувствительности относятся к по-
даче входного сигнала на антенное гнездо для подклю-
чения внешней антенны. Когда приемник работает от
встроенной антенны, чувствительность измеряется в
единицах напряженности поля — мкВ/м. В зависимо-
сти от группы сложности промышленного бытового ра-
диоприемника его чувствительность может быть различ-
ной. В СССР действующим стандартом установлены
значения реальной чувствительности от 50 до 300 мкВ
в диапазонах ДВ, СВ и КВ и от 2,5 до 15 мкВ в диапа-
зоне УКВ. Профессиональные или любительские прием-
ники могут, конечно, иметь другие значения чувстви-
тельности.
Селективность или избирательность характеризует
радиоприемник по его способности ослаблять мешаю-
щее действие сигналов на различных каналах приема.
Селективность по соседнему каналу определяется при
расстройке помехи относительно сигнала на 9 кГц, се-
283
лективность по зеркальному каналу — при расстройке,
соответствующей зеркальному каналу, селективность по’
промежуточной частоте — при подаче на вход помехи
с частотой, равной промежуточной частоте. Приемники
прямого усиления характеризуются только селектив-
ностью по соседнему каналу. При двойном преобразо-
вании частоты проверяется селективность по всем ка-
налам приема.
Селективность определяется при настройке приемни-
ка на частоту сигнала поочередной подачей на вход сиг-
нала и помехи и показывает, во сколько раз нужно уве-
личить уровень помехи по сравнению с уровнем сигна-
ла, чтобы получить такое же выходное напряжение.
Частотная характеристика тракта приемника пред-
ставляет собой зависимость звукового акустического
давления, создаваемого громкоговорителями, от часто-
ты модулирующего напряжения сигнала, поданного на
антенный вход приемника. Неравномерность частотной
характеристики в заданной полосе частот не должна
превышать 18 дБ на несущих частотах 250 кГц и ниже
или 14 дБ на несущих частотах выше 250 кГц.
Радиоприемники характеризуются и другими пара-
метрами: действием автоматической регулировки уси-
ления; действием автоматической подстройки частоты
гетеродина, если такая автоматическая регулировка
предусмотрена в схеме; коэффициентом гармоник (не-
линейных искажений) звукового сигнала; уровнем фона
переменного тока; уровнем выходной мощности или
среднего звукового давления, создаваемого громкого-
ворителями; подавлением амплитудной модуляции при
приеме сигнала с частотной модуляцией; уровнем па-
разитного излучения, создаваемого гетеродином; уров-
нем потребляемой мощности от источника питания и
другими.
Все эти параметры для промышленных бытовых ра-
диоприемников регламентированы действующим стан-
дартом в зависимости от группы сложности. Стандар-
тами также определены правила приемки и методика
испытаний каждого параметра. Проверке по некоторым
наиболее важным параметрам подвергается каждый
выпускаемый приемник, по некоторым параметрам про-
изводится выборочная проверка. Климатические испы-
тания обычно производятся периодически в процессе
так называемых типовых испытаний.
284
20.5. РУЧНЫЕ И АВТОМАТИЧЕСКИЕ РЕГУЛИРОВКИ
Для управления радиоприемным устройством оно
оснащено соответствующими органами управления.
Пользователь имеет возможность выбора желательно-
го ему режима работы. К органам ручного управления
радиоприемника относятся переключатель диапазонов
приема, орган плавной или фиксированной настройки
на частоту принимаемого сигнала, регулятор громкости,
регуляторы тембра. Эти органы обязательны в любом
приемнике. Помимо этого некоторые приемники снаб-
жены дополнительными ручными органами управления:
плавным или ступенчатым регулятором ширины полосы
пропускания по промежуточной частоте, переключате-
лем для перехода с дальнего на местный прием, выклю-
чателем автоматической подстройки частоты гетероди-
на, переключателем с монофонического приема на сте-
реофонический, переключателем антенного входа с на-
ружной ан ген и ы на встроенную, регулятором положе-
ния встроен ной магнитной ан теины, выключателем
громкоговорителя при использовании головных телефо-
нов и другими.
Разнообразны конструктивные выполнения указан-
ных органов управления. Используются галетные кру-
говые переключатели, клавишные и кнопочные. Наме-
тилась тенденция замены агрегата конденсаторов пере-
менной емкости варикапами, что позволило отказаться
от ненадежного и дорогостоящего тросикового меха-
низма, которым ручка настройки обычно связана с осью
агрегата и стрелкой шкалы. При наличии варикапов
перестраиваемые контуры уже не связаны механически
один с другим, а управление емкостями варикапов про-
изводится электрически подачей на них напряжения ре-
гулировки с переменного резистора.
Большие удобства в эксплуатации приемника при-
носят автоматические регулировки, важнейшей и обя-
зательной из которых является автоматическая регули-
лировка усиления АРУ. Уровень сигнала, поступающе-
го на антенный вход приемника от разных передатчи-
ков, не одинаков. Он зависит и от мощности каждого
передатчика, и от расстояния до передатчика, и от ус-
ловий распространения данного сигнала. Входное нап-
ряжение сигнала местной радиостанции может в десят-
285
ки тысяч раз превышать напряжение сигнала дальнего
передатчика.
С одной стороны, неприемлема необходимость каж-
дый раз при переходе с приема одного сигнала на дру-
гой регулировать громкость. С другой стороны, регуля-
тор громкости изменяет лишь уровень сигнала на вхо-
де УЗЧ, а коэффициент усиления УПЧ при этом не из-
меняется. Во время приема сильного сигнала послед-
ние каскады УПЧ могут оказываться перегруженными,
что приведет к искажениям. Поэтому при приеме сиг-
налов, уровень которых превышает определенный по-
рог, необходимо автоматически уменьшать коэффици-
ент усиления УПЧ и даже УВЧ. Эту задачу и выпол-
няет АРУ.
Для регулировки используется постоянная состав-
ляющая продетектированного напряжения сигнала, ко-
торая пропорциональна амплитуде несущей частоты.
Постоянная составляющая после детектора проходит
через фильтр, который освобождает ее от переменной
составляющей модулирующего сигнала, и подается на
базы транзисторов или сетки ламп регулируемых кас-
кадов. Полярность этого напряжения такова, что при
увеличении уровня сигнала коэффициент усиления
уменьшается.
Для выделения напряжения АРУ чаще всего исполь-
зуется отдельный детектор с задержкой, который за-
перт внешним напряжением, пока уровень сигнала не
превысит установленный порог срабатывания АРУ.
Благодаря «такой задержке АРУ не приводит к умень-
шению усиления при приеме самых слабых сигналов.
В приемниках повышенной классности с целью повыше-
ния эффективности АРУ используется дополнительный
усилитель постоянного напряжения регулировки или
усилитель по промежуточной частоте.
К другому виду автоматической регулировки отно-
сится автоматическая подстройка частоты гетеродина.
Желательность такой регулировки связана с тем, что
частота гетеродина нестабильна и после настройки при-
емника на прием какой-либо радиостанции самопроиз-
вольно изменяется. Такой уход частоты связан с разны-
ми факторами — изменением температуры (особенно в
ламповых приемниках), изменениями напряжения пи-
тания, вибрациями от работы громкоговорителей и про-
чих факторов. Поэтому приходится время от времени
286
подстраивать приемник. АПЧГ избавляет от такой не'
обходимости.
В тех приемниках, где настройка осуществляется
конденсатором переменной емкости, реализация АПЧГ
затруднена и применялась только в моделях высшего
класса. Так, в приемнике «Фестиваль» или радиоле
«Симфония» исполнительным органом АПЧГ являлся
электродвигатель, связанный посредством редуктора с
осью агрегата конденсаторов переменной емкости. Этот
же двигатель позволял осуществлять моторную на-
стройку, при которой вместо вращения ручки настройки
было достаточно включить двигатель в ту или другую
сторону, и стрелка шкалы перемещалась вместе с осью
агрегата.
Значительно легче осуществляется АПЧГ в прием-
никах с электронной настройкой при помощи варика-
пов. Для АПЧГ используется отдельный частотный
дискриминатор, контуры которого настроены на проме-
жуточную частоту. Если приемник точно настроен па
станцию, выходное напряжение дискриминатора равно
нулю. При уходе настройки на выходе дискриминатора
появляется, напряжение, уровень которого зависит от
отклонения промежуточной частоты от резонансной час-
тоты контуров дискриминатора, а полярность — от на-
правления 'этого отклонения. Напряжение АПЧГ фильт-
руется и подается на варикапы или после дополнитель-
ного усиления на электродвигатель автоподстройки.
20.6. ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА РАДИОПРИЕМНИКА
Рассмотрим построение принципиальной схемы ра-
диовещательного приемника на примере радиоприемни-
ка «Мир» М. Румянцева — экспоната 17-й Всесоюзной
выставки творчества радиолюбителей. Приемник «Мир»
позволяет принимать радиопередачи вещательных стан-
ций в диапазоне средних волн и собран по супергете-
родинной схеме с отдельным гетеродином. Помимо
встроенной магнитной антенны приемник имеет гнездо
для подключения наружной антенны, которое исполь-
зуется при приеме удаленных станций. Диапазон при-
нимаемых частот 520...1550 кГц, чувствительность не ху-
же 2 мВ/м, промежуточная частота 465 кГц, полоса
воспроизводимых частот от 300 Гц до 4 кГц, номиналь-
ная выходная мощность 20 мВт, ток, потребляемый от
287
288
источника питания, 8 мА, габариты 115X71X27 мм,
масса с источником питания 200 г.
Входная цепь приемника (рис. 20.8) состоит из на-
страиваемого контура L3, С2, СЗ, катушки связи со сме-
сителем L2 и катушки связи с наружной антенной L1.
Все три катушки размещены на общем ферритовом
стержне. Настройка входного контура производится
конденсатором переменной емкости СЗ, который сов-
местно с конденсатором С9 входит в агрегат конденса-
торов переменной емкости. Подстроечный конденсатор
С2 увеличивает минимальную емкость контура до вели-
чины, необходимой для настройки на высшую частоту
диапазона.
Отдельный гетеродин собран на транзисторе VT6 по
схеме индуктивной трехточки с общим эмиттером.
Эмиттер по переменному току заземлен конденсатором
С7, верхний отвод от катушки L4 заземлен по перемен-
ному току конденсатором СЮ, Таким образом, между
эмиттером и коллектором включена часть индуктивно-
сти, расположенная между отводами, а между эмитте-
ром и базой -- часть индукгивности, расположенная
между верхним отводом и верхним выводом катушки
L4. Конденсатор С4 — разделительный и препятствует
поступлению постоянного напряжения питания из кол-
лекторной цепи в цепь базы. Настройка контура гетероди-
на производится переменным конденсатором С9. Конден-
сатор С8 уменьшает емкость контура для обеспечения со-
пряжения его с контуром входной цепи. Режим транзи-
стора гетеродина обеспечивается делителем напряже-
ния Rl, R2, с которого часть отрицательного напряже-
ния питания подается на базу, а также резистором R6
в цепи эмиттера. Чтобы предотвратить поступление ко-
лебаний гетеродина в другие каскады приемника по це-
пи питания, коллекторная цепь транзистора подключена
к шине питания через развязывающий фильтр R5, СЮ,
Смеситель собран на транзисторе VT1. Напряжение
сигнала с катушки связи подается на базу транзистора
непосредственно, а напряжение гетеродина — на эмит-
тер с помощью катушки связи с контуром гетеродина
L5. Режим смесителя задается делителем напряжения
R3, R4 и резистором R9, Конденсатор С6 блокирует де-
литель напряжения по переменному току на землю, а
конденсатор СП блокирует резистор R9. В коллектор-
ную цепь транзистора смесительного каскада включен
10-2085
289
контур L6, С5, настроенный на промежуточную часто-
ту. С помощью катушки связи L7 сигнал поступает на
базу транзистора VT2, на котором собран первый кас-
кад УПЧ, в коллекторную цепь которого включен вто-
рой контур L8, С12, настроенный на промежуточную ча-
стоту.
Катушка связи L9 осуществляет передачу сигнала
на базу транзистора VT3, на котором собран второй
каскад УПЧ с настроенным на промежуточную частоту
контуром LIO, С14 в цепи коллектора. Режим транзи-
стора этого каскада определяется делителем напряже-
ния RIO, R11. Конденсатор С15 — блокировочный по
переменному току, обеспечивает заземление верхнего
по схеме вывода катушки связи. Подстройка всех трех
контуров промежуточной частоты в процессе налажива-
ния приемника производится карбонильными сердечни-
ками. '
С катушки связи L11 сигнал промежуточной часто-
ты подается на амплитудный детектор, который собран
на диоде VD1. Нагрузкой детектора является^ перемен-
ный резистор регулятора громкости R12, зашунтирован-
ный конденсатором С16, отводящим остаточные им-
пульсы промежуточной частоты. Постоянная состав-
ляющая продстектироваиного напряжения положитель-
ной полярности используется в качестве напряжения
АРУ и через резистор R8 подается в цепь базы транзи-
стора первого каскада УПЧ. Конденсатор С13 отфильт-
ровывает переменную составляющую продетектирован-
ного напряжения. Режим транзистора VT2, таким обра-
зом, определяется отрицательным напряжением, посту-
пающим через резистор R7 с шины питания, и положи-
тельным напряжением АРУ. При увеличении уровня
сигнала увеличивается положительное напряжение АРУ
и минус на базе VT2 становится меньше, благодаря че-
му коэффициент усиления каскада уменьшается.
С регулятора громкости сигнал звуковой частоты
подается на базу транзистора первого каскада УЗЧ че-
рез разделительный конденсатор С17, препятствующий
поступлению на базу постоянной составляющей проде-
тектированного напряжения. Режим транзистора этого
каскада обеспечивается резистором R13. Его подключе-
ние к коллектору осуществляет температурную компен-
сацию режима: при увеличении коллекторного тока под
воздействием температуры падение напряжения на на-
290
грузке коллектора R14 увеличивается, минус, на коллек-
торе уменьшается, что приводит к уменьшению минуса
на базе, а это приводит к уменьшению тока коллектора.
Усиленный сигнал с коллектора первого каскада
УЗЧ через разделительный конденсатор С18 подается
на базу транзистора оконечного каскада УЗЧ VT5. Ре-
жим этого транзистора задан делителем напряжения
R15, R16. Коллекторной нагрузкой выходного каскада
УЗЧ является высокоомная звуковая катушка динами-
ческой головки /М/, параллельно которой подключен
конденсатор С7.9, выравнивающий частотную характе-
ристику оконечного каскада в области высших звуко-
вых частот. Без этого конденсатора произошел бы рез-
кий подъем частотной характеристики за счет того, что
звуковая ка।ушка динамической головки обладает зна-
чительной индуктивностью.
Нт.шит радиоприемника напряжением 5 или 4,5 В
осущес । нляс1 ся от четырех миниатюрных дисковых ак-
кумуляюрон типа Д-0,06 или от батареи для карман-
ного фонаря 1\Г)(?Л-0,5, «Планета», «Рубин» или 3336.
Питание включается при помощи выключателя SA1.
21. ТЕЛЕВИЗИОННЫЕ ПРИЕМНИКИ
21.1. ПРИНЦИПЫ ПЕРЕДАЧИ ИЗОБРАЖЕНИЯ
Телевидение в нашей стране развивается чрезвычай-
но бурными темпами. Первые опытные телевизионные
передачи были осуществлены 29 апреля и 2 мая
1931 года, а с 1 октября этого же года начались регу-
лярные передачи. Изображение тогда передавалось с
разложением на 30 строк и 12,5 кадра. При таком раз-
ложении зрителю порой было трудно понять, что он ви-
дит на экране, но с 1937 года уже начались передачи
сравнительно высококачественного изображения с раз-
ложением на 343 строки и 25 кадров.
В 1948 году наша страна впервые в мире освоила
телевизионный стандарт с разложением изображения
на 625 строк и 50 полей, к которому присоединилось
большинство стран мира. С 1967 года в СССР ведутся
регулярные передачи цветного телевидения, а в настоя-
щее время все программы Центрального телевидения,
республиканских и местных телецентров идут в цвет-
ном изображении. Большую роль в доставке телевизи-
10*
291
онных программ к значительной части населения сыгра-
ло развитие телевизионной ретрансляции с помощью ис-
кусственных спутников Земли. Действуют три системы
спутниковой ретрансляции телевидения: «Орбита», «Эк-
ран» и «Москва». К 1990 году намечено обеспечить
97 % населения страны прием одной программы Цент-
рального телевидения, 87 % — двух программ. Более
60 млн человек уже имеют возможность принимать три
и более телевизионные программы.
Наряду с развитием передающей телевизионной се-
ти быстро развивается и приемная сеть. Если в 1940 го-
ду отечественная промышленность выпустила всего 300
телевизионных приемников, в 1950 году— 11 900, а в
1960 году— 1,7 млн, то только за первую половину
1988 года выпуск телевизоров достиг 4,8 млн, в том
числе 2,8 млн телевизоров цветного изображения. Коли-
чество телевизоров у населения достигло к началу
1988 года 100 млн. Практически каждая семья имеет
телевизор, а многие—два и более. Этим объясняется
большой интерес к телевизионной технике в самых раз-
личных слоях населения. Рассмотрим принципы переда-
чи по радио телевизионного изображения и звукового
сопровождения телевизионной передачи.
Изображение любых предметов всегда существует
целиком. За какой бы короткий отрезок времени мы ни
посмотрели на эту страницу, на иен уже напечатаны
все буквы, уже имеется все ее изображение. В принци-
пе, сразу передать все изображение можно, но для это-
го потребовалось бы огромное количество каналов свя-
зи, равное количеству элементов изображения, а для
получения высокого качества размеры этих элементов
изображения должны быть достаточно малы. Поэтому
в телевидении принят принцип поочередной передачи
сигнала от каждого элемента по одному каналу связи.
Осмотр элементов должен производиться в каком-то
определенном порядке, и принят такой же порядок, как
при чтении текста,— по строкам, слева направо, немно-
го вниз, снова слева направо и так до конца страницы,
пока не будет считано все изображение. Такой процесс
называется разверткой изображения по времени.
Для осуществления развертки изображения служит
передающая телевизионная трубка, входящая в состав
передающей камеры. Камера имеет сходство с фотоап-
паратом и содержит объектив, с помощью которого
292
производится проецирование передаваемого изображе-
ния (всего целиком) на мишень передающей трубки.
Мишень покрыта светочувствительным веществом в ви-
де мельчайших зерен, которые под воздействием света
заряжаются. Поэтому при проекции изображения на
мишень образуется потенциальный рельеф: сильно ос-
вещенные зерна заряжаются сильнее, там, где засветки
не было, нет и заряда.
Для развертки на мишень направляется электронный
луч, как в обычной электронно-лучевой трубке. При по-
мощи отклоняющей системы луч перемещается слева
направо (по строкам) и сверху вниз (по кадру). Эти
направления обеих разветок называются прямым хо-
дом. Кадровая развертка значительно медленнее строч-
ной. Поэтому каждая последующая строка располага-
ется немного ниже предыдущей. После прямого хода
строчной развертки наступает ее обратный ход—луч
быстро возвращается к левому краю мишени, после чего
начинается следующий прямой ход слева направо. Ког-
да под воздействием прямого хода кадровой развертки
будет пройдена последняя нижняя строка, возникает
обратный* ход кадровой развертки, луч перемещается
быстро вверх и начинается снова прямой ход строчной
и кадровой разверток. Так луч обходит всю поверх-
ность мишени.
Для получения хорошей разрешающей способности
необходимо большое количество разложения по стро-
кам. За время прямого и обратного хода кадровой раз-
вертки строчная развертка должна обойти 625 строк.
Для передачи движущихся изображений во избежание
мелькания время обхода всей мишени должно быть до-
статочно малым, порядка 1/50 с. Легко подсчитать, что
при 625 строках в кадре и 50 кадрах в секунду на од-
ну строку приходится 32 мкс. Если разрешающая спо-
собность по вертикали соответствует 625 строкам, ес-
тественно получить такую же разрешающую способ-
ность вдоль строки. Формат кадра, то есть отношение
его ширины к высоте, равен 4/3. Это соответствует раз-
решающей способности, равной, примерно, 800 элемен-
тов или 400 периодам синусоиды, если будут чередо-
ваться черные и белые элементы. Итак, 400 периодов
сигнала должны занять 32 мкс. Тогда за 1 с должно
получиться 400/32-10-6 = 12,5-106 периодов или 12,5
МГц. Такая ширина частотного спектра должна быть
293
передана по каналу связи, нр это слишком много. Вот
почему вместо 50 кадров передается 50 полей в секун-
ду, причем каждое поле содержит не 625 строк, а вдвое
меньше — 312,5, а чтобы не потерять разрешающую
способность по вертикали, строки в полях расположены
через одну.
Таким образом, в течение одного поля передаются
лишь нечетные строки— 1, 3, 5 и т д., а в течение вто-
рого поля — четные — 2, 4, 6 и т. д. За одну секунду
передается 25 полных кадров. В результате полоса пе-
редаваемых частот сокращается вдвое. Нужно еще
учесть, что активная часть каждого поля, в течение ко-
торого можно передавать сигнал изображения, не мо-
жет занимать полностью 312,5 строки. Примерно по 25
строк каждого поля окажутся холостыми, приходящи-
мися на обратный ход кадровой развертки. Поэтому
полоса передаваемых частот может быть определена в
6 МГц. Такая развертка называется чересстрочной.
Электронный луч, обегая мишень передающей труб-
ки, разряжает накопленные заряды, в результате чего
ток луча изменяется в соответствии с этими зарядами
в каждой точке мишени, то есть в соответствии с изоб-
ражением, которое было спроектировано на нее. На
соиротивленнн резистора, по которому протекает ток
луча, образуется напряжение видеосигнала.
Для получения точно такого же изображения на эк-
ране телевизора, что было спроектировано на мишень
передающей трубки, электронный луч приемной трубки
(кинескопа) должен обходить экран в том же порядке,
в котором обходил мишень луч передающей трубки,—
синхронно и синфазно. В противном случае строки на
экране кинескопа сдвинутся и изображение рассыплет-
ся. Поэтому строчная и кадровая развертки в телевизо-
ре должны быть засинхронизированы с развертками пе-
редающей трубки. Для этого передающая камера со-
держит синхрогенератор. Частота, вырабатываемая за-
дающим генератором синхрогенератора, стабилизиро-
вана кварцем. Используя делители частоты, из нее по-
лучают строчные синхроимпульсы частотой 15 625 Гц
и кадровые частотой 50 Гц. Этими импульсами синхро-
низируются развертки камеры и их также подмешивают
к видеосигналу.
Во время обратного хода луча кинескопа по стро-
кам и по кадрам он должен быть погашен. Поэтому к
294
видеосигналу также подмешиваются специальные гася-
щие импульсы в конце каждой строки п в конце каждо-
го поля. Синхроимпульсы размещаются на гасящих им-
пульсах, как па пьедестале. Таким образом, гашение
луча кинескопа начинается еще до начала обратного
хода и закапчивается после его завершения.
4acioia кадровой развертки в 312,5 раза меньше ча-
стоты строчной развертки. Поэтому генераторы кадро-
вой ра«вер।к и более инерционны, чем генераторы строч-
ной ра пи р । кп Соответственно и обратный ход по кад-
рам . дли ica большее время. Чтобы генератор строчной
ра шер । кп иг вышел из синхронизма, во время передачи
кадровых синхроимпульсов, он тоже должен синхрони-
iinpoH.i 11.ся Для '-лого во время кадровых синхроим-
пульсон ( । рочпые синхроимпульсы в него вводятся в ви-
де Пр»’ IOI.
В » ня in г чем, что одно поле содержит 312,5 строки,
один кадровый синхроимпульс совпадает со строчным,
и слг/1 \ и яппи приходится па середину с троки. Поэтому
поел»’ ofipaOoikii и 1ол(чикоре передний фронт нечетно-
го кадрового импульса получился менее крутым, чем
ченюю Мюбы избежать этого, врезки делаются в два
раза чаще, а перед и после кадрового синхроимпульса
вводится по шесть уравнивающих импульсов, следующих
с частотой врезок. При этом длительность уравниваю-
щих импульсов и врезок делается в два раза меньше
длительности строчных синхроимпульсов. Форма полно-
го синхросигнала приведена на рис. 21.1.
Можно привести следующие основные характеристи-
ки импульсов полного синхросигнала. Длительность
строки 64 мкс, длительность строчного гасящего им-
пульса 12 мкс, длительность строчного синхронизирую-
щего импульса 4,7 мкс, длительность кадрового гасяще-
го импульса 1612 мкс, длительность кадрового синхро-
низирующего импульса 160 мкс, длительность уравни-
вающих импульсов 2,35 мкс. Если уровень синхроим-
пульсов принять за 100 %, уровень черного будет соот-
ветствовать 75 %, а уровень белого от 10 до 12,5 %.
Смесь видеосигнала и полного синхросигнала обра-
зует полный телевизионный сигнал, который подается
на модулятор передатчика. В передатчике использует-
ся амплитудная модуляция с частичным подавлением
нижней боковой полосы частот. В связи с тем, что
спектр модулирующего сигнала простирается до 6 МГц,
295
296.
Передние
ураинидамщие
импульсы
Ха'дродыи I Задние
сияхуаипзнрумщиа' упп8ниРа/ащое
С’МПуЛбС I ~ импульсы
i
/| 521 622 I 623 j 52U | Б25 | 7 | 2 3 I У 5 6 7 | 8 ' 23 j 24 |
Второе поле | Пересе ~сле
300 [ 310
о. к mwiiwiLi
Продень гашения Всеока
311
312
313 [ 314
316
317
318
315
З’роВень гашения
лека
Продень Полого
Первое пиле
Q
ipse пале
320
Уре&ень
черного
&
Рис, 21.1, Форма полного телевизионного сигнала
несущая частота должна быть выбрана значительно
большей. Поэтому телевизионные передачи ведутся в
диапазоне УКВ на частотах, превышающих 50 МГц.
В отличие от звукового сигнала, являющегося двух-
полярным (увеличение и уменьшение давления отно-
сительно исходного), видеосигнал однополярен, так как
является функцией яркости, а яркость отрицательной
не бывает. Поэтому несущую частоту передатчика мож-
но модулировать одним из двух способов. Если макси-
мальным амплитудам несущей соответствуют наиболее
светлые места изображения, такая модуляция называ-
ется позитивной. Если . же максимальным амплитудам
несущей соответствуют наиболее темные места изобра-
жения и синхроимпульсы, такая модуляция называется
негативной. В СССР принята негативная модуляция.
Звуковое сопровождение телевизионной передачи
ведется при частотной модуляции несущей, которая
располагается выше частотного спектра верхней боко-
вой полосы сигнала изображения. Разнос между несу-
дцимп изображения и звука в СССР принят равным
6,5 МГц. Для передачи звукового сопровождения ис-
пользуется .отдельный передатчик. Передатчики изобра-
жения и звукового сопровождения работают на общую
широкополосную антенну — многоэтажную антенну
турникетного типа. Такая антенна в горизонтальной
плоскости имеет ненаправленную круговую диаграмму
направленности. В вертикальной плоскости многоэтаж-
ная антенна создает узкий лепесток диаграммы на-
правленности, прижатый к поверхности Земли, что уве-
личивает поток мощности в этом направлении и препят-
ствует излучению под большими углами, которое беспо-
лезно.
Цветное телевидение в СССР передается по системе
СЕКАМ-ШБ. Совместимая система цветного телевиде-
ния СЕКАМ была предлож-ена французским инженером
Анри де Франс в 1958 году. Сокращенное обозначение
системы СЕКАМ расшифровывается в переводе на рус-
ский так: последовательная передача цветов с запоми-
нающим устройством. Впоследствии эта система была
доработана советскими и французскими инженерами,
на ее основе было заключено советско-французское со-
глашение о совместном развитии цветного телевидения.
С 1 октября 1967 года в СССР и Франции одновремен-
но началось регулярное телевизионное йещание по си-
297
стеме СЕКАМ, Эта система цветного телевидения ис-
пользуется также в некоторых других странах. Кроме
системы СЕКАМ в мире используются еще две системы
цветного телевидения — НТСЦ и ПАЛ. Каждая из этих
систем имеет свои достоинства и недостатки. Для
СССР система СЕКАМ подходит лучше, так как при
наших протяженных линиях связи искажений сигнала
при этой системе меньше.
Полный цветовой телевизионный сигнал образуется
из сигналов яркости, цветности, цветовой синхрониза-
ции (опознавания), синхронизации разверток и гаше-
ния. Сигналы яркости, синхронизации и гашения явля-
ются такими же, как при черно-белом телевидении.
Этим обеспечивается совместимость системы. Совме-
стимостью системы цветного телевидения называется
такой способ ее построения, при котором цветная теле-
визионная передача может приниматься телевизором
черно-белого изображения, а черно-белая телевизион-
ная передача — телевизором цветного изображения без
каких-либо искажений. Конечно, в обоих случаях изоб-
ражение на экранах телевизоров будет черно-белым.
Совместимость системы цветного телевидения необхо-
дима потому, что в эксплуатации имеется еще очень
много телевизоров черно-белого изображения. Кроме
того, старые кинофильмы, хроникальные ленты и дру-
гие материалы архивов являются черно-белыми и
должны нормально воспроизводиться на экранах цвет-
ных телевизоров.
Приницип передачи цветного изображения основан
на теории трехкомпонентности цветового зрения, со-
гласно которой многообразие природных цветов можно
воспроизвести с помощью трех основных цветов, взя-
тых в определенных пропорциях. С помощью трех све-
тофильтров — красного, зеленого и синего — создают
на мишенях трех передающих трубок три одноцветных
изображения передаваемого объекта, которые преобра-
зуются в три цветовых видеосигнала: Er, Eg, Ев, про-
порциональных соответственно красной R, зеленой G и
синей В составляющим цвета. Затем из цветовых сигна-
лов формируются сигнал яркости и сигнал цветности
(рис. 21.2).
Сигнал яркости формируется из видеосигналов ос-
новных цветов путем их суммирования в следующей
пропорции:
29В
Рис. 21.2. Формирование цветного видеосигнала
- - 0,299^+0,587^+0,114£+ (21.1)
При наличии сигнала яркости, который необходим
для совместимости системы, нет необходимости переда-
вать все три цветовых сигнала. Достаточно передавать
только два из них, а третий может быть получен соот-
ветствующей их комбинацией с сигналом яркости. По-
этому принято передавать информацию только о красной
и синей составляющих, а зеленая вырабатывается в теле-
визионном приемнике. Вместо того чтобы передавать две
цветовые составляющие £/? и Ец> передаются так назы-
ваемые цветоразностные сигналы Er-у = Er—Еу и
Е i-.-y - Ен— Еу, которые формируются в вычитающих
устройствах. Если сигнал яркости содержит широкую
полосу частот в 6 МГц, необходимую для получения
нормальной четкости изображения, то такая же полоса
частот для сигналов цветности не нужна, так как кол-
бочки человеческого глаза, ответственные за различе-
ние цвета, не обладают такой высокой разрешающей
способностью, как палочки, ответственные за яркост-
ное восприятие. Поэтому можно раскрасить яркостное
изображение более крупными «мазками». Таким обра-
зом, частотный спектр цветоразностных сигналов огра-
ничивается примерно до 1,5 МГц.
В системе СЕКАМ цветоразностные сигналы пере-
даются поочередно: в течение одной строки — красный,
в течение следующей — синий, затем снова красный и
299
Рис. 21.3. Частотный спектр цветного видеосигнала
т. д. Для этого цветоразностные сигналы подаются на
коммутатор, управляемый импульсами строчной раз-
вертки. С выхода коммутатора цветоразностный сиг-
нал поступает на частотный модулятор для осуществле-
ния частотной модуляции двух поднесущих частот.
В качестве таких поднесущих выбраны две гармоники
частоты строчной развертки—4406,25 кГц (поднесу-
щая красного цветоразностного сигнала) и 4250 кГц
(поднесущая синего цветоразностного сигнала). Пер-
вая в 282 раза, а вторая в 272 раза больше ча-
стоты строчной развертки. Поднесущие частоты подают-
ся на модулятор через коммутатор, работающий синх-
ронно с коммутатором цветоразностных сигналов. По-
этому, когда передается красный цветоразностный сиг-
нал, на модулятор поступает поднесущая частотой
4406,25 кГц, а когда передается синий цветоразностный
сигнал, на модулятор поступает поднесущая частотой
4250 кГц.
Частотно-модулированные колебания поднесущих
поочередно поступают на сумматор, где складываются
с сигналом яркости. Частотный спектр полученного сиг-
нала показан на рис. 21.3. Видно, что составляющие
частотного спектра поднесущих находятся внутри ча-
стотного спектра яркости. Таким образом осуществля-
ется уплотнение частотного спектра, и его можно пере-
давать в той же полосе частот, что и сигнал черно-бело-
300
го телевидения. Однако, наличие частотно-модулиро-
ваппых поднесущих в составе сигнала яркости может
создавать помеху в канале яркости, проявляющуюся в
виде сетки па экране телевизора. Для ее ослабления
принимается ряд мер. Так, в каждом следующем поле
произвол in ся изменение фазы поднесущей на обратную,
и, кроме ни о, икос же изменение фазы производится
в каж/юй ipcn.cn строке. Дополнительно вводятся
нред|.1( h.i/iuiiii)i частотной характеристики цветоразност-
ных chi и.1 .поп с подъемом высших частот, которые ком-
iieiicii’p\‘к> ।* я и । елсвизионном приемнике соответствую-
щим завалом »гих частот.
Для р iciio шавания в телевизионном приемнике, в
к/ihoii hi < ।рок передается красный цветоразностный
сшил и, .1 и какой — синий,, служит сигнал цветовой
сннхр«и111 laiiiiii, который иначе называется сигналом
сип »-| и л в. 111 и и прок. Он состоит из девяти пакетов час-
тоню ми i\лировапных колебании поднесущих, которые
11 с р с л а и 11 < и но время кадрового гасящего импульса пос-
ле окпнчапвя la/iiiiix уравннвающпх импульсов в тече-
ние 7 IS ( 1рок в первом поле и 320—328 строк во вто-
ром поле1, между прочными синхроимпульсами.
С начала красной строки частота равномерно увели-
чивайся в течение 15 мкс с 4406,25 кГц до 4756,25 мкс,
а затем до конца активной части строки остается неиз-
менной. С начала синей строки частота равномерно
уменьшается в течение 18 мкс с 4250 кГц до 3900 кГц,
а затем до конца активной части строки остается не-
изменной. В (’вязи с *1ем, что красные и синие строки
передаются поочередно, увеличение и уменьшение час-
то гы в сигнале опознавания также чередуется. Сигналы
опознавания не влияют на изображение, так как переда-
ются во время кадрового гасящего импульса.
21.2. СТАНДАРТЫ ТЕЛЕВИЗИОННОГО СИГНАЛА
В различных странах мира используются разные
стандарты телевизионного сигнала, которые различа-
ются количеством разложения кадра по строкам, разно-
сом между несущими частотами изображения и звука,
полярностью модуляции несущей изображения видео-
сигналом, типом модуляции несущей сигналом звука и
системой цветного телевидения. В зависимости от при-
нятой в каждой стране частоты переменного тока
301
электросети используются разные значения частоты по-
лей — 50 или 60 Гц.
В СССР, Болгарии, Венгрии, Польше, Румынии, Че-
хословакии, Заире, Сенегале, Китае приняты количест-
во строк в кадре 625, разнос между несущими изобра-
жения и звука 6,5 МГц, негативная модуляция сигнала
изображения, частотная модуляция сигнала звука и
система цветного телевидения СЕКАМ.
В Великобритании приняты количество строк в кад-
ре 405, разнос между несущими 3,5 МГц, позитивная
модуляция сигнала изображения и амплитудная моду-
ляция сигнала звука в диапазонах метровых волн.
В диапазонах дециметровых волн в Великобритании и
Ирландии приняты количество строк в кадре 625, раз-
нос между несущими 6 МГц, негативная модуляция
сигнала изображения и частотная модуляция сигнала
звука. Система цветного телевидения во всех диапазо-
нах — ПАЛ.
В ГДР, Греции, Египте, Иране, Ливане, Тунисе при-
няты количество строк в кадре 625, разнос между несу-
щими 5,5 МГц, негативная модуляция сигнала изобра-
жения, частотная модуляция сигнала звука и система
цветного телевидения СЕКАМ. В ФРГ, Австрии, Авст-
ралии, Алжире, Афганистане, Бельгии, Дании, Индии,
Италии, Испании, Нидерландах, Норвегии, Португалии,
Турции, Финляндии, Швейцарии, Швеции, Югославии
принят такой же стандарт, но система цветного телеви-
дения ПАЛ.
В США, Канаде, Кубе, Мексике, Никарагуа, Перу,
Филиппинах, Южной Корее, Японии приняты количест-
во строк в кадре 525, разнос между несущими изобра-
жения и звука 4,5 МГц, негативная модуляция сигнала
изображения, частотная модуляция сигнала звука и си-
стема цветного телевидения НТСЦ.
Во Франции в диапазонах метровых волн приняты
количество строк в кадре 819, разнос между несущими
изображения и звука 11,15 МГц, позитивная модуляция
сигнала изображения и амплитудная модуляция сигна-
ла звука. В диапазонах же дециметровых волн принят
другой стандарт: количество строк в кадре 625, разнос
между несущими изображения и звука 6,5 МГц, пози-
тивная модуляция сигнала изображения и амплитудная
модуляция сигнала звука. Во всех диапазонах исполь-
зуется система цветного телевидения СЕКАМ.
302
Различия между стандартами, принятыми в разных
странах, мешают использовать телевизоры, изготовлен-
ные согласно одному стандарту, для приема передач
по другому стандарту. Если изменение частоты строч-
ной развертки достигается простой переделкой или
можно ограничиться простой регулировкой .частоты
строк, то разница между разносами несущих изобра-
жения и звука вынуждает перестраивать контуры зву-
кового канала или использовать вспомогательный гете-
родин, работающий на суммарной частоте разносов.
Изменение полярности модуляции сигнала изображе-
ния требует переключения видеодетектора на обратную
полярность и изменения режима видеоусилителя. Изме-
нение же типа модуляции сигнала звука требует заме-
ны частотного детектора амплитудным, или наоборот.
Сложнее всего обстоит дело с изменением системы
цветного телевидения. При этом приходится использо-
вать второе декодирующее устройство (декодер) или
преобразователь одной системы в другую (транскодер),
В настоящее время во многих странах мира выпу-
скаются телевизионные приемники цветного изображе-
ния с двухстандартными декодерами или универсаль-
ными, способными работать при любой из существую-
щих трех систем цветного телевидения. В нашей стране
также намечен выпуск на внутренний рынок цветных
телевизоров с двухстандартными декодерами, а по экс-
портным поставкам такие телевизоры выпускаются уже
в течение ряда лет.
Рассмотрим основные различия между системами
цветного телевидения НТСЦ и ПАЛ сравнительно с
системой СЕКАМ.
Образование цветоразностных сигналов в НТСЦ сис-
теме не имеет принципиальных отличий от этого же
процесса в системе СЕКАМ. Однако вместо двух подне-
сущих используется одна с частотой 3579,545 кГц. Мо-
дуляция этой поднесущей двумя цветоразностными
сигналами производится методом квадратурной моду-
ляции, при которой поднесущая делится на две состав-
ляющие, сдвинутые одна относительно другой по фазе
на 90°. Эти составляющие и модулируются по ампли-
туде— одна красным цветоразностным сигналом, дру-
гая— синим. При этом полностью подавляется несущая
частота промодулированных сигналов и остаются лишь
боковые полосы.
303
Для того чтобы на приемной стороне можно было
осуществить детектирование, в телевизоре используется
местный генератор подавленной поднесущей. Для
управления его частотой и фазой передатчик во время
обратного хода строчной развертки передает пакеты не-
модулированной поднесущей, которые называются вспыш-
кой. При квадратурной модуляции двумя цветоразност-
ными сигналами цветовой тон определяется фазой ре-
зультирующего вектора, а насыщенность — его ампли-
тудой.
Система НТСЦ имеет ряд достоинств. Она обеспечи-
вает высокую четкость цветных элементов изображе-
ния, легко осуществляет разделение яркостного и цве-
торазностных сигналов в телевизионном приемнике без
линии задержки. Главным же недостатком этой систе-
мы является ее высокая чувствительность к искажени-
ям сигнала в тракте связи. При паразитной амплитуд-
ной модуляции сигнала цветовая насыщенность свет-
лых и темных участков изображения оказывается раз-
ной. Паразитная фазовая модуляция цветовой под-
несущей приводит к изменению цветового тона в зави-
симости от яркости того или иного участка изображе-
ния. Темпо-серые элементы окрашиваются в краснова-
тый цвет, а светлые участки — в зеленоватый. Такие
искажения называются дифференциальным усилением
и дифференциально-фазовыми искажениями.
Система ПАЛ подобна системе НТСЦ, но отлича-
ется от нее тем, что поднесущая частота изменяет свою
фазу на обратную при переходе от одной строки к сле-
дующей, но это относится только к той составляющей
поднесущей, которая модулируется красным цветораз-
ностным сигналом. Та же квадратурная составляющая
поднесущей, которая модулируется синим цветораз-
ностным сигналом, имеет постоянную фазу. Благодаря
этому дифференциально-фазовые искажения сигнала в
.системе ПАЛ не влияют на цветовой тон изображения,
а приводят лишь к уменьшению насыщенности.
Частота поднесущей в системе ПАЛ составляет
4433,61875 кГц. Недостатком системы ПАЛ является
необходимость использования в декодере телевизионно-
го- приемника прецизионной линии задержки на дли-
тельность одной строки. Высокая стабильность задерж-
ки должна поддерживаться во всех режимах.
Система цветного телевидения НТСЦ была разра-
304
ботана и внедрена в США в 1953 году. Она явилась
первой системой цветного телевидения, нашедшей прак-
тическое применение. Система ПАЛ разработана в ФРГ
в 1963 году в целях устранения недостатков системы
НТСЦ. Система СЕКАМ в первоначальном виде была
предложена в 1954 году, а внедрена в 1967 году. Благо-
даря частотной модуляции чувствительность к указан-
ным искажениям оказалась мала.
21.3. КЛА(( ИФИКЛЦИЯ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ ПРИЕМНИКОВ
Массовое производство телевизионных приемников
в нашей стране началось в 1947 году. С тех пор их бы-
ло выпущено порядка нескольких сотен различных ти-
пов и модификаций. Такое большое количество типов
телевизоров, различных как пег конструктивному вы-
полнению, так и по принципиальной схеме, создает
большие трудности при попытках их классификации.
Однако задача облегчается тем, что в эксплуатации в
настоящее время практически уже отсутствуют телеви-
зионные приемники, выпущенные до 1965 года, а с это-
го времени промышленность выпускала почти исклю-
чительно телевизоры унифицированного типа. Разнооб-
разие их схем оказывается в значительной мере ограни-
ченным, а назначение отдельных блоков весьма схо-
жим.
Телевизионные приемники можно классифицировать
по самым различным признакам их конструкции, осо-
бенностям схемы, способам питания и другим призна-
кам. В первую очередь необходимо подразделить все
телевизоры на две основные группы: телевизионные
приемники черно-белого изображения и телевизионные
приемники цветного изображения. Различия между
приемниками черно-белого и цветного изображения со-
стоят в том, что цветные телевизоры более сложны по
схеме из-за необходимости приема, обработки и вос-
произведения дополнительной, относительно черно-бе-
лых телевизоров, цветовой информации, а также в ис-
пользовании более сложного по конструкции цветного
кинескопа. По этим причинам, а также в связи с более
высокой потребительской стоимостью цветные телевизо-
ры дороже черно-белых.
Телевизионные приемники подразделяются по конст-
руктивному исполнению также на две группы: стацио-
305
парные телевизоры и переносные. Первые рассчитаны
на работу в течение длительного времени в одном и
том же месте, а вторые могут быть сравнительно легко
перенесены из одного места в другое. В связи с этим
переносные телевизоры выполняются меньших габари-
тов и массы, а их футляр обычно снабжается ручкой.
Носимые телевизоры не выпускаются, хотя некоторые
телевизоры допускают использование их в автомобиле
на ходу.
Можно подразделять телевизионные приемники по
виду их питания на сетевые, батарейные и универсаль-
ные. Сетевые телевизоры рассчитаны только на пита-
ние от сети переменного тока, а батарейные — только
от сухих батарей или аккумуляторов. Правда, исполь-
зование отдельного блока питания позволяет обеспе-
чить питание батарейного телевизора также и от сети
переменного тока. Однако, хотя в принципе возможно
также с помощью отдельного блока обеспечить питание
сетевого телевизора от батарей, делать это бессмыслен-
но, так как сравнительно большая потребляемая мощ-
ность сетевого аппарата приведет к разряду батарей
за очень короткий срок. Специально же рассчитанные
для питания от батарей телевизоры потребляют несрав-
ненно меньшую мощность.
Можно привести такой пример. Наиболее распрост-
раненный черно-белый телевизор «Рекорд-339» ЗУЛПТ-
50-III-1 потребляет от сети 160 Вт. При его питании от
автомобильного аккумулятора 6СТ54 потребуется пре-
образователь, КПД которого можно принять равным
80 %. Тогда от аккумулятора будет потребляться
200 Вт. При напряжении аккумулятора 12 В потребляе-
мый ток составит 16,7 А. Аккумулятор имеет емкость
54 А. Ч, но его допускается разряжать только до 50 %
емкости, отбирая 27 А. ч. Таким образом, питание это-
го телевизора окажется возможным всего в течение
1,5 часа. Специально рассчитанный на батарейное пи-
тание телевизор «Юность-401» потребляет от автоном-
ного источника питания напряжением 1? В мощность
14 Вт, то есть ток 1,16 А. В тех же условиях этот теле-
визор сможет работать уже 23 часа.
Телевизоры универсального питания содержат
встроенный в схему блок питания и могут использо-
ваться как при питании от сети, так и при питании от
батарей или аккумуляторов. По потребляемой мощно-
306
сти они аналогичны батарейным. Стационарные теле-
визоры выполняются только сетевыми.
Можно далее подразделять телевизоры на следую-
щие группы ио элементной базе: ламповые, лампово-по-
лупроводниковые, полупроводниковые и полупроводни-
ково-интегральные' модульной конструкции. Если лам-
повые телевизоры собраны на электронных лампах без
использования транзисторов, то лампово-полупроводни-
ковые содержат в схеме и электронные лампы, и тран-
зисторы, а полупроводниковые вообще электронных
ламп не содержат, и единственным электроваккумным
прибором в этих телевизорах является кинескоп. Лам-
пово-полупроводниковые и полупроводниковые телеви-
зоры могут также содержать отдельные интегральные
микросхемы.
Полупроводниково-интегральные телевизоры мо-
дульной конструкции отличаются тем, что собраны из
съемных модулей (небольших блоков), которые при вы-
ходе из строя могут быть легко заменены. Это резко
увеличивает ремонтопригодность. В процессе ремонта
на дому у владельца радиомеханику остается лишь
выявить неисправный модуль (что также облегчается
возможностью пробной замены нескольких модулей) и
заменить его. Однако в процессе эксплуатации выяви-
лись и недостатки телевизоров модульной конструкции,
которые состоят в невысокой надежности контактов в
соединителях (разъемах) модулей.
Можно также подразделять телевизоры по их уни-
фикации. Неу инфицированные телевизоры полностью
собираются из отдельных элементов на том заводе, ко-
торый их выпускает. Когда выпускались такие телеви-
зоры, аппараты разных типов отличались один от друго-
го и по схеме, и по конструктивному исполнению, что
сильно затрудняло их ремонт. Унифицированные телеви-
зоры содержат одинаковый набор блоков, и всеми заво-
дами- страны выпускается всего несколько различных ти-
пов телевизоров, хотя и под разными торговыми назва-
ниями. Таким образом, номенклатура запасных частей
для унифицированных телевизоров достаточно мала.
Блоки для унифицированных телевизоров выпускаются
специализированными заводами и по кооперации по-
ставляются заводам, выпускающим телевизоры, где
производится только сборка готовых аппаратов и их
комплексная регулировка. При разных торговых на-
307
званиях («Рубин», «Славутич», «Березка») тип телевизо-
ров может быть одинаков (например, ЗУСЦТ-61-13) и
одинакова их схема, а отличаются они лишь внешним
оформлением и конструкцией футляра. Неунифициро-
ванные телевизоры выпускаются в настоящее время в
очень небольших количествах.
В последние годы наметилась тенденция классифи-
цировать телевизоры по поколениям, подобно класси-
фикации ЭВМ. Первым поколением считаются телеви-
зоры, собранные на электронных лампах, а также на
транзисторах с использованием печатного монтажа.
Второе поколение — это телевизоры блочно-модульной
конструкции на транзисторах и интегральных схемах
серии УПИМЦТ. К третьему поколению относятся те-
левизоры кассетно-модульной конструкции с использо-
ванием БГИМС (больших гибридных интегральных
микросборок) и фильтров на поверхностных акустиче-
ских волнах серий 2УСЦТ и ЗУСЦТ. Четвертое поколе-
ние телевизоров характеризуется кассетно-модульной
конструкцией, применением кинескопов с самосведени-
ем лучей, комплекта новых микросхем повышенной сте-
пени интеграции, наличием двухстандартного декодера
ПЛЛ/СЕКАМ серин 4УСЦТ.
Можно произвести подразделение телевизионных
приемников и по другим признакам, но перечисленные
являются общепринятыми.
21.4. ПАРАМЕТРЫ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ ПРИЕМНИКОВ
Чувствительность телевизионного приемника — одна
из главных его характеристик, которая определяет воз-
можность осуществления дальнего приема передач. Чем
меньше значение чувствительности, тем «дальнобойнее»
приемник. Поэтому применительно к чувствительности
обычно пользуются выражениями лучше-хуже вместо
больше-меньше, понимая под лучшей чувствитель-
ностью такую, которая выражается меньшим ее значе-
нием.
Существует несколько понятий чувствительности и
во избежание путаницы необходимо всегда знать, о ка-
кой чувствительности идет речь: чувствительности,
ограниченной усилением; чувствительности, ограниченной
синхронизацией; чувствительности, ограниченной шума-
ми-. Чувствительность, ограниченная усилением,— это
308
минимальное напряжение сигнала на антенном входе
телевизионного приемника, при котором обеспечивает-
ся номинальный уровень сигнала на модулирующем
электроде кинескопа. Номинальным уровнем считается
размах напряжения, соответствующий уровням белого
и черного на экране кинескопа. Чувствительность,
ограниченная синхронизацией,— это минимальное нап-
ряжение сигнала на антенном входе телевизора,, при
котором еще достигается устойчивая синхронизация
изображения. Наконец, чувствительность, ограниченная
шумами,— это минимальное напряжение сигнала на ан-
тенном входе телевизора, при котором обеспечивается
номинальный уровень сигнала на модулирующем элект-
роде кинескопа при его превышении над уровнем собст-
венных шумов на 20 дБ, то есть в 10 раз по напряже-
нию.k Во всех случаях имеется в виду чувствительность
телевизионного приемника по каналу изображения.
Видно, что чувствительность, ограниченная усилени-
ем, характеризует лишь коэффициент усиления прием-
но-усилительного тракта без учета качества изображе-
ния и устойчивости синхронизации. Такую чувствитель-
ность можно получить, разделив напряжение номиналь-
ного уровня сигнала на модуляторе кинескопа на ко-
эффициент усиления тракта. В связи с тем, что коэффи-
циент усиления можно увеличивать неограниченно пу-
тем наращивания количества усилительных каскадов,
чувствительность, ограниченную усилением, можно сде-
лать сколь угодно малой. Это приводит к наиболее рас-
пространенному заблуждению, когда в условиях даль-
него приема пытаются ее улучшить за счет использова-
ния различных усилительных приставок к телевизору.
Чувствительность, ограниченная усилением, отнюдь
не характеризует возможность приема телевизионным
приемником слабых сигналов, так как не учитывает
влияние его собственных шумов. Шум каждого каскада
усиливается последующими каскадами наравне с сигна-
лом. Наиболее сильно усиливается шум первого каска-
да, так как он усиливается всеми каскадами. Поэто-
му наиболее важен уровень шумов именно первого кас-
када телевизионного приемника, а шумами последую-
щих каскадов можно пренебречь. По этой же причине
именно первый каскад стремятся собирать с использо-
ванием малошумящих электронных ламп и транзис-
торов.
309
Если напряжение собственных шумов на выходе
усилителя разделить на его коэффициент усиления, по-
лучится напряжение шумов, приведенное ко входу это-
го усилителя. Напряжение шумов, приведенное ко входу
приемника, не зависит от количества каскадов и коэф-
фициента усиления приемного тракта. Чем больше ко-
эффициент усиления, тем меньший уровень сигнала
нужно подать на вход приемника, чтобы получить на
его выходе нужное напряжение. Однако при подаче
сигнала, меньшего по уровню, чем напряжение шумов,
приведенных ко входу, такой слабый сигнал будет забит
шумами. На экране телевизора при этом изображения
не получится, будут видны лишь шумы в виде хаотиче-
ски мерцающих белых и черных точек. В таком случае,
говорят, что на экране виден «снег». Чтобы получить
изображение, напряжение сигнала должно превышать
напряжение шумов. Чем больше напряжение сигнала на
входе телевизора по сравнению с напряжением шумов,
приведенным ко входу, тем лучше будет качество изоб-
ражения. Для оценки соотношения между напряжением
сигнала и напряжением шумов принято брать их отно-
шение.
Чувствительность, ограниченная шумами, как раз и
учитывает наличие определенного уровня собственных
шумов телевизионного приемника и характеризует его
способность принимать слабые сигналы, то есть рабо-
тать в условиях дальнего приема. Такая чувствитель-
ность измеряется при отношении сигнал/шум на мо-
дуляторе кинескопа, равном 10, что соответствует
20 дБ. В связи с тем что в телевидении передается толь-
ко одна боковая полоса частот, а вторая боковая полоса
подавляется, коэффициент усиления сквозного тракта для
сигнала в два раза меньше, чем для шумов. Поэтому для
получения на выходе приемника отношения сигнал/шум,
равного 10, на входе приемника это отношение должно
быть равно 20, что соответствует 26 дБ.
Указанное отношение сигнал/шум принято условно
и соответствует плохому качеству изображения, при ко-
тором обеспечивается лишь разборчивость крупных де-
талей. Для получения изображения хорошего качества
отношение сигнал/шум на входе должно быть не ме-
нее 40 дБ. Поэтому, если известно, что чувствительность,
ограниченная шумами, для какого-то телевизора сос-
тавляет, например, 70 мкВ, для получения изображения
310
хорошего качества напряжение сигнала на антенном
входе телевизора должно быть в 5 раз больше, то есть
350 мкВ.
Сравнивая значения чувствительности, ограниченной
шумами, для разных типов телевизоров, оказывается
возможным выбрать такой тип аппарата, который име-
ет наилучшую (минимальное значение) чувствитель-
ность и наиболее1 подходит для условий дальнего прие-
ма передач, ('«равнение же значений чувствительности,
ограниченной усилением, такой возможности не дает.
Все разработанные* после 1979 года черно-белые и цвет-
ные телевизоры обладают чувствительностью, ограни-
ченной шумами, равной 100 мкВ в диапазонах метро-
вых воли и 140 мкВ в диапазонах дециметровых волн.
Согласно ГОСТ эти значения являются предельными,
фактическая чувствительность может быть лучше.
Телевизионный сигнал, принятый антенной, как и
всякий радиосигнал, подвержен замираниям из-за непо-
стоянства условий распространения. Для компенсации
замираний телевизионный приемник оснащается систе-
мой АРУ и должен иметь запас усиления. Поэтому ко-
эффициент усиления приемно-усилительного тракта вы-
бирают больше необходимого для обеспечения нужной
чувствительности, ограниченной шумами. Таким обра-
зом, обыч'но чувствительность, ограниченная усилени-
ем, оказывается лучше, чем чувствительность, ограни-
ченная шумами.
Чувствительность, ограниченная синхронизацией,
представляет собой промежуточную величину и харак-
теризуется таким минимальным напряжением сигнала
на входе телевизора, при котором обеспечивается нор-
мальная синхронизация генераторов развертки. Нали-
чие изображения на экране' и его качество не учитыва-
ются.
Следует иметь в виду, что если не оговорено, о ка-
кой чувствительности идет речь, следует понимать чувст-
вительность, ограниченную усилением. Так, обычно в
паспортах телевизоров указывается именно чувстви-
тельность, ограниченная усилением. У некоторых вла-
дельцев телевизоров вызывает недоумение то обстоя-
тельство, что телевизор, характеризуемый в паспорте
лучшей чувствительностью по сравнению с другим, фак-
тически слабые сигналы принимает хуже. Это объясня-
ется именно тем, что сравнивались значения чувстви-
311
тельностщ ограниченной усилением, а не чувствительно-
сти, ограниченной шумами.
Улучшать чувствительность, ограниченную усилени-
ем, в современных телевизионных приемниках не име-
ет смысла, так как она и так достаточно мала. Если
же речь идет о телевизорах устаревших марок, выпу-
щенных до появления унифицированных моделей, то
достаточно увеличить коэффициент усиления приемно-
усилительного тракта. Возникает вопрос, в каких слу-
чаях следует добиваться улучшения чувствительности,
ограниченной усилением, в условиях дальнего приема
телевидения, а в каких случаях делать это не имеет
смысла.
Допустим, что имеется телевизионный приемник, об-
ладающий чувствительностью, ограниченной усилением,
порядка 1 мВ, например типа КВН-49. Уровень вход-
ных шумов этого приемника можно оценить напряже-
нием 10 мкВ (при использовании современных ламп и
транзисторов его можно принимать порядка 5 мкВ).
При подаче на вход этого телевизора сигнала напряже-
нием 1 мВ отношение сигнал/шум на входе окажется
равным 100, что соответствует практически отсутствию
шумов на экране. Разборчивое изображение, пусть да-
же плохого качества, что допустимо в условиях дальне-
го приема, можно было бы получить и при меньшем
уровне сигнала, равном 200 мкВ, при котором отно-
шение сигнал/шум оказалось бы равным 20. Однако
при уменьшени входного сигнала в 5 раз уменьшится
сигнал на модулирующем электроде кинескопа, и изоб-
ражение станет бледным и малоконтрастным. Если же
увеличить коэффициент усиления тракта также в 5 раз,
задача будет решена: при подаче на антенный вход сиг-
нала уровнем 200 мкВ уровень выходного сигнала ста-
нет прежним, достаточным для получения нормальной
контрастности, а отношение сигнал/шум на входе будет
равно 20, так как уровень входных шумов не зависит от
коэффициента усиления тракта.
В качестве другого примера возьмем телевизионный
приемник более позднего выпуска, например УЛПТ-61-
II, у которого чувствительность, ограниченная усиле-
нием, составляет 50 мкВ. При уровне входных шумов
5 мкВ для получения разборчивого изображения при-
дется подавать на вход сигнал уровнем 100 мкВ. Это
вдвое больше чувствительности, ограниченной усилени-
312
ем, и уровень сигнала на модуляторе кинескопа будет
вдвое больше нормы. Поэтому придется даже умень-
шить коэффициент усиления регулятором контрастно-
сти. Таким образом, если чувствительность, ограничен-
ная усилением, хуже 100 мкВ, ее можно улучшить, уве-
личив коэффициент усиления тракта. Дополнительное
усиление 'определяется делением паспортной чувстви-
тельности, ограниченной усилением, на 100 мкВ.
Возможность улучшения дальнего приема путем
улучшения чувствительности, ограниченной усилением,
легко установить также экспериментально по изобра-
жению на экране телевизора. Если изображение про-
сматривается на фоне шумов, на фоне помехи типа
«снег», значит, коэффициент усиления достаточно велик
и его увеличение не даст улучшения приема. Если же
изображение бледно и малоконтрастно даже в крайнем
положении регулятора контрастности, а шумы на экране
не просматриваются, можно улучшить прием за счет
улучшения чувствительности, ограниченной усилением,
то есть за счет увеличения коэффициента усиления
тракта.
Увеличение коэффициента усиления тракта может
быть достигнуто различными способами. Простейший
способ состоит в использовании антенного усилителя*
Другой способ состоит в увеличении усиления усилите-
ля промежуточной частоты канала изображения за
счет использования в нем ламп с повышенной крутиз-
ной характеристики, например ламп 6Ж38П вместо
имеющихся ламп 6Ж1П. Еще один способ увеличения
коэффициента усиления тракта состоит в использовании
приставки дополнительного усиления по промежуточной
частоте. Впервые такая приставка была предложена
В. Трипольским (Радио, 1958, № 3, с. 32—33). Впо-
следствии в журнале «Радио», 1960, № 6, в разделе
«Наша консультация» была помещена схема приставки
для телевизоров с блоком ПТК. Аналогичная приставка
типа «Каскад» выпускалась отечественной промышлен-
ностью, описание которой помещено в журнале «Радио»
(1966, № 7, с. 28—29).
Если телевизионный приемник имеет достаточный
запас усиления (чувствительность, ограниченная уси-
лением, не превышает 50 мкВ), для улучшения изобра-
жения в условиях дальнего приема полезный эффект
может дать лишь улучшение чувствительности, ограни-
313
ченной шумами, а для этого нужно уменьшить уровень
шумов, приведенных ко входу. В современных телеви-
зорах радикальных мер улучшения чувствительности,
ограниченной шумами, не существует, так как в их
схемах уже используются транзисторы с минимально
достижимым по нынешнему уровню науки и техники
входным шумом. Уменьшить уровень шумов можно
только за счет ухудшения качества изображения, но и
это в условиях дальнего приема можно считать вполне
приемлемым. Ведь вопрос стоит так: либо, сохраняя
номинально высокое качество изображения, принимать
его на фоне помехи типа «снег», которая не позволит
реализовать высокое качество изображения, либо,
жертвуя качеством изображения, снизить уровень шу-
мов и этим добиться дальнего приема передач.
Уменьшение уровня шумов достигается сужением
полосы пропускания приемного тракта, что приводит к
ухудшению четкости изображения по горизонтали. Од-
нако в условиях дальнего приема небольшое ухудше-
ние четкости допустимо. Если сузить полосу пропуска-
ния в 2 раза, четкость ухудшится также примерно в 2
раза, до 250 элементов, что соответствует удовлетвори-
тельной картинке, а уровень шумов уменьшится на 3 дБ,
что соответствует улучшению чувствительности, ограни-
ченной шумами, со 100 мкВ па метровых диапазонах
до 70 мкВ и со 140 мкВ на дециметровых диапазонах
до 100 мкВ.
В принципе возможны два разных пути сужения по-
лосы пропускания: по промежуточной частоте канала
изображения до видеодетектора и по видеочастоте пос-
ле видеодетектора. Сужение полосы пропускания
УПЧИ требует перестройки колебательных контуров,
такая работа трудоемка, требует опыта и наличия спе-
циальных приборов. Кроме того, при этом УПЧИ часто
самовозбуждается. Поэтому подобный метод нельзя при-
знать целесообразным. Сужение полосы пропускания по
видеочастоте достигается значительно проще — за счет
увеличения сопротивлений резисторов нагрузки видео-
детектора и каскадов видеоусилителя. В этом случае
сопротивления указанных резисторов можно увеличи-
вать в 1,5—2,0 раза. Однако в телевизионных приемни-
ках цветного изображения сужение полосы пропускания
может привести к пропаданию цветности, и изображение
на экране будет воспроизводиться черно-белым.
814
При сужении полосы пропускания видеоусилителя
одновременно с уменьшением уровня собственных шу-
мов увеличивается коэффициент усиления сквозного
приемно-усилительного тракта, что благоприятно ска-
зывается на воспроизведении изображения в условиях
дальнего приема телевидения. Следует, однако, учесть,
что за счет сужения полосы пропускания по видеоча-
стоте, удается улучшить чувствительность, ограничен-
ную шумами, не более чем в 1,5 раза. Дальнейшее уве-
личение сопротивлений нагрузок видеодетектора и ви-
деоусилителя оказывается бесполезным из-за пере-
крестной модуляции сигнала шумами в видеодетекторе.
Часто задают вопрос о том, как добиться реальной
чувствительности телевизора до 1...3 мкВ, но подобная
чувствительность невозможна. При полосе пропускания
6 МГц четкость по горизонтали составляет 550 элемен-
тов, а уровень входных шумов — 5 мкВ. За счет исполь-
зования новейших транзисторов в первом каскаде се-
лектора каналов можно добиться в лучшем случае
уменьшения входных шумов до 3 мкВ. Если сузить по-
лосу пропускания в 4 раза, до 1,5 МГц, уровень вход-
ных шумов уменьшится еще в 2 раза, до 1,5 мкВ. При
этом чувствительность, ограниченная шумами, составит
30 МкВ, но четкость по горизонтали ухудшится в 4 ра-
за, до. 135 элементов. Практически это будет соответст-
вовать неразличимому изображению.
Если возможные методы улучшения чувствительно-
сти телевизора исчерпаны, а прием сигналов от далеко
расположенного передатчика все-таки является неудов-
летворительным, приходится использовать более эффек-
тивную антенну, а также антенный усилитель, устанав-
ливая его около антенны на мачте для компенсации за-
тухания сигнала в фидере.
Чувствительность канала звукового сопровождения,
ограниченная шумами, для черно-белых и цветных те-
левизоров, стационарных и переносных, регламентиро-
вана действующим стандартом одинаково: 55 мкВ для
метровых диапазонов и ПО мкВ для дециметровых.
Фактически чувствительность оказывается лучше в свя-
зи с тем, что полоса пропускания звукового тракта зна-
чительно уже, поэтому ниже уровень собственных
шумов.
Разрешающая способность телевизора характеризу-
ется его способность воспроизводить на экране мелкие
315
детали изображения и оценивается по максимальному
числу чередующихся черных и белых линий, которые
можно раздельно различить. Такие линии в виде паке-
тов параллельных черточек или в виде клиньев имеются
на телевизионных испытательных таблицах, которые
передаются телецентрами в свободное от основных пе-
редач время. Разрешающая способность зависит от ка-
чества фокусировки луча. Кроме того, разрешающая
способность по горизонтали зависит от полосы пропу*
скания канала изображения телевизионного приемника,
При неправильной настройке контуров появляются ис-
кажения вертикальных переходов между черным и бе-
лым. Так, завал частотной характеристики в области
высших частот приводит к «тянучкам», при которых
размывается четкая граница между черными и белыми
элементами изображения. Подъем же этих частот при-
водит к «пластике» — ярким окантовкам справа после
черных элементов изображения.
Разрешающая способность также ухудшается при
появлении повторов из-за приема антенной помимо ос-
новного сигнала отраженных за счет их отставания по
времени относительно основного сигнала или при появ-
лении таких же повторов из-за рассогласования фидера
с антенной и антенным входом телевизора. Стандартом
установлена разрешающая способность по горизонтали
для стационарных телевизоров черно-белого изображе-
ния не менее 500 линий, а для переносных — не менее
450 линий в центре экрана. На краях экрана допуска-
ется ухудшение разрешающей способности на 10 %, что
связано с трудностям^ получения хорошей фокусировки
по всей поверхности, экрана. Для цветных телевизоров
ГОСТ разрешающую способность не регламентирует,
обязывая руководствоваться требованиями технических
условий заводов-изготовителей.
Избирательность телевизора характеризует его спо-
собность подавлять помехи, поступающие на антенный
вход на различных частотах. В зависимости от этих ча-
стот избирательность определяется формой частотных
характеристик по высокой и промежуточной частоте.
Измеряется избирательность отношением напряжения
помехи к напряжению несущей частоты изображения
на входе телевизора при постоянном напряжении по-
мехи и сигнала на выходе.
Для цветных телевизоров стандартом установлена
316
норма погрешности сведения лучей кинескопа, которая
определяется в процентах от высоты рабочей части эк-
рана: в круге диаметром 0,75 высоты рабочей части эк-
рана— не более 0,33 %, между окружностями диамет-
ром 0,75 и 1,1 высоты экрана — не более 0,7 %, между
окружностями диаметром 1,1 и 1,4 высоты экрана — не
более 0,8 %, вне круга диаметром 1,4 высоты экрана —
не более 1,1 %. Эти нормы представляются недостаточ-
но жесткими, не способствующими достижению высокого
качества отечественных телевизоров. Так, для кинеско-
пов 61ЛК4Ц с высотой рабочей части экрана 360 мм
указанными нормами даже в центре экрана допускается
погрешность сведения лучей, доходящая до 1,2 мм, на
расстоянии 135 мм от центра экрана — до 2,5 мм, а на
краях экрана — до 4 мм. Для телевизоров, в которых
применены кинескопы с самосведением, ГОСТ предла-
гает руководствоваться требованиями технических усло-
вий заводов-изготовителей, где эти нормы примерно
лишь в 1,5 раза жестче.
Таковы наиболее важные параметры телевизионных
приемников.
21.5. УСТРОЙСТВО ЧЕРНО-БЕЛЫХ ТЕЛЕВИЗОРОВ
Полное'Подробное описание принципиальной схемы
телевизора, выходит за рамки данной книги: такому
описанию посвящены другие руководства и учебники.
Здесь же представляется вполне достаточным рассмот-
реть лишь структурные схемы, знание которых позво-
лит при наличии неисправности выявить дефектный
каскад.
Типовая схема черно-белого телевизора показана
на рис. 21.4. Высокочастотный сигнал принимается ан-
тенной . метровых (Д7ИВ) или дециметровых (АДВ)
волн и поступает соответственно на селектор каналов
метрового диапазона СКМ или дециметрового диапазона
СКД. В некоторых моделях телевизоров селектор де-
циметровых каналов отсутствует, но во всех современ-
ных моделях предусмотрена возможность его установ-
ки. Существуют телевизионные приемники, использую-
щие всеволновый селектор каналов, в котором объеди-
нены функции селекторов каналов метрового и деци-
метрового диапазонов. Все современные телевизионные
преемники собраны по супергетеродинной схеме. По-
317
ЙМВ
Рис. 21.4. Структурная схема черно-белого телевизора
этому селектор каналов содержит усилитель высокой
частоты, гетеродин и смеситель. Гетеродин для точной
настройки на выбранный канал может плавно пере-
страиваться по частоте вручную ручкой настройки теле-
визора и автоматически с помощью каскада автомати-
ческой подстройки частоты гетеродина АПЧГ. Входные
контуры усилителя высокой частоты и гетеродина при
переключении телевизора с одного канала на другой
должны также переключаться.
Такое переключение производится либо вручную пу-
тем поворота ручки переключателя каналов в телеви-
зорах с селектором каналов типа ПТК или СК-М-15,
либо электронным способом в телевизорах с устройст-
вом выбора программ, где используются селекторы ка-
налов СК-М-23, СК-Д-22, СК-М-24, СК-Д-24 или СК-В-
1С. В этих телевизорах каналы переключаются комму-
тирующими диодами, каждый из которых отпирается
или запирается поступающим на него постоянным
напряжением. Напряжения формируются в устройстве
сенсорного выбора программ в зависимости от выбран-
ного телезрителем диапазона. Диапазон I соответствует
1-му и 2-му частотным каналам, диапазон II—3, 4 и
5-му каналам, диапазон III — каналам с 6-го по 12-й,
а диапазон IV — V — дециметровым каналам с 21-го по
60-й. У селекторов каналов СК-М-23 и СК-М-24 диапа-
зоны I и II объединены.
При приеме сигнала дециметрового диапазона в
318
СКМ отключаются усилитель высокой частоты и гете-
родин, а смеситель используется в качестве дополни-
тельного усилителя промежуточной частоты, для чего
на его вход поступает сигнал с выхода смесителя
СКД. Это обеспечивает увеличение усиления при прие-
ме дециметрового сигнала, так как уровень входного
сигнала на этом диапазоне обычно меньше, чем на мет-
ровых.
С выхода СКМ сигнал промежуточной частоты по-
ступает на вход усилителя промежуточной частоты ка-
нала изображения УПЧИ, где он усиливается. Обычно
используются двух- или трехкаскадные УПЧИ. Помимо
усиления УПЧИ формирует частотную характеристику
необходимой формы, для чего содержит колебательные
контуры, настроенные на заводе и не подлежащие пе-
рестройке в процессе эксплуатации. С выхода УПЧИ
сигнал поступает на каскад автоматической подстройки
частоты гетеродина АПЧГ, который представляет собой
резонансный усилитель с узкой полосой пропускания,
настроенный на промежуточную несущую частоту кана-
ла изображения 38 МГц с частотным детектором на вы-
ходе. Если частота сигнала отличается от номинальной,
на выходе частотного детектора вырабатывается напря-
жение, уровень и полярность которого соответствуют
отклонению частоты от той, на которую настроены кон-
туры частотного детектора. Это управляющее напряже-
ние подается на варикапы, введенные в состав конту-
ров гетеродина СКМ или СКД.
Емкости варикапов изменяются соответственно по-
данному па них напряжению, чем обеспечивается под-
стройка контуров. В селекторах с электронной настрой-
кой варикапы введены также в контуры, включенные
на входе и выходе усилителя высокой частоты. Благо-
даря наличию эффективно действующей АПЧГ с широ-
кой полосой захвата в телевизорах с сенсорным выбо-
ром программ отпадает необходимость регулярной руч-
ной настройки, которая производится один раз, а затем
достаточно включить нужную программу, и система
АПЧГ сама точно подстроит контуры.
С выхода УПЧИ сигнал поступает также на видео-
детектор ВД, назначением которого является выделе-
ние огибающей сигнала промежуточной частоты. Про-
детектированный видеосигнал подается на усилитель
видеосигнала УВС, а с его выхода на катод кинескопа
319
для модуляции электронного луча по яркости свечения
экрана в соответствии с передаваемым в данный мо-
мент элементом изображения. Яркостный фон изобра-
жения на экране кинескопа регулируется вручную ре-
гулятором яркости путем подачи необходимого посто-
янного напряжения на модулятор кинескопа Л.
Телевизионный сигнал, как известно, содержит две
несущие: несущую сигнала изображения, которая про-
модулирована сигналом изображения по амплитуде, и
несущую сигнала звукового сопровождения, которая
промодулирована сигналом звука по частоте. Разность
между этими несущими по советскому стандарту ус-
тановлена равной 6,5 МГц. Таким образом, несущая
промежуточная частота сигнала звукового сопровожде-
ния равна 31,5 МГц. Полоса пропускания УПЧИ сфор-
мирована таким образом, чтобы несущая промежуточ-
ная частота сигнала изображения располагалась на се-
редине правого склона частотной характеристики, а не-
сущая промежуточная частота сигнала звука распола-
галась левее левого склона частотной характеристики
и была значительно ослаблена. Это необходимо для
того, чтобы избежать появления на экране телевизора
полос в такт со звуком. На выходе ВД из-за наличия
двух несущих образуются биения с разностной часто-
той 6,5 МГц. Эти биения промодулированы как сигна-
лом изображения по амплитуде, так и сигналом звука
по частоте. Биения подаются с ВД на вход усилителя
промежуточной частоты канала звукового сопровожде-
ния УПЧЗ, который настроен на частоту биений
6,5 МГц.
В УПЧЗ осуществляется усиление сигнала звука и
его ограничение по амплитуде, необходимое для очист-
ки его от амплитудной модуляции сигналом изображе-
ния, так как в противном случае звук будет сопровож-
даться фоном кадровой развертки. С выхода УПЧЗ сиг-
нал поступает на частотный детектор, который выделя-
ет звуковой сигнал низкой частоты. Обычно частотные
детекторы собираются по схеме детектора отношений
или, как часто называют эту схему, дробного детектора’.
Такая схема дополнительно ограничивает сигнал по
амплитуде, препятствуя прониканию сигнала изобра-
жения в звуковой канал. Далее сигнал звуковой ча-
стоты подается на вход усилителя звуковой частоты
УЗЧ, где усиливается по напряжению и по мощности.
320
На входе УЗЧ устанавливается ручной регулятор
громкости, которым путем изменения напряжения сиг-
нала производится регулировка громкости. Вход УЗЧ
обычно также соединен с гнездами для подключения
магнитофона, с помощью которого имеется возмож-
ность записать звуковое сопровождение телевизионной
передачи. Наконец, в состав УЗЧ входит регулятор
тембра, которым можно вручную подобрать желатель-
ный тембр звука путем изменения частотной характе-
ристики УЗЧ. Усиленный по мощности сигнал звуковой
частоты поступает на громкоговоритель Гр. Громкогово-
рителей может быть один или несколько в зависимости
от типа и класса телевизора.
Необходимо отметить, что качество звукового со-
провождения в телевизионных приемниках оказывается
сравнительно невысоким в связи с тем, что полоса вос-
производимых звуковых частот ограничена снизу ча-
стотой 100 Гц, а сверху — частотой 10 кГц. Это связа-
но с тем, что в канал звука могут проникать сильные
«внутренние помехи частотой 50 Гц с генератора кадро-
вой развертки и частотой 1Б625 Гц с генератора строч-
ной развертки.
С выхода УВС полный видеосигнал поступает также
на схему автоматической регулировки усиления АРУ.
В настоящее время, как правило, используются схемы
ключевой АРУ, которые не реагируют на импульсные
помехи. Для этого каскад АРУ находится в запертом
состоянии все время и отпирается лишь на короткие
промежутки времени с помощью импульсов, снимаемых
с генератора строчной развертки. Эти моменты совпа-
дают по времени с моментами поступления строчных
синхронизирующих импульсов в составе полного теле-
визионного сигнала. От уровня синхроимпульсов зави-
сит вырабатываемое каскадом АРУ управляющее нап-
ряжение, которое подается на УПЧИ и селектор кана-
лов для автоматической регулировки их усиления. Ав-
томатическая регулировка усиления необходима в те-
левизоре для компенсации изменений уровня приходя-
щего в разные моменты времени, сигнала, связанных
с условиями распространения его в атмосфере.
В составе полного видеосигнала на выходе УВС со-
держатся передаваемые телецентром импульсы синхро-
низации по строкам и по кадрам, обеспечивающие пе-
ремещение луча по экрану кинескопа синхронно и син-
11-2085
321
фазно с перемещением луча по мишени передающей
трубки на телецентре, а также импульсы гашения луча
кинескопа на время обратного хода строчной и кадро-
вой разверток. Для выделения из полного телевизион-
ного сигнала синхроимпульсов служит селектор синхро-
импульсов ССИ. Выделение импульсов синхронизации
происходит благодаря тому, что амплитуда этих им-
пульсов всегда больше уровня сигнала изображения,
соответствующего самым черным элементам изображе-
ния. Режим селектора таков, что он все время заперт
и отпирается только импульсами синхронизации за
счет того, что их амплитуда больше напряжения видео-
сигнала. В состав селектора входят также элементы
разделения синхросмеси на синхроимпульсы строк и
синхроимпульсы кадров. Это разделение осуществляет*
ся благодаря тому, что длительность строчных импуль-
сов значительно меньше длительности кадровых им-
пульсов синхронизации.
Кадровые синхроимпульсы с выхода ССИ подаются
на задающий генератор кадровой развертки ГКР, кото-
рый управляет выходным каскадом ГКР, вырабатывая
пилообразное напряжение. Для получения линейной
кадровой развертки выходной каскад ГКР создает в
кадровых отклоняющих катушках отклоняющей систе-
мы ОС линейно изменяющийся во времени пилообраз-
ный ток. Соединение выхода ГКР с кадровыми откло-
няющими катушками ОС осуществляется при помощи
согласующего выходного трансформатора кадров, а в
полупроводниково-интегральных телевизорах — непо-
средственно, без трансформатора. Отклоняющая система
надета на горловину кинескопа и управляет электрон-
ным лучом, воздействуя на него магнитным полем сво-
их катушек.
Импульсы строчной синхронизации с выхода ССИ
поступают на схему автоматической подстройки часто-
ты и фазы строчной развертки АПЧаФ, где сравнива-
ются во времени с импульсами обратного хода строч-
ной развертки, поступающими на АПЧаФ с выхода ге-
нератора строчной развертки ГСР. При совпадении во
времени тех и других импульсов выходное напряже-
ние АПЧаФ равно нулю, в противном случае выраба-
тывается управляющее напряжение, уровень которого
пропорционален отклонению выходных импульсов ГСР
от синхронизирующих, а полярность зависит от то-
322
го, поступают импульсы с выхода ГСР раньше или
позже импульсов синхронизации. Схема АПЧиФ обла-
дает повышенной инерционностью, благодаря чему на
нее не влияют поступающие импульсные помехи.
Управляющее напряжение с выхода АПЧиФ поступает
на задающий генератор строчной развертки, и под его
воздействием изменяется частота вырабатываемого на-
пряжения развертки.
ГСР содержит также выходной каскад строчной
развертки, откуда отклоняющий ток подается на строч-
ные катушки ОС. Схемы ГКР и ГСР построены таким
образом, что при отсутствии синхронизирующих импуль-
сов отклоняющие токи все равно вырабатываются, обе-
спечивая получение растра на экране кинескопа.
С выхода ГСР импульсы обратного хода строчной
развертки подаются на АРУ и АПЧиФ. Кроме того, им-
пульсы обратного хода строчной развертки высокого
напряжения подаются на высоковольтный выпрями-
тель ВВВ, на выходе которого образуется постоянное
'высокое напряжение для питания второго анода кине-
скопа. Для получения импульсов высокого напряжения
ГСР обычно содержит строчный транформатор, с высо-
ковольтной обмотки которого и снимаются импульсы
высокого напряжения. В различных типах телевизоров
используются разные схемы ВВВ с применением высо-
ковольтного вакуумного кенотрона, полупроводниково-
го выпрямительного столба или полупроводникового
умножителя напряжения.
Схемы ГКР и ГСР содержат необходимые органы
внешних регулировок: регуляторы частоты кадров и
строк, регуляторы размера растра по горизонтали и по
вертикали, регуляторы линейности строчной и кадро-
вой разверток. Благодаря наличию автоматических ре-
гулировок и совершенной отработке схем все эти регу-
ляторы обычно вынесены на заднюю панель телевизора
или вообще находятся на шасси, так как не относятся
к оперативным регулировкам.
21.6. УСТРОЙСТВО ЦВЕТНЫХ ТЕЛЕВИЗОРОВ
В основе системы СЕКАМ лежит принцип поочеред-
ной передачи цветоразностных сигналов через строку:
в течение одной строки передается сигнал R — У, а в
течение другой строки сигнал В — У. Яркостный сигнал
11*
323
эк
Рис, 21.5. К назначению электронного коммутатора
передается непрерывно, Для воспроизведения цветного
изображения в телевизоре необходимо иметь все три
сигнала {яркостный и два цветоразностных) одновре-
меннно. Для этого в цветном телевизоре используется
запоминающее устройство в виде линии задержки на
время одной строки — 64 мкс, а также двухканальный
электронный коммутатор.
Работу этого устройства иллюстрирует рис. 21.5.
Сигналы, прямой и задержанный линией задержки ЛЗ,
поступают на электронный коммутатор ЭК. Допустим,
что в данный момент передается красный цветоразност-
ный сигнал. Тогда коммутатор находится в положе-
нии, соответствующем сплошным линиям, и сигнал на-
правляется в канал красного. Одновременно он посту-
пает в линию задержки. В течение следующей строки
передается синий цветоразностный сигнал, а коммута-
тор находится в положении, соответствующем пунктир-
ным линиям. При этом прямой сигнал направляется в
канал синего. Но в течение этой строки на коммутатор
по линии задержанного сигнала приходит красный цве-
торазностный сигнал от предыдущей строки, который
направляется в канал красного.
Во время следующей строки на вход вновь поступит
красный цветоразностный сигнал, а коммутатор вновь
переключится в первое положение. Красный цветораз-
ностный сигнал по линии прямого сигнала поступит в
канал красного, а синий цветоразностный сигнал пре-
дыдущей строки по линии задержанного сигнала посту-
пит в канал синего. Таким образом, несмотря на то что
красный и синий цветоразностные сигналы поступают
на устройство поочередно, на его выходе в каналах
красного и синего соответствующие сигналы будут при-
сутствовать каждую строку.
Как видно, для правильного цветовоспроизведения
824
Рис. 21.6. Структурная схема цветного телевизора
необходимо, чтобы положение электронного коммутато-
ра в течение каждой строки было правильным: когда
передается красный цветоразностный сигнал, коммута-
тор должен обязательно находиться именно в положе-
нии /, а когда передается синий цветоразностный сиг-
нал — в положении 2, иначе на выходе коммутатора
сигналы попадут в «чужие» каналы. Для того чтобы
обеспечить правильное положение электронного комму-
татора, служит сигнал цветовой синхронизации (сигнал
опознавания).
Совместимость системы обеспечивается, тем, что при
приеме полного цветового сигнала черно-белым телеви-
зором используется только сигнал яркости с синхроим-
пульсами и импульсами гашения, а цветоразностные
сигналы и сигнал цветовой синхронизации игнорируют-
ся. При приеме черно-белого телевидения цветным те-
левизором благодаря отсутствию в этом сигнале им-
325
пульсов цветовой синхронизации в телевизоре пред-
усмотрено запирание каналов цветности и воспроизво-
дится только сигнал яркости. Поэтому изображение на
экране получается черно-белым без раскраски.
Рассмотрим типовую структурную схему цветного
телевизора, которая показана на рис. 21.6. Часть схе-
мы, обведенная пунктирной линией, аналогична струк:
турной схеме черно-белого телевизора и в принципе не
имеет от нее отличий, за исключением более жестких
требований к частотным характеристикам по высокой
и промежуточной частоте. Кроме того, усложнен У ВС
и увеличены мощности разверток. В УВС, представ-
ляющем собой канал яркости, включены дополнитель-
ная линия задержки сигнала на 0,7 мкс и режекторные
фильтры в выходном каскаде. Необходимость дополни-
тельной задержки яркостного сигнала связана с тем,
что сигнал яркости проходит по широкополосному трак-
ту быстрее, чем цветоразностные сигналы по узкопо-
лосному тракту, а к кинескопу для совпадения контуров
изображения и его раскраски они должны приходить
одновременно. Режекторные фильтры служат для по-
давления цветовых поднесущих в канале яркости при
цветной передаче, которые образуют на изображении
рябь. При черно-белой передаче режекторные фильт-
ры автоматически отключаются, чем увеличивается эф-
фективная ширина полосы пропускания капала ярко-
сти и обеспечивается повышенная четкость воспроизво-
димого изображения.
Остальная часть структурной схемы содержит узлы,
характерные именно для цветного телевизора. Полный
цветовой телевизионный сигнал с ВД поступает на уси-
литель с характеристикой типа «Клеш» УК для коррек-
ции высокочастотных предыскажений. Частотная ха-
рактеристика этого усилителя имеет колоколообразную
форму, которая необходима для коррекции предвари-
тельных высокочастотных искажений, вводимых на пе-
редатчике для повышения помехоустойчивости системы.
Путем предыскажений увеличиваются высокочастотные
составляющие частотного спектра сигнала, а после про-
хождения через УК эти составляющие вновь приводят-
ся к нормированному уровню.
Далее скорректированный сигнал поступает на ам-
плитудный ограничитель Огр, в котором срезается при-
сутствующая в нем амплитудная модуляция яркостным
326.
сигналом. Поэтому на выходе ограничителя остается
только частотно-модулированный сигнал, несущий ин-
формацию о цвете. Ограничитель, кроме того, работает
в клапанном режиме: если принимается черно-белый
сигнал, а не цветной, ограничитель запирается и далее
сигнал не проходит. Клапаном можно также управлять
вручную, запирая ограничитель подачей на него отри-
цательного напряжения, пользуясь для этого специаль-
ным тумблером выключения цветности. В более позд-
них моделях цветных телевизоров функции такого кла-
пана осуществляются в последующих каскадах.
На выходе ограничителя сигнал делится на два ка-
нала — прямой и задержанный. По прямому каналу
сигнал поступает на электронный коммутатор ЭК. В за-
держанном канале сигнал проходит через линию за-
держки на длительность одной строки (64 мкс) ЛЗ и
поступает на ЭК через дополнительный усилитель ДУ,
необходимый для компенсации затухания сигнала в ли-
нии задержки.
J Работой коммутатора управляет симметричный
триггер Тр, который вырабатывает прямоугольные им-
пульсы коммутации длительностью в одну строку. Триг-
гер запускается строчными синхронизирующими им-
пульсами^ В течение одной строки триггер устанавли-
вает коммутатор в положение 1 (прямой сигнал на-
правляется в канал красного, а задержанный — в канал
синего), в течение*следующей строки триггер устанав-
ливает коммутатор в положение 2 (прямой сигнал на-
правляется в канал красного, а задержанный — в канал
синего). Для правильной фазировки триггера на него
подаются импульсы с системы цветовой синхронизации.
Импульсы цветовой синхронизации передаются в те-
чение девяти строк во время обратного хода кадровой
развертки, когда луч кинескопа погашен. Это обеспечи-
вает отсутствие на экране какого-либо изображения,
связанного с этими импульсами. Узел цветовой синхро-
низации ЦС во избежание воздействия на него различ-
ных помех поставлен в запертый режим и отпирается
специальными импульсами, сформированными из кад-
ровых синхроимпульсов или импульсов обратного хода
кадровой развертки. На второй вход ЦС подается сиг-
нал из канала красного, прошедший через ЭК.
Устройство цветовой синхронизации содержит ча-
стотный дискриминатор, на выходе которого образуют-
327
ся положительные импульсы, если частота сигнала уве-
личивается относительно частоты настройки дискрими-
натора, или отрицательные импульсы, если частота сиг-
нала уменьшается относительно частоты настройки
дискриминатора. На телецентре, в канал красного цве-
торазностного сигнала вводятся импульсы цветовой
синхронизации с увеличивающейся частотой высоко-
частотного заполнения, а в канал синего цветоразност-
ного сигнала — с уменьшающейся частотой заполнения.
При правильной фазе работы симметричного триггера
в канал красного поступают импульсы с увеличиваю-
щейся частотой и на выходе дискриминатора образуют-
ся положительные импульсы, которые не влияют на
работу триггера. Если же фаза коммутации оказывается
неверной и в канал красного поступает синий цвето-
разностный сигнал, на устройство цветовой синхрониза-
ции приходят импульсы с уменьшающейся частотой
заполнения и на выходе дискриминатора образуются
импульсы отрицательной полярности. Поступая^ на
симметричный триггер, эти импульсы навязывают ему
нужную фазу работы. Кроме того, в устройстве ЦС
при отсутствии импульсов цветовой синхронизации
(импульсов опознавания) вырабатывается напряжение,
которое запирает ограничитель или клапан, установлен-
ный перед электронным коммутатором, и отключает ре-
жекторные фильтры в канале яркости, так как отсутст-
вие указанных импульсов соответствует передаче чер-
но-белого изображения.
С выхода электронного коммутатора цветоразност-
ные сигналы поступают на соответствующие дискрими-
наторы Д, на выходах которых при частотном детекти-
ровании образуются цветоразностные видеосигналы
красного и синего, следующие далее на выходные уси-
лители видеосигнала УВС, Эти же цветоразностные
сигналы подаются на декодирующую матрицу ДМ.
Цветоразностные сигналы содержат информацию об ин-
тенсивности в каждый данный момент красного и сине-
го цветов и, кроме того, об уровне яркости. Это дает
возможность декодирующей матрице выработать зеле-
ный цветоразностный сигнал. С декодирующей матри-
цы он поступает на выходной усилитель видеосигнала
УВС.
Таким образом, схема содержит три выходных уси-
лителя видеосигнала — красного, зеленого и синего
328
цветоразностных сигналов. С их выходов цветоразност-
ные сигналы подаются на модуляторы цветного кине-
скопа. В связи с тем, что на катоды кинескопа поступа-
ет сигнал яркости, а на модуляторы — цветоразностные
сигналы, то есть разность между сигналом соответст-
вующего цвета и сигналом яркости, это эквивалентно
подаче на кинескоп уже не цветоразностного сигнала,
а цветового, которым и модулируется соответствующий
электронный прожектор. Во всех последних моделях
телевизоров яркостный сигнал на кинескоп не подает-
ся. Предварительно яркостный сигнал комбинируется
с цветоразностными сигналами, образуя цветовые сиг-
налы основных цветов, и уже они поступают на ки-
нескоп.
В связи с тем, что в цветном кинескопе с цветодели-
тельной маской все три прожектора невозможно поме-
стить в одну и ту же точку, находящуюся на оптической
оси кинескопа, они расположены в вершинах равносто-
роннего треугольника, то есть смещены относительно
оси кинескопа. Поэтому при отсутствии дополнитель-
ных мер раттры, образуемые тремя прожекторами на
экране, не совпадают: один из них имеет форму трапе-
ции, а два других форму неправильного четырех-
угольника. Однако для получения нормального изобра-
жения растры должны совпадать. Для сведения растра
служит блок динамического сведения БДС, на который
подаются необходимые сигналы с блоков строчной и
кадровой разверток.
В последнее время начинают использоваться кине-
скопы с планарным расположением прожектора. Сведе-
ние растров в таких кинескопах облегчается и произво-
дится на заводе-изготовителе кинескопов, а при экспуа-
тации подстройке не подлежит.
21.7. СТРОЧНАЯ РАЗВЕРТКА СОВРЕМЕННОГО
ТЕЛЕВИЗОРА
Рассмотрим в качестве примера принципиальную
схему транзисторного блока строчной развертки черно-
белого телевизора УСТ-61, так как принцип построе-
ния этой схемы встречается и в телевизорах других ти-
пов. Схема задающего генератора строчной развертки
приведена на рис. 21.7.
Выделенные из принятого сигнала строчные синхро-
329;
импульсы поступают на вход задающего генератора и
через конденсатор СЗО подаются на систему АПЧиФ,
которая собрана на диодах Dllt D12. К аноду диода
D12 подводится пилообразное напряжение строчной
развертки, которое образуется из импульсов обратного
хода строчной развертки, поступающих с выходного
трансформатора строк ТВС через разделительный кон-
денсатор С24, и формируется цепью R29, С26, R33, С29.
Если момент поступления синхроимпульсов точно сов-
падает с моментом, соответствующим среднему значе-
нию пилообразного напряжения, токи диодов будут рав-
ны и равны падения напряжений на резисторах R31,
R32, а их сумма равна нулю.
При несовпадении указанных моментов вырабаты-
вается напряжение, полярность которого определяется
опережением или отставанием пилообразного напряже-
ния от синхроимпульсов, а уровень — величиной этого
опережения или отставания. Для исключения влияния
импульсных помех управляющее напряжение делает-
ся инерционным за счет использования фильтра ниж-
них частот R28, С25 и R27, С23. Последовательно с
управляющим напряжением в схему вводится постоянное
напряжение с переменного резистора R86, которым осу-
ществляется ручная регулировка частоты строчной раз-
вертки. Напряжение питания от источника +30 В по-
330
Рис. 21.8. Выходной усилитель строчной развертки
дается на регулятор частоты строк через добавочный
^гасящий резистор R35.
Управляющее напряжение подается на базу транзи-
стора Т4, который входит в состав реактивного каскада
совместно с конденсаторами С20, С21 и резистором R23.
При изменении напряжения на базе транзистора Т4 из-
меняется емкость реактивного каскада, подключенная
к индуктивности контура Ф1, в результате чего изменя-
ется его резонансная частота.
На тр-анзисторе ТЗ собран генератор синусоидаль-
ных колебаний по схеме индуктивной трехточки. Рези-
сторы R19 и R20 имеют небольшие сопротивления и
препятствуют появлению паразитных колебаний. Сред-
няя точка катушек по переменному току заземлена кон-
денсатором С16, то есть соединена с эмиттером ТЗ. Ле-
вый по схеме вывод контура’ через разделительный кон-
денсатор С19 большой емкости и через диод D10 под-
ключен к базе транзистора. Таким образом осуществ-
ляется положительная обратная связь, Диод в цепи
базы ограничивает отрицательные полупериоды сину-
соиды. Делитель, состоящий из резисторов R22 и R21-,
обеспечивает поступление на базу транзистора напря-
жения смещения. Выходной сигнал в виде положитель-
ных полупериодов синусоиды снимается с эмиттера вы-
ходного транзистора ТЗ.
' Выходной каскад строчной развертки собран по схе-
ме, показанной на рис. 21.8. Через разделительный кон-
денсатор С15 сигнал подается на базу транзистора Т2,
включенного по схеме ОК (сопротивление антипаразит-
331.
ного резистора R12 невелико). Диод D7 дополнительно
ограничивает отрицательные полупериоды синусоиды.
Транзистор Т2 отпирается только положительными по-
лупериодами, которые ограничиваются по амплитуде
током насыщения, и через делитель R9, R8 подаются на
базу транзистора Т1. Резистор R13 обеспечивает утеч-
ку базы. На транзисторе Т1 собран усилительный кас-
кад по схеме ОЭ. За счет последовательного усиления
и ограничения синусоиды форма напряжения на кол-
лекторе транзистора Т1 получается импульсная. В цепь
коллектора включена первичная обмотка междукаскад-
ного трансформатора Тр2, зашунтированная цепочкой
R6, СП, которая предохраняет транзистор от пробоя
импульсами большой амплитуды, возникающими на
коллекторе в моменты запирания транзистора за счет
ЭДС самоиндукции первичной обмотки трансформа-
тора.
Со вторичной обмотки трансформатора; Тр2 импуль-
сы отрицательной полярности поступают на базу вы-
ходного транзистора Т13 для его запирания. В проме-
жутках между этими импульсами выходной транзистор
открыт и насыщен. Ток протекает по цепи: от источни-
ка питания + 30 В через развязывающий дроссель
ДрЗ, коллекторный и эмиттерный переходы транзистора
Т13, обмотку 5—12 выходного трансформатора строч-
ной развертки Тр1 на общий провод. Этот ток линейно
нарастает за счет индуктивности обмотки 5—12. Проис-
ходит прямой ход развертки. В конце прямого хода
транзистор Т13 запирается по базе, и за счет энергии
магнитного поля, накопленной в индуктивности транс-
форматора, возникает колебательный процесс. Перед
запиранием транзистора ток в индуктивности был мак-
симален и протекал от вывода 5 к выводу 12 обмотки.
Когда транзистор закрылся, ток через индуктивность
не может прекратиться скачком и продолжает проте-
кать в том же направлении, но не через транзистор, а
через конденсатор С4, заряжая его. По мере заряда
конденсатора ток уменьшается, и когда вся энергия
магнитного поля будет исчерпана, она будет сосредото-
чена уже в энергии электрического поля заряженного
конденсатора. Этим заканчиваются первые четверть
периода колебательного процесса (интервал t\—на
рис. 21. 9).
За счет большой ЭДС самоиндукции конденсатор
332
Рис. 21.9. Формирование
строчной развертки
С4 заряжается напряжением, которое значительно пре-
вышает напряжение источника питания. . Поэтому далее
начинается разряд конденсатора по цепи: верхний по
схеме вывод С4, плюс источника питания, минус источ-
ника питания, общий провод, выводы 12—5 транформа-
тора, нижний вывод конденсатора С4. Происходит вто-
рая четверть периода колебательного процесса (интер-
вал /2 — G). В конце этого интервала ток в обмотке
вновь максимален, конденсатор разряжен, а энергия
вновь накоплена магнитным полем трансформатора. Те-
перь эта энергия заставляет продолжать протекание то-
ка в прежнем направлении от вывода 12 к выводу 5
трансформатора. Однако теперь отпирается диод D22,
который шунтирует конденсатор, демпфируя колеба-
тельный процесс. Поэтому диод называется демпфер-
ным. Ток в цепи спадает линейно (интервал t$—/4).
В конце этого интервала прекращается отрицательный
импульс на базе выходного транзистора, он отпирается
и начинается нарастание тока в обмотке от вывода 5
к выводу 12. Демпферный диод снова запирается.
Итак, колебательный процесс в цепи протекает толь-
ко половину своего периода (интервал G — /3), что
соответствует обратному ходу строчной развертки. Ос-
тальная часть приходится на прямой ход. Длительность
обратного хода определяется резонансной частотой ко-
лебательного контура, образованного индуктивностью
обмотки трансформатора и емкостью конденсатора С4.
Длительность обратного хода можно регулировать сту-
пенчато, подключая с помощью перемычки дополни-
тельный конденсатор С1, или плавно сердечником в об-
333
мотке 8—9. Оптимальная настройка соответствует ре-
зонансной частоте колебательного контура, втрое боль-
шей частоты строчной развертки.
К выводу 8 Тр1 подключены строчные отклоняющие
катушки. Параллельно им подключена цепочка R89t
С61, устраняющая волнистость строк. Индуктивность
регулятора линейности строк РЛС регулируется посто-
янным магнитом, вводящим в насыщение ферритовый
сердечник РЛС. Конденсатор С59 называется танген-
циальным. Он замедляет отклонение луча кинескопа у
краев экрана, что необходимо, так как, кривизна экрана
меньше расстояния между катодом и экраном. К об-
мотке 3—14 подключен умножитель напряжения для
питания анода кинескопа. С других обмоток питаются
вспомогательные выпрямители для питания других бло-
ков телевизора.
21.8. ДЕКОДИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО ЦВЕТНОГО
ТЕЛЕВИЗОРА
При сравнении структурных схем черно-белого и
цветного телевизоров (рис. 21.4 и 21.6) видно, что по-
следняя отличается в основном наличием ряда узлов, со-
вокупность которых представляет собой декодирующее
устройство (декодер). Назначение декодера состоит в
выделении из полного цветового телевизионного сигна-
ла (ПЦТС), который содержит сигнал яркости, сигнал
цветности, синхросмесь и гасящие импульсы, именно
сигнала цветности (частотно-модулированных поднесу-
щих), детектирования их, то есть выделения цветораз-
ностных сигналов, а также в выделении и использова-
нии сигнала цветовой синхронизации.
В отечественных цветных телевизорах использовались
различные блоки цветности (БЦ-1, БЦ-2, БЦИ-1) и мо-
дули цветности (МЦ1-1, МЦ1-2; МЦ-2, МЦ-31). Наибо-
лее широкое применение в последних моделях стацио-
нарных телевизоров нашли модули цветности МЦ-2 с
субмодулями СМЦ-2. Рассмотрим построение схемы
субмодуля СМЦ-2.
Принципиальная схема С1МЦ-2 приведена на рис.
21.10. Субмодуль собран на двух микросхемах средней
степени интеграции типа К174ХА9 (зарубежный аналог
МСА640) и К174ХА8 (аналог МСА650). ПЦТС посту-
пает на субмодуль через контакт 9 соединителя XI и
334
через цепочку Cl, R1 подается на контур коррекции вы-
сокочастотных предыскажений (фильтр «Клеш») L1,
С2. Конденсатор С1 небольшой емкости является раз-
делительным и не пропускает низкочастотных состав-
ляющих видеосигнала. Резистор R1 устраняет влияние
контура на предыдущие каскады. Контур коррекции
настроен на среднюю частоту поднесущих 4286 кГц и
имеет колоколообразную частотную характеристику,
ослабляя высшие частоты спектра, компенсируя этим
их подъем в передатчике. Таким образом фильтр
«Клеш» выделяет из ПЦТС сигнал цветности, который
с помощью индуктивной связи через вывод 3 микросхе-
мы D1 подается на усилитель (1), где также произво-
дится ограничение сигнала по амплитуде. Режим этого
каскада по постоянному току задается резисторами
R6, R2. R3, R4, R5. Переменным резистором R4 устанав-
ливается симметрия выходного сигнала усилителя.
С усилителя.(/) сигнал цветности подается на ключ
(4), где происходит подавление поднесущих во время
обратного хода строчной и кадровой разверток. Для
этого на сумматор (5) через контакт 6 соединителя XI
и вывод 7 микросхемы подаются импульсы обратного
хода кадровой развертки, а через контакт 5 соедините-
ля XI и вывод 6 микросхемы — импульсы обратного хо-
да строчной развертки. Ключ имеет три выхода. Через
вывод 1 микросхемы снимается сигнал цветности пря-
мого канала, через вывод 15 — задержанного канала,
с третьего выхода сигнал цветности подается внутри
микросхемы на усилитель (6), который входит в систе-
му цветовой синхронизации. Выходы 1 и 15 микросхе-
мы связаны по постоянному току отрицательной обрат-
ной связью с выходами усилителя (/), резисторами R6,
R5 и R4.
Сигнал прямого канала через разделительный кон-
денсатор С7 и делитель RIO, R11, а также разделитель-
ный конденсатор С15 подается на электронный комму-
татор (У) микросхемы D2 (вывод 1). Конденсатор С32
устраняет выбросы, появляющиеся на сигнале в момен-
ты включения ключа (4) микросхемы D1. Сигнал за-
держанного канала через разделительный конденсатор
С9 и согласующий резистор R8 подается на линию за-
держки DT1 длительностью 64 мкс, а с нее — через раз-
делительный конденсатор С17 на другой вход электрон-
ного коммутатора (/) микросхемы D2 (вывод 3).
336
Катушки индуктивности L3 и L4 совместно с рези-
сторами R8 и R12 обеспечивают согласование линии за-
держки с обеих сторон. Переменный резистор R11 слу-
жит для установки уровня сигнала в прямом канале
равным уровню сигнала в задержанном канале. Для
управления коммутатором на вывод 16 микросхемы
D2 через конденсатор С14 с вывода 12 микросхемы D1
подаются импульсы полустрочной частоты вида меандр,
которые формируются триггером (8), Сюда же через
резистор R13 подается от источника питания напряже-
ние смещения, определяющее исходное состояние ком-
мутатора.
Выделенные коммутатором красный и синий частот-
но-модулированные сигналы цветности с нагрузок R15
и R16, которые подключены к выводам 13 и 15 микро-
схемы через антипаразитные резисторы малого сопрд-
тивления R26 и R25, разделительными конденсаторами
С18 и С19 подаются на частотные детекторы (2) и (4)
через выводы И и 9 микросхемы. Частотный детектор
(2) через вывод 5 микросхемы и цепочку С23, R27 свя-
зан с контуром L5, С22, настроенным на частоту подне-
сущей 4406 кГц, промодулированной красным цветораз-
ностным сигналом. Частотный детектор (4) через вывод
8 микросхемы и конденсатор С24 связан с контуром
L6, С25, настроенным на частоту поднесущей 4250 кГц,
промодулированной синим цветоразностным сигналом.
Сюда же через конденсаторы С20 и С21 подаются сиг-
налы с нагрузок коммутатора.
Продетсктированные цветоразностные сигналы снит
маются с выводов 12 и 10 микросхемы и через цепи низ-
кочастотной коррекции R2[, СЗО и R22, С31 подаются
на базы выходных эмиттерных повторителей VT2 и
VT1. Фильтры С26, L7, С28 и С27, L8, С29 подавляют
остатки поднесущих в составе цветоразностных сигна-
лов. Переменные резисторы, включенные в цепи эмит-
теров транзисторов R19, R20, позволяют устанавливать
необходимые уровни красного и синего цветоразност-
ных сигналов. Со средних выводов этих резисторов цве-
торазностные сигналы подаются на выходы субмоду-
ля — контакты 1 и 2 соединителя XI.
Микросхема К174ХА8 является двухстандартной и
может работать как в системе СЕКАМ, так и в системе
ПАЛ. Для этого в ее составе имеется еще один' ключ
(5), который в системе СЕКАМ не используется.
337
л Система цветовой синхронизации служит для опоз-
навания принимаемой телевизионной программы —
цветная она или черно-белая, а также для навязывания
нужной фазы симметричному триггеру (3), при которой
будет осуществляться правильная коммутация сигналов
цветности. Цветовая синхронизация осуществляется в
микросхеме D1.
Как указывалось, ключ (4) помимо двух выходов
прямого и задержанного каналов имеет третий выход.
На этот выход ключ выделяет из сигнала цветности па-
кеты цветовых поднесущих, расположенных на задних
площадках гасящих импульсов строк, а также сигналы
опознавания, передающиеся во время обратного хода
кадровой развертки. Микросхема К174ХА9 также явля-
ется двухстандартной, и в системе СЕКАМ используют-
ся только выделенные ключом сигналы опознавания,
которые поступают на усилитель (6). К усилителю че-
рез вывод 11 микросхемы подключен контур L2, С8,
настроенный на частоту сигналов опознания синих
строк 3900 кГц. Поэтому усилитель во время обратного
хода по кадрам выделяет сигнал опознавания синих
строк, передаваемый на частоте 3900 кГц, и подавляет
сигнал опознавания красных строк, передаваемый на час-
тоте 4756,25 кГц. Выделенные через строку сигналы опо-
знавания с усилителя подаются па компаратор (7), где
они сравниваются с импульсами полустрочпой час-
тоты, которые вырабатываются симметричным тригге-
ром (8).
В результате работы компаратора на конденсаторах
С12 и С13 выделяются напряжения, пропорциональ-
ные амплитудам сигналов опознавания в красных и си-
них строках. Если фаза работы симметричного тригге-
ра правильна, напряжение на конденсаторе С12 выше
напряжения на конденсаторе CIS. При неправильной
фазе оно ниже. Компаратор вырабатывает управляю-
щее напряжение, пропорциональное разности напряже-
ний на конденсаторах С12 и С13, которое через схему
включения цвета (3) подается на триггер (3) для кор-
рекции его фазы. При правильной и неправильной фа-
зах работы триггера управляющее напряжение имеет
разные полярности. Работа триггера синхронизируется
строчными импульсами, поступающими через контакт
5 соединителя XI и вывод 6 микросхемы.
Компаратор (7) осуществляет также автоматиче-
338
ское включение и выключение каналов усиления цвето-
разностных сигналов. При наличии сигналов опознава-
ния на выходе схемы включения цвета (3) образуется
напряжение + 11 В, которое через вывод 8 микросхемы
и контакт 4 соединителя XI отпирает усилители цвето-
разностных сигналов. При приеме сигналов черно-бело-
го изображения управляющее напряжение на выходе
компаратора отсутствует, и схема включения цвета , за-
мыкает вывод 8 микросхемы на корпус, что приводит
к запиранию усилителей цветоразностных сигналов.
21.9. ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ТЕЛЕВИЗИОННОЙ
ТЕХНИКИ
За прошедшие 40 лет развития телевизионная тех-
ника прошла большой путь. Достаточно сравнить пер-
вые массовые телевизоры «Т-1 Москвич» с современны-
ми как по техническим параметрам, так и по их конст-
рукции. Ламповая схема, большие габариты 560 X
X 350 X405 мм при маленьком экране 100 X 130 мм,
один канал < приема, чувствительность, ограниченная
усилением, равна 500 мкВ, неустойчивая синхрониза-
ция, потребляемая мощность 250 Вт, масса 33 кг — та-
ковы были параметры первого телевизора. Развитие
приемной телевизионной техники в последующие годы
шло по пути создания новых, более эффективных элект-
ронных ламп, увеличения размеров экрана кинескопа с
увеличением угла отклонения луча с 55 до 110°, заме-
ны электромагнитной фокусировки луча кинескопа
электростатической, внедрения алюминированных экра-
нов и прямоугольной формы экрана кинескопов, раз-
работки и внедрения в схемы телевизоров полупровод-
ников и микросхем, импульсных источников питания,
систем устойчивой синхронизации, фильтров ПАВ, мо-
дульной конструкции.
Естественно, что технический прогресс не может ос-
тановиться на сегодняшнем уровне и следует ожидать
дальнейшего совершенствования телевизионной техни-
ки. Ведутся разработки больших интегральных схем,
которые позволят объединить в одном корпусе несколь-
ко используемых ныне микросхем вместе с навесными
элементами и соединительными проводниками. При
этом появляется возможность замены таких трудоемких
в изготовлении элементов схем, какими являются ка-
339
тушки индуктивности, их электронными аналогами.
Уже начинают выпускаться телевизионные прием-
ники с дистационным беспроводным управлением при
помощи инфракрасных лучей. Ведется разработка сис-
темы телевидения высокой четкости с разложением
изображения на 1125 строк, при котором строчная
структура картинки окажется совершенно незаметной.
Проводятся исследования по созданию стереоскопиче-
ского цветного телевидения и внедрения стереофонии
в звуковое сопровождение телевизионных передач.
Большое развитие в будущем должны получить сис-
темы видеографии, при которых различная буквенно-
цифровая и графическая информации могут передавать-
ся абонентам по телевизионным или телефонным кана-
лам и воспроизводиться на экране телевизора. В специ-
альных библиотеках можно будет заказывать изобра-
жения страниц из различных книг.
Уже выпускаются за рубежом бытовые телевизоры,
на экранах которых помимо основного изображения
принимаемой программы воспроизводятся уменьшенные
изображения других программ.
Сегодня трудно предвидеть уровень телевизионной
техники, которого она достигнет через 20—30 лет.
22. МАГНИТОФОНЫ
22.1. ПРИНЦИПЫ МАГНИТНОЙ ЗАПИСИ ИНФОРМАЦИИ
Процессы записи, хранения и последующего воспро-
изведения информации являются основой развития нау-
ки, техники и культуры человеческого общества. До
XIX века запись информации осуществлялась исключи-
тельно графическим способом — ручным преобразова-
нием информации в систему зрительно воспринимаемых
символов (рисунков, иероглифов, букв, цифр, чертежей
и т. д.). Изобретение фотографии Л. Дагером в 1839
году и фонографа Т. Эдисоном в 1877 году произвели
революционный переворот в принципах записи инфор-
мации, позволив автоматизировать этот процесс и запи-
сывать оригинальную информацию — истинный вид фо-
тографируемого объекта и истинный звук его источни-
ка. Кинематография, изобретенная братьями Л. и
О. Люмьер в 1895 году, позволила производить запись
340
Рис. 22.1. Принцип маг-
нитной записи
информации движущихся объектов, на смену примитив-
ному фонографу пришли граммофоны, патефоны и
электропроигрыватели.
Процесс записи информации состоит в том, что сиг-
налы, отображающие ее, запоминаются в виде соот-
ветствующих устойчивых изменений состояния некото-
рого носителя информации, а процесс последующего
воспроизведения записанной информации состоит в об-
ратном преобразовании состояния носителя информа-
ции в соответствующие сигналы, аналогичные первона-
чальным. Магнитная запись информации осуществля-
ется изменением остаточного магнитного состояния но-
сителя в соответствии с записываемым сигналом. В ка-
честве носителя при магнитной записи сначала исполь-
зовалась стальная проволока, а затем — магнитная лен-
та и магнитные диски.
Принцип устройства для магнитной записи иллюст-
рируется рис. 22.1. Магнитная лента Л перематывается
с постоянной скоростью с подающей катушки К1 на
приемную К2 в направлении, показанном стрелкой. Лен-
та касается поочередно поверхностей трех магнитных
головок — стирающей, записывающей и воспроизводя-
щей. При записи к стирающей головке подводится нап-
ряжение ультразвуковой частоты, возбуждающее в сер-
дечнике магнитной головки переменное магнитное по-
ле, которым лента размагничивается и записанная на
ней старая информация стирается. Сигнал, подлежа-
щий записи, подается на усилитель записи УЗ, который
нагружен на обмотку записывающей головки. Проходя
мимо нее, лента намагничивается в соответствии с за-
писываемым сигналом. Остаточная намагниченность
участков ленты при ее проходе мимо воспроизводящей
головки возбуждает в ее сердечнике магнитный поток,
который наводит в обмотке переменное напряжение.
341
Это напряжение подается на усилитель воспроизведе-
ния, с выхода которого электрический сигнал может
быть подан на воспроизводящее устройство.
Выпускается различная аппаратура магнитной запи-
си: студийные и бытовые магнитофоны для записи зву-
ковых сигналов, видеомагнитофоны для записи сигна-
лов изображения и звукового сопровождения, диктофо-
ны для записи речи, накопители на магнитных лентах
и магнитных дисках для записи цифровой информации
и другие.
22.2. МАГНИТНАЯ ЛЕНТА
В настоящее время магнитная лента является
единственным носителем магнитной записи в бытовых
магнитофонах и видеомагнитофонах. Магнитная лента
состоит из основы и рабочего слоя. Основа современных
отечественных лент выполнена из полиэтилентерефта-
лата (лавсана). Рабочий слой наносится на основу в
виде магнитного лака, который состоит из магнитного
порошка, связующего вещества, растворителя и других
компонентов. После затвердевания магнитного лака ра-
бочий слой для улучшения качества поверхности поли-
руется. От состава магнитного порошка-зависят свойст-
ва магнитной ленты. Наиболее широко используются
магнитные порошки из гамма-окнсла железа, феррита
кобальта и двуокиси хрома. Феррит кобальта обладает
лучшими магнитными свойствами по сравнению с гам-
ма-окислом железа. Однако они сильно зависят от
температуры. Поэтому в современных лентах феррит
кобальта не применяется. Лучшими свойствами, особен-
но отдачей на высших частотах, обладает двуокись
хрома. За рубежом находят применение также метал-
лические порошки и ленты с двухслойным рабочим сло-
ем, при котором один слой из гамма-окисла железа да-
ет повышенную отдачу на низких частотах, а второй
слой из двуокиси хрома — на высоких частотах.
В СССР принята следующая система условного
обозначения магнитных лент, которое состоит из пяти
элементов. Первый элемент — буква, указывающая
назначение ленты: звукозапись — А, видеозапись — Т,
вычислительная техника — В, точная запись — И. Вто-
рой элемент обозначения — цифра, указывающая мате-
риал основы: диацетатная — 2, триацетатная — 3, поли-
342
этилентерефталатная — 4. Третий элемент обозначения —
цифра, показывающая округленно толщину ленты:
18 мкм — 2; 27 мкм — 3; 37 мкм — 4; 55 мкм — 6. Чет-
вертый элемент обозначения—двузначное число, обоз-
начающее порядковый номер разработки ленты. Пятый
элемент обозначения — округленное в меньшую сторо-
ну значение ширины ленты в миллиметрах. После пято-
го элемента обозначения может указываться дополни-
тельный буквенный индекс: перфорированные ленты —
П, ленты для радиовещания — Р, ленты для бытовой
звукозаписи — Б. Таким образом, можно расшифровать
условное обозначение ленты типа А4309-6Б — лента маг-
нитная для бытовой звукозаписи на лавсановой основе
толщиной 27 мкм, девятый номер разработки, шириной
6,25 мм.
Магнитная лента для бытовой звукозаписи выпуска-
ется промышленностью шириной 6,25 мм для использо-
вания в катушечных магнитофонах и шириной 3,81 мм,
поставляемая в компакт-кассетах для использования в
кассетных магнитофонах. Лента на катушках наматы-
вается рабочим слоем внутрь, а в кассетах — рабочим
слоем наружу.
Магнитные ленты характеризуются многими техни-
ческими параметрами, основными из которых являются
относительная средняя чувствительность, относительная
частотная характеристика, нелинейные искажения, отно-
сительный уровень шума и уровень записи при нелиней-
ных искажениях 5 %.
Относительная средняя чувствительность равна вы-
раженному в дБ отношению чувствительности данной
ленты к чувствительности типовой ленты, принятой за
эталон. Чем лучше чувствительность ленты, тем меньше
может быть усиление усилителя записи.
Частотная характеристика ленты зависит не только
от свойств самой ленты, но и от конструкции головки.
Поэтому измеряется относительная частотная характе-
ристика также сравнительно с типовой лентой. Для это-
го у обеих лент измеряют отношение отдачи на верхней
граничной частоте к отдаче на опорной частоте. Раз-
ность этих отношений, выраженных в децибелах, харак-
теризует относительную частотную характеристику дан-
ной ленты.
Нелинейные искажения определяют измерением на
выходе усилителя воспроизведения напряжения третьей
343
гармоники сигнала частотой 400 Гц, записанного на ис-
пытуемой ленте, и делением на измеренное напряжение
первой гармоники. После умножения на 100 нелинейные
искажения выражаются в процентах.
Относительный уровень шума определяется отно-
шением напряжения шума на выходе усилителя воспро-
изведения к напряжению воспроизведения номинально-
го сигнала и выражается в децибелах.
Уровень записи при нелинейных искажениях 5 % оп-
ределяется отношением напряжения воспроизведения
сигнала с указанным уровнем искажений к напряже-
нию воспроизведения номинального уровня сигнала и
выражается в децибелах.
Ленты характеризуются и другими электроакусти-
ческими свойствами — неравномерностью чувствитель-
ности в пределах рулона, относительным уровнем сти-
рания и другими, а также физико-механическими
свойствами — относительным удлинением под нагруз-
кой, остаточным удлинением после ударной нагрузки,
адгезионной прочностью, теплостойкостью, абразив-
ностью и другими.
22.3. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ЗАПИСИ
И ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ
Ток в обмотках магнитных головок возбуждает в
сердечниках головок магнитное поле. Для того чтобы
это поле могло воздействовать на носитель, в сердечни-
ке головки делается зазор, называемый рабочим зазо-
ром, который заполняется немагнитным материалом,
например бронзовой фольгой. Носитель, проходя в об-
ласти рабочего зазора, намагничивается. Из-за нели-
нейности зависимости остаточной намагниченности от
индукции поля в зазоре такая простая запись полу-
чается с большими нелинейными искажениями сигнала.
Для их ослабления запись производится с подмагничи-
ванием, при которой через обмотку головки кроме тока
сигнала пропускается ток ультразвуковой частоты по-
рядка 50...80 кГц, амплитуда которого должна превы-
шать амплитуду тока сигнала. Помимо резкого умень-
шения нелинейных искажений при подмагничивании по-
вышается чувствительность носителя и фонограмма ста-
новится устойчивее ко всякого рода внешним механи-
ческим и магнитным воздействиям. Однако увеличи-
344
вается и шум ленты. Поэтому уровень подмагничива-
ния выбирается оптимальным, при котором достигается
компромисс между снижением нелинейных искажений
и увеличением уровня шумов.
Запись, используемая в магнитофонах, называется
продольной, так как участки повышенной и пониженной
намагниченности располагаются вдоль ленты. Головка
при этом ориентирована относительно ленты таким об-
разом, чтобы ее рабочий зазор был перпендикулярен
направлению движения ленты. Расстояние на ленте
между двумя соседними участками повышенной намаг-
ниченности (или пониженной) называется длиной вол-
ны. Длина волны пропорциональна скорости движения
ленты и обратно пропорциональна частоте записанно-
ного сигнала.
Для того чтобы иметь возможность записать наибо-
лее высокую частоту диапазона, длина волны должна
быть значительно больше ширины рабочего зазора. Ес-
ли они оказываются соизмеримы, уровень сигнала на
этой частоте уменьшается по сравнению с сигналами
более низких частот. Особенно это сказывается при
воспроизведении. Так, при скорости ленты 9,53 см/с
частоте сигнала 20 кГц соответствует длина волны
4,765 мкм, но уже при ширине рабочего зазора 2 мкм
потери на частоте 20 кГц при указанной скорости лен-
ты достигают 2,5 дБ. Это связано с тем, что на отрез-
ке ленты, равном длине волны, умещается целый пери-
од синусоиды записанного сигнала, включая максимум,
минимум и промежуточные значения.
Если ширина рабочего зазора будет равна длине
волны, воспроизвести сигнал вообще не удастся, так
как в пределах рабочего зазора одновременно окажутся
и участок наибольшей намагниченности, и участок наи-
меньшей намагниченности. Это аналогично попытке
толстой кистью нарисовать синусоиду с периодом, рав-
ным толщине кисти. Такие потери высших частот сиг-
нала называются щелевыми потерями. Для их умень-
шения при минимально достижимой из конструктивных
соображений ширине рабочего зазора приходится уве-
личивать скорость движения ленты.
Аналогично щелевым потерям возникают ослабле-
ния воспроизведения сигнала на высших частотах в тех
случаях, когда рабочий зазор оказывается неперпендику-
лярен направлению движения ленты. При этом верхний
345
и нижний края рабочего зазора сдвинуты относительно
середины, что равноценно увеличению его ширины. Эти
потери особенно заметны, когда ширина дорожки за-
писи велика, что имеет место в катушечных магнитофо-
нах с двухдорожечной записью. При наличии на ленте
четырех дорожек записи ширина каждой дорожки
уменьшается и сдвиг верхнего и нижнего края рабоче-
го зазора в пределах звуковой дорожки оказывается
меньше. Еще меньше влияние неперпендикулярности
зазора в кассетных магнитофонах, где ширина дорож-
ки записи на ленте еще меньше.
Лента должна плотно прилегать к магнитным голов-
кам. Чем меньше ширина рабочего зазора, тем сильнее
сказывается неплотность прилегания, при котором так-
же возникают потери на высших частотах сигнала. Так,
при расстоянии между лентой и головкой в 2 мкм на
скорости ленты 9,53 см/с потери на частоте 10 кГц до-
стигают 11 дБ. Для их уменьшения приходится полиро-
вать поверхность головки, использовать хорошую лен-
ту без следов коробления, увеличивать натяжение лен-
ты и применять эластичные прижимы ленты к голов-
кам.
Воспроизведение низших частот записанного диапа-
зона в значительной степени зависит от длины сопри-
косновения ленты и головки но обе стороны рабочего
зазора. Эта длина должна быть больше длины волны
самой низкой частоты сигнала. Особенно это важно при
больших скоростях движения ленты.
Скорость при записи и при воспроизведении должна
быть одинаковой, в противном случае изменяется то-
нальность звука: при уменьшенной скорости воспроиз-
ведения относительно скорости записи тональность по-
нижается, и наоборот. Крайне важно, чтобы скорость
движения ленты была постоянной, иначе возникает де-
тонация — плавание звука.
Рассмотрим требования, предъявляемые к частот-
ным характеристикам усилителей записи и воспроизве-
дения магнитофона. Для получения одинаковой оста-
точной намагниченности ленты на разных частотах сиг-
нала при отсутствии потерь ток записи следовало бы
поддерживать одинаковым на разных частотах — не за-
висящим от частоты сигнала. Однако, как уже известно,
из-за различных потерь на высших частотах намагни-
ченность ленты уменьшается. Для компенсации этого
346
Рис. 22.2. АЧХ трактов магнитофона
/
частотную характеристику усилителя записи по току де-
лают с подъемом в области высших частот, как показано
на рис. 22.2, а. Тем не менее полностью скомпенсиро-
вать потери не удается, и частотная характеристика ос-
таточной намагниченности ленты оказывается такой,
как показано на рис. 22.2, б.
При воспроизведении ЭДС сигнала, наводимого в
воспроизводящей головке, должна быть пропорциональ-
на частоте, но из-за наличия тех же, уже рассмотрен-
йых, потерь имеет завал в области высших частот, как
показано на рис. 22.2 в. Таким образом, для получения
равномерной сквозной характеристики всего тракта за-
писи-воспроизведения частотная характеристика усили-
теля воспроизведения должна иметь обратный харак-
тер, как показано на рис. 22.2, г.
22.4. УСТРОЙСТВО МАГНИТОФОНА
Магнитофоны для записи звука подразделяются на
студийные и бытовые. Студийные магнитофоны отлича-
ются сложностью конструкции, обеспечивающей наи-
более высокое качество сигнала. Для увеличения отно-
шения уровней сигнала и шумов в студийных магнито-
фонах обычно используется однодорожечная запись на
всю ширину магнитной ленты. Лентопротяжный меха-
низм содержит три электродвигателя — один предназна-
чен для протяжки ленты во время записи и воспроизве-
дения, а два других — для перемотки.
Бытовые магнитофоны делятся на катушечные и
кассетные, на монофонические и стереофонические, на
переносные и носимые, на двухдорожечные и четырех-
дорожечные, на полные магнитофоны и магнитофонные
приставки. В компакт-кассетах, используемых в кассет-
ных магнитофонах, конструктивно объединены обе ка-
347
тушки, подающая и приемная, с каналом, по которому
движется лента. Установка и снятие кассеты могут про-
изводиться без перемотки ленты на одну из катушек.
Компакт-кассеты имеют малые габариты, в них исполь-
зуется более узкая лента, что определяет и меньшие
габариты кассетных магнитофонов. Эти магнитофоны
в последнее время получили очень большое распростра-
нение, однако промышленность продолжает выпускать
и катушечные магнитофоны в связи с тем, что они поз-
воляют получить более высокое качество звука.
Стереофонические магнитофоны осуществляют од-
новременную запись или воспроизведение сигнала по
двум каналам — левому и правому, для чего использу-
ются по два комплекта головок, объединенных в блоки,
и две дорожки на ленте из четырех. Когда лента закан-
чивается, катушки меняют местами, а кассету перевора-
чивают и производится запись или воспроизведение на
двух других дорожках. Стереофонические магнитофо-
ны могут применяться и в качестве монофонических
с использованием всех четырех дорожек ленты. При
этом объем записи на одной катушке увеличивается
вдвое.
Выпускаются и так называемые полуторные магни-
тофоны, способные осуществлять стереофоническую за-
пись, но для ее воспроизведения необходим отдельный
стереофонический усилитель с громкоговорителями. Это
удобно при наличии другого стереофоничесокго аппара-
та — радиолы, электропроигрывателя или усилителя с
акустической системой. Магнитофонные приставки во-
обще не имеют усилителя мощности и громкоговорите-
ля в отличие от полуторных магнитофонов, где однока-
нальный усилитель с громкоговорителем имеются.
Катушечные магнитофоны выполняются конструк-
тивно в виде переносных, большиство же кассетных яв-
ляются носимыми и рассчитаны на автономное питание
от батарей. Выпускаются специальные кассетные маг-
нитофоны для использования в автомобиле. Находят
применение магнитофоны-проигрыватели (плейеры),
позволяющие лишь воспроизводить фонограмму с ленты
без возможности записи. Начинается производство оте-
чественных двухкассетных магнитофонов, которые поз-
воляют переписывать фонограмму с одной кассеты на
другую, что избавляет от необходимости иметь для пе-
резаписи два магнитофона. Наконец, промышленность
348
Рис. 22.3. Структурная схема магнитофона
выпускает магнитолы и магниторадиолы, которые со-
держат радиоприемник с магнитофоном или радиолу с
магнитофоном в одном футляре.
Рассмотрим структурную схему магнитофона, кото-
рая показана на рис. 22.3. Входной сигнал поступает на
входное устройство ВУ. Оно предназначено для вырав-
нивания уровней входных сигналов. Дело в том, что
различные возможные источники входного сигнала соз-
дают разные его уровни. Наименьший уровень сигнала
создает микрофон — порядка 3 мВ, наибольший — ра-
диотрансляционная сеть — порядка 30 В. Поэтому вход-
ное устройство содержит обычно несколько входных
гнезд, предназначенных для разных источников сигна-
ла, и входной делитель напряжения для приведения
разных сигналов примерно к одинаковому уровню. С
входного устройства сигнал поступает на усилитель за-
писи УЗ, коэффициент усиления которого регулируется
вручную и контролируется по встроенному индикатору
уровня записи или регулируется автоматически. Схема
усилителя записи обеспечивает необходимую форму ча-
стотной характеристики.
С выхода усилителя записи сигнал подается на за-
писывающую головку ГЗ, куда также поступает ток вы-
сокочастотного подмагничивания с генератора стирания
349
и подмагничивания ГСП нужного уровня. К генератору
подключена также стирающая головка ГС, При воспро-
изведении фонограммы сигнал с вопроизводящей го-
ловки ГВ поступает на усилитель воспроизведения У В,
обладающий необходимой частотной характеристикой
и содержащий для этого соответствующие цепи частот-
ной коррекции, и далее на усилитель мощности УМ с
регуляторами громкости и тембра. Отсюда выходной
сигнал подается на громкоговоритель. Движение ленты
и ее перемотку в прямом и обратном направлениях
осуществляет лентопротяжный механизм ЛПМ, а пи-
тание всего устройства производится от блока пита-
ния БП.
Такова структурная схема магнитофона с так назы-
ваемым сквозным каналом. Сквозной канал характери-
зуется тем, что непосредственно в процессе записи сиг-
нал с ленты может быть прослушан оператором. Непре-
менным условием получения сквозного канала являет-
ся наличие раздельных головок записи и воспроизведе-
ния, а также наличие раздельных усилителей записи и
воспроизведения. По таким схемам выполняются только
магнитофоны высокого класса. В большинстве же бы-
товых магнитофонов сквозного канала нет. Они содер-
жат единую универсальную головку для записи и вос-
произведения сигнала и единый универсальный усили-
тель. При переключении с записи на воспроизведение
осуществляется необходимая коммутация универсаль-
ной головки с выхода универсального усилителя на его
вход, а также коммутация корректирующих цепей для
получения соответствующих частотных характеристик,
В этом случае для контроля записи выход универсаль-
ного усилителя подключается к усилителю мощности.
Однако такой контроль производится только на пред-
мет наличия сигнала на выходе усилителя записи, но
не гарантирует наличия сигналограммы на ленте, как
при наличии сквозного канала.
Если магнитофон рассчитан на несколько стандарт-
ных скоростей протяжки ленты (4,76; 9,53 и 19,05 см/с),
это осуществляется соответствующим переключением
лентопротяжного механизма с одновременным переклю-
чением цепей коррекции в усилителях записи и вос-
произведения. Если же магнитофон рассчитан на ис-
пользование не только магнитной ленты на основе гам-
ма-окиси железа, но и хромдиоксидной, он снабжается
350
переключателем типа ленты, так как уровень тока под-
магничивания у этих типов лент разный.
К выходу усилителя воспроизведения подключаются
гнезда так называемого линейного выхода. К этим
гнездам может быть подключен вход другого магнитофо-
на при выполнении переписи фонограммы, а также вход
внешнего усилителя мощности. Характерно, что гнезда
линейного выхода находятся перед регуляторами гром-
кости и тембра. Поэтому они на уровень и частотный
состав сигнала на линейном выходе не влияют.
В стереофонических магнитофонах комплект блоков,
показанных на структурной схеме, удваивается, за ис-
ключением ГСП и ЛПМ. Кроме того, для возможности
осуществления четырехдорожечной монофонической за-
писи устанавливается переключатель дорожек.
Многие кассетные магнитофоны снабжены системой
шумоподавления. Это связано с тем, что из-за малой ши-
рины звуковой дорожки на ленте уровень сигнала при
воспроизведении у кассетных магнитофонов получает-
ся меньше, чем у катушечных, и приходится увеличи-
вать коэффициент усиления усилителя воспроизведе-
ния. При этом помимо сигнала оказываются усилены и
шумы усилителя воспроизведения и ленты. Наиболее
распространённой является система шумоподавления,
предложенная американским инженером Р. М. Дол-
би. Эта система содержит в канале записи компрессор
динамического диапазона, а в канале воспроизведе-
ния — экспандер динамического диапазона.
Компрессор сжимает диапазон, увеличивая усиление
при поступлении сигналов низкого уровня. Для этого
в компрессоре вырабатывается управляющее напряже-
ние, пропорциональное уровню сигнала, которое авто-
матически изменяет коэффициент усиления. Таким об-
разом, после компрессора разница между уровнями
наибольшего и наименьшего сигналов оказывается
меньше, чем до компрессора. Сигнал с сжатым дина-
мическим диапазоном записывается на ленту. В усили-
теле воспроизведения производится обратное преобразо-
вание динамического диапазона: сигналы меньшего
уровня усиливаются слабее сигналов большего уровня.
Соответственно меньше усиливаются и шумы.
В связи с тем, что в составе шумов преобладают вы-
сокочастотные составляющие, компрессия и экспанди-
351
рование производятся на более высоких частотах интен-
сивнее. Такая система позволяет улучшить отношение
сигнал/щум на 10 дБ и выше на частотах более 5000
Гц. Недостатком системы Долби является то, что фоно-
грамму, записанную с компрессией, нельзя воспроизво-
дить обычным магнитофоном, не содержащим соот-
ветствующего экспандера.
Большинство бытовых магнитофонов содержат один
электродвигатель, осуществляющий рабочий ход, пере-
мотку в обоих направлениях и подмотку с помощью со-
ответствующей кинематической схемы.
22.5. ВИДЕОМАГНИТОФОНЫ
Принципы видеозаписи, то есть записи движущихся
изображений, имеют много общего с принципами звуко-
записи. Однако возникают и большие затруднения, свя-
занные в первую очередь с широкой полосой сигнала
изображения и с высокой частотой видеосигнала.
Если при звукозаписи отношение высшей частоты
сигнала к низшей не превышает 1000, то для видеосиг-
нала это отношение составляет от 4 до 6 миллионов.
По ряду причин такую относительно широкую полосу
сигнала обычными способами записать не удается.
Во избежание ослабления высших частот записы-
ваемого сигнала ширина рабочего зазора головки долж-
на быть значительно меньше длины волны. Но сделать
зазор бесконечно малым технологически невозможно.
Реально выполнимая ширина рабочего зазора состав-
ляет примерно 0,3 мкм. Если допустить, что длина вол-
ны в 5 раз больше такого зазора для высшей частоты
видеосигнала 6 МГц, легко показать, что для этого ско-
рость движения ленты должна составлять 9 м/с. При
традиционной записи сигнала вдоль ленты катушки
объемом 540 м хватит всего на 1 минуту. Другая труд-
ность состоит в том, что обеспечить движение ленты
с такой скоростью крайне трудно, так как масса кату-
шек непостоянна, да и большого натяжения тонкая лен-
та выдержать не сможет.
Решение указанных проблем было достигнуто. Для
уменьшения отношения максимальной частоты сигнала
к минимальной можно сдвинуть весь спектр видеосиг-
нала в область более высоких частот путем гетеродини-
352
рования. Нет необходимости протягивать ленту с высо-
кой скоростью мимо неподвижных головок. Тот же эф-
фект будет достигнут, если головки расположить на ди-
ске и вращать его с достаточной скоростью. Для ис-
пользования всей поверхности ленты приняты две систе-
мы записи — поперек ленты или с наклоном дорожки
относительно ленты. В бытовых видеомагнитофонах ис-
пользуется вторая система. При этом на диске распола-
гаются две системы головок, которые поочередно про*
изводят запись или считывание информации с соседних
дорожек при медленном движении ленты. Для ослаб-
ления шумов амплитудно-модулированный яркостный
сигнал преобразуется в частотно-модулированный с ам-
плитудным ограничением. Скорость движения ленты та-
кова, что за пол-оборота диска с головками лента пе-
ремещается на ширину одной дорожки записи. По дли-
не одной дорожки записывается информация одного по-
ля изображения. Поэтому если ленту остановить, голов-
ки будут считывать постоянно сигнал изображения од-
ного поля, что соответствует эффекту «стоп-кадр».
Такая система видеозаписи принята в настоящее
время во всем мире и в СССР. Она соответствует меж-
дународному. стандарту VHS (video home system), что
в переводе с - английского означает «Домашняя видео-
система». В кратком очерке нет возможности более
подробно описать состав видеомагнитофона. Достаточ-
но сказать, что схема его довольно сложна. Помимо
указанных преобразований частотного спектра она со-
держит, систему шумопонижения, систему компенсации
выпадения строк, систему автоматического регулирова-
ния скорости и фазы вращения блока головок и, конеч-
но, систему записи звукового сопровождения по тра-
диционному методу вдоль ленты у одного из ее
краев.
Отечественной промышленностью выпускается ви-
деомагнитофон «Электроника ВМ-12», удовлетворяю-
щий требованиям системы VHS. Он характеризуется
следующими основными параметрами. Носитель —
стандартная кассета VHS с хромдиоксидной магнитной
лентой шириной 12,65 мм. Время записи или воспроиз-
ведения кассеты типа ВК-180 не менее 180 мин. Ско-
рость движения ленты 2,339 см/с. Разрешающая спо-
собность по каналу яркости не менее 240 линий. Поло-
са воспроизводимых звуковых частот 100...8000 Гц,
12—2085
353
Потребляемая мощность не более 43 Вт, габаритные
размеры 480 X 367 X136 мм, масса не более 10 кг.
Помимо собственно устройства записи-воспроизве-
дения видеомагнитофон «Электроника ВМ-12» содер-
жит телевизионный тюнер метровых диапазонов, то
есть телевизионный приемник без систем развертки и
кинескопа. Поэтому запись телевизионной программы
этот видеомагнитофон может вести автономно, без
внешнего телевизора, непосредственно с телевизионной
антенны. Для воспроизведения записанных программ
выход видеомагнитофона сделан высокочастотным и
подключается к антенному гнезду любого телевизора
без необходимости использования каких-либо устройств
сопряжения.
Кроме того, видеомагнитофон «Электроника ВМ-12»
снабжен цифровыми часами текущего времени с квар-
цевой стабилизацией и таймером. С помощью таймера
может производиться автоматическая запись установ-
ленной заранее телевизионной программы — либо один
раз в выбранное время за период в 14 суток, либо еже-
дневно в одно и то же время. Видеомагнитофон позво-
ляет также производить традиционные операции — пе-
резапись программы с другого видеомагнитофона ана-
логичного тина, ускоренную перемотку ленты в кассе-
те, стирание записи на кассете, просмотр программы
при ускоренном или замедленном воспроизведении, а
также остановленного кадра. Видеомагнитофон рассчи-
тан на системы цветного телевидения СЕКАМ и ПАЛ.
Для воспроизведения цветного изображения, записан-
ного по системе ПАЛ, необходим телевизор, также рас-
считанный на эту систему.
Намечаются к выпуску модификации видеомагнито-
фона «Электроника ВМ-12» без цифровых часов и тай-
мера, а также видеоплейера без телевизионного тюнера
и системы записи.
23. ЭЛЕКТРОАКУСТИЧЕСКАЯ АППАРАТУРА
23.1. ОСНОВЫ АКУСТИКИ
Звук представляет собой механические колебания
частиц среды, результатом которых являются чере-
дующиеся сгущения ее и разрежения. Частота звуковых
354
колебаний определяет диапазон звука. Диапазон слы-
шимого звука лежит в пределах от 16 до 16 000 Гц, ко-
лебания меныпей частоты называются инфразвуком,
колебания большей частоты — ультразвуком. Являясь
волновым процессом, звук обладает определенной ско-
ростью распространения, которая зависит от среды.
Так, в сухом воздухе при температуре 0°С скорость
звука равна 332 м/с, при средних температурах и влаж-
ности— 340 м/с, в воде— 1450 м/с, в стекле — 5600
м/с. Длина звуковой волны определяется по общей
формуле, как отношение скорости распространения к
частоте колебаний.
Звуковые колебания, как и другие волновые процес-
сы, подвержены отражению, рефракции (преломлению)
и дифракции (огибанию препятствий). При отражении
звука от преграды часть энергии проходит сквозь пре-
граду, часть ее отражается и часть поглощается. Отно-
шение поглощенной энергии к падающей называется
коэффициентом поглощения звука.
Частота звуковых колебаний воспринимается орга-
нами слуха как высота тона: низкие частоты воспри-
нимаются в виде низких (басовых) тонов, высокие—в
виде высоких тонов. Реальные музыкальные звуки име-
ют несинусоидальную форму, то есть содержат гармо-
ники. Основная (первая) гармоника определяет тон
звука, высшие гармоники называются обертонами и оп-
ределяют тембр, окраску звука. Человеческое ухо спо-
собно различать даже небольшие изменения частоты
звука: звуки, отличающиеся по частоте на 4 %, образу-
ют музыкальный интервал, называемый малым полуто-
ном, и хорошо различимы на слух.
В закрытом помещении звуковые колебания претер-
певают многократные отражения от стен и потолка, и
поэтому звук сопровождается отзвуками. После пре-
кращения звука к слушателю в течение некоторого вре-
мени/ которое зависит от размеров помещения, прихо-
дят отзвуки, как бы затягивающие звук. Это явление
называется реверберацией. Если время реверберации
невелико, порядка десятых долей секунды, такая гул-
кость создает приятное ощущение и соответствует оп-
тимальной реверберации. При малой реверберации звук
становится глухим, при слишком большой реверберации
предыдущие звуки после отражения накладываются на
последующие и нарушается их нормальное восприятие.
12*' 355
Рис. 23.1. Частотные характеристики органов слуха
Реверберация измеряется отрезком времени, в течение
которого энергия звука в помещении уменьшается в
миллион раз. Реверберация зависит от степени погло-
щения звука при его отражениях. В больших пустых
залах реверберация велика и уменьшить ее до опти-
мальной можно, увеличивая поглощение звука исполь-
зованием обивки стен, настилая ковры, развешивая гар-
дины.
Сила звука, зависящая от амплитуды звукового
давления, субъективно воспринимается слухом как
громкость, которая сильно зависит от частоты звуковых
колебаний. Наибольшей чувствительностью человече-
ское ухо обладает в области частот 1...3 кГц. Наимень-
шее звуковое давление, слышимое ухом, называется по-
рогом слышимости. На рис. 23.1 порогу слышимости
соответствует нижняя кривая, верхняя кривая соот-
ветствует уже болевому пределу. Таким образом, оди-
наковая громкость звука на разных частотах соответству-
ет различным значениям звукового давления. Звуковое
давление измеряется в паскалях (Па). 1 Па соответст-
вует давлению силой в 1 Н, действующей на поверхно-
сти в 1 м2. Уровень громкости принято оценивать в дБ
по отношению к порогу слышимости. Минимальный
прирост громкости, ощущаемый слухом, примерно ра-
вен 1 дБ.
356
23.2. ЭЛЕКТРОАКУСТИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
Электроакустические преобразователи служат для
преобразования механических колебаний звуковой ча-
стоты в колебания электрического тока, и наоборот. К
преобразователям звуковых колебаний воздуха в элект-
рические относятся микрофоны различных систем:
угольные, динамические, конденсаторные, пьезоэлектри-
ческие. В угольных микрофонах под воздействием зву-
кового давления мембрана сжимает угольный порошок,
изменяя его сопротивление. Если к порошку подвести
постоянное напряжение, изменяется сила проходящего
через порошок тока. В динамических микрофонах
мембрана соединена с катушкой, находящейся в поле
постоянного магнита. При колебаниях катушки в ней
наводится переменная ЭДС. В конденсаторных микро-
фонах изменяется емкость между тончайшей металли-
ческой мембраной и неподвижным электродом, что при-
водит к изменениям токов заряда и разряда емкости
от напряжения батареи. Колебания пьезоэлемента, сое-
диненного с мембраной, приводят к появлению ЭДС на
клеммах пьезоэлектрического микрофона. На таком же
принципе основана работа ларингофона, который пре-
образует мех'анические колебания костной ткани вбли-
зи гортани в электрические.
Различного рода звукосниматели для воспроизведе-
ния грамзаписи также преобразуют механические ко-
лебания иглы, скользящей по поверхности звуковой
канавки грампластинки, а электрические колебания.
Наибольшее распространение получили пьезоэлектриче-
ские и электромагнитные звукосниматели. В последних
колебания постоянного магнита, соединенного с иглой,
наводят в катушках, помещенных на неподвижном маг-
нитопроводе, ЭДС индукции.
Обратное преобразование переменного тока в меха-
нические колебания осуществляется в телефонах (на-
ушниках) и динамических головках прямого излучения
(динамиках). Телефоны электромагнитного типа содер-
жат тонкую стальную мембрану, которая колеблется
под воздействием магнитного поля катушек, располо-
женных на полюсных наконечниках постоянного магни-
та. В электродинамических телефонах катушка с током
колеблется в магнитном поле постоянного магнита и
соединена с небольшим диффузором. Так же устроены
357
и динамические головки прямого излучения, но для по-
вышенной по сравнению с телефонами громкости ис-
пользуются сильный магнит и диффузор большого раз-
мера.
Громкоговорители представляют собой систему из
одной или нескольких головок прямого излучения, по-
мещенных в футляр. Держателями диффузоров головки
крепятся к передней панели футляра, которая называ-
ется отражательной доской. При колебаниях диффузо-
ра создаются две волны колебаний воздуха — передняя
и задняя. Важно их отделить, иначе задняя волна коле-
баний, огибая диффузор, будет интерферировать с пе-
редней волной, что особенно ослабляет колебания низ-
ких частот. Чем ниже должны быть воспроизводимые
частоты, тем больших размеров требуется отражатель-
ная доска. Для ее уменьшения используют закрытые
или открытые сзади футляры. Стенки футляра должны
быть прочными и неподверженными колебаниям. Хоро-
шим материалом для футляров являются древесно-
стружечные плиты (ДСП). Закрытые футляры пол-
ностью исключают акустическое короткое замыкание,
при котором передняя и задняя волны оказываются в
противофазе.
Однако в закрытом футляре за счет упругости воз-
духа понижается отдача на низких частотах, на кото-
рых диффузор должен иметь большую амплитуду коле-
баний. Во избежание этого внутрь футляра помещают
материал с большим звукопоглощением — вату, войлок,
поролон, которые наклеивают на стенки футляра, и объем
футляра стремятся выбрать большим. Иногда на перед-
ней стенке футляра делается отверстие, расположение и
размеры которого выбирают такими, чтобы задняя вол-
на на низких частотах поступала через это отверстие
в фазе с передней волной. Такое отверстие называют
фазоинвертором.
Требования к конструкции динамических головок
для хорошего воспроизведения всего диапазона звуко-
вых частот противоречивы. Создать такую конструкцию
головки, чтобы она одинаково хорошо воспроизводила
и низшие, и средние, и высшие звуковые частоты, не
удается. Поэтому в хороших громкоговорителях ис-
пользуют несколько головок, каждая из которых спе-
циально рассчитана на соответствующий диапазон ча-
стот. Если на головку подавать синусоидальное напря-
358
жение переменной частоты и постоянной амплитуды и
измерять на каждой частоте создаваемое ею звуковое
давление, окажется, что частотная характеристика го-
ловки изрезана — имеет острые провалы и подъемы из-
за наличия отдельных механических резонансов под-
вижной системы.
В каждом экземпляре головок даже одинакового ти-
па и одной партии частота этих резонансов разная. По-
этому в громкоговорителе целесообразно устанавливать
по две головки для каждого диапазона частот. При
этом возникает вероятность того, что большая часть
подъемов частотной характеристики одной головки
скомпенсируется завалами другой. Кроме того, парал-
лельное подключение головок оказывает демпфирую-
щее действие и сглаживает пики частотной характери-
стики. Для того чтобы к каждой группе головок под-
водился сигнал только определенного диапазона час-
тот, в громкоговорителях устанавливаются частотные
разделительные фильтры.
Современные громкоговорители' (акустические ко-
лонки) рассчитаны на широкий диапазон мощностей до
100 Вт и способны эффективно воспроизводить весь
звуковой диапазон частот в пределах от 20 Гц до
20 кГц.
23.3. ЭЛЕКТРОПРОИГРЫВАТЕЛИ И ЭЛЕКТРОФОНЫ
Электропроигрыватель предназначен для считыва-
ния с граммофонной пластинки звуковых сигналов, а
иногда и для их предварительного усиления. Электро-
фон отличается от электропроигрывателя наличием
усилителя мощности звуковой частоты и громкоговори-
теля. Проигрыватель содержит элекродвигатель, обес-
печивающий вращение диска, на который устанавлива-
ется пластинка, звукосниматель, установленный на по-
воротной штанге, называемой тонармом, и иногда —
предварительный усилитель сигнала.
Проигрыватели и электрофоны могут быть монофо-
ническими или стереофоническими, отличающимися
только типом звукоснимателя и усилителем. В соот-
ветствии с принятыми стандартами частоты вращения
пластинок электродвигатели обеспечивают стабильную
частоту вращения 33,33 или 45,11 1/с. Для перехода с
одной частоты на другую имеется переключатель пере-
359
вода промежуточного ролика, передающего вращение
на диск со ступенчатой насадки, установленной на
оси двигателя. Существуют конструкции также с пе-
редачей вращения посредством пасика. Наконец, могут
использоваться специальные тихоходные двигатели, ус-
тановленные на оси диска.
Стабильность частоты вращения поддерживается за
счет использования двигателей с жесткой характеристи-
кой, у которых частота вращения мало зависит от на-
грузки и напряжения питания. В аппаратуре высшего
качества имеется возможность в небольших пределах
регулировать частоту вращения с ее контролем по стро-
боскопическим меткам, нанесенным на диск. В связи с
тем, что грампластинки, рассчитанные на вращение с
частотой 78 1/с уже давно не выпускаются, современ-
ные электропроигрыватели и электрофоны не рассчита-
ны на такую частоту вращения.
В последнее время качественные показатели грам-
пластинок и традиционных проигрывателей перестали
удовлетворять взыскательного потребителя. Поэтому
разработаны и начали выпускаться цифровые звуковые
лазерные проигрыватели с оптическим считыванием ин-
формации со специального компакт-диска бесконтакт-
ным способом. В этой системе музыкальная программа
записывается на компакт-диск диаметром 120 мм в
цифровой форме. При записи и воспроизведении диск
вращается с постоянной линейной скоростью, а не с
постоянным количеством оборотов, как обычно. Считы-
вание производится лазерным лучом. Воспроизводящее
устройство содержит систему автоматического слеже-
ния за поверхностью диска для точной фокусировки
лазерного луча, пятно которого на диске достигает раз-
мера в 1 мкм. Имеется также система автоматического
слежения за дорожкой записи, а также система регули-
ровки постоянства линейной скорости.
Качественные показатели таких проигрывателей
очень высокие. Длительность звучания одного компакт-
диска достигает 70 мин, коэффициент детонации не
превышает 0,005 % (0,3 %). В скобках указаны соот-
ветственные показатели обычных проигрывателей в.ыс-
шей группы сложности. Номинальный диапазон воспро-
изводимых частот от 3 до 20 000 Гц (20...20 000 Гц).
Динамический диапазон 112 дБ (40 дБ). Отношение
уровня сигнала к уровню шумов 116 дБ (56 дБ). Коэф-
360
фициент гармоник 0,0015 % (1,5 %). Разделение сте-
реоканалов ПО дБ (35 дБ). Количество проигрываний
без заметного ухудшения качества не ограничено (50),
24. ЭЛЕМЕНТЫ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ
24.1. СИСТЕМЫ СЧИСЛЕНИЯ
Мы привыкли пользоваться десятичной позиционной
системой счисления. Десятичной она называется пото-
му, что использует 10 цифр — 9 значащих от 1 до 9 и
нуль. Позиционной же она называется потому, что це-
на каждого последующего разряда в 10 раз больше це-
ны предыдущего, и от того, на каком месте в какой по-
зиции стоит цифра, зависит ее цена. Поэтому, напри-
мер, число 1258 означает:
1258 = 8-10° + 5*10 1 +2-10 2 + 110 3.
История человечества знает и другие системы счис-
ления. В древние века существовала пятиричная систе-
ма. И* поныне иногда используется сложная система
написания числа римскими цифрами, в которой не ис-
пользован позиционный принцип, а число образуется
суммой значащих цифр, отсутствует нуль и, кроме то-
го, меньшая цифра, стоящая левее большей, означает
ее уменьшение. Исчисление времени и по сей день ве-
дется сложной системой, представляющей собой смесь
шестидесятиричной, двенадцатиричной и десятичной
систем.
Десятичная система счисления удовлетворяла чело-
века до тех пор, пока не понадобилось автоматизиро-
вать и ускорить вычислительный процесс. Такие счет-
ные устройства, как бухгалтерские счеты и арифмометр,
вполне обходились десятичной системой. При наличии
десяти косточек или десяти зубцов шестеренки в каж-
дом ряду была возможность отождествить состояние
механизма с любым числом. К сожалению, создать та-
кое электронное устройство, которое могло иметь де-
сять разных состояний, хотя и можно, но получается
оно громоздким и, что самое главное, выполняет ариф-
метические операции медленно. Простейшие же элект-
ронные устройства обладают всего двумя различными
состояниями. К таким устройствам, например, относит-
361
ся обычный выключатель. Он может быть либо вы-
ключен, либо включен. Выключенному состоянию можно
придать значение нуля, а включенному — значение еди-
ницы, или наоборот. Но тогда в нашем распоряжении
оказывается только две цифры, поэтому, вместо деся-
тичной приходится использовать двоичную систему.
Итак, двоичная система счисления оперирует только
двумя цифрами — нулем и единицей. Она построена так
же, как и десятичная, по позиционному принципу, но
цена каждой позиции или, как говорят, разряда уже не
в десять раз, а в два раза больше цены предыдущей.
Таким образом, число в двоичной системе счисления
выражается следующим образом:
а^+б^+в^+г^+и т. д.
Здесь буквы а, б, в и т. д. могут обозначать одну из
цифр — нуль или единицу, а при написании числа они
пишутся, как и в десятичной системе, справа налево.
Для обозначения, в какой системе счисления записано
число, может указываться индекс системы. Так, можно
записать: 109 ю =1101101 2.
Как перевести какое-либо число из десятичной сис-
темы двоичную? Один из способов состоит в последо-
вательном вычитании из исходного числа степеней чис-
ла 2. Так, из числа 109 можно вычесть 64. Пишем еди-
ницу, а из разности 45 вычитаем следующую меньшую
степень числа 2, то есть 32. Вновь пишем единицу, а
из разности 13 вычитаем следующую меньшую сте-
пень— 16. Но 13 меньше 16. Поэтому пишем нуль и
из 13 вычитаем 8. Получается 5. Пишем единицу, из
5, вычитаем 4, получается 1. Пишем единицу. Дальше
нужно вычесть 2, но 1 меньше 2, поэтому пишем нуль
и записываем оставшуюся единицу. Получилось 1101101.
Таким способом можно переводить числа в уме, но при
больших числах он достаточно трудоемок. Поэтому
можно пользоваться другим способом последовательно-
го деления на 2 с фиксацией полученных остатков от
каждого деления следующим образом:
1091_2_ 54 I 2 27 I 2 13 2 __ 6 1_2_ 3 |_2_
~ 108 |54 ~ 54 I 27 ~ 26 | 13 ~ 12 6 ~ 6 3 ~~ 2 1
10 1 1 0 1
Полученные остатки, включая конечный результат де-
362
ления, выписываются в обратном порядке и вновь по-<
лучаем 1101101,
Имеется и третий способ, но для него нужно знать,
как записываются в двоичной системе..десятичные циф-
ры, а также степени десяти. Так, 9 ю = 1001 2, а
100ю= 1100100 2. Тогда достаточно сложить эти два
числа по правилам сложения в двоичной системе. Таб-
лица сложения двоичной системе очень проста, что
наряду с другими ее достоинствами объясняет ее при-
менение в вычислительной технике:
0 + 0 = 0; 04-1 = 1; 1 + 1 = 10.
Эти же три способа пригодны для перевода какого-
либо числа из любой системы счисления в любую дру-
гую. Нужно лишь выполнять операции в соответствую-
щей системе счисления. Приведем пример перевода чис-
ла 1101101 из двоичной системы в десятичную методом
последовательного деления на 10 с фиксацией остат-
ков. При этом и делитель, и остатки должны записы-
ваться в двоичной системе:
11011011 1010 10101 1010
- 1010 |-]0Т(Г ' 1010|~—
1110 о
“1010
1001
И вновь получается 109, так как 1001 2 = 9 ю.
Помимо двоичной системы иногда используется
восьмеричная система, например при вводе информа-
ции в ЭВМ с перфоленты. Восьмеричная система име-
ет в основании число 8, которое является кубом 2. При
этом оказывается, что перевод чисел из восьмеричной
системы в двоичную и наоборот чрезвычайно прост.
Для этого необходимо лишь знать соответствие чисел
от 2 до 7 в обеих системах, а числа 0 и 1 — одинаковы.
При этом каждая цифра восьмеричной системы перево-
дится в триаду цифр двоичной системы, и наоборот.
Приведем соответствие указанных чисел этих двух сис-
тем:
2 8 = 010 2; 38 = 0112; 4 8 = 100 2; 58=1012;
6 8 = 1 10 2; 7 8 = 111 2.
Таким образом. 37025 8 — 11 111 000 010 101 2 или
1101 101 2 = 155 8.
363
Рис. 24.1, Принципиальная схема триггера
Таблица умножения в двоичной системе оказывает-
ся еще проще, чем таблица сложения:
0/0 = 0; 0X1=0; 1X0 = 0; 1X1 = 1.
Насколько проще было бы учиться в начальной
школе, если бы десятичная система счисления была за-
менена двоичной!
24.2. ТРИГГЕРЫ, СЧЕТЧИКИ, РЕГИСТРЫ
Триггер представляет собой электронное устройство
с двумя возможными устойчивыми состояниями. Прин-
ципиальная схема простейшего триггера приведена на
рис. 24.1. Питание коллекторных цепей производится
при использовании п-р-п транзисторов положительным
напряжением от источника Е1, питание базовых це-
пей — отрицательным напряжением от источника Е2.
Один из транзисторов триггера открыт и насыщен, а
другой при этом заперт. Допустим, что открыт транзи-
стор VT2, и такое состояние триггера будем называть
состоянием «0». При этом на выходе Q, который назы-
вается прямым выходом, будет низкий потенциал,
близкий к нулю. Тогда за счет резисторов R5 и R3 по-
364
т?
8
И
С
С-
8
Рис. 24.2. Обозначение микросхемы / .
К155ТМ2 L.
----------------------------- £
тенциал базы транзистора VT1 _з
будет отрицательным, и этот
транзистор депствительно бу- ~~
дет заперт, а на выходе Q, ко-
торый называется инверсным 73
выходом, будет высокий потен- *
циал, незначительно отличаю-
щийся от Е1. Сопротивления 77
резисторов подбираются так,
чтобы при этом потенциал ба- ——
зы VT2 был положительным, *
поддерживающим открытое и
насыщенное состояние транзистора. Такое состояние
триггера является устойчивым и может продолжаться
неограниченное время.
Триггер имеет три входа. Если на вход S подать по-
ложительный импульс, он пройдет через диод VD1 и
откроет транзистор VT1. В результате транзистор VT2
запрется, так как схема симметрична, на прямом выходе
появится высокий потенциал, а на инверсном—низкий.
Такое состояние триггера назовем состоянием «1». По-
вторная подача положительных импульсов на вход S не
приведет к изменению состояния триггера. Однако, ес-
ли теперь подать положительный импульс на вход R,
триггер вновь перейдет в состояние «О». Вход S назы-
вается входом установки (set по-английски), а вход R
называется входом сброса или входом установки нуля
(reset по-английски). Характерно, что переброс триггера
из одного состояния в другое происходит скачком,
лавинообразно благодаря наличию положительной
обратной связи, ведь триггер — это двухкаскадный уси-
литель ОЭ, у которого выход соединен с входом. Конден-
саторы С1 и С2 еще более ускоряют процессы переклю-
чения.
Вход С диодами VD2 и VD3 соединен с базами обо-
их транзисторов. Если подавать на этот вход последо-
вательность положительных импульсов, открыт будет тот
из двух диодов, который подключен к базе запертого
транзистора. Поэтому каждый поступающий импульс бу-
дет переключать триггер из одного состояния в другое.
Напряжение на выходах триггера будет при этом иметь
365
Рис. 24.3. Схема двоичного счетчика
форму меандра (импульсы со скважностью, равной
двум). Фаза напряжения на инверсном выходе проти-
воположна фазе на прямом выходе. Один период вы-
ходного напряжения происходит за два периода вход-
ного. Таким образом, триггер является делителем час-
тоты на 2. Вход С называется информационным вхо-
дом, так как именно на этот вход подается информаци-
онный сигнал.
Здесь рассмотрена простейшая схема триггера, фак-
тически триггеры могут собираться по более сложным
схемам, а также выполнять более сложные функции.
Промышленностью выпускаются уже готовые триггеры
в виде микросхем, порой объединяющих несколько
триггеров в одном корпусе. В качестве примера можно
рассмотреть микросхему К155ТМ2, условное обозначе-
ние которой показано на рис. 24.2: Здесь в одном кор-
пусе содержится два триггера с общими цепями пита-
ния. Каждый триггер имеет 4 входа и 2 выхода — пря-
мой и инверсный. Инверсный выход обозначается круж-
ком. По входам R и S триггеры работают так, как бы-
ло рассмотрено выше, но переключаются в состояние
«1» или «О» не по положительному перепаду напряже-
ния, а по отрицательному. Вход D является информа-
ционным, а вход С — тактовым. По тактовому входу
триггер переключается положительными перепадами
напряжения, но переключение зависит от потенциала
информационного входа D.
Если на входе D потенциал высокого уровня, триг-
гер по фронту тактового импульса переключается в со-
стояние «1». Если же на входе D потенциал низкого
уровня, триггер по фронту тактового импульса пере-
ключается в состояние «О». В этих состояниях триггер
остается независимо от поступления следующих такто-
366
вых импульсов, пока не изменится .потенциал информа-
ционного входа. Такие триггеры называются D-тригге-
рами. Тактовый вход D-триггера можно превратить в
счетный вход, для чего информационный вход D под-
ключается к инверсному выходу этого же триггера. Тог-
да каждый положительный перепад тактовых импульсов
будет переключать триггер, который превратится в де-
литель частоты тактовых импульсов на 2.
Если соединить последовательно несколько тригге-
ров, получится многоразрядный делитель частоты или
двоичный, счетчик с коэффициентом пересчета, равным
2% где п — количество триггеров. На рис. 24.3 показан
четырехразрядный двоичный счетчик, собранный на че-
тырех D-триггерах двух микросхем К155ТМ2. Вхо-
ды установки нуля всех триггеров счетчика объедине-
ны, и при подаче отрицательного импульса все тригге-
ры устанавливаются в состояние «О», при котором на
инверсных выходах образуется высокий потенциал. При
поступлении на тактовый вход первого триггера после-
довательности импульсов на выходе счетчика их коли-
чество оказывается в 16 раз меньше. Осциллограммы в
контрольных - точках счетчика показаны на рис. 24.4.
367
Рис. 24.5. Обозначение
микросхемы К155ИЕ5
В виде микросхем выпускаются готовые двоичные
счетчики, например, четырехразрядный двоичный счет-
чик К155ИЕ5, условное обозначение которого и назна-
чение выводов показаны на рис. 24.5. Этот счетчик
построен по схеме, приведенной на рис. 24.3, но с неко-
торыми изменениями. Первый триггер счетчика не сое-
динен с остальными и имеет отдельные выводы входа
С1 и выхода (вывод 12). Остальные три триггера об-
разуют трехразрядный счетчик с входом С2 и выхода-
ми от каждого разряда (выводы 9, 8 и И). Установка
нуля всех триггеров счетчика производится подачей вы-
сокого потенциала сразу па оба входа сброса (выводы
2 и 5). Это создает определенную гибкость в использо-
вании счетчика.
Если необходимо его использовать в качестве четы-
рехразрядпого двоичного счетчика, выводы 12 и 1 сое-
диняют между собой, а входной сигнал подают на вход
С1. Наличие раздельных выходов каждого разряда
счетчика позволяет по уровню их потенциалов устано-
вить количество поступивших импульсов после оконча-
ния счета, если это количество было ограничено. После
установки нуля на всех четырех выходах устанавлива-
ются низкие потенциалы. После окончания счета нали-
чие высокого потенциала на каком-либо выходе соот-
ветствует единице в соответствующем разряде четырех-
разрядного двоичного числа, причем вывод 12 соот-
ветствует младшему разряду, а вывод 11 — старшему.
Так, после пяти импульсов высокие потенциалы устано-
вятся на выводах 12 и 8У а после 15 импульсов — на
всех выходах.
Помимо двоичных счетчиков выпускаются также де-
сятичные счетчики, переходящие в нулевое состояние
не после 16 входных импульсов, как К155ИЕ5, а после
368
10 импульсов. Существуют также счетчики и с други-
ми коэффициентами деления и даже с произвольным
коэффициентом, который может быть установлен зара-
нее. Имеется группа счетчиков так называемого ревер-
сивного счета, состояние которых может не только уве-
личиваться на единицу при поступлении очередного им-
пульса, но и уменьшаться в зависимости от потенциа-
лов, поданных на один из специальных входов. Это поз-
воляет производить не только суммирование приходя-
щих импульсов, но и вычитание их. Счетчики могут
подразделяться на синхронные и асинхронные. Такой
счетчик, как показанный на рис. 24.3, в общем случае
является синхронным, так как переключение его тригге-
ров происходит под воздействием тактовых импульсов.
Также синхронным является и D-триггер. Счетчики
К155ИЕ5 и десятичный счетчик К155ИЕ2 являются
асинхронными, так как переключаются при поступле-
нии каждого импульса, а тактовый сигнал на них не
подается.
Более сложные соединения триггеров с широкими
функциональными возможностями осуществляются в
регистрах. Регистры используются-для накопления, за-
поминания и сдвига информации. Логика работы регист-
ра определяется уровнями напряжения, поданными на
его специальные входы. Некоторые регистры путем внеш-
них соединений их выводов можно использовать в ка-
честве счетчиков. При использовании регистров как за-
поминающих устройств информация в них обычно запи-
сывается параллельно (одновременно) во все разряды
подачей соответствующего импульса. Так, устройство мо-
жет содержать один счетчик и несколько регистров
памяти. Счетчик поочередно считает поступающие им-
пульсы каждой партии, а после ее окончания информа-
ция об их количестве переписывается в очередной ре-
гистр, счетчик устанавливается на нуль и готов к счету
следующей партии импульсов.
24.3. ЦИФРОВЫЕ МИКРОСХЕМЫ
Современное состояние схемотехники, в задачи ко-
торой входит синтез принципиальной схемы электрон-
ного устройства из основных элементов, основано на
широком использовании интегральных микросхем ма-
лой, средней и большой степени интеграции. Каждая
такая микросхема представляет собой готовый отрабо-
Зо9
тайный узел, пригодным для использования в самых
разнообразных устройствах. Аналоговые микросхемы
предназначены для преобразования и обработки сигна-
лов, изменяющихся по закону непрерывной функции,
когда выходное напряжение сигнала связано каким-то
законом с напряжением входного сигнала. Цифровые
же микросхемы преобразуют и обрабатывают сигналы,
выраженные в цифровом коде по принципу «да — нет»,
высокий или низкий уровень напряжения на входе или
выходе. При этом и высокий, и низкий уровни напря-
жения нормированы для каждой серии микросхем. В
связи с тем, что для таких микросхем характерны толь-
ко два возможных состояния каждого входа или выхо-
да, они широко используются в вычислительной техни-
ке, аппаратура которой работает в двоичной системе
счисления.
Рассмотренные триггеры, счетчики и регистры так-
же относятся к цифровым схемам, а выполненные в ин-
тегральном виде — к цифровым микросхемам. Цифровые
микросхемы выпускаются различными сериями, которые
отличаются одна от другой типом корпуса, напряжением
питания, быстродействием, используемыми транзистор-
ными структурами. Каждая серия содержит большой на-
бор различных микросхем, выполняющих разные функ-
ции и предназначенных для совместного применения. По
функциональному назначению большую группу микро-
схем образуют логические элементы.
Одним из простейших логических элементов являет-
ся элемент «И». Такой элемент имеет два или несколь-
ко входов и один выход. На выходе элемента «И» по-
является уровень «1» только в том случае, если на всех
входах имеется уровень «1». Если хотя бы на одном вхо-
де имеется уровень «О», на выходе элемента «И» также
будет уровень «О».
Логический элемент «ИЛИ» отличается тем, что до-
статочно на один из его входов подать уровень «1», что-
бы уровень «1» появился на его выходе.
Логический элемент «НЕ» имеет один вход и один
выход. Выходной уровень обратен входному: если на
вход подать уровень «1», на выходе будет уровень «О»,
и наоборот.
Часто используются элементы «И — НЕ» и «ИЛИ —
НЕ», в которых соответственно объединены элементы
«И» и «НЕ» или «ИЛИ» и «НЕ». Если на все входы
370
элемента «И — НЕ» подан уровень «1», на его выходе
образуется уровень «О». Если хотя бы на одном вхо-
де такого элемента имеется уровень «О», на выходе об-
разуется «1». На выходе элемента «ИЛИ — НЕ» обра-
зуется «1» только в том случае, если на всех входах
действует «О», достаточно на один вход подать «1», что-
бы на выходе образовался «О».
Существу КП и более сложные логические элементы,
содержащие несколько элементов «И», выходы которых
соединены с входами элемента «ИЛИ», выход которого
инвертируется элементом «НЕ». Логические микросхе-
мы обычно объединяют в одном корпусе несколько ло-
гических элементов. Так, выпускаются микросхемы, со-
держащие 4 элемента «2И — НЕ», каждый из которых
имеет до два входа, или содержащие 2 элемента «4И —
НЕ», каждый из которых имеет по четыре входа. Про-
мышленностью выпускаются и другие комбинации ло-
гических элементов.
Важное значение в цифровой технике имеют дешиф-
раторы. Зная, например, в каком состояни находится
каждый триггер двоичного или десятичного счетчика,
можно определить количество сосчитанных этими счет-
чиками импульсов в двоичной системе, а затем пере-
вести полученное число в десятичную систему. Эти
функции и выполняет дешифратор. Дешифратор обыч-
но имеет четыре входа —- по одному от каждого разря-
да четырехразрядного счетчика^ и десять или 16 выхо-
дов соответственно для десятичного или двоичного
счетчика. Только на одном из всех выходов дешифрато-
ра появляется уровень, отличный от других, соответст-
вующий результирующему состоянию счетчика. Если
выходы дешифратора подключить к соответствующим
цифрам индикатора, будет высвечиваться конкретная
цифра. Для работы семисегментных индикаторов, у ко-
торых цифры синтезируются отдельными сегментами,
для индикации каждой цифры необходимо включать
сразу несколько сегментов. Выпускаются дешифрато-
ры и для таких индикаторов. Наконец, выпускаются де-
шифраторы, объединенные с цифровыми индикаторами.
Большую группу микросхем различной степени ин-
теграции составляют запоминающие устройства. Поми-
мо устройств внешней памяти любая ЭВМ должна
иметь и внутреннюю память. Внешняя память в виде
накопителей на магнитных лентах7и дисках, перфолен-
371
тах и перфокартах используется пользователем для
хранения и ввода в машину отдельных программ ее ра-
боты, специально разработанных для решения конкрет-
ных задач, а также для ввода числового массива, под-
лежащего. обработке при решении этих задач. Обраще-
ние машины к элементам внешней памяти представля-
ет сравнительно длительный процесс. Поэтому необхо-
димо иметь внутреннюю память, которую можно под-
разделить на постоянное запоминающее устройство
ПЗУ и оперативное запоминающее устройство ОЗУ,
Можно привести следующую аналогию. Человеку за-
поминать, скажем, таблицы логарифмов, тригонометри-
ческих функций или плотности различных веществ не-
возможно. Для этого существуют устройства внешней
памяти — справочники. К тому или иному справочнику
и конкретной таблице в нем приходится обращаться
при решении конкретной задачи. Частота обращения к
тому или иному справочнику и к той или иной табли-
це в нем редки. Поэтому время, затраченное на поиск
справочника и нужной таблицы, несущественно. Когда
же нужная таблица открыта и находится перед вычис-
лителем, она подобна ОЗУ: поиск очередного числа в
ней производится быстро. Однако многие сведения че-
ловек храпит в своей внутренней памяти, например,
таблицу умножения или формулы теоремы Пифагора,
что эквивалентно ПЗУ.
ОЗУ вычислительной машины является временным
запоминающим устройством, в нем хранится информа-
ция только на время решения данной задачи. При пере-
ходе к другой задаче, не связанной с предыдущей, ин-
формация из ОЗУ обычно стирается. Также стирается
информация из ОЗУ при выключении машины. Перед
тем как приступить к решению задачи, программа для
ее решения и численные значения данных вводятся в
ОЗУ либо из внешней памяти, либо вручную с пульта
управления.
ПЗУ является долговременным запоминающим
устройством. В нем хранятся постоянные числа, необхо-
димые для решения самых различных задач: число «пи»,
основание натуральных логарифмов, другие константы,
а также служебные микропрограммы, с помощью кото-
рых ЭВМ выполняет автоматически некоторые вычис-
лительные операции, задаваемые основной программой.
Информация в ПЗУ хранится постоянно, она заложена
372
при изготовлении машины, не изменяется при обраще-
нии к ПЗУ и не стирается при выключении машины.
Искажение этой информации требует ремонта.
Промышленностью выпускаются микросхемы ОЗУ и
ПЗУ самых разных типов от 16 одноразрядных чисел
до 2048 восьмиразрядных чисел в одном корпусе.
Существуют и другие цифровые микросхемы, позво-
ляющие выполнять различные операции: шифраторы,
сумматоры, преобразователи кодов, арифметико-логи-
ческие устройства АЛУ и другие.
24.4. Строение эвм
Электронные вычислительные машины подразделя-
ются на аналоговые и цифровые ЭЦВМ. Аналоговые
машины используются для моделирования различных
физических процессов, когда параметры этих процессов
вводятся в машину в виде изменяющихся напряжений,
а исследуемое устройство характеризуется соответст-
вующими переменными резисторами. В настоящее вре-
мя аналоговые машины используются редко, а наиболее
широкое распространение получили универсальные
ЭЦВМ. Обычно универсальная ЭЦВМ содержит устрой-
ства внешней памяти, устройства ввода и вывода
информации, ОЗУ, ПЗУ, процессор, счетчик адреса ко-
манд, регистр команд и пульт управления.
Упрощенная структурная схема ЭЦВМ показана на
рис. 24.6. Устройство внешней памяти УВП с помощью
устройства ввода УВ обеспечивает ввод программы и
данных в ОЗУ. В программе команды, из которых она
состоит, записаны поочередно, одна за другой, в сосед-
них ячейках памяти. Каждая ячейка имеет свой поряд-
ковый номер, который называется адресом. При пуске
программы с пульта управления ПУ, которым задается
начальный адрес программы, этот адрес устанавлива-
ется в счетчике адреса команд СчАК и из ОЗУ соот-
ветствующая команда передается в регистр команд Р/С
Команда содержит код необходимой операции, напри-
мер сложение, а адреса операндов, размещенных
в ОЗУ, над которыми надлежит выполнить опера-
цию. Операндами называются числа, подлежащие обра-
ботке.
Выбранные операнды из ОЗУ направляются в про-
цессор Пр, где производится операция, результат кото-
373
Рис. 24.6. Упрощенная схема ЭВМ
рой направляется обратно в
ОЗУ и записывается там.
Далее в СчА/( увеличивает-
ся на единицу адрес следую-
щей команды и выполняется
следующая операция. При
соответствующей команде
результаты вычислений из
ОЗУ поступают на устрой-
ство вывода информации Выв.
Пульт управления содержит клавиатуру набора ад-
реса команд для пуска программы именно с этого ад-
реса, клавиатуру набора команды или операнда для
их ввода вручную, клавиши пуска и останова выполне-
ния программы, цифровые табло текущего адреса команд
и результата выполнения операции, клавишу покоманд-
ного выполнения программы и другие органы управ-
ления.
Процессор состоит из нескольких регистров, куда
записываются операнды и результат выполнения опера-
ции, и арифметико-логическое устройство, осуществляю-
щее саму операцию.
Устройство вывода содержит табло или дисплей
для отображения результатов вычислений, перфоратор
для выдачи информации из машины на перфоленту,
алфавитно-цифровое печатающее устройство или элек-
трическую пишущую машину, которая также использу-
ется для ввода программы на языках высокого уровня.
Программой называется упорядоченная последова-
тельность команд, которые должны выполняться маши-
ной, а составление программы для решения определен-
ной задачи называется программированием. При руч-
ном программировании программа составляется на ма-
шинном языке путем непосредственной записи каждой
команды в тех кодах, которые присущи данному типу
ЭЦВМ. Ручное программирование представляет собой
длительную и громоздкую задачу, так как размеры ре-
альных программ исчисляются тысячами команд. Для
автоматизации процесса программирования созданы
языки высокого уровня, на которых программа оказы-
вается во много раз компактнее. Такая программа вво-
374
дйтся в машину, которая автоматически переводит ее
на машинный язык с помощью вспомогательной прог-
раммы, называемой транслятором.
Операции, которые способна выполнять ЭЦВМ, под-
разделяются па арифметические и логические. К ариф-
метическим операциям относятся сложение, вычитание,
умножение, деление, присвоение знака, нормализация
числа, операции сдвига числа на необходимое количест-
во разрядов и другие. Нормализацией называется при-
ведение числа к упорядоченному виду, который необхо-
дим для, машины. Нормализованное число представля-
ет собой десятичную дробь меньше единицы с указани-
ем порядка числа. Так, например, число 125,7 после
нормализации будет равно 0,1257* 10 3.
К логическим операциям относятся переходы прог-
раммы. Команда безусловного перехода означает, что
при ее выполнении никаких действий с операндами не
производится, а происходит переход выполнения прог-
раммы по тому адресу, который указывается в коман-
де. Имеется несколько команд условного перехода в
зависимости от результата предыдущей операции. Эти
команды содержат два адреса. Если условие выполня-
ется, происходит передача команды -по одному адресу,
если условие не выполняется — по другому. Часто в ко-
манде условного перехода содержится только один ад-
рес, по которому производится передача команды, если
условие не выполняется. Если же условие выполняется,
программа продолжается в естественном порядке ее ад-
ресов. Условия могут быть разными. Обычно исполь-
зуются такие условия, как равенство или неравенств®
результата предыдущего действия (РПД) нулю, РИД
больше нуля или РПД меньше нуля.
Наличие условных переходов программы позволяет
создавать разветвляющиеся последовательности ко-
манд, осуществлять приближенные вычисления с точ-
ностью заранее заданной, организовывать вычисления
по циклам. Часто в процессе сложного вычисления при-
ходится производить расчет по одной и той же форму-
ле в разных участках программы. В этом случае такой
расчет помещается отдельно в виде подпрограммы, к
которой можно обращаться с любого места программы
с помощью специальной команды перехода.
Каждая ЭЦВМ, содержит специальную систему ко-
манд, предназначенную для организации вычислений
375
по циклам. Циклом называется кусок программы, вы-
полнение которого повторяется определенное количест-
во раз, подряд. Количество повторений цикла (КПЦ)
задается программистом и записывается в определен-
ную ячейку ОЗУ. При каждом выполнении цикла КПЦ
автоматически уменьшается на единицу, и, когда оно
станет равным нулю, программа выходит из цикла и
переходит к выполнению следующей команды. Резуль-
таты вычислений каждого цикла записываются в зара-
нее определенные ячейки.
ЭЦВМ бывают одноадресными, двухадресными и
трехадресными. Структура команды трехадресной ма-
шины состоит из кода операции, адреса первого опе-
ранда, адреса второго операнда и адреса, по которому
должен быть записан результат операции. Содержание
ячеек ОЗУ, в которых находятся операнды, при этом со-
храняется. В двухадресных машинах команда содержит
только два адреса операндов, а результат операции за-
писывается обычно по второму адресу вместо того опе-
ранда, который там находился. В одноадресных маши-
нах команда содержит только один адрес. Поэтому для
выполнения операции приходится использовать несколь-
ко команд — вызов одного операнда, вызов второго опе-
ранда и выполнение операции с записью результата по
адресу, указанному в последней команде. Одноадресные
машины встречаются редко, так как требуют большего
количества команд в программе.
ЭЦВМ могут использоваться не только в качестве
вычислительной системы, но и в качестве информаци-
онной, например., в качестве объемистой картотеки. При
этом информация о каждом объекте кодируется и за-
писывается в ОЗУ, откуда переписывается на магнит-
ный носитель. Машина по несложной программе произ-
водит выборку информации по одному или нескольким
признакам и выводит ее на дисплей или на печатающее
устройство.
25. РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ
25.1. УСТРОЙСТВО ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ
ПРИБОРОВ
Основой почти всех приборов, используемых при
электрических измерениях, являются стрелочные элект-
роизмерительные приборы. Существует много различ-
376
ных систем стрелочных приборов. Любой из них содер-
жит измерительный механизм, преобразующий электри-
ческий ток в механический поворот стрелки, и шкалу с
делениями, по которой производится отсчет результата
измерения.
Наибольшее распространение получили стрелочные
приборы магнитоэлектрической системы, в которых ис-
пользуется взаимодействие тока с магнитным полем по-
стоянного магнии а. Устройство приборов этой системы
было подробно рассмотрено в разделе 6.1. Приборы
магнитоэлектрической системы обладают высокой
чувствительностью, точностью и равномерной шкалой.
К другой системе относятся стрелочные приборы
электромагнитного типа, в которых измеряемый ток
пропускается по неподвижной катушке, внутрь которой
втягивается подвижный ферромагнитный сердечник,
соединенный со стрелкой. Приборы электромагнитной
системы могут измерять как постоянный, так и пере-
менный ток, однако шкала этих приборов оказывается
неравномерной с сжатой начальной частью. На повы-
шенных частотах из-за влияния индуктивности катуш-
ки резко возрастает погрешность измерения.
Приборы электродинамической .системы содержат
две катушки,' соединенные последовательно, одна из
которых неподвижна, а вторая отклоняется под воз-
действием взаимных магнитных потоков. Основной не-
достаток приборов этой системы состоит в зависимости
показаний от влияния внешних магнитных полей. По-
этому обычно приборы помещают в железный магнит-
ный экран. Приборы этой системы пригодны для изме-
рений постоянного и эффективного значения переменно-
го тока при той же шкале, если частота не превышает
100 Гц. Шкала неравномерная и сжата у начала, хотя
существуют конструкции, обеспечивающие получение
равномерной шкалы.
Приборы индукционной системы состоят из комби-
нации нескольких катушек, соединенных магнитной
цепью и создающих вращающееся магнитное поле, при-
водящее к отклонению подвижной системы. Приборы
рассчитаны на измерение только переменного тока, но
их показания сильно зависят от частоты.
Тепловые приборы содержат металлическую нить,
удлинение которой от нагрева проходящим током вызы-
вает отклонение подвижной части. Главное преиму-
377
щество приборов этой системы состоит в том, что они
пригодны для измерений постоянного и переменного то-
ка вплоть до высоких частот, показывая эффективное
значение тока. Их недостатки: не допускают перегруз-
ки, требуют предварительной установки стрелки на
нуль шкалы, шкала неравномерная и сжата на началь-
ном участке.
Термоэлектрические приборы состоят из одной или
нескольких термопар, которые подогреваются измеряе-
мым током, проходящим через нагреватель. ТермоЭДС
измеряется магнитоэлектрическим прибором. Эти при-
боры обладают высокой точностью, их показания мало
зависят от окружающей температуры, они пригодны для
измерений постоянного и переменного тока вплоть до
высоких частот. Шкала неравномерная и сжата на на-
чальном участке.
Приборы электростатистической системы (обычно
вольтметры) используются для измерений высоких нап-
ряжений вплоть до десятков киловольт. Конструкция
напоминает конденсатор переменной емкости. Под воз-
действием электрического поля пластины ротора втяги-
ваются в пространство между пластинами статора. Не-
достатки приборов этой системы состоят в небольшой
точности, в зависимости показаний от влажности воз-
духа и от внешних электростатических полей. К большо-
му достоинству относится то, что приборы этой системы
совершенно не потребляют тока.
Детекторные приборы содержат диодный выпрями-
тель и магнитоэлектрический измерительный механизм.
Точность показаний невысокая, шкала, начиная с 15..«
20 % от максимума, получается почти равномерной.
Приборы электронной „системы содержат электрон-
ную схему и стрелочный прибор магнитоэлектрической
системы. Обычно они представляют собой ламповые
или транзисторные вольтметры. Их основные досто-
инства: показания почти не зависят от частоты, вход-
ное сопротивление очень велико, достигая десятков ме-
гом на всех пределах измерения, имеется возможность
использования в электронной части усилителя, что поз-
воляет измерять очень малые напряжения. Обычно та-
кие приборы являются комбинированными, позволяя
кроме напряжения измерять токи и сопротивления, а
иногда также индуктивности и емкости. К недостаткам
378
относятся громоздкость и необходимость, в источнике
питания электронной схемы.
К приборам электронной системы примыкают циф-
ровые приборы, у которых результат измерения4 отобра-
жается на цифровом дисплее непосредственно в значе-
ниях измеряемой величины. Это представляет большие
удобства, так как обычно осуществляется автоматиче-
ский выбор пределов измерения и автоматическая ин-
дикация полярности. Цифровые приборы обладают вы-
сокой точностью, а чувствительность определяется
электронной схемой. Недостаток приборов этой системы
состоит в сложности схемы и высокой стоимости.
25.2. КЛАССЫ ТОЧНОСТИ ПРИБОРОВ
Точность измерительного прибора численно выра-
жается погрешностью измерения, которая определяется
в процентах от максимального значения шкалы. Вели-
чиной этой погрешности определяется класс точности
прибора, который обычно указывается на его шкале.
'Выпускаются приборы классов точности 0,2; 0,5; 1,0;
1,5; 2,5? 4,0. Приборы класса 0,2 являются образцовы-
ми, их используют для проверки приборов более низкого
класса. Приборы класса 0,5 являются лабораторными,
а остальных классов — техническими.
Если погрешность миллиамперметра класса 1,0 при
максимальном значении шкалы 100 мА составляет 1 %
от 100, то есть 1 мА, то такая же абсолютная погреш-
ность в 1 мА будет и при измерении тока силой 50 мА,
что составит уже 2 % от измеряемой величины. А если
измерять ток силой 10 мА, относительная погрешность
такого измерения достигнет 10 %. Отсюда следует, что
для уменьшения относительной погрешности, которая
равна отношению абсолютной погрешности к измеряе-
мой величине, стрелка прибора при измерении должна
находиться в правой части шкалы. Для этого нужно
выбирать прибор с соответствующим пределом измерё-
ния.
25.3. ИЗМЕРЕНИЯ СИЛЫ ТОКА
, Приборы, предназначенные для измерения силы то-
ка, называются амперметрами. Используются также
миллиамперметры и микроамперметры. Для измерения
379
Рис. 25. f. К расчету шун-
та
силы тока измерительный прибор включается в разрыв
того проводника, в котором измеряется ток. Если сила
измеряемого тока меньше предела измерения прибора,
он может включаться в цепь непосредственно. Если же
нужно измерить ток, превышающий предел измерения
прибора, необходимо использовать другой прибор или
применить шунт — резистор, подключенный параллель-
но прибору, как показано на рис. 25.1. Для определения
сопротивления шунта необходимо знать силу тока
полного отклонения стрелки прибора /0, внутреннее
сопротивление (сопротивление рамки прибора /?0) и
силу тока, которая будет соответствовать полному от-'
клонению стрелки прибора с шунтом I. Тогда сопротив-
ление шунта можно определить по формуле
= (25.1)
/--Iq
Часто при наличии одного стрелочного прибора не-
обходимо изготовить многопредельный прибор, имею-
щий несколько пределов измерений. В таких случаях
можно использовать универсальный шунт, подключение
которого к прибору показано на рис. 25.2. Сопротивле-
ния резисторов универсального шунта находятся по
формулам:
п ___ . D _D * D _______ D D •
~ 'М— » ^3 — *\ш *\4»
/ 1 / о 11 /я
, (25.2)
*2
К недостаткам универсального шунта относятся увели-
чение внутреннего сопротивления прибора с шунтом и
ухудшение чувствительности. Чтобы сохранить класс
точности прибора, сопротивления шунта должны быть
подобраны с точностью, соответствующей этому классу.
Часто оказывается не известно внутреннее сопротив-
ление стрелочного прибора. Его можно определить эк-
спериментально. Соединяются последовательно источ-
380
ник постоянного тока (сухой элемент или батарея), це-
почка последовательно соединенных резисторов и стре-
лочный прибор. Подбором . сопротивлений резисторов
добиваются полного отклонения стрелки прибора точно
на последнее деление шкалы и записывают величину
полученного сопротивления. Затем подбором сопротив-
лений добиваются отклонения стрелки точно на среднее
деление шкалы и снова записывают полученное сопро-
тивление. Внутреннее сопротивление прибора равно
разности между вторым отсчетом сопротивления и
удвоенным первым отсчетом.
25.4. ИЗМЕРЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ
Приборы, предназначенные для измерения напряже-
ния, называются вольтметрами. При измерении напря-
жения прибор подключается к тем двум точкам схемы,
напряжение между которыми подлежит измерению. Про-
изводить разрыв цепи при этом не требуется. Важной
характеристикой вольтметра является его внутреннее
сопротивление: чем оно больше, тем вольтметр лучше.
Внутреннее сопротивление вольтметра во время изме-
рения оказывается подключено к проверяемому устрой-
ству и может исказить режим, как будто между ука-
занными точками схемы изменили сопротивление. По-
этому внутреннее сопротивление вольтметра должно
быть во много раз больше, чем сопротивление между
контролируемыми точками. Для этого вольтметры
обычно выполняют на основе микроамперметра с ма-
381
лым током полного отклонения и добавочного резисто-
ра с большим сопротивлением, соединенных последова-
тельно.
Любой микроамперметр можно превратить в вольт-
метр, подключив к нему добавочный резистор. Сопро-
тивление добавочного резистора может быть подсчита-
но по формуле
= -Г - *0. (25.3)
'о
где /?д — сопротивление добавочного резистора;
U — напряжение полного отклонения стрелки.
У многопредельных вольтметров несколько добавоч-
ных резисторов по числу пределов измерения. На раз-
ных пределах измерения разными будут и внутренние
сопротивления вольтметра. Чтобы охарактеризовать
многопредельный вольтметр одной определенной харак-
теристикой внутреннего сопротивления, вводится понятие
входного сопротивления на один вольт, которое выра-
жается в кОм/B. Зная эту величину, легко определить
внутреннее сопротивление вольтметра на каждом преде-
ле измерения, умножив ее на предел измерения, выра-
женный в вольтах.
Так, если входное сопротивление вольтметра состав-
ляет 20 кОм/B и он имеет два предела измерений —
3 В и 30 В, внутреннее сопротивление на пределе изме-
рения 3 В составит 60 кОм, а на пределе измерения
30 В — 600 кОм. Независимо от того, какой величины
измеряемое напряжение, внутреннее сопротивление
вольтметра постоянно на данном пределе измерения.
Входное сопротивление на один вольт легко определить,
если известна сила тока полного отклонения использо-
ванного в вольтметре стрелочного прибора. Для этого
достаточно взять обратную ей величину, то есть поделить
единицу на ток полного отклонения.
25.5. ИЗМЕРЕНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЙ
Приборы, предназначенные для измерения сопротив-
лений постоянному току, называются омметрами. Прин-
ципиальная схема простейшего омметра показана на
рис. 25.3. Она состоит из источника тока Е, добавочно-
го резистора переменного резистора Ry, милли- или
382
Рис. 25.3. Схема простейше-
го омметра
Рис. 25.4. Схема моста Уит-
стона
микроамперметра РА и клемм XI, Х2 для подключения
измеряемого резистора Rx. Если к клеммам измеряе-
мый резистор не подключен, цепь разорвана, ток в цепи
равен нулю, и стрелка прибора находится у левого края
шкалы, что соответствует бесконечно большому изме-
ряемому сопротивлению. Если же клеммы омметра
замкнуть накоротко перемычкой, в цепи установится
ток, который можно отрегулировать переменным рези-
стором «так, чтобы стрелка прибора установилась на
крайнее правое деление шкалы, что будет соответство-
вать измеряемому сопротивлению, равному нулю. Оче-
видно, что при подключении к клеммам омметра рези-
стора с каким-либо сопротивлением стрелка прибора
установится где-то в пределах шкалы. Поэтому шкалу
можно проградуировать в значениях измеряемого со-
противления.
Переменный резистор служит для установки нуля
омметра, что необходимо по мере изменения напряже-
ния источника тока. Добавочный резистор ограничива-
ет силу тока через прибор.
Шкала такого омметра очень неравномерна: середи-
на растянута, а края сжаты. Средняя точка шкалы со-
ответствует сопротивлению, равному сумме добавочно-
го и переменного резисторов. Если к стрелочному при-
бору подключить шунт или изменить напряжение ис-
точника тока, для прежнего отклонения стрелки при-
дется изменить сопротивление добавочного резистора,
и средняя точка шкалы будет соответствовать уже дру-
гой величине измеряемого сопротивления. Таким спо-
собом можно получить многопредельный омметр.
383
Измерение сопротивлений омметром имеет низкую
точность из-за трудности точного отсчета по шкале.
Значительно точнее можно измерять сопротивления с
помощью моста Уитстона, схема которого показана на
рис. 25.4. Мост образован четырьмя резисторами, один
из которых измеряемый. К одной диагонали подключен
источник тока Е, а к другой — высокочувствительный
гальванометр. Если сопротивления моста подобраны
так, что ток через гальванометр равен нулю, такое со-
стояние называется балансом моста. Для этого потен-
циалы точек А и Б должны быть одинаковы. Приравняв
потенциалы этих точек, например относительно нижней
шины моста, легко получить условие баланса:
(25.4)
Если три из этих четырех сопротивлений известны, лег-
ко может быть найдено четвертое:
Rx=-^Ry (25.5)
В качестве резистора /?3 обычно используется пере-
менный резистор со шкалой, на которой нанесены зна-
чения сто сопротивления. Резисторы R ] и R 2 переклю-
чаются так, что отношение их сопротивлений кратно де-
сяти. Тогда искомое сопротивление отсчитывается по
шкале переменного резистора с учетом множителя, ука-
занного на переключателе. Чем больше напряжение ис-
точника тока и чем чувствительнее гальванометр, тем
большие сопротивления удается измерять. Во избежа-
ние перегрузки гальванометра последовательно с ним
включают ограничительный резистор, который можно
замкнуть кнопкой. Тогда сначала устанавливают ба-
ланс при включенном ограничительном резисторе (гру-
бо), затем его замыкают и вновь устанавливают баланс
моста (точно).
Если для питания моста использовать источник пе-
ременного напряжения, резистор R 2 заменить конден-
сатором известной емкости, а гальванометр снабдить
выпрямителем, можно измерять емкости конденсаторов,
включаемых вместо Rx. Если же конденсатор включить
вместо R 1, можно измерять индуктивности. Такие мо-
сты называются мостами переменного тока.
384
Таблица 25.1
Основные характеристики авометров
Тип прибора Клас точ- ности Пределы измерения, В Входное сопротивле- ние, кОм/В
ТТ-1 3,0 10—50—200—1000 5
ТТ-2 2,5 7,5—30—75— 150—300—900 6,67
ТЛ-4М 2,5 0,1 — 1 —3— 10—30— 100—300— 1000 10
АВО-63 4,0 2—10—50—200—500 5
АВО-5М1 4,0 3— 12—30—300—600— 1200—6000 20
Ц20 4,0 0,6— 1,5—6—30— 120—600 10
Ц-51 1,0 3—7,5—30—75— 150—300—600 20
Ц52 1,5 0,075—3—7,5— 15—30— 150—300—600 20
Ц434 Ко 0,5—2,5— 10—50—250—500— 1000 20
Ц435 2,5 2,5— 10—25—200—250—500— 1000 20
Ц4313 1,5 0,075— 1,5—7,5— 15—30—60— 150— 300—600 20
Ц4314 2,5 0,075—0,75—3—7,5— 15—30—60— 150- 300—600 83,3
Ц4315 2,5 0,075— 1 —2,5—5— 10—25— 100—250— 500—1000 20
Ц4323 5,0 0,5—2,5— 10—50—250—500— 1000 18,2
Ц4324 2,5 0,6— 1,2—3— 12—30—60— 120—600— 1200 20
Ц4326 2,5 0,6- 1,2—3 12—30—60—120—600— 900 20
Ц4341 2,5 0,3— 1,5—6—30—60— 150—300—900 16,7
Ц4342 2,5 ч 1 —5— 10—50—250— 1000 18,8
Ц4353 1,5 0,075— 1,5—3—6— 15—30—60— 150— 300—600 18,2
Ц4354 2,5 0,075—0,75—3—6— 15—30—60— 150— 300—600 81,3
Ц4360 2,5 0,5—2,5—5—10—25—50— 100—250— 20
500—1000
25.6. ИЗМЕРЕНИЕ МОЩНОСТИ
Простейший способ измерения мощности состоит в
измерении напряжения на нагрузке и тока, протекаю-
щего по нагрузке, с их последующим перемножением.
Он называется способом вольтметра-амперметра. Так
можно измерять мощность в цепях постоянного и пе-
ременного тока при чисто активной нагрузке. Естест-
венно, что в цепях переменного тока используются
вольтметр и амперметр переменного тока.
Существуют и специальные приборы для измерения
мощности, которые называются ваттметрами. В качест-
ве ваттметров наибольшее распространение получили
13-2085
385
№ R1 100 к
R2 400к
R3 2,0
Л4 8,0
--------
/7/7 50 мк Я
момент, вызывающий
закрепленной на ней
Рис. 25.5. Схема многопредельного вольт-
метра
приборы электродинамической
системы. Неподвижная катушка
прибора включается последова-
тельно в цепь тока нагрузки
(цепь тока), а подвижная катуш-
ка через добавочный резистор
большого сопротивления подклю-
чается параллельно нагрузке
(цепь напряжения). Вращающий
отклонение подвижной катушки и
стрелки прибора, при постоянном
токе пропорционален произведению тока на напряжение,
то есть мощности, а при переменном токе — также коси-
нусу угла сдвига фаз межд}?1 током и напряжением, то
есть активной мощности.
25.7. АМПЕРВОЛЬТОММЕТРЫ
В процессе налаживания и ремонта радиаппарату-
ры широко используются различные измерительные
приборы, основным из которых является ампервольтом-
метр, или авомстр, который позволяет измерять силу
тока, напряжение и сопротивление постоянному току.
Промышленность выпускает большое количество разно-
образных авометров различного класса точности, преде-
лов измерения и конструктивного исполнения. Одним из
важнейших свойств авометра является входное сопро-
тивление его вольтметра постоянного напряжения.
В табл. 25.1 приведены основные характеристики наибо-
лее употребительных авометров при их использовании в
/качестве вольтметров постоянного напряжения.
Если приобрести подходящий авометр нет возмож-
ности, несложно самостоятельно изготовить многопре-
дельный вольтметр для измерения постоянных напря-
жений при наличии стрелочного микроамперметра маг-
нитоэлектрической системы с пределом измерения
50 мкА. К ним относятся микроамперметры типов М24,
М263М, М265М, М494, М2003 и другие. На рис. 25.5
показана принципиальная схема самодельного четырех-
предельного вольтметра, содержащего микроамперметр
на 50 мкА РА1, четыре резистора и переключатель пре-
386
i + 15D 3
620К
+273
Рис. 25.6. К влиянию прибора на измеряемый режим
делов измерений. В верхнем положении переключателя
предел измерения составляет 5 В па всю шкалу, в сле-
дующем положении — 20 В, в следующем—100 Вив
нижнем положении — 400 В. Резисторы нужно взять
типа УЛИ с допуском ±1 %. Для повышения точности
вольтметра сопротивления двух верхних по схеме рези-
сторов берутся не такими, как указано на схеме, а
уменьшенными на величину сопротивления рамки при-
бора.
В процессе ремонта радиоаппаратуры авометр чаще
всего используют для измерения режимов аппарата в
качестве вольтметра. Измерение режима в какой-либо
точке схемы аппарата состоит в подключении вольтмет-
ра и выполнении отсчета. Вольтметр подключается дву-
мя проводами. На одном конце каждого провода уста-
новлена однополюсная вилка, а на другом конце щуп —•
хорошо изолированный от руки оператора металличе-
ский стержень с заостренным концом. Однополюсными
вилками провода подключаются к клеммам вольтмет-
ра. Один щуп соединяется с шасси аппарата зажимом
типа «крокодил». Второй щуп подключается к той точ-
ке схемы, режим которой измеряется. Если измеряе-
мое напряжение положительно, с шасси аппарата дол-
жен соединяться минус вольтметра, если же оно отри-
цательно, с шасси соединяется плюс вольтметра.
13*
387
25.8. ВЛИЯНИЕ ПРИБОРА НА ИЗМЕРЯЕМЫЙ РЕЖИМ
Ранее упоминалось, что недостаточно большое вход-
ное сопротивление вольтметра при его подключении к
контролируемой схеме может привести к изменению
фактического режима, и отсчет окажется неверным. Рас-
смотрим этот вопрос подробнее. На рис. 25.6, а показана
схема лампового усилительного каскада. На аноде лам-
пы при нормальной работе должно быть напряжение
относительно общего провода, равное + 50 В. Питание
каскада производится от источника напряжением
+ 150 В, а в анодную цепь включен резистор сопротив-
лением 620 кОм. Таким образом, на этом резисторе па-
дает 100 В. Разделив это падение напряжения на со-
противление резистора, мы получим силу тока, проте-
кающего через резистор,— 161 мкА. Часть схемы ниже
точки А можно представить эквивалентным сопротивле-
нием R3 и найти его, поделив напряжение 50 В на силу
тока 161 мкА, что даст 310 кОм (рис. 25.6, б). Чтобы
проверить, исправен ли данный каскад, нужно измерить
потенциал точки А и сравнить его с потенциалом
+ 50 В, указанным на схеме.
Допустим, что измерение производится вольтметрам
авомстра типа ТТ-1 па пределе измерения 50 В. Вход-
ное сопротивление вольтметра авометра ТТ-1 составля-
ет 5 кОм/B. На пределе измерения 50 В внутреннее
сопротивление вольтметра будет 250 кОм. Подключим
вольтметр к шасси и к точке А (рис. 25.6, в). При этом
параллельно резистору /?э окажется подключен рези-
стор Rn — внутреннее сопротивление прибора. Парал-
лельное соединение сопротивлений 310 и 250 кОм даст
результирующее сопротивление 138 кОм. Теперь после-
довательно между источником напряжения + 150 В и
шасси оказываются включены сопротивления 620 и
138 кОм, дающие в сумме 758 кОм. Сила тока, текуще-
го через них, найдется делением 150 В на 758 кОм, что
даст 198 мкА. Падение напряжения на сопротивлении
620 кОм при таком токе дает 123 В. Таким образом,
потенциал точки А станет равным 150— 123 = 27 В.
При подключении прибора режим в контролируемой
точке изменился почти в два раза! Получив такой ре-
зультат, можно решить, что каскад неисправен. Ошиб-
ка произошла из-за того, что внутреннее сопротивление
прибора оказалось того же порядка, что и сопротивле-
388
ние, к которому подключался прибор. Ошибка будет
значительно меньше, если внутреннее сопротивление
прибора окажется значительно больше, чем то сопротив-
ление, к которому он подключался. Если использовать
вольтметр с входным сопротивлением 20 кОм/B с преде-
лом измерения 120 В, внутреннее сопротивление прибора
составит 2,4 МОм, и он покажет потенциал точки А, рав-
ный 46 В. Практически точный результат измерения
49 В был бы получен при использовании электронного
вольтметра с внутренним сопротивлением 10 МОм.
Из рассмотренного примера можно сделать вывод:
при измерениях режима нужно использовать прибор,
внутреннее сопротивление которого значительно больше
сопротивления измеряемой цепи. Если внутреннее соп-
ротивление прибора мало, нужно рассчитать, как это
было сделано выше, какое напряжение должен пока-
зать прибор, и уже с этим напряжением сравнивать
фактический режим, полученный при измерении.
Отклонения фактически измеренных режимов от но-
минальных требуют проведения анализа для выяснения
их причин, чтобы сделать правильный вывод о том, где
находится неисправность, вызвавшая эти отклонения.
Анализ проводится путем рассмотрения схемы каскада,
режим которого не соответствует номинальному. В свя-
зи с естественными разбросами параметров элементов
схемы режим, конечно, никогда не может точно соот-
ветствовать номинальному, и его отклонение в преде-
лах 20 % от номинального можно считать нормальным.
Если же отклонение превышает 20 %, это уже можно
расценивать как следствие имеющегося дефекта. Во из-
бежание ошибок нужно обеспечить питание аппарата
номинальным напряжением сети 220 В при помощи ре-
гулируемого автотрансформатора.
Для того чтобы научиться в результате анализа ре-
жима определять деталь, неисправность которой при-
вела к изменению этого режима, рассмотрим на приме-
рах конкретных схем, к каким изменениям режимов
могут приводить различные неисправности электронных
ламп, транзисторов, резисторов и конденсаторов.
25.9. ИЗМЕРЕНИЯ РЕЖИМОВ И ИХ АНАЛИЗ
На рис. 25.7 изображена схема первого каскада
УПЧИ телевизора «Рекорд-334» ЗУЛПТ-50-Ш-1. На
389
схеме указаны нормальные режимы работы лампы.
Питание пепси анода и экранной сетки поступает от
источника 4-150 В. Пониженное напряжение на экран-
ной сетке лампы объясняется падением напряжения на
резисторе 2-R4 за счет протекающего через пего тока.
Пониженное относительно экранной сетки напряжение
на аноде объясняется падением напряжения на рези-
сторе 2-R2 за счет протекающего через него анодного
тока. Напряжение на катоде образовано падением нап-
ряжения на резисторе 2-R3 за счет протекающего через
него суммарного тока анода и экранной сетки.
При частичной потере эмиссии лампой анодный ток
и ток экранной сетки станут значительно меньше нор-
мы. В результате уменьшатся все падения напряже-
ний, и вследствие этого упадет потенциал катода, а по-
тенциалы анода и экранной сетки возрастут. При пол-
ной потере эмиссии токи анода и экранной сетки станут
равными нулю. В результате станет равен нулю потен-
циал катода, а потенциалы анода и экранной сетки
окажутся равными напряжению питания 4~ 150 В. К
такому же результату приведет поступление на управ-
ляющую сетку лампы большого отрицательного потен-
циала по цепи АРУ.
390
Цепь АРУ очень высокоомна, и измерять напряже-
ние на управляющей сетке этой лампы можно только
ламповым или электронным вольтметром, имеющим
входное сопротивление не менее 10 МОм. Если такого
прибора нет и измерить напряжение на управляющей
сетке нельзя, для проверки можно замкнуть управляю-
щую сетку па шасси. Если и после этого потенциал ка-
тода останется равным нулю, а потенциалы анода и
экранной сетки будут + 150 В, значит, лампа подле-
жит замене.
Иногда в связи с неиспрацностью системы АРУ на
управляющую сетку лампы вместо небольшого минуса
поступает плюс. Это приводит к увеличению токов лам-
пы. Тогда в данной схеме потенциал катода резко воз-
растает, а потенциалы анода и экранной сетки резко
упадут в связи с повышенными падениями напряжений
на резисторах 2-R2 и 2-R4. Это также может быть вы-
явлено, либо измерением потенциала управляющей сет-
ки высокоомным вольтметром, либо путем пробного за-
мыкания управляющей сетки на шасси. При наличии
газа в колбе лампы возникает похожий эффект: резко
падают напряжения на аноде и экранной сетке, потен-
циал катода возрастает. Однако при этом баллон лам-
пы светится' синим цветом внутри, а замыкание управ-
ляющей сетки на шасси не приводит к возрастанию
напряжений на аноде и экранной сетке.
Полное отсутствие напряжений на аноде, экранной
сетке и катоде лампы в данной схеме может быть при
обрыве резистора 2-R4, нарушении контакта в пайке,
а также при пробое конденсатора 2-С5. Если на ниж-
ний по схеме вывод резистора 2-R4 напряжение +150 В
поступает, а на верхнем по схеме выводе этого резистора
напряжения нет и краска на поверхности резистора не
сгорела, значит, он оборван. При пробое конденсатора
2-С5 или замыкании в монтаже экранной сетки на шас-
си все напряжение 150 В оказывается приложенным к
резистору 2-R4, на нем выделяется мощность более 8 Вт
и резистор обязательно подгорит или сгорит совсем, что
хорошо заметно по его окраске.
Наличие пониженного напряжения на экранной сет-
ке и катоде при отсутствии напряжения на аноде вы-
зывается обрывом резистора 2-R2. Если на аноде и на
экранной сетке лампы напряжения понижены, а на ка-
тоде потенциал равен нулю, это указывает либо на про-
391
+250 В
О
R227
1.0
+ 750В
Рис. 25.8. Схема каскада УЗЧ телевизора «Рубин-205»
бой конденсатора 2-СЗ, либо на замыкание цепи катода
на шасси в монтаже или катода на нить накала внутри
лампы.
Иногда в конденсаторах под напряжением возникают
повышенные токи утечки. В схеме рис. 25.7 повышенная
утечка конденсатора 2-С5 может оказаться незаметной
и не повлияет на работу схемы. Но если бы сопротив-
ление резистора 2-R4 было большим, повышенная утеч-
ка конденсатора 2-С5 привела бы к понижению напря-
жения на экранной сетке, в результате упал бы анод-
ный ток и возросло бы напряжение на аноде лампы. За
счет пониженного анодного тока напряжение на катоде
также оказалось бы ниже нормы.
Особенно резко проявляются повышенные токи
утечки разделительных конденсаторов. На рис. 25.8
приведена схема выходного каскада усилителя звуко-
вой частоты телевизора «Рубин-205» УЛТ-61-П-4. Здесь
достаточно небольшого тока утечки конденсатора С222,
чтобы на управляющую сетку выходной лампы попало
положительное напряжение с анода предыдущей лампы.
В результате резко возрастают токи анода и экранной
сетки, что заметно по резко пониженным напряжениям
392
Рис. 25.9. Схема t каскада телеви*
зора «Янтарь-741»
В 21 33/Г
0460 В
'10.0
ТТ" *
КТ315О
+25В
Я 23
20к
С19
V &
100
10}0
из ламповой панели, изме-
ножкой ламповой панели,
на этих электродах и повы-
шенному напряжению па ка-
тоде лампы. 11ри измерении
напряжения па управляю-
щей сетке авометр обычно
показывает . напряжение,
близкое к пулю, за счет то-
го, что при плюсе на сетке
сопротивление промежутка
сетка-катод невелико.
Дефект можно выявить
лишь после удаления лампы
ряя напряжение между той
которая соответствует управляющей сетке, и шасси.
В этом случае авометр покажет большое положительное
напряжение, что и укажет на наличие тока утечки раз-
делительного конденсатора. Возрастание анодного тока
выходной лампы при указанном дефекте обычно приво-
дит к чрезмерной мощности, рассеиваемой на аноде, на
что лампа не рассчитана, так как выходные лампы
обычно используются на полной выходной мощности.
При превышении допустимой мощности анод лампы на-
чинает раскаляться докрасна. Иногда при таком дефек-
те температура стеклянного баллона лампы настолько
повышается, что стекло размягчается и под влиянием
вакуума втягивается внутрь.
Рассмотрим схему транзисторного каскада. На рис.
25.9 приведена схема предварительного усилителя зву-
ковой частоты телевизора «Янтарь-741» УЛПЦТ-61-П-
38. Питание поступает от источника напряжения
+ 160 В. Резистор R21 и конденсатор С22 образуют
развязывающий фильтр, предотвращающий появление
обратной связи с выходного каскада через источник
питания. Сигнал поступает на базу транзистора с пре-
дыдущего каскада через разделительный конденсатор
С19. Резисторы R19 и R20 обеспечивают подачу нужно-
го напряжения смещения на базу транзистора. Нагруз-
кой коллектора является резистор R22, с него усилен-
ный сигнал подается через разделительный конденсатор
С21 на следующий каскад. Цепь, включенная между
эмиттером и шасси, служит для подачи частотно-зави-
393
симой отрицательной обратной связи для регулировки
тембра.
Обрыв резистора R21 ведет к исчезновению напря-
жения на коллекторе, базе и эмиттере так же, как и
пробой конденсатора С22. При обрыве резистора R22
пропадает напряжение только на коллекторе, а напря-
жение на базе и эмиттере возрастают за счет умень-
шившегося падения напряжения на резисторе R21. «Ви-
сячий» коллектор в работе не участвует, а промежуток
база — эмиттер работает как диод. При обрыве резистора
R19 прекращается подача на базу положительного сме-
щения, ее потенциал становится равным нулю. В ре-
зультате транзистор запирается, потенциал его эмитте-
ра также становится равным нулю, а потенциал кол-
лектора— равным напряжению источника питания
4-160 В, что обычно приводит к пробою перехода кол-
лектор — база, и транзистор выходит из строя.
Обрыв резистора R20 приводит к увеличению напря-
жения на базе и эмиттере и уменьшению напряжения
на коллекторе. При обрыве цепи эмиттера возрастают
потенциалы коллектора и базы. Может оказаться так-
же неисправным сам транзистор. Если пробит переход
коллектор — база, потенциалы коллектора, базы и эмит-
тера оказываются одинаковыми. При пробое перехода
база — эмиттер ток коллектора становится равным нулю
и потенциал коллектора резко возрастает в то время,
как потенциалы эмиттера и базы оказываются рав-
ными.
В заключение этого раздела хочется дать некоторые
советы. Перед измерением режима в ламповой схеме
нужно в первую очередь обращать внимание на то, име-
ется ли накал лампы, иначе можно сделать ошибоч-
ный вывод о том, что лампа потеряла эмиссию, и ус-
тановить новую лампу, которая также не будет рабо-
тать.
Часто не только начинающий, но и опытный радио-
любитель, отказывается от последовательной» и терпе-
ливой проверки режимов и пытается найти неисправ-
ную деталь сразу. Это приводит к излишней замене
элементов схемы, потере времени, а иногда к созданию
новых дефектов из-за допущенной ошибки в монтаже
или установки неисправной детали. Появление даже
одного дополнительного дефекта запутывает общую
картину неисправности, и даже опытный специалист
394
вынужден тратить много времени и сил для йх распоз-
навания.
1> Крайне неприятны самоустраняющиеся дефекты,
выявить которые бывает очень трудно. Поиск причины
такого дефекта следует вести лишь при его наличии.
Такие дефекты нужно искать осторожно, стараясь не
нарушить взаимное расположение деталей в монтаже.
25.10. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ОММЕТРОВ
В состав любого авометра входит омметр — прибор
для измерения сопротивлений постоянному току. Для
использования авометра в качестве омметра необходи-
мо либо установить переключатель в нужное положе-
ние, либо использовать определенные клеммы авомет-
ра. В схему омметра входят встроенный в авометр ис-
точник тока — сухой элемент, резисторы и стрелочный
прибор. Сопротивления резистора подобраны так, что
при замыкании клемм омметра стрелка дает полное от-
клонение вправо, до последнего деления, соответствую-
щего нулю сопротивления. Если клеммы разомкнуты,
стрелка* остается на левом крайнем делении, соответст-
вующем бесконечно большому сопротивлению.
Часто встречающимся дефектом аппаратуры явля-
ется сгорание предохранителя. Если вновь установлен-
ный предохранитель также сгорает, это указывает на
наличие короткого замыкания в цепи вторичной обмот-
ке силового трансформатора или в цепи выпрямленно-
го напряжения. Нужно найти замыкание, устранить
его и вновь установить предохранитель, рассчитанный
на номинальный ток. Замыкание определяют омметром
при выключенном аппарате, измеряя сопротивления
между выводами электролитических конденсаторов.
Это сопротивление на выходах выпрямителей, напря-
жение которых порядка 150 В и более, должно быть не
менее нескольких килоом, а на выходах выпрямителей,
напряжение которых порядка 25 В и менее,— не менее
нескольких десятков ом. Когда омметр показывает зна-
чительно меньшее сопротивление, место короткого за-
мыкания определяют последовательным отсоединением
от общей цепи выпрямленного напряжения всех парал-
лельных цепей.
Рассмотрим теперь различные неисправности эле-
ментов схемы и возможные способы их проверки. Ис-
395
правность резисторов проверяют путем измерения их со-
противления омметорм. В большинстве случаев для это1-
го необходимо хотя бы один вывод резистора отпаять
от остальной схемы блока, так как иначе будет изме-
рено не сопротивление проверяемого резистора, а со-
противление этого резистора с параллельно подключен-
ным к нему сопротивлением участка схемы. При обры-
ве омметр показывает бесконечно большое сопротивле-
ние. Измеряя высокоомные резисторы, нельзя касаться
руками обоих выводов резистора, так как сопротивле-
ние тела человека будет вносить существенную ошибку.
Подключая омметр к среднему и одному из крайних
выводов переменного резистора, можно проверить плав-
ность изменения сопротивления и отсутствие обрыва.
Варисторы омметром проверить нельзя, так как при
малом подводимом напряжении их сопротивление ока-
зывается очень большим.
Конденсаторы с помощью омметра можно проверять
только на отсутствие пробоя и повышенной утечки. При
наличии пробоя сопротивление конденсатора оказыва-
ется равным нулю, а при повышенной утечке омметр
показывает конечное значение сопротивления, хотя со-
противление исправного конденсатора должно быть бес-
конечно велико. Исключение составляют электролити-
ческие конденсаторы. Их сопротивление может изме-
няться в широких пределах. Проверяя электролитиче-
ские конденсаторы омметром, можно оценить наличие
или потерю ими емкости. Если омметр подключить к
разряженному конденсатору, стрелка прибора сначала
быстро отклоняется к нулевой отметке шкалы, а затем
медленнее движется в обратном направлении по мере
заряда конденсатора и останавливается на том делении
шкалы, которое соответствует сопротивлению утечки
конденсатора.
В зависимости от полярности подключения омметра
к электролитическому конденсатору сопротивление
утечки может быть больше или меньше. При правиль-
ной полярности сопротивление утечки больше. Поэтому
необходимо знать, какой из выводов омметра подклю-
чен к положительному выводу встроенной в его схему
батареи. В случае потери емкости или внутреннего об-
рыва электролитического конденсатора начального бро-
ска стрелки омметра не происходит. Необходимо заме-
тить, что многие типы конденсаторов не могут быть
396
проверены омметром на утечку, так как она появляет-
ся только при работе конденсатора в схеме, когда к не-
му приложено значительно большее напряжение, чем
дает омметр. При проверке конденсатора омметром
один из его выводов также должен быть отпаяй от схе-
мы блока.
Катушки колебательных контуров, высокочастотных,
низкочастотных и силовых трансформаторов и дроссе-
лей могут быть проверены омметром на соответствие
номинальному сопротивлению, которое приводится
в справочниках для этих элементов. Сопротивления
катушек контуров обычно должны быть близкими
к нулю.
Омметр может быть также использован для провер-
ки диодов и транзисторов на обрыв и пробой полупро-
водниковых переходов. Сопротивление исправного дио-
да в прямом направлении, когда плюсовой вывод ом-
метра подключен к аноду диода, должно быть значи-
тельно меньше сопротивления в обратном направлении,
когда плюсовой вывод омметра подключен к катоду.
При пробое перехода сопротивления в прямом и обрат-
ном направлениях равны нулю, а при обрыве — беско-
нечно велики.
У транзисторов проверяются переходы база — эмит-
тер и база — коллектор раздельно. Для проверки транзи-
стора структуры р-п-р его база подключается к минусо-
вому выводу омметра, а плюсовой вывод поочередно
подключается к эмиттеру и коллектору транзистора для
измерения прямых сопротивлений переходов, которые
в исправных транзисторах обычно лежат в пределах от
10 до 40 Ом (для мощных транзисторов — от 3 до
20 Ом). Затем к базе подключается плюсовой вывод
омметра, а минусовой поочередно подключается к
эмиттеру и коллектору транзистора для измерения об-
ратных сопротивлений переходов. Обратные сопротив-
ления переходов должны оказаться значительно больше
прямых.
Если проверяется транзистор структуры п-р-п, для
проверки прямых сопротивлений база подключается к
плюсовому выводу омметра, а для проверки обратных
сопротивлений — к минусовому. При пробое какого-ли-
бо перехода его прямое и обратное сопротивление ока-
зываются одинаковыми и близкими к нулю. При обры-
397
ве перехода его прямое сопротивление становится близ-
ким к бесконечности.
Омметром можно также проверить исправность ти-
ристора малой или средней мощности. Для этого плю-
совой вывод омметра подключается к аноду тиристора,
а минусовой — к катоду. Омметр должен показать бес-
конечно большое сопротивление. Затем на короткое
время, не отключая омметра, замыкают между собой
выводы анода и управляющего электрода тиристора,
после чего омметр должен показать небольшое сопро-
тивление, которое зависит от типа тиристора.
Электронные лампы и кинескоп могут быть прове-
рены омметров только на целость нити накала, сопро-
тивление которой в холодном состоянии должно быть
близким к нулю.
В заключение следует указать, что выводы омметра
можно подключать к схеме проверяемого аппарата
только в том случае, если он находится в выключенном
состоянии, иначе омметр может быть поврежден. Во
избежание ошибок выводы проверяемых деталей долж-
ны быть отпаяны от схемы.
25 11. ЭЛЕКТРОННЫЕ ВОЛЬТМЕТРЫ
7 Электронные вольтметры характеризуются высокой
чувствительностью, большим входным сопротивлением
и малой входной емкостью, благодаря чему могут ис-
пользоваться в широком диапазоне частот от постоян-
ного тока до сотен мегагерц (некоторые типы до
1000 МГц). Благодаря содержащимся в их схеме уси-
лителям, некоторые модели электронных вольтметров
способны измерять малые напряжения порядка микро-
вольт, а в сочетании с входными делителями напряже-
ния могут использоваться для измерений напряжения до
15...20 кВ. Именно поэтому электронные вольтметры
нашли очень широкое применение в технике радиотех-
нических измерений.
Электронные вольтметры подразделяются на лампо-
вые и транзисторные, схемы которых построены соот-
ветственно на электронных лампах и на транзисторах.
Промышленностью выпускаются различные группы
электронных вольтметров: для измерения постоянных
напряжений, для измерения переменных напряжений,
для измерения амплитуд импульсных напряжений и
39В
универсальные вольтметры, рассчитанные на измерение
постоянных и переменных напряжений, а также со-
противлений постоянному току, а иногда и индуктивно-
стей и емкостей.
Электронные вольтметры постоянного напряжения
обычно построены по одной из двух основных схем.
Первая характерна тем, что содержит на входе дели-
тель напряжения, с выхода которого измеряемое на-
пряжение подается на мостовую измерительную схему.
Вторая же содержит мостовую измерительную схему,
на которую измеряемое напряжение подается непо-
средственно, а переключение пределов измерения произ-
водится уже внутри моста.
Обе схемы имеют достоинства и недостатки. В пер-
вой схеме отношение наибольшего напряжения к наи-
меньшему на входе моста сравнительно мало, что бла-
гоприятно сказывается на его работе, но при переклю-
чении пределов измерения изменяется сопротивление
между входом моста и общим проводом, что приводит
к «уходам нуля». Во второй схеме сопротивление меж-
ду входом моста и общим проводом постоянно и не за-
висит от положения переключателя пределов измере-
ния, но вход моста должен быть рассчитан на макси-
мальное измеряемое напряжение. Поэтому иногда ис-
пользуются комбинированные схемы, сочетающие до-
стоинства той и другой.
Рассмотрим упрощенную схему измерения постоян-
39S
ных напряжений универсального лампового вольтметра
типа ВК7-3, которая приведена на рис. 25.10. Входное
измеряемое напряжение подается на измерительный
мост через цепочку R2, С1, которая препятствует поступ-
лению переменных составляющих измеряемого напряже-
ния. Мост образован четырьмя плечами. Два верхних
плеча образованы триодами двойного триода 6Н1П,
два нижних — резисторами R3 и R5. На сетку левого
триода подается измеряемое напряжение, изменяющее
внутреннее сопротивление лампы. На сетку правого
триода подается постоянное напряжение с переменно-
го резистора R6 для балансировки моста. При отсутст-
вии измеряемого напряжения переменным резистором
устанавливается баланс, когда потенциалы катодов
ламп одинаковы и ток в диагонали, в которую включен
измерительный прибор РА1, отсутствует. При подаче
на вход напряжения происходит разбаланс моста, по-
является ток в диагонали, который измеряется стрелоч-
ным прибором.
Резистор R4 определяет силу тока в диагонали при
разных напряжениях между катодами ламп. Поэтому,
включая в диагональ разные сопротивления, осуществ-
ляется переключение пределов измерения от 1 до 100 В
на входе. Для получения следующих двух пределов из-
мерения 300 и 1000 В — включается входной делитель
напряжения 1 : 10 вместо резистора R1, Сразу в 10 раз
изменяется сопротивление между сеткой левой лампы
и общим проводом, но при входных напряжениях более
100 В это не оказывает существенного значения. Дело
в том, что в лампе даже при минусе на сетке относи-
тельно катода имеется очень маленький сеточный ток за
счет быстрых электронов, преодолевающих отталкиваю-
щее действие сетки. Обычно такой ток составляет де-
сятые и сотые доли микроампера.
Допустим, что он равен 0,1 мкА. Протекая по рези-
стору R1 сопротивлением 10 МОм, сеточный ток соз-
даст на нем падение напряжения 1 В. Это напряжение,
которое не зависит от измеряемого, можно, конечно,
скомпенсировать соответствующей установкой нуля,
восстановив баланс моста. Но если на входе имеется
делитель, которым сопротивление между сеткой и общим
проводом уменьшается в 10 раз, то при его вклю-
чении падение напряжения уменьшится до 0,1 В, что
приведет к разбалансу моста. Поэтому при переклю-
400
Рис. 25.11. Схема пико-
вого детектора
чении пределов измерения придется каждый раз уста-
навливать пуль, что неудобно. Это вынуждает в схе-
мах с входным делителем принимать специальные
меры для значительного уменьшения сеточного тока.
Когда же делитель используется только при больших
пределах измерения, как в схеме ВК7-3, когда вся шка-
ла прибора соответствует напряжению 100 В, уход нуля
на 1 В незначителен.
В рассмотренной схеме мост образован двумя катод-
ными повторителями. Встречаются схемы моста, где
резисторы нагрузок включены в цепи анодов, а измери-
тельной диагональю является цепь между анодами
ламп/Такая схема более чувствительна, так как обла-
дает усилением по напряжению, но имеет и больший
уход нуля. Уход нуля зависит не только от изменения
сопротивления в цепи сетки. Сам сеточный ток является
нестабильным. Поэтому схемы с катодными повторите-
лями предпочтительнее.
Универсальный ламповый вольтметр ВК7-3 кроме
постоянных напряжений позволяет измерять также и
переменные напряжения вплоть до частоты 60 МГц.
Для этого он снабжен детекторной головкой, схема ко-
торой показана на рис. 25.11. При положительных полу-
периодах входного измеряемого напряжения диод отпи-
рается и происходит быстрый заряд конденсатора С1
с указанной на схеме полярностью. В течение отрица-
тельных полупериодов конденсатор очень медленно раз-
ряжается через выходное сопротивление источника из-
меряемого напряжения и резисторы R1 и R2. Практи-
чески конденсатор заряжается до амплитудного значе-
ния входного сигнала. Такой детектор называется пи-
ковым. С выхода выпрямленное напряжение поступает
на вход вольтметра постоянного напряжения.
Шкала вольтметра переменного напряжения про-
градуирована в эффективных значениях напряжения.
Поэтому для уменьшения выпрямленного напряжения
14—2085
401
пиковым вольтметром в 1,41 раза используется дели-
тель напряжения Rl, R2, Кроме того, в вольтметре по-
стоянного напряжения в режиме измерения перемен-
ных напряжений используется другой комплект рези-
сторов R4 (см. рис. 25.Ю), переключением которых изме-
няются пределы измерения. В связи с тем, что в прибо-
ре используется пиковый детектор, а шкала проградуи-
рована в значениях амплитуды, уменьшенных в 1,41
раза, что характерно только для синусоиды, шкала
справедлива только при измерениях синусоидальных
напряжений.
С помощью вольтметра ВК7-3 можно измерять со-
противления постоянному току. Омметр построен по сле-
дующему принципу. От стабилизированного источника
постоянное напряжение подается на соединенные после-
довательно эталонный резистор и измеряемый. Падение
напряжения на измеряемом резисторе оказывается про-
порционально его сопротивлению и подается для изме-
рения на вольтметр постоянного напряжения. Пере-
ключая эталонные резисторы, можно изменять пределы
измерения сопротивлений. По такому же принципу
построены измерители индуктивности и емкости, но ис-
точником тока здесь является переменное напряжение
частотой 50 Гц, а в схему моста вводится дополнитель-
ный выпрямитель.
Прибор ВК7-3 имеет следующие пределы измерения:
постоянного и переменного напряжений 1—3—10—
30—100—300—1000 В;
сопротивлений постоянному току 1 —100, 10—1000 Ом,
0,1 — 10, 1 — 100 кОм, 0,01 — 1, 0,1 — 10, 1 — 100 МОм;
индуктивности 100—1000 мГн, 1 —10, 10—100, 100—
1000, 1000—10 000, 10 000—100 000 Гн;
емкости 100—1000 пФ, 0,001—0,01, 0,01—0,1, 0,1 — 1,
1 — 10, 10—100 мкФ.
Входное сопротивление вольтметра постоянного нап-
ряжения составляет 11 МОм.
Электронные вольтметры переменного напряжения
также обычно построены по одной из двух схем. Пер-
вая содержит на входе пиковый детектор, выпрямлен-
ное напряжение с которого поступает на вольтметр по-
стоянного напряжения, как это сделано в приборе типа
ВК7-3. Чувствительность таких вольтметров невелика,
так как для нормальной работы пикового детектора не-
402
Рис. 25.12. Структурная схема милливольтметра ВЗ-2А
обходимо напряжение порядка нескольких долей воль-
та. Вторая схема характеризуется наличием входного
усилителя измеряемого напряжения, а выпрямление и
измерение выпрямленного напряжения производятся
уже после его усиления. Чувствительность таких прибо-
ров достигает долей милливольта, но они обладают ча-
стотным пределом измерения, который определяется по-
лосой пропускания усилителя измеряемого напряже-
ния. Обычно такие приборы называются милливольт-
метрами.
Структурная схема милливольтметра ВЗ-2А — на
рис. 25.12. Для повышения входного сопротивления на
входе установлен катодный повторитель. КП. На ма-
лых пределах напряжения входной сигнал подается на
катодный повторитель непосредственно, а на пределах
измерения, превышающих 1 В, через входной делитель
напряжения ВД. На выходе катодного повторителя на-
ходится ступенчатый делитель напряжения, которым
устанавливается необходимый предел измерения СД. С
выхода делителя сигнал поступает на трехкаскадный
усилитель У, собранный на лампах 6Ж1П с глубокой
отрицательной обратной связью, которая обеспечивает
стабильность коэффициента усиления. На выходе усили-
теля установлен детектор с вольтметром продетектиро-
ванного напряжения В. К блоку питания БП подклю-
чен источник калибровочного напряжения ИК — стаби-
лизатор, обеспечивающий получение стабильного пере-
менного напряжения 10 мВ. С помощью тумблера ка-
либровочное напряжение может быть подано на вход
милливольтметра, и корректирующим переменным ре-
зистором стрелка прибора при калибровке устанавли-
вается на крайнее правое деление шкалы.
Прибор проградуирован в эффективных значениях
переменного напряжения, поэтому его шкала справед-
14*
403
Лива только при измерениях напряжения синусоидаль-
ной формы.
Пределы измерения напряжения 10—30—100—300
мВ, 1—3—10—30—100—300 В. Диапазон частот изме-
ряемых напряжений от 20 Гц до 1 МГц. Входное со-
противление прибора на пределах измерения 10 мВ—•
1 В составляет 1 МОм с параллельной емкостью
25 пФ, на остальных пределах измерения — 1,8 МОм с
параллельной емкостью 15 пФ.
Примерно по такой же схеме создан более совре-
менный милливольтметр типа B3-38, усилитель которо-
го собран на транзисторах с использованием только од-
ной сверхминиатюрной металлокерамической лампы —
нувистора 6С53Н. Этот милливольтметр имеет дополни-
тельные пределы измерения 1 и 3 мВ, а остальные та-
кие же, как у милливольтметра ВЗ-2А. Диапазон час-
тот измеряемых напряжений также расширен и состав-
ляет от 20 Гц до 5 МГц. За счет использования более
глубокой отрицательной обратной связи и увеличения
коэффициента усиления усилителя без обратной связи
удалось избавиться от необходимости калибровки.
25.12. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ
Измерительными генераторами являются приборы,
вырабатывающие переменные напряжения различной
формы. Поэтому их подразделяют на генераторы сину-
соидальных сигналов, генераторы импульсов и генераторы
напряжений специальной формы. В свою очередь гене-
раторы синусоидального напряжения делятся на гене-
раторы звуковой частоты, генераторы видеочастоты и
генераторы высокой и сверхвысокой частоты. Наконец,
генераторы высокой и сверхвысокой частоты делятся на
генераторы сигналов и генераторы стандартных сигна-
лов.
Генераторы звуковой и видеочастоты используются
для проверки усилителей звуковой частоты и видеоуси-
лителей, фильтров, а также для модуляции звуковой
и видеочастотой генераторов высокой и сверхвысокой
частот. Генераторы высокой и сверхвысокой частоты
используются для исследования и настройки контуров
радиоприемных устройств. Импульсные генераторы
предназначены для исследования импульсных устройств
и модуляции импульсами генераторов более высокой
частоты.
404
Рис. 25./3. Схема моста Вина
—--------->
0,1 мкВ, они тщательно
Все генераторы синусои-
дальных сигналов имеют плав-
ное перекрытие по частоте с
переключением диапазонов ча-
стот, а также плавные и сту-
пенчатые регуляторы выходно-
го напряжения. Генераторы
стандартных сигналов отлича-
ются более высокой стабиль-
ностью частоты и точностью
калибровки выходного напря-
жения. В связи с тем, что уро-
вень выходного напряжения у
таких генераторов может обыч-
но устанавливаться, начиная с
экранируются во избежание излучения высокочастотной
энергии наружу.
Импульсные генераторы могут иметь плавные или
ступенчатые регуляторы частоты повторения и длитель-
ности импульсов, а также плавные регуляторы ампли-
туды импульсов.
Генераторы звуковой частоты обычно содержат за-
дающий генератор, усилитель мощности и выходное
устройство, обеспечивающее получение на выходе сигна-
ла определенной амплитуды.
Задающий генератор представляет собой усилитель
с положительной и отрицательной обратной связью.
Отрицательная обратная связь предназначена для ста-
билизации амплитуды генерируемых колебаний и под-
держания ее на таком уровне, чтобы мгновенные значе-
ния напряжений не заходили на нелинейные участки
вольт-амперных характеристик электронных ламп или
транзисторов, используемых в задающем генераторе. Это
обеспечивает отсутствие ограничения и связанных с ним
нелинейных искажений генерируемого сигнала.
Положительная обратная связь является частотно-
зависимой и обеспечивает генерацию колебаний нуж-
ной частоты. В цепи положительной обратной связи ши-
роко используется мост Вина, названный по имени не-
мецкого фйзика Вильгельма Вина, схема которого по-
казана на рис. 25.13. Зависимость коэффициента пере-
405
Рис. 25.14. Характеристики моста Вина
дачи моста Вина (отношение выходного напряжения
к входному) от частоты имеет максимум на частоте,
которая называется квазирезонансной:
1
= 2кЛС'
(25.6)
Фазовая характеристика (зависимость сдвига фазы
выходного напряжения относительно входного от часто-
ты) на частоте квазирезонанса проходит через нуль.
Обобщенные (в зависимости от расстройки) ампли-
тудная и фазовая характеристики моста Вина при ра-
венстве сопротивлений и емкостей в плечах показаны
на рис. 25.14. Расстройка может быть найдена по фор-
муле (8.4). В связи с тем, что на частоте квазирезонан-
са при расстройке, равной нулю, коэффициент передачи
моста равен 1/3, а сдвиг фаз равен нулю, можно сде-
лать вывод: если усилитель, охваченный такой положи-
тельной обратной связью, будет иметь коэффициент
усиления больше 3 и создавать сдвиг фаз, равный 360°,
будут обеспечены баланс амплитуд и баланс фаз. Та-
ким образом, будут созданы необходимые и достаточ-
ные условия генерации синусоидальных колебаний.
Из формулы (25.6) видно, что частота квазирезонан-
са обратно пропорциональна емкости конденсаторов
моста. При использовании двухсекционного агрегата
конденсаторов переменной емкости имеется возмож-
ность плавной регулировки частоты. Важно и то, что
406
емкость входит в формулу в первой степени: если ем-
кость изменяется в 10 раз, также в 10 раз будет изме-
няться и частота генерации. При использовании же ко-
лебательного контура, состоящего из индуктивности и
емкости, частота резонанса зависит от емкости, входя-
щей под знаком квадратного корня (формула (8.2) и
при изменении емкости в 10 раз резонансная частота
изменяется лишь в 3,16 раза. Это дает возможность в
генераторах звуковой частоты с мостом Вина обеспе-
чить перекрытие частоты в пределах одного диапазона
в 10 раз с помощью конденсатора переменной емкости.
Для переключения же диапазонов коммутируются по-
стоянные резисторы моста.
Использование моста Вина позволяет генерировать
достаточно низкие частоты при реально осуществимых
значениях емкости и сопротивления. Так, при емкости
500 пФ и сопротивлении 16 МОм частота квазирезонан-
са оказывается примерно равной 20 Гц. Для получения
такой резонансной частоты колебательного контура при
той же емкости потребовалась бы индуктивность в
127 000 Гн!
При использовании моста Вина возникают и некото-
рые трудности, связанные с необходимостью очень вы-
сокого входного сопротивления усилителя, которое не
должно шунтировать высокомегомный резистор моста.
Поэтому использование биполярных транзисторов в
первом каскаде усилителя невозможно. Приходится ис-
пользовать электронную лампу или полевой транзистор.
Из промышленных генераторов звуковой частоты
широкое применение нашел генератор типа ГЗ-ЗЗ, со-
бранный полностью на электронных лампах. Задающий
генератор содержит два каскада усиления на лампах
6Ж1П и 6П14П. Положительная обратная связь осу-
ществлена при помощи моста Вина с агрегатом конден-
саторов переменной емкости. Минимальная емкость
каждого конденсатора 30 пФ, максимальная — 1050 пФ.
Параллельно им подключены подстроечные конденсато-
ры для выравнивания емкостей монтажа. Четыре диа-
пазона генерируемых частот обеспечиваются переключаю-
щимися парами резисторов сопротивлениями по 7,5 кОм,
75 кОм, 750 кОм и 7,5 МОм. Отрицательная обрат-
ная связь создается с применением термистора типа
ТП6/2, который включен последовательно в цепь обрат-
ной связи. С увеличением амплитуды колебаний сопро-
407
тивление термистора уменьшается, глубина отрицатель-
ной обратной связи увеличивается, что препятствует
росту амплитуды.
Усилитель мощности генератора также содержат два
каскада. Первый, собранный на лампе 6Н1П, является
фазоинвертором. На его выходе образуются два проти-
вофазных напряжения, поступающие на сетки ламп вы-
ходного каскада 6П14П, который собран по двухтакт-
ной схеме и нагружен на выходной согласующий транс-
форматор. Путем переключения предусмотрено согла-
сование выходного каскада с нагрузками сопротивлени-
ем 5, 50 или 600 Ом. Уровень выходного сигнала регули-
руется в широких пределах плавным и ступенчатым ре-
гуляторами. Блок питания содержит электронные ста-
билизаторы на лампах 6С19П, 6Ж1П и стабилитроне
СГ2П, которые обеспечивают помимо стабильности пи-
тающих напряжений крайне низкий уровень пульсаций.
Это особенно важно в генераторах звуковой частоты,
так как наличие пульсаций выпрямленных напряжений
приводит к модуляции сигнала частотой сети и к воз-
никновению биений между пульсациями и сигналом при
его частоте, близкой к 50 и 100 Гц.
Генератор звуковой частоты ГЗ-ЗЗ обладает следую-
щими основными техническими характеристиками. Диа-
пазон частот от 20 Гц до 200 кГц разбит на четыре под-
диапазона: 20—200 Гц, 200—2000 Гц, 2—20 кГц, 20—
200 кГц. Основная погрешность установки частоты со-
ставляет 2 % от установленной частоты плюс 1 Гц. Уход
частоты за 1 ч работы не более 0,25 % от установлен-
ной частоты. Выходная мощность сигнала на нагрузке
600 Ом от 0,5 до 5,0 Вт. Пределы ослабления ступен-
чатого регулятора уровня не менее 100 дБ. Коэффици-
ент нелинейных искажений выходного сигнала при вы-
ходной мощности 0,5 Вт в диапазоне частот от 400 Гц
до 5 кГц не более 0,3 %; от 60 до 400 Гц и от 5 до
20 кГц не более 0,7 %; на остальных частотах не более
3 %. Питание от сети переменного тока частотой 50 ±
± 1 Гц напряжением 220 В. Габаритные размеры при-
бора 510 X 340 X 350 мм, масса 30 кг.
Генератор сигналов видеочастоты типа ГЗ-7 также
собран на лампах и используется при испытаниях ши-
рокополосных систем, видеоусилителей радиолокаци-
онных и телевизионных приемников. Диапазон генери-
руемых им частот от 20 Гц до 10 МГц разбит на семь
408
поддиапазонов. На первых пяти диапазонах 20—200 Гц,
200—2000 Гц, 2—20 кГц, 20—200 кГц, 0,2—1,5 МГц за-
дающий генератор работает с использованием моста Ви-
на. На следующих двух поддиапазонах 1,5—4 МГц и
4—10 МГц задающий генератор работает по схеме ин-
дуктивной трехточки.
Усилитель мощности генератора собран на трех
лампах: 6П6С, 6ПЗС и ГУ-50. Выходная лампа ГУ-50
включена по схеме катодного повторителя. Выходное
устройство рассчитано на получение выходного сопро-
тивления 75 и 1000 Ом. Максимальное выходное нап-
ряжение на нагрузке 1000 Ом составляет 30 В, на на-
грузке 75 Ом — 2 В. Пределы регулировки выходного
напряжения от 300 мкВ до 30 В ступенями через 20 дБ
и плавно в пределах каждой ступени. Выходное нап-
ряжение перед ступенчатым делителем контролируется
встроенным ламповым вольтметром, который собран на
лампе 6Н8С. Габаритные размеры 540 X 360 X 320 мм,
масса 34,5 кг.
Отечественная промышленность выпускает широкий
ассортимент генераторов звуковой частоты с самыми
различными характеристиками. Так, можно упомянуть
генератор инфранизких частот ГЗ-54, генерирующий
сигналы трех видов: пилообразный, прямоугольный и
синусоидальный в диапазоне частот от 0,01 до 1000 Гц;
генератор низкочастотных сигналов прецизионный
ГЗ-105, представляющий собой источник синусоидальных
колебаний в диапазоне от 0,01 Гц до 2 МГц с дискрет-
ной установкой частоты через 0,01 Гц и относительной
погрешностью установки частоты 0,00005 %; портатив-
ный генератор ГЗ-36А массой 5 кг, собранный на тран-
зисторах, и другие.
Среди генераторов высокой частоты наиболее рас-
пространен генератор стандартных сигналов типа Г4-1А,
собранный на электронных лампах. Он содержит за-
дающий генератор высокой частоты, генератор звуко-
вой частоты 400 и 1000 Гц, модулятор, ламповый вольт-
метр и выходное устройство. Задающий генератор соб-
ран на лампе 6Ж4 по схеме индуктивной трехточки с
заземленным катодом. Переключение диапазонов осу-
ществляется барабанным переключателем контурных
катушек, а в пределах диапазона изменение частоты
производится конденсатором переменной емкости.
Генератор звуковой частоты собран на двойном
409
триоде 6Н8С по двухтактной схеме с индуктивной об-
ратной связью. Модулятор работает на лампе 6КЗ, мо-
дулирующее напряжение подается на ее экранную сет-
ку. Ламповый вольтметр собран на двойном триоде
6Н9С, выпрямитель — на двуханодном кенотроне 6Ц5С»
Диапазон генерируемых частот от 100 кГц до 25 МГц
разбит на восемь поддиапазонов, погрешность установ-
ки частоты не превышает 1 %. Пределы изменения вы-
ходного напряжения от 0,1 мкВ до 1 В. Помимо внут-
ренней амплитудной модуляции прибор допускает ам-
плитудную модуляцию от внешнего генератора частотой
от 50 до 8000 Гц с коэффициентом глубины модуляции
от 0 до 100%. Габаритные размеры прибора 527 X
X 336 X 341 мм, масса 25 кг.
Среди генераторов стандартного сигнала более
поздних выпусков необходимо отметить Г4-18. Принцип
построения схемы этого прибора сохранился таким же,
как у Г4-1А, однако за счет использования ламп ми-
ниатюрной серии, имеющих меньшие габариты и мень-
шее потребление энергии, сократились габариты и мас-
са прибора. Диапазон частот этого генератора от
100 кГц до 35 МГц разбит на шесть поддиапазонов,
погрешность установки частоты 1 %. Выходное напря-
жение может изменяться в пределах от 0,1 мкВ до 1 В.
Генератор может работать в режимах нсмодулирован-
ной генерации, внутренней амплитудной модуляции си-
нусоидальным напряжением 400 и 1000 Гц, внешней
амплитудной модуляции синусоидальным напряжением
частотой от 50 Гц до 15 кГц. Коэффициент глубины мо-
дуляции может регулироваться от 10 до 100 % на ча-
стотах до 10 кГц и от 10 до 50 % на частотах модуля-
ции от 10 до 15 кГц. Габариты прибора 390 X 290 X
X 280 мм, масса 18 кг.
Генератор сигналов Г4-70 работает в диапазоне от
4 до 300 МГц и допускает внутреннюю и внешнюю амп-
литудную или частотную модуляцию синусоидальным
напряжением или видеосигналом. Этот генератор мо-
жет использоваться при настройке и контроле телевизи-
онных приемников и радиовещательных приемников
УКВ диапазона, допускает модуляцию стереофоническим
сигналом.
Генератор Г4-102 работает в диапазоне 100 кГц —
50 МГц с амплитудной модуляцией. Используется для
настройки, регулировки и контроля радиоприемников
410
вещательного диапазона, измерения частотных и амп-
литудных характеристик различных устройств.
Из импульсных генераторов можно упомянуть о та-
ких, как Г5-1, Г5-8, Г5-15, которые вырабатывают пря-
моугольные импульсы положительной и отрицательной
полярности с регулировкой частоты повторения, дли-
тельности и амплитуды импульсов с возможностью
внешнего запуска,
25.13. ОСЦИЛЛОГРАФЫ
В процессе налаживания, регулировки и ремонта
радиоэлектронной аппаратуры часто с успехом исполь-
зуются электронные осциллографы. Осциллограф пред-
назначен для исследования формы электрических ко-
лебаний, то есть зависимости мгновенного значения
напряжения от времени. Приницип действия электрон-
ного осциллографа основан на том, что под воздейст-
вием развертки луч по экрану перемещается в горизон-
тальном направлении слева направо с постоянной ско-
ростью. Исследуемый сигнал, предварительно усилен-
ный входным усилителем осциллографа, поступает на
вертикально отклоняющие пластины электронно-луче-
вой трубки и перемещает луч в вертикальном направле-
нии. Если длительность периода развертки луча совпа-
дает с длительностью периода исследуемого сигнала
или кратна ей, на экране осциллографа получается ус-
тойчивое изображение, которое называется осцилло-
граммой исследуемого напряжения. Равенство или крат-
ность периода развертки периоду сигнала обеспечива-
ет система внутренней или внешней синхронизации ос-
циллографа.
Осциллограф подключается к исследуемому аппара-
ту либо двумя изолированными проводами, либо экра-
нированным проводом. Проверяя усилитель звуковой
частоты при малых уровнях сигнала, предпочтительнее
пользоваться экранированным проводом, избавляющим
от наводок. Исследуя каскады с импульсными сигнала-
ми, лучше пользоваться двумя изолированными прово-
дами, обладающими меньшей емкостью по сравнению
с экранированнььм проводом. Один провод или оплетка
экранированного провода присоединяется к шасси ис-
следуемого аппарата и к заземленному гнезду осцил-
411
лографа. Второй провод или центральная жила экрани-
рованного провода подключается к контрольной точке,
в которой нужно проверить осциллограмму, и к входу
усилителя вертикального отклонения осциллографа
«Вход У»,
После включения и прогрева осциллографа регуля-
торами яркости и фокусировки, расположенными на его
передней панели, устанавливают тонкую и четкую го-
ризонтальную линию развертки в середине экрана до-
статочной яркости. Затем подключают осциллограф к
исследуемой контрольной точке аппарата. Регулятором
вертикального усиления грубо и точно устанавливают
такой вертикальный размер картинки на экране, чтобы
он не превышал половины диаметра экрана. Регулято-
рами частоты развертки осциллографа грубо и плавно
добиваются получения на экране осциллографа осцил-
лограммы, неподвижность которой устанавливают ре-
гулятором синхронизации. Осциллограмма должна
быть однозначной, то есть мысленно проведенная вер-
тикальная линия в любом месте осциллограммы долж-
на ее пересекать только в одной точке. Если получает-
ся два или более пересечений, значит, частоту разверт-
ки осциллографа нужно уменьшить.
Полученную осциллограмму сравнивают с той, ко-
торая приведена на схеме проверяемого аппарата или
в его описании. Если она не соответствует необходи-
мой, по ее виду можно сделать вывод о причине ненор-
мальной работы контролируемого устройства. В радио-
приемниках осциллографом проверяются усилители
звуковой частоты. В телевизорах исследуются только
видеосигналы, импульсы синхронизации, напряжения
разверток при приеме нормального телевизионного сиг-
нала. Большинство осциллограмм, показанных на схе-
мах цветных телевизоров в блоках цветности, могут
быть получены только в том случае, если телевизор в
данный момент принимает сигнал «Цветные полосы»,
передаваемый телецентром или поданный на вход теле-
визора от специального генератора. Осциллограф позво-
ляет также измерять амплитуду и частоту колебаний,
оценить нелинейные искажения сигнала и проводить
другие измерения, указанные в его-инструкции.
Промышленностью выпускается несколько недоро-
гих электронных осциллографов, специально предназна-
ченных для радиолюбительской лаборатории. К ним от-
412
носятся осциллографы ЛО-70, Н313, ОМЛ-2-76, С1-94,
осциллограф, входящий в комплект «Сура».
В настоящее время в соответствии с принятым законом
об индивидуальной трудовой деятельности радиотех-
нические предприятия получили право продажи ко-
оперативам й частным лицам неиспользуемую ими из-
мерительную аппаратуру. Продается, конечно, устарев-
шая аппаратура, но она с успехом может быть исполь-
зована в радиолюбительской лаборатории. В числе та-
кой аппаратуры имеется большое количество универ-
сальных профессиональных осциллографов, папример,
С1-16, С1-19Б и других. Аппаратура обычно реализу-
ется частным лицам через сеть магазинов розничной
торговли «Сделай сам», «Умелые руки», «Юный тех-
ник», причем их цена оказывается достаточно низкой.
Наконец, в радиолюбительской литературе приводи-
лись многочисленные описания самодельных радиолю-
бительских осциллографов с самыми различными тех-
ническими характеристиками.
25.14. СПЕЦИАЛЬНЫЕ РАДИОИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ
ПРИБОРЫ
Промышленностью выпускается большое количество
радиоизмерительных приборов, которые отличаются
своим специальным назначением и рассчитаны на конк-
ретное применение для каких-то определенных целей.
Основное применение такие приборы получают в народ-
ном хозяйстве для измерения и контроля малосерий-
ной аппаратуры, в военной технике для измерения и
контроля системы управления ракетными комплексами
и радиолокационными системами и в других отраслях.
Существуют специальные радиоизмерительные приборы
и для регулировки, настройки и контроля бытовой ра-
диоаппаратуры, в частности, телевизионных прием-
ников.
В первую очередь необходимо отнести к таким при-
борам генераторы испытательных сигналов. К ним от-
носятся генераторы типа «Электроника ГИС-01ТМ» и
«Электроника ГИС-02Т».
Генератор ГИС-01ТМ формирует полный телевизи-
онный сигнал шести испытательных изображений: сет-
чатого, точечного, шахматного и белого полей, цент-
рального креста и вертикальных полос градаций ярко-
413
сти. В изображении шахматного поля часть черных
клеток заполнена вертикальными линиями сигнала ча-
стотой 5 МГц для проверки четкости изображения
вдоль строки. Выходной сигнал поступает на видеовы-
ход, а также модулирует внутренний генератор высо-
кой частоты, который работает на 4 или 5 телевизион-
ном частотном канале. Генератор позволяет контроли-
ровать линейность разверток телевизора, центровку
изображения на экране, чистоту цвета, регулировать
статическое и динамическое сведение лучей цветно-
го кинескопа и баланс белого. Имеется также возмож-
ность проверять прохождение сигнала через селекторы
каналов, УПЧИ, и видеоусилители черно-белых и цвет-
ных телевизоров, контролировать четкость изобра-
жения.
Генератор ГИС-02Т вырабатывает полный цветной
телевизионный сигнал по системе цветного телевидения
СЕКАМ, формируя 10 испытательных изображений:
белое, красное, синее, зеленое, шахматное и сетча-
тое поля; восемь вертикальных полос градаций ярко-
сти; восемь вертикальных цветных полос; восемь гори-
зонтальных цветных полос со стандартным чередованием
цвета (белый, желтый, голубой, зеленый, пурпур-
ный, красный, синий, черный); зеленая горизонтальная
полоса на темном экране. На изображении сетчатого
поля формируется метка центра растра. Помимо тех
функциональных возможностей, которые указаны для ге-
нератора типа ГИС-01ТМ, генератор ГИС-02Т позволяет
контролировать работу системы цветовой синхрониза-
ции, правильность матрицирования и настраивать диск-
риминаторы цветоразностных сигналов канала цветно-
сти. Оба генератора собраны полностью на микросхе-
мах.
Генераторы ГИС-01ТМ и ГИС02Т выпускаются
промышленностью в больших количествах и поступают
в. розничную продажу в магазины радиотоваров, а так-
же на базы Роспосылторга. Поэтому их можно заказать
по почте для высылки наложенным платежом.
К другой группе специальных приборов относятся ге-
нераторы качающейся частоты ГКЧ или, как их еще
называют, свип-генераторы. ГКЧ вырабатывает сину-
соидальные колебания постоянной амплитуды, частота
которых изменяется от минимальной до максимальной
по определенному закону, чаще всего по пилообразно-
414
му. Таким образом, каждому мгновенному значению
пилы соответствует определенная частота сигнала. Это
же пилообразное напряжение подается на горизонталь-
но-отклопяющие пластины осциллографической трубки,
образуя линию развертки, как в осциллографе. Выход-
ной изменяющийся но частоте сигнал с выхода ГКЧ по-
дается на вход радио- или телевизионного приемника
либо на вход любого из его узлов или каскадов. Вы-
носная детекторная головка ГКЧ содержит амплитуд-
ный детектор и подключается к выходу высокой или
промежуточной частоты приемника. Продетектирован-
ное головкой напряжение усиливается и поступает на
вертикально-отклоняющие пластины электронно-луче-
вой трубки.
В связи с тем, что каскады высокой и промежуточ-
ной частоты любого приемника являются частотно-из-
бирательными, их коэффициент усиления зависит от
частоты сигнала, поступающего на вход. Поэтому на
экране ГКЧ получается изображение частотной харак-
теристики того устройства, которое подключено между
выходом ГКЧ и детекторной головкой. ГКЧ позволяет
изменять вручную среднюю частоту частотно-модули-
рованного сигнала, перемещая осматриваемый диапа-
зон частот по горизонтали электронно-лучевой трубки.
Имеется также возможность вручную регулировать де-
виацию частоты, что позволяет сжимать или раздвигать
шкалу частот на экране трубки. Наконец, в состав ГКЧ
входит генератор кварцованных меток частоты обычно
через 10 и через 1 МГц. Такие метки, различающиеся
по амплитуде, высвечиваются на линии развертки и, та-
ким образом, градуируют ее. Прибор снабжен регуля-
тором амплитуды выходного сигнала, а также регуля-
тором усиления продетектированного напряжения и ре-
гулятором амплитуды частотных меток.
Использование ГКЧ позволяет производить настрой-
ку контуров всего приемника в комплексе, отдельно
каскадов УВЧ или УПЧ. Особенное удобство обеспечи-
вается при настройке с помощью ГКЧ широкополосных
усилителей, у которых широкая полоса пропускания
достигается взаимной расстройкой контуров, а резуль-
тирующая частотная характеристика должна иметь
вполне определенную форму, как это бывает в телеви-
зионных приемниках. Наблюдая на экране ГКЧ резуль-
тирующую частотную характеристику настраиваемого
415
устройства, видно влияние на ее форму подстройки
каждого контура, что позволяет выполнить настройку
контуров в кратчайшее время и с высоким качеством.
При отсутствии ГКЧ для проверки результирующей
частотной характеристики приходится снимать ее по
точкам, подавая на вход настраиваемого устройства
сигнал от генератора стандартного сигнала, устанавли-
вая поочередно около 10 значений частоты. Затем по-
лученные точки на графике соединяются кривой. Когда
такая характеристика оказывалась не соответствую-
щей норме, приходилось подстраивать какой-то контур,
не зная, как он повлияет на форму частотной характе-
ристики, и снова снимать ее по точкам. Такой процесс
настройки отнимал очень много времени, приходилось
снимать характеристику многократно и должной фор-
мы, в конце концов, добиться было крайне трудно.
Из промышленных ГКЧ наиболее широкую извест-
ность имеет прибор типа Х1-7А, предназначенный для
настройки контуров телевизионных приемников метро-
вого диапазона волн. Прибор имеет четыре диапазона
исследуемых частот: 0,4—15 МГц, 27—60 МГц, 55—
102 МГц, 174—232 МГц. Первый диапазон использует-
ся для настройки УПЧЗ и контроля частотной характе-
ристики видеоусилителя. Второй диапазон предназна-
чен для настройки контуров УПЧИ и УВЧ первого ча-
стотного канала. Третий и четвертый диапазоны—для
настройки контуров УВЧ остальных метровых каналов.
Выходное сопротивление ГКЧ составляет 75 Ом и
рассчитано на подключение при необходимости к ан-
тенному входу телевизора. Генератор частотных меток
вырабатывает их через 1 МГц, метки, кратные 10 МГц,
выделяются по амплитуде. Чувствительность канала
вертикального отклонения со входа детекторной голов-
ки не менее 0,15 мм/мВ. Питание прибора от сети пере-
менного тока напряжением 127 или 220 В. Габаритные
размеры 343X185X260 мм, диаметр рабочей части
экрана 55 мм, масса прибора 8 кг.
В связи с освоением дециметрового диапазона для
настройки контуров телевизионных приемников, в част-
ности дециметровых селекторов каналов СК-Д-1, СК-
Д-22 и других, ГКЧ типа Х1-7А был модернизирован
и получил наименование Х1-7Б. Высшая частота его
диапазона составляет 980 МГц.
Для настройка контуров телевизионных приемни-
416
ков метрового и дециметрового диапазонов пригоден
также ГКЧ типа Х1-19А с перекрытием частот от
500 кГц до 1000 МГц на пяти диапазонах.
В радиолюбительской литературе неоднократно так-
же приводились описания и принципиальные схемы са-
модельных Г1\Ч для настройки контуров телевизион-
ных приемников.
26. мастерская радиолюбителя
26.1. ПРАВИЛА ТЕХНИКИ БЕЗОПАСНОСТИ
Радиолюбитель в своей практической работе посто-
янно сталкивается с выполнением самых различных
операций, требующих тщательного выполнения правил
техники безопасности во избежание причинения себе
и окружающим травм или других вредных для здо-
ровья* воздействий. Особенная осторожность требуется
при выполнении механических работ и работ, связан-
ных с электричеством, легковоспламеняющимися и го-
рючими веществами, токсичными веществами, кислота-
ми и щелочами. Пренебрежение правилами техники без-
опасности может привести к кратковременным или стой-
ким нарушениям здоровья, травмам и даже смерти. За-
ранее предвидеть степень риска порой невозможно.
Поэтому рисковать ни в коем случае не следует, и перед
выполнением любой работы в первую очередь нужно
обдумать технологию ее исполнения, подготовить долж-
ным образом рабочее место, учесть возможные по-
следствия и обезопасить себя и окружающих от причи-
нения вреда.
Рабочее место должно быть всегда чистым, на нем
не должны находиться лишние предметы и инструмен-
ты, оно должно быть хорошо освещено. При выполне-
нии механических работ необходимо пользоваться ис-
правным инструментом. Напильники должны быть осна-
щены плотно насаженными ручками со стягивающими
кольцами. Ударные части молотков и зубил не должны
иметь сколов. Категорически запрещается самодельное
изготовление зубил или стамесок из напильников, ко-
торые выполнены из хрупкого материала и при ударах
ломаются, разлетаясь порой на мелкие осколки.
Ременные приводы сверлильных станков должны
иметь ограждение. При работе на сверлильных и токар-
417
ных станках на голову нужно обязательно надевать
берет, под который должны быть убраны волосы, во
избежание скальпирования. После закрепления обра-
батываемой детали в патроне токарного станка или
сверла в патроне сверлильного станка не забывайте
удалять из патрона ключ. Режущий инструмент должен
быть надежно закреплен на суппорте станка. При свер-
лении отверстий в детали не держите ее руками, помни-
те, что при выходе сверла оно часто застревает в дета-
ли, увлекает ее за собой, заставляя вращаться. Деталь
вырвется и повредит руки. Поэтому при сверлении де-
таль нужно либо закрепить, либо предотвратить ее вра-
щение упором и держать ее пассатижами. При работах
на токарном станке или точиле надевайте защитные оч-
ки. Стружку или опилки не снимайте руками, а поль-
зуйтесь специальной щеткой. Не разрешайте детям под-
ходить близко к работающим станкам, играть с «кра-
сивой» стружкой. Примите все необходимые меры, пре-
пятствующие детям включать станки, играть с режу-
щим или колющим инструментом. Если у вас есть ма-
ленькие дети, лучше всего запирать инструменты на
замок.
При получении царапин или порезов немедленно
промойте рану чистой водой с мылом для удаления из
нее опилок, грязи и масла, обработайте рану настойкой
йода или спиртом и наложите стерильную повязку,
Можно смазать рану фурапластом, который ее дезин-
фицирует и защитит пленкой. При обильных кровоте-
чениях наложите тугую повязку, при необходимости —
жгут и вызовите скорую медицинскую помощь.
Производя монтажные работы, аккуратно пользуй-
тесь кусачками во избежание поражения глаз отскаки-
вающими кусочками провода. Не производите припайку
выводов элементов или проводов встык или внакладку.
Концы припаиваемых проводов перед пайкой должны
быть надежно закреплены в соответствующем отвер-
стии. В противном случае при удалении паяльника ко-
нец незакрепленного провода может спружинить и
брызги припоя или флюса попадут в глаз. Пайка долж-
на производиться в хорошо проветриваемом помеще-
нии, так как пары флюсов и свинца, который содержит-
ся в припоях, токсичны.
Радиолюбителю часто приходится работать с раз-
личными химическими препаратами. Из числа раство-
418
рителей наименее токсичным является спирт, который
рекомендуется использовать для приготовления жидко-
го канифольного флюса, а также для промывания па-
ек от остатков канифоли. Пользоваться для этого дру-
гими растворителями, такими, как ацетон, бензол, толу-
ол, дихлорэтан ни в коем случае нельзя. При отсутст-
вии спирта можно пользоваться одеколоном или чистым
бензином для зажигалок. Автомобильный бензин при-
менять нельзя, так как многие его сорта содержат эти-
ловые соединения свинца и крайне ядовиты. Перечис-
ленные растворители часто используются при приго-
товлении клеев и лаков, содержатся в аэрозольных упа-
ковках красителей. Вдыхание паров этих растворителей
опасно. Ими можно пользоваться только при наличии
принудительной вентиляции или на открытом воздухе.
Большинство растворителей, особенно бензин, огне-
опасны. При их использовании поблизости не должно
быть открытого огня. Их пары также взрывоопасны.
Поэтому необходимо исключить возможность ценооб-
разования. Ни в коем случае нельзя курить. Многие
растворители воздействуют на организм не только че-
рез органы дыхания, но и через кожу, вызывая отрав-
ления. При отравлениях органическими растворителями
появляется головная боль, опьяняющее и оглушенное
состояние, нервное возбуждение, головокружение, а
при сильных отравлениях эти симптомы переходят в
нарушения дыхания, сердечной деятельности, пораже-
ния печени со смертельным исходом. При первых при-
знаках отравления необходим свежий воздух, вдыхание
кислорода. При нарушениях дыхания — искусственное
дыхание, скорая медицинская помощь. Холод противо-
показан, поэтому при проветривании нужно тепло одеть
пострадавшего, обложить его грелками.
Необходимо крайне осторожно использовать креп-
кие кислоты: серную, азотную, соляную, уксусную. По-
падание этих кислот на кожу приводит к тяжелым ожо-
гам. Необходимо немедленно промыть участок кожи,
на который попала кислота, обильным количеством про-
точной воды с последующим наложением повязки, про-
питанной насыщенным раствором питьевой соды. Гото-
вя раствор из концентрированной кислоты, необходимо
помнить, что в процессе растворения кислоты выделя-
ется большое количество тепла. Кислоту нужно вли-
вать в воду, а не наоборот, причем мелкими, порциями,
419
тонкой струей, непрерывно помешивая стеклянной па-
лочкой.
Нужно пользоваться специальной химической посу-
дой из тонкого стекла: толстое стекло из-за местного
нагрева может лопнуть. В крайнем случае можно поль-
зоваться эмалированной металлической посудой без
сколов эмали. При использовании стеклянной посуды
целесообразно для страховки держать ее над плоским
и широким металлическим сосудом во избежание рас-
текания жидкости, если лопнет стекло. Нужно также
проявлять осторожность при работе с едкими щелоча-
ми от попадания их на кожу.
Весьма опасна ртуть. Не допускается контакт ртути
с кожей, через которую ртуть проникает в организм,
вызывая тяжелые отравления. Ртуть даже при комнат-
ной температуре интенсивно испаряется, проникая в ор-
ганизм при дыхании в виде паров. Вообще не следует
хранить ртуть в жилище. При необходимости хранения
небольших количеств ртути она помещается в толсто-
стенный стеклянный сосуд, заливается холодной во-
дой и тщательно укупоривается с заливкой пробки рас-
плавленным парафином. Если случайно разбился ртут-
ный термометр, необходимо тщательно собрать все
мельчайшие капельки ртути, нс касаясь их руками.
Не допускается хранение больших количеств ртути в
стеклянной таре.
Некоторые телефонные кабели покрыты свинцовой
оболочкой. Работая с ними, нужно остерегаться отрав-
ления свинцом. После работы и перед приемом пищи
следует тщательно мыть руки.
Химические препараты необходимо хранить в за-
крытой таре, обязательно снабженной этикетками. На
таре с ядовитыми веществами обязательно должна
быть четкая надпись «Осторожно, яд!». Ни в коем слу-
чае нельзя хранить химреактивы вместе с пищевыми
продуктами.
Первая помощь при тепловых ожогах первой степе-
ни (легкое покраснение) состоит в немедленном охлаж-
дении места ожога под струей воды с последующим
смазыванием вазелином или каким-либо жирным кре-
мом. Если на месте ожога образовался волдырь (вто-
рая степень ожога) вскрывать его самостоятельно нель-
зя. Нужно наложить на ожог толстый слой линимента
синтомицина 10 %-ного, покрыть его куском пергамен-
420
та или полиэтиленовой пленки и забинтовать. Так же
поступают в случае ожогов третьей степени (открытая
рана с признаками обугливания). При обширных ожо-
гах второй степени и ожогах третьей степени после
оказания первой помощи нужно обратиться к врачу. Ес-
ли волдыри небольшие, синтомициновую повязку меня-
ют через 4--5 дней до полного заживления. При ис-
пользовании 1 %-ного линимента — через день.
Особую опасность для жизни человека представля-
ет поражение электрическим током. Прохождение через
тело человека электрического тока силой 100 мА явля-
ется смертельным. В связи с тем, что сила тока зависит
от сопротивления тела, попавшего под напряжение, а
это сопротивление изменяется в широких пределах в
зависимости от состояния кожной поверхности, ее
влажности и даже от нервного состояния организма,
опасным считается напряжение, превышающее 40 В.
Поэтому работа с электросетью должна производиться
при обесточенной проводке. Выключать сеть нужно и
перед работами по установке сетевых розеток, выклю-
чателей, люстр, а также при ремонте проводки. При
необходимости работы под током нужно использовать
резиновый коврик и резиновые электрозащитные пер-
чатки, не имеющие повреждений и прошедшие аттеста-
цию на безопасность. Работать следует одной рукой,
держа вторую за спиной. Одежда должна иметь рукава,
нельзя касаться заземленных элементов щита.
Работая с радиоаппаратурой, питание которой произ-
водится от сети переменного тока, необходимо макси-
мум операций выполнять при отключенной сети. Отклю-
чение нужно производить, вынув сетевую вилку из ро-
зетки электросети, а не повернув выключатель. Это
связано с тем, что в некоторых частях схемы (до вы-
ключателя) имеется сетевое напряжение, если выключа-
тель выключен, а вилка находится в розетке. Все пайки
также необходимо выполнять на обесточенной схеме, а
также на отключенной от аппарата антенне. Это свя-
зано с тем, что антенны, особенно телевизионные, обыч-
но заземлены, а при пробое обмотки паяльника на кор-
пус возникнет замыкание сети на землю.
Нельзя избежать операций, выполняемых под током,
когда нужно измерить режим ламп, транзисторов или
микросхем. При этом необходимо соблюдать следую-
щие правила. Щуп, которым измерительный прибор
421
подключается к контролируемой точке схемы, должен
быть хорошо изолирован от руки оператора. Не допу-
скается использование щупов с креплением централь-
ного проводника боковыми установочными винтами.
Вторая клемма измерительного прибора должна быть
соединена с шасси аппарата зажимом типа «крокодил».
Оператор при измерении режимов должен работать од-
ной рукой. Вторая рука не должна касаться шасси ап-
парата. Необходимо располагать рабочее место в поме-
щении так, чтобы совершенно исключить возможность
прикосновения к заземленным предметам (трубам во-
допровода, газопровода, центрального отопления). Це-
лесообразно подложить под ноги резиновый коврик, а
при работе в сырых помещениях с земляным, сырым де-
ревянным или каменным полом это требование явля-
ется обязательным.
Особую осторожность необходимо соблюдать, ре-
монтируя телевизор. Телевизионный приемник даже
при питании от батарей или аккумуляторов содержит
цепи высокого напряжения. К ним относится в первую
очередь цепь второго анода кинескопа, напряжение ко-
торой относительно шасси измеряется киловольтами,
Потенциал цепей фокусировки в цветных телевизорах
также равен нескольким киловольтам. Высокие напря-
жения цепей второго анода и фокусировки непосредст-
венной опасности для жизни не представляют, так как
мощность источников этих напряжений невелика. Од-
нако прикосновение к этим цепям может привести к
неожиданному удару или ожогу, отчего человек может
резко отдернуть руку или, потеряв равновесие, упасть.
Все это чревато получением травмы. При необходимости
прикосновения к указанным цепям нужно выключить
телевизор и выждать около минуты, пока емкости этих
цепей не разрядятся. Дополнительно нужно коснуться
их проводом, соединенным с шасси телевизора, чтобы
снять остаточный заряд. Замена ламп выходного кас-
када строчной развертки и высоковольтного кенотрона
также производится спустя минуту после выключения
телевизора.
Заменяя лампы, нужно остерегаться ожога, так как
баллоны некоторых ламп в процессе работы нагрева-
ются до температуры порядка 150 °C.
Если схема ремонтируемого аппарата содержит
микросхемы или полевые транзисторы, во избежание
422
их порчи статическими зарядами на руку оператора на-
девается металлический браслет, который заземляется
через резистор сопротивлением 1 МОм. Корпус паяль-
ника в этом случае также должен быть заземлен через
мегомиый резне гор.
Если человек попал иод ток и находится без созна-
ния, в первую очередь нужно отключить ток любым до-
ступным и безопасным способом, в крайнем случае от-
тащить пострадавшего за сухую одежду, не прикаса-
ясь к его телу. Затем, если он не дышит, приступить к
искусственному дыханию, одновременно вызвав скорую
медицинскую помощь. Искусственное дыхание лучше
всего производить изо рта в рот, сочетая его с прямым
массажем сердца. Делать это нужно непрерывно до
приезда врача, не ограничиваясь десятком минут, а да-
же в течение нескольких часов.
26.2. ОБОРУДОВАНИЕ, ИНСТРУМЕНТ, МАТЕРИАЛЫ
В процессе сборки, налаживания и ремонта различ-
ной радиоаппаратуры радиолюбителю приходится вы-
полнять комплекс механических, слесарных и электро-
монтажных работ. Это требует наличия соответствую-
щих оборудования и инструмента.
Прежде всего необходимо организовать свое посто-
янное рабочее место. Если для занятий радиолюбитель-
ской деятельностью нет специальной отдельной комна-
ты, рабочее место можно устроить в общей комнате или
в кухне, отведя для него какой-либо угол.
Рабочий стол должен быть достаточно прочным, не
шататься и по своим размерам таким, чтобы на нем было
удобно и свободно работать. В левой части стола к
столешнице крепятся небольшие слесарные тиски, а за
ними, ближе к стене — сверлильный станочек. Вместо
него можно установить кронштейн от фотоувеличителя,
закрепив на подвижной части небольшую ручную элек-
тродрель. Такое устройство вполне может заменить
сверлильный станок для сверления отверстий диамет-
ром до 3 мм. В правой части стола у стены устанавли-
вается универсальный источник питания, а на стене в
середине стола — несколько сетевых розеток для под-
ключения различных приборов. Если оснастить стол пол-
кой, приподнятой над столом на 500 мм, на ней можно
разместить некоторые имеющиеся в распоряжении ра-
423
диолюбителя приборы. Целесообразно также устано-
вить на стене над столом электрощит с пакетным вы-,
ключателем, регулируемым автотрансформатором типа
ЛАТР и вольтметром выходного напряжения. В этом
случае сетевые розетки устанавливаются на щите.
Часть из них подключается непосредственно к сети пос
ле пакетного выключателя, а другая часть — после аь
тотрансформатора.
Стол должен иметь с правой стороны несколько
ящиков. В верхнем ящике располагаются небольшие
слесарные и монтажные инструменты, под ним — ра-
диоэлементы, в следующем ящике — крепежные детали,
в нижнем ящике — монтажные провода, обмоточные
провода, конструкционные материалы. Для размещения
более крупного инструмента на правой стене крепится
доска с вбитыми гвоздями, на которые можно повесить
ножовку, слесарные или хирургические ножницы, мо-
лотки. Столешница покрывается изоляционным мате-
риалом— листом гетинакса, резины или линолеума.
Из оснащения слесарным инструментом в первую
очередь нужно обратить внимание на набор различных
отверток, как с плоским жалом, так и с крестообраз-
ным. Для мелких винтов оказываются удобными либо
часовые отвертки, либо небольшие отвертки, входящие
обычно в комплект готовален. При использовании ча-
совых отверток нужно помнить, что они имеют метал-
лическую ручку и пользоваться ими ни в коем случае
нельзя, если аппарат находится под током. Для отво-
рачивания мелких винтов в глубине монтажа необхо-
дима отвертка с длинным лезвием порядка 250 мм и
шириной жала 5...6 мм. Для отворачивания крупных
винтов, имеющих резьбу М5...М6< понадобится отвертка
с шириной жала 10...12 мм с толстым лезвием и ручкой
диаметром 30...40 мм.
Необходимо иметь еще несколько отверток с проме-
жуточными значениями ширины жала и различной дли-
ны. Отвертки должны быть изготовлены из достаточно
твердой, но не хрупкой стали. Жало отвертки должно
быть тупым, а его толщина — соответствовать ширине
шлица в головке винта, чтобы жало входило в шлиц
плотно, без зазора. При отворачивании винтов, имею-
щих потайную головку, необходимо пользоваться от-
верткой, ширина жала которой равна диаметру голов-
ки винта. Боковые поверхности жала отвертки должны
424
быть возможно более параллельными: клинообразностк
жала не обеспечивает плотного соединения его со шли-
цом винта и приводит к срыванию шлица. Отвертками
с погнутым, зазубренным или сколотым жалом пользо-
ваться нельзя. Такие отвертки срывают шлицы шипов,
после чего отвернуть винт оказывается иногда невоз-
можно.
Для того чтобы иметь возможность отвернуть лю-
бую гайку, требуется набор гаечных ключей с размера-
ми под ключ от 6 до Г4 мм. Рабочие поверхности клю-
чей должны быть параллельны во избежание срыва
граней гайки. Отворачивать гайки плоскогубцами или
пассатижами не рекомендуется, так как это приводит
к порче гаек. Иногда оказывается удобным пользовать-
ся торцовыми гаечными ключами. Часто во избежание
самоотвертывания концы винтов, выступающие из га-
ек, закрашены краской. Для отворачивания таких сое-
динений необходимо предварительно прожечь краску
паяльником, после чего процесс отворачивания выпол-
няется легко. Если винтовое соединение проржавело,
его прогрев паяльником также облегчает отворачива-
ние. В этом случае можно также рекомендовать нане-
сение на резьбу капли керосина или машинного масла.
Плоскогубцы и круглогубцы бывают необходимы
для формования выводов радиодеталей перед их уста-
новкой на монтажную плату, а также для изгиба жест-
ких монтажных проводов под прямым углом или с за-
круглением изгиба. Плоскогубцами также пользуются
для выпрямления одножильного монтажного провода
путем вытягивания, для закрепления или демонтажа
трансфоматоров или дросселей, которые крепятся к
шасси загибом или поворотом крепежных лапок. Для
работ, требующих значительных механических усилий,
используются пассатижи.
Кусачки-бокорезы применяются для откусывания
монтажных проводов и излишних выводов радиодета-
лей, для откусывания хлопчатобумажных, шелковых
или синтетических ниток, которыми обмотаны монтаж-
ные провода под полихлорвиниловой оболочкой. Режу-
щие кромки бокорезов должны быть острыми и плотно
сходиться. Во избежание притупления режущих кромок
бокорезами нельзя откусывать стальные провода, пы-
таться использовать их при отворачивании тугих вин-
тов. Для откусывания стальных проводов и медного
425
провода диаметром более 1,5 мм используется специ-
альный пропил на боковой поверхности пассатижей.
Широко используется при монтажных работах ме-
дицинский пинцет длиной 150 мм для удерживания
радиодеталей во время пайки или их выпаивания, для
придерживания монтажных проводов во время пайки,
для рихтовки монтажа (выравнивания и обеспечения
нужного расстояния между деталями) после выполне-
ния монтажных работ. Для доступа к деталям в глуби-
не монтажа полезно также иметь медицинский пинцет
длиной 250 мм.
Обычные хозяйственные ножницы с длиной режу-
щих кромок 70 мм используются для резки бумаги и
лакоткани при намотке трансформаторов или дроссе-
лей низкой частоты или при изготовлении других про-
кладок из бумаги, прессшпана, лакоткани, полиэтилено-
вой пленки. Для резки тонкого гетинакса или текстоли-
та, тонкой листовой меди или латуни, а также алюми-
ния или жести удобно использовать хирургические нож-
ницы с длиной режущих кромок 30 мм.
Необходимо иметь по крайней мере два молотка:
один массой 100 г для расклепывания заклепок, рих-
товки металлических полос, накернивания металла под
сверление небольших отверстий, другой — массой 400 г
для работы с зубилом, ковки жала отверток перед их
заточкой, накернивания металла перед сверлением
больших отверстий.
Для того чтобы иметь возможность просверлить от-
верстие или высверлить сломанный винт, нужно иметь
ручную или электрическую дрель с патроном под свер-
ла диаметром до 6 мм и набор разных сверл. Кроме то-
го, всегда пригодятся небольшие слесарные тиски с
длиной губок 100...120 мм. Наконец, требуются такие
инструменты, как драчевые и личные плоские напиль-
ники, круглые и трехгранные напильники, набор над-
филей, кернер, зубило, наборы метчиков и плашек с
воротками. Из слесарных материалов нужны полотня-
ная шкурка, машинное масло, технический вазелин или
смазка марки ЦИАТИМ-221.
Монтаж радиоаппаратуры выполняется исключи-
тельно при помощи пайки, так как электрические соеди-
нения, выполненные обычной скруткой или зажимом
под винт, оказываются ненадежными и из-за окисления
контактирующих поверхностей быстро нарушаются.
426
Поэтому для выполнения пайки необходимо иметь
электрический паяльник мощностью 40 Вт. Жало па-
яльника надо содержать в чистоте, остро заточенным и
залуженным. По мере износа жало следует затачивать
в холодном состоянии напильником с последующим за-
луживанием оловянным припоем с применением кани-
фольного флюса. Для припайки толстых проводов пона-
добится более мощный паяльник мощностью 90 Вт.
Для .монтажа и демонтажа микросхем нужен еще один
паяльник мощностью 40 Вт, у которого керн спилива-
ется до диаметра 4 мм на длину 40...50 мм, а жало за-
тачивается под углом 30° и залуживается.
Для выполнения монтажных работ нужно иметь раз-
личные материалы, в первую очередь припой. Наилуч-
шим припоем считается ПОС-61, который дает блестя-
щую и ровную поверхность пайки и требует сравни-
тельно низкой температуры при пайке. При монтаже
микросхем необходим именно такой припой. Для монта-
жа других элементов годится припой ПОС-40. В качест-
ве флюса используется исключительно канифоль в
твердом или растворенном виде. Жидкий флюс приго-
тавливается путем растворения толченой канифоли в
спирте. Для этого засыпают толченую канифоль в какой-
либо сосуд до половины его объема и заливают доверху
спиртом крепостью не менее 70 % (можно использовать
денатурат). Затем в течение нескольких дней происхо-
дит растворение канифоли. Для этого время от време-
ни раствор взбалтывают и нагревают сосуд, помещая
его в горячую воду. После отстоя жидкий и прозрачный
раствор канифоли сливают и используют в качестве
флюса при пайке. Такой флюс обеспечивает получение
чистых паек практически без остатков канифоли.
Для пайки стальных изделий нужен кислотный
флюс, который приготавливают путем растворения ме-
таллического цинка в соляной кислоте. Из цинка изго-
товлены стаканчики сухих гальванических элементов и
их после разряда можно использовать для приготовле-
ния флюса, который обычно называют травленой кис-
лотой. Следует помнить, что использовать кислотный
флюс для монтажа радиоаппаратуры ни в коем случае
нельзя, а паяльник, которым пользовались для пайки
стальных изделий с помощью кислотного флюса, нуж-
но обязательно подвергнуть нейтрализации, промыв
жало в растворе питьевой соды.
427
Из других материалов в процессе ремонта радиоап-
паратуры необходим этиловый (винный) спирт или де-
натурат для промывки паек после монтажа, Можно
пользоваться медицинским спиртом, хотя он обычно
имеет крепость не более 70 %. Не следует пользовать-
ся салициловым или борным спиртом, которые после
высыхания оставляют на монтаже белый налет. При
отсутствии спирта можно применить чистый бензин для
зажигалок, помня о чрезвычайной огнеопасности его
паров. Необходим также ацетон для растворения раз-
личных лаков и их разжижения, дихлорэтан для раст-
ворения полистироловых деталей, эпоксидный клей для
склейки различных деталей из металла, керамики или
пластмасс, очищенный бензин марки «Галоша» или
предназначенный для заправки зажигалок, который ис-
пользуется для удаления замасленной пыли с поверх-
ности деталей и узлов радиоаппаратуры.
Наконец, нужны монтажные провода различных ма-
рок и сечений в полихлорвиниловой изоляции различ-
ных цветов, а также обмоточный провод марки ПЭЛ
или ПЭВ различных диаметров для перемотки транс-
форматоров, дросселей и катушек индуктивности. Всег-
да может пригодиться кусок листового гетинакса или
текстолита, полихлорвипиловая трубка различных се-
чений. Иногда может понадобиться клей ВФ и клей
88-Н, который используется для приклейки резины к
металлу.
26.3. РАДИОЭЛЕМЕНТЫ
Радиоэлементами называются такие изделия, которые
входят в состав радиоэлектронной аппаратуры. К ним
относятся резисторы, конденсаторы, катушки индуктив-
ности, диоды, транзисторы, микросхемы, радиолампы,
электромагнитные реле и другие. От того, как хранятся
у радиолюбителя эти элементы, зависит удобство ихг ис-
пользования. Поэтому хранить их нужно в строгом по-
рядке, чтобы можно было быстро найти нужный элемент.
Из постоянных резисторов наиболее часто использу-
ются резисторы типа МЛТ мощностью 0,125; 0,25 й
0,5 Вт. Реже — резисторы мощностью 1 и 2 Вт. Каждый
разряд резисторов этого типа содержит 24 номинала с
двумя значащими цифрами.
Каждый номинал удобно хранить отдельно в спичеч-
428
ных коробках. В одной коробке можно держать резисто-
ры разной мощности, так как отличать их легко по раз-
мерам. Таким образом, всего понадобится 144 коробки.
Их нужно склеить по 12 в столбик, тогда два соседних
столбика образуют один разряд номиналов. Столбики
склеиваются один с другим и снаружи оклеиваются плот-
ной бумагой. Получается удобная касса, на ящичках
которой надписываются номиналы резисторов. В первом
ящичке можно держать вместе резисторы сопротивлени-
ем 10 и И Ом, используются они редко. Современные
картонные спичечные коробочки достаточно прочны и мо-
гут служить годами. Порвавшиеся легко заменять но-
выми.
Такая же касса может быть изготовлена для хране-
ния малогабаритных конденсаторов типа КТ, КД, КМ и
других. Такую же кассу можно сделать и для хранения
крепежа — винтов, гаек и шайб диаметром до 4 мм и
длиной винтов до 40 мм. При этом можно рассортировать
отдельно винты, гайки и шайбы, отдельно крепеж сталь-
ной и из цветных металлов, отдельно винты с разными
видами головок. При таком порядке хранения радиоэле-
ментов и крепежа можно моментально найти то, что
вдруг потребовалось, а не рыться в куче деталей, как
это делают некоторые.
Аналогичные кассы делают для хранения диодов,
транзисторов и микросхем. Нет необходимости сразу по-
купать тысячи коробок спичек. В хозяйстве в течение
месяца обычно расходуется около 10 коробок спичек.
Если не выбрасывать использованные, довольно быстро
можно накопить нужное их количество.
Более крупные элементы хранятся в различных ко-
робках более крупного размера. В фотомагазинах часто
бывают в продаже пластмассовые кассы для слайдов,
которые также удобно использовать для хранения мощ-
ных транзисторов, переменных резисторов, конденсато-
ров типа МБМ, БМ-2 и других. Радиолампы удобно хра-
нить в фабричных укладках — коробках, разделенных на
отсеки.
Разные переключатели, конденсаторы переменной ем-
кости, реле и другие элементы можно хранить в обувных
коробках, сделанных из плотного картона. В таких же
коробках удобно держать катушки с обмоточным прово-
дом и монтажные провода, свернутые в небольшие бух-
точки раздельно по цвету.
429
Аккуратное хранение радиоэлементов и других дета-
лей является залогом их исправности, а также позволя-
ет быстро их находить. Неисправные элементы нужно
сразу выбрасывать.
26.4. МЕХАНИЧЕСКИЕ РАБОТЫ
Радиолюбителю часто приходится выполнять самые
различные механические работы, к которым относятся
резка металла, гибка, пробивка разных отверстий, наре-
зание резьбы и другие.
В промышленной аппаратуре шасси и корпуса прибо-
ров выполняются из стального листа штамповкой с по-
следующими травлением для снятия окалины и гальва-
ническим покрытием, которое предохраняет поверхность
от коррозии. Обычно используются цинкование, кадми-
рование или лужение. В домашних условиях выполнить
гальваническое покрытие достаточно трудно, а без по-
крытия стальные изделия быстро покрываются ржавчи-
ной. Поэтому шасси и корпуса аппаратуры удобнее де-
лать из листового алюминия или его сплавов. Чистый
алюминий слишком мягок, легко гнется, а на его поверх-
ности при малейшем механическом воздействии обра-
зуются выбоины. Поэтому чаще используется дюралю-
миний— алюминиевый сплав, содержащий 3...5 % меди,
до 2,4 % магния и до 1 % марганца. Наибольшее рас-
пространение получил листовой дюралюминий марки
Д16-А, который выпускается в двух модификациях Д16-
АМ и Д 16-АТ — мягкий и твердый.
Дюралюминий легко обрабатывается: режется но-
жовкой, при толщине листа до 1 мм режется слесарными
или хирургическими ножницами, не забивает напильни-
ков, не затупляет сверл, в нем легко нарезается резьба.
Сплав Д16-АМ сравнительно легко подвергается гибке,
особенно по направлению проката. Дюралюминий марки
Д16-АТ легко отличить благодаря тому, что при попытке
изгиба он обнаруживает упругость и повышенное сопро-
тивление. Поэтому перед гибкой листа, выполненного из
этой марки дюралюминия, его необходимо отжечь, ина-
че при попытке изогнуть он треснет. Отжиг производится
при температуре \360...380 °C. Заготовку нужно выдер-
жать несколько минут, а затем медленно охладить на
воздухе. После отжига дюралюминий можно изгибать,
не опасаясь появления трещин по линии сгиба, лучше
всего все-таки по направлению проката.
430
При необходимости дюралюминий можно снова за-
калить. Для этого изделие вновь нагревают до той же
температуры, выдерживают и быстро охлаждают по-
гружением в воду до полного остывания. После такой за-
калки материал остается еще мягким и становится твер-
дым и хрупким только через несколько суток.
Листовая медь или медная трубка также могут быть
мягкими или твердыми. Для того чтобы сделать медь
мягкой, ее также можно отжечь. Однако медь отличает-
ся тем, что для отжига после нагревания до 600 °C ее
нужно быстро охладить погружением в воду, а для за-
калки после нагрева до 400 °C охладить на воздухе. Ла-
тунь для отжига нагревают до 500 °C и медленно осту-
жают на воздухе.
Для изгиба листовой заготовки по прямой линии ис-
пользуют два стальных уголка размером 40X40 мм, меж-
ду которыми помещается заготовка так, чтобы линия из-
гиба совпадала с ребрами уголков. Уголки по краям
зажимают двумя парами тисков. Затем к выступающей
части заготовки прикладывают ровную доску или кусок
толстой фанеры и, нажимая, производят изгиб. Если из-
гибу подлежит материал толще 1 мм, ребро того уголка,
в сторону которого будет гнуться заготовка, нужно нем-
ного завалить напильником, сняв фаску примерно на
0,5 мм. Если в распоряжении радиолюбителя имеются
только одни тиски, уголки с заготовкой зажимаются в
середине, а края уголков стягивают струбцинками или
болтами с гайками Мб, для чего нужно в уголках про-
сверлить отверстия.
При необходимости согнуть металлическую трубку ее
набивают сухим песком, торцы затыкают плотными проб-
ками и производят изгиб по оправке круглого сечения,
диаметр которой выбирается соответственно радиусу из-
гиба. Перед изгибом при необходимости трубку можно
отжечь.
Из изоляционных листовых материалов часто исполь-
зуются гетинакс и текстолит, а также оргстекло. Из них
выполняются различные планки с контактами или дета-
ли конструкции. Эти материалы хорошо режутся ножов-
кой или резаком по металлической линейке. Резак изго-
товляется из куска ножовочного полотна заточкой на
точиле. Резаком в заготовке делается канавка на глу-
бину не менее половины толщины материала, после чего
по канавке производится излом с последующей опилов-
431
кой напильником. Такой способ резки более производи-
телен, чем резка ножовкой.
Оргстекло легко подвергается гибке, если его про-
греть до 130...150 °C. Это можно сделать на газовой пли-
те, накрыв пламя листом металла, так как при воздей-
ствии прямого огня происходит местный перегрев. Йз
листового оргстекла радиолюбители иногда выполняют
передние панели самодельных приборов, подкладывая
под них лист ватмана или фотобумаги с необходимыми
надписями.
Детали из алюминия и его сплавов можно подверг-
нуть декоративной обработке, отшлифовав шкуркой и
протравив в растворе едкого натра. После этого их надо
промыть проточной водой. Поверхность детали приобре-
тает белый перламутровый цвет.
Металлические поверхности корпусов приборов мож-
но окрасить нитроэмалью в аэрозольной упаковке. Для
этого предварительно поверхность шлифуется для уда-
ления царапин и покрывается грунтом. После сушки при
комнатной температуре в течение двух суток загрунто-
ванную поверхность вновь шлифуют мелкой шкуркой и
окрашивают в несколько тонких слоев нитроэмалью.
Каждый слой просушивается в течение 2...3 ч.
Одним из видов механической обработки является
сверление отверстий. Разметка производится чертилкой,
а если наличие царапин нежелательно — острозаточсн-
ным карандашом. Во избежание увода сверла места бу-
дущих отверстий накернивают. После сверления отвер-
стия зенкуют для снятия заусенцев на небольшую глу-
бину зенковкой или сверлом, диаметр которого берется
вдвое больше диаметра отверстия.
Если необходима резьба, она нарезается метчиками.
Диаметр отверстия под будущую резьбу должен быть на
20 % меньше размера резьбы. Так, под резьбу М3 свер-
лятся отверстия диаметром 2,4 мм, под резьбу М4 — от-
верстия диаметром 3,2 мм. Для каждого размера резь-
бы имеется два или три метчика. Для чернового нарезания
используется метчик № 1, помеченный одной кольцевой
риской. Затем делается второй проход метчиком с дву-
мя рисками и чистовой проход метчиком с тремя риска-
ми. При каждом проходе метчик с помощью воротка
поворачивается по часовой стрелке на пол-оборота, а
затем для удаления стружки — против часовой стрелки
на четверть оборота. Так делается проход на всю длину
432
метчика. Во время нарезания резьбы метчик обильно
смазывается машинным маслом. Наружная резьба на
шпильках или винтах нарезается плашками также по-
степенно — пол-оборота по часовой стрелке и четверть
оборота против нес с использованием машинного масла.
Часто может потребоваться склеивание различных де-
талей. В зависимости от используемых материалов при-
меняются различные клеи. Для изготовления каркасов
катушек или трансформаторов из бумаги, картона или
прессшпана применяют канцелярский казеиновый клей.
Для склейки резины используют готовый резиновый
клей. Перед склеиванием детали нужно зашероховать
рашпилем или грубой шкуркой и обезжирить чистым
бензином. Затем на обе склеиваемые поверхности нано-
сят тонкий слой клея и дают ему просохнуть несколько
минут, пока клей не перестанет прилипать к пальцу. Пос-
ле этого склеиваемые поверхности прижимают одну к
другой на несколько секунд. Таким же способом исполь-
зуется клей «Момент-1», который является универсаль-
ным и склеивает не только резину, но и дерево, вини-
пласт, кожу, войлок, металл, стекло и фарфор.
Клеи БФ-2 и БФ-4 используют для склеивания метал-
лов, дерева, пластмасс, керамики, кожи. БФ-2 является
теплостойким, а БФ-4 — морозостойким. Склеиваемые
поверхности должны хорошо прилегать одна к другой
без зазора, тщательно очищены от окислов и обезжире-
ны ацетоном. Клей наносят кистью тонким слоем на обе
поверхности и дают ему высохнуть около часа. Затем на-
носят второй слой клея, дают ему подсохнуть 10... 15 мин,
после чего склеиваемые детали плотно прижимают одна
к другой струбцинкой или стягивают проводом и по-
мещают в духовку с температурой 120...140 °C на 2 ч.
Если детали не могут подвергаться нагреву, сушка про-
изводится при комнатной температуре в течение двух
суток.
Клей 88-Н применяется для приклеивания резины к
металлу. Поверхности резины и металла должны быть
очищены и обезжирены бензином. На резину наносится
слой клея и сушится около 5 мин. Затем наносится вто-
рой слой клея и слой клея на металл. После сушки ре-
зину прижимают к металлу и в прижатом состоянии су-
шат в течение суток.
Универсальный эпоксидный клей ЭДП применяется
для склеивания металлов, древесины, стекла, керамики и
15-2085
433
других твердых материалов. Клей продается в виде двух
упаковок, одна из которых содержит эпоксидную плас-
тифицированную смолу, а вторая — отвердитель. Раз-
дельно эти упаковки могут храниться неограниченное
время. Для приготовления клея берется 10 объемных
частей смолы и 1 часть отвердителя и тщательно пере-
мешиваются. Подготовленные чистые поверхности обез-
жириваются ацетоном, на них наносится клей я детали
соединяются. Выдавленные излишки клея можно уда-
лить. Если же они не мешают, лучше их оставить, при
этом шов будет прочнее. Клей полимеризуется в течение
нескольких часов, но окончательное отвердение при ком-
натной температуре происходит за сутки. На холоде
требуется значительно большее время. Приготовленный
клей должен быть использован не позже 20 мин после
смешивания смолы с отвердителем. Не следует допускать
попадания клея на кожу, а попавший клей нужно немед-
ленно смыть теплой водой с мылом во избежание раз-
дражения.
Эпоксидный клей ЭДП может использоваться для
изготовления различных деталей из пластмасс. Для этого
необходимо изготовить модель из любого материала,
смочить ее водой и вдавить в размятый кусок пластили-
на. После удаления модели в куске пластилина образу-
ется литьевая форма, в которую заливается приготов-
ленный эпоксидный клей. После затвердевания пласти-
лин удаляется, готовое изделие промывается от остат-
ков пластилина щеткой с мылом и при необходимости
подвергается механической обработке. Если форма име-
ет гладкую поверхность, соответствующая ей поверхность
детали в обработке не нуждается. Детали из эпоксид-
ной смолы хорошо обрабатываются напильниками, шли-
фуются, полируются и сверлятся обычным инструментом',
26.5. МОНТАЖНЫЕ РАБОТЫ
- Монтаж радиоэлектронных устройств производится
одним из двух известных способов: навесным или печат-
ным. В обоих случаях монтажу предшествует составле-
ние монтажной схемы.
При навесном монтаже крупные детали аппарата, та-
кие как ламповые панели, трансформаторы, катушки ин-
дуктивности с экранами, электролитические конденсато-
ры, устанавливаются на шасси, а мелкие элементы —
434
резисторы, конденсаторы и диоды — на монтажных план-
ках, изготовленных из гетинакса, текстолита или пласти-
ка с металлическими контактами.
При соеIав.нч11111 монтажной схемы на бумаге в мас-
штабе 1:1 размещаю[ изображения крупных деталей та-
ким обраюм, чюбы ну in прохождения сигнала были
минимальной члнны, а вход и выход располагались в
противоположных концах шасси. Затем намечают разме-
щение реиц-юров и конденсаторов с диодами, часть ко-
торых може'1 помещаться на монтажных планках, а дру-
гая - непосредственно припаиваться к лепесткам лампо-
вых панелей. Особенно зто касается разделительных кон-
денсаюров, резисторов анодных нагрузок и утечек це-
пей сеюк, чюбы не увеличивать паразитные емкости
анодных п сеточных цепей за счет соединительных про-
водов.
Наконец, соединительные проводники размечают
цветными карандашами в соответствии с имеющейся рас-
цветкой монтажного провода. Все это делается согласно
принципиальной схеме аппарата. Цепи анодного питания
целесообразно монтировать проводниками красного цве-
та, цепи отрицательного смещения — синего цвета, за-
земленные проводники — белого цвета. Цепи входного
сигнала усилителей звуковой частоты, идущие к регу-
ляторам громкости и тембра, выполняются экранирован-
ным проводом, оплетки которого соединяются с шасси с
обеих сторон.
В современной аппаратуре используется печатный
монтаж, при котором большинство соединительных про-
водников заменяется участками фольги на плате, выпол-
ненной из фольгированного гетинакса или стеклотексто-
лита. На этой же плате на соответствующих контактных
площадках устанавливаются остальные элементы схе-
мы — резисторы, конденсаторы, диоды, транзисторы и
микросхемы. Порой все элементы монтируемого аппара-
та не удается разместить на одной печатной плате. Тог-
да схему аппарата делят на блоки, каждый из которых
размещается на отдельной плате.
Составление монтажной схемы печатной платы сос-
тоит в размещении на ней элементов схемы и соедини-
тельных проводников, которые не должны пересекаться.
При пересечениях приходится один из проводников
прерывать и устанавливать перемычку из монтажно-
го провода. Изготовление таких перемычек и их уста-
15*
435
ловка в промышленности увеличивают трудоемкость
изготовления платы,что при массовом производстве при-
водит к значительному удорожанию платы. Поэтому кон-
структор платы вынужден затрачивать много времени
для поиска оптимального размещения элементов в це-
лях получения минимального количества пересечений
проводников. В последнее время такую работу выполня-
ют даже с применением ЭВМ. Радиолюбителю при про-
ектировании единичного образца нет никакого смысла
тратить время на то, чтобы добиться оптимального мон-
тажа с точки зрения минимума пересечений. Наоборот,
нужно стремиться к получению соединительнььх провод-
ников минимальной длины, не смущаясь необходимостью
установки проволочных перемычек.
Печатные платы бывают односторонними или дву-
сторонними. У односторонних плат элементы схемы раз-
мещаются на той стороне, на которой фольга отсутству-
ет, их выводы пропускаются в отверстия платы и при-
паиваются к фольгированным проводникам. При дву-
стороннем монтаже фольгированные проводники поме-
щаются с обеих сторон платы. Это избавляет от
необходимости установки проволочных перемычек, но
приходится устанавливать небольшие отрезки провода
для соединения проводников, расположенных с разных
сторон платы. Поэтому двусторонние платы используют-
ся радиолюбителями редко.
Разместив на бумаге элементы схемы и наметив рас-
положение печатных проводников, переносят рисунок
проводников на плату. Наибольшей прочностью и надеж-
ностью обладают платы из фольгированного стеклотек-,
столита. Фольгированный гетинакс подвержен коробле-
нию при нагреве, в результате которого могут обрывать-
ся печатные проводники. Однако платы небольших раз-
меров можно выполнять и из фольгированного гетинакса.
Перед нанесением рисунка печатных проводников на
фольгу платы она зачищается мелкой шкуркой. Рисунок
проводников переносится на фольгу с помощью копиро-
вальной бумаги. В местах будущих отверстий под выво-
ды элементов схемы рисуются кружки. После этого нуж-
но просверлить отверстия сверлом диаметром 0,8 мм.
Сверление производится со стороны фольги.
Следующий этап — нанесение на плату защитного
слоя в тех местах, где должны остаться фольгированные
проводники. Защитный слой наносится нитроэмалью лю-
436
бого цвета, разведенной растворителем, с помощью обыч-
ного рейсфедера или кисточки (на, больших поверхно-
стях). Всегда целесообразнее заполнять защитным слоем
как можно большую поверхность платы за счет тех про-
водников, которые будут являться общим проводом и
проводниками питания. Вокруг отверстий наносятся кру-
жочки для создания контактных площадок, к которым
будут припаяны выводы элементов схемы.
При отсутствии нитроэмали защитное покрытие мож-
но наносить лаком для ногтей, эмалитом или тушью
«Кальмар». После того как краска подсохнет, произво-
дится травление платы в растворе хлорного железа.
Хлорное железо можно приготовит^ самостоятельно. Для
этого нужно к 25 объемным частям 9 %-ного раствора
соляной кислоты добавить одну объемную часть желез-
ных опилок и оставить на несколько дней в открытом
стеклянном сосуде. По окончании реакции цвет раст-
вора становится светло-зеленым, еще через 5—6 дней
становится желто-бурым. Этот раствор и можно исполь-
зовать для травления. При наличии порошка хлор-
ного железа 150 г порошка растворяют в 200 мл теплой
воды.
Травление производят в плоской посуде. Пригодны
для этого фотованночки. Нужно лишь иметь в виду, что
на стенках ванночки остается трудноудалимый осадок.
Поэтому такую ванночку в дальнейшем следует исполь-
зовать только для травления плат. Во время травления
ванночку необходимо периодически покачивать. Некото-
рые радиолюбители используют для этого микроэлектро-
двигатель с редуктором и эксцентриком. При постоянном
покачивании процесс травления длится примерно около
получаса, пока вся незащищенная фольга не растворит-
ся. После этого плату извлекают из раствора и промы-
вают в проточной воде в течение 15 мин. Затем защит-
ный слой смывают ацетоном, смазывают плату жидким
кани рольным флюсом и лудят печатные проводники
сплавом Розе (можно использовать припой ПОС-61).
Остатки канифоли смывают спиртом, после чего плата
готова для монтажа.
Существуют и другие способы изготовления печатной
платы. Один из них состоит просто в механическом уда-
лении резаком или острым ножом излишков фольги пос-
ле сверления соответствующих отверстий.
Изготовление радиоаппаратуры методами печатного
437
монтажа в условиях массового производства помимо по-
вышения производительности труда и снижения себе-
стоимости приводит к резкому повышению качества ап«
паратуры и ее надежности. Это объясняется максималь-
ной жесткостью и стабильностью монтажа, благодаря ко-
торым изменения электрических параметров проводников
(паразитные емкости и индуктивности) из-за изменений
взаимного расположения элементов в процессе транспор-
тировки и ремонта оказываются невозможными. Кроме
того, печатный монтаж гарантирует от ошибок, которые
неизбежны при монтаже вручную. Благодаря этому в на-
стоящее время печатный монтаж используется повсемест-
но и практически полностью вытеснил навесной монтаж,
при котором элементы схемы соединяются один с другим
монтажными проводами.
Ремонт радиоаппаратуры, выполненный методами пе-
чатного монтажа, требует более высокой культуры, так
как при незнании основных приемов работы с печатными
проводниками их легко можно повредить. Перед выпол-
нением пайки печатная плата обязательно должна быть
обесточена либо изъятием из телевизора, если она снаб-
жена штепсельным разъемом, либо выключением теле-
визора, для чего нужно вынуть вилку его шнура питания
из розетки осветительной сети и вынуть штекер из антен-
ного гнезда телевизора. Это необходимо в связи с тем,
что в некоторых телевизорах выключатели отключают
только одну фазу, а второй фазой аппарат остается под-
ключенным к сети. Кроме того, иногда у паяльника об-
мотка пробивается на жало и может произойти замыка-
ние сети на землю, через оплетку кабеля.
Печатные проводники представляют собой тонкую
медную фольгу, наклеенную на изоляционный пластик.
При перегреве фольга отслаивается от подложки и легко
повреждается. Поэтома перегрев печатных проводников
в процессе ремонта печатной платы недопустим.
Во избежание перегрева следует пользоваться лишь
маломощными паяльниками с узким жалом, низкотемпе-
ратурными припоями марки ПОС-61, а время пайки не
должно превышать 3...5 с. Категорически запрещается
применение различных паяльных жидкостей, содержа-
щих кислоты и соли металлов, так как остатки таких
флюсов в течение непродолжительного времени неизбеж-
но способствуют разрушению печатных проводников. Ре-
комендуется пользоваться жидким флюсом, который
438
представляет собой прозрачный раствор канифоли в эти-
ловом спирте. Такой флюс в процессе пайки почти пол-
ностью испаряется, не оставляя остатков канифоли.
Можно также использовать твердую канифоль, хотя в
этом случае поверхность пайки оказывается загрязнен-
ной остатками подгоревшей канифоли, что придает ей
неопря!пый вид п способствует впоследствии интенсив-
ному налипанию ныли
11рп удалении детали, подлежащей замене, целесооб-
разнее всего не выпаивать ее из печатной платы, а лишь
кусачками-бокорезами откусить выводы этой детали так,
чтобы сами выводы остались впаянными в печатную пла-
ту. Длина выводов, выступающих из платы, должна быть
примерно 8...10 мм. Новая деталь устанавливается путем
припайки ее выводов к оставшимся выводам удаленной
детали. Перед припайкой новой детали нужно подрезать
ее выводы и залудить их, чтобы сократить время пайки.
Если указанным способом удалить старую деталь нель-
зя, что обычно бывает при необходимости замены мик-
росхем, приходится аккуратно выпаивать ее, остерегаясь
перегрева.
При выпаивании микросхем очень удобно пользовать-
ся специальным отсосом расплавленного припоя, но мож-
но также использовать обычную медицинскую пипетку.
Надев пипетку отверстием стеклянного наконечника на
очередной вывод микросхемы, слегка прогревают паяль-
ником его пайку и отсасывают припой. Затем приступают
к следующему выводу. Когда все выводы микросхемы
очищены от припоя, она легко удаляется при небольшом
усилии. Отверстия в плате остаются чистыми и готовыми
для установки новой микросхемы.
Иногда возникает необходимость ремонта самих пе-
чатных проводников из-за их обрыва. Такой обрыв про-
исходит в результате неаккуратного обращения при ре-
монте, от выгорания проводника при его перегреве, либо
из-за механической деформации самой платы (коробле-
ния или трещины). Если поперечный обрыв проводника
имеет вид трещины длиной не более 1 мм, он устраня-
ется заливкой трещины, предварительно зачищенной по
краям, припоем так, чтобы припой хорошо соединился с
печатным проводником на протяжении 3...5 мм по обе
стороны от трещины.
Когда печатный проводник поврежден на протяже-
нии нескольких миллиметров, дефект устраняется нало-
439
жением на поврежденный участок голого медного лу-
женого провода диаметром 0,3 мм. Длину отрезка про-
вода выбирают такой, чтобы перекрыть на 10 мм с обеих
сторон повреждений печатный проводник. Концы про-
вода впаивают в плату заливкой их припоем, образуя
мостик между поврежденными концами печатного про-
водника.
Если печатный проводник поврежден на большом про-
тяжении, его приходится заменять куском изолирован-
ного монтажного провода, которому придают форму по-
врежденного проводника. При этом целесообразно ис-
пользовать жесткий одножильный монтажный провод
марки ПМВ или МШВ. Можно также применять эмали-
рованный обмоточный провод марки ПЭЛ или ПЭВ диа-
метром 0,3...0,4 мм. Концы отрезка провода тщательно
зачищают и залуживают перед установкой на печатную
плату. Эмалированный провод даже после зачистки
обычно залуживается с трудом. Хорошо залудить его
позволит таблетка аспирина. Положив провод на таб-
летку, сверху касаются провода паяльником с обилием
припоя и, продвигая провод под паяльником, облужи-
вают его. Провод после этого нужно тщательно промыть
горячей водой.
26.6. НАМОТОЧНЫЕ РАБОТЫ
К намоточным работам относятся изготовление кон-
турных катушек, высокочастотных дросселей, низкоча-
стотных, высокочастотных и силовых трансформаторов.
Конструкция контурных катушек зависит от их ин-
дуктивности или той частоты, на которой работает ка-
тушка, а также от необходимой добротности контура, так
как активное сопротивление контура в основном опреде-
ляется активным сопротивлением его катушки. Катушки
индуктивности, предназначенные для работы в диапазо-
нах коротких и ультракоротких волн, имеют малые зна-
чен.ия индуктивности порядка долей и единиц микроген-
ри и выполняются однослойными с рядовой намоткой или
намоткой с принудительным шагом.
Катушки наматываются на каркасах, выполненных
из керамики, полистирола или оргстекла, имеющих вин-
товые канавки для размещения витков с принудитель-
ным шагом, голым медным посеребренным проводом
диаметром 0,6...1,0 мм. Диаметр каркаса обычно не пре-
440
вышает 16 мм. Большие удельные сопротивления и ма-
лые потери на высоких частотах таких каркасов, а также
малые потери в поверхностном серебряном слое провода
обеспечивают высокую добротность контуров. Если тре-
бования высокой добротности не предъявляются, напри-
мер, в широкополосных усилителях'могут использовать-
ся каркасы, выполненные из прессшпана или карболита,
и обычный обмоточный провод марки ПЭЛ или ПЭВ.
Намотка катушки с принудительным шагом на глад-
ком каркасе производится двумя проводами, а после при-
пайки выводов катушки, образованной одним проводом,
второй провод удаляется. Во избежание сползания вит-
ков такой катушки она проклеивается полистироловым
клеем — раствором полистирола в бензоле.
Катушки, рассчитанные для работы в диапазонах
длинных и средних волн, а также на промежуточной ча-
стоте 465 кГц, обладают индуктивностью от десятков
микрогенри до единиц миллигенри. Такие катушки обыч-
но выполняются многослойными и наматываются на
пластмассовых или прессшпановых каркасах обмоточны-
ми проводами в шелковой изоляции марок ПЭЛШО. Ча-
ще всего при этом используется намотка типа «Универ-
саль». При такой намотке виток уже не имеет форму поч-
ти замкнутой окружности: провод витка укладывается
косо на каркасе от одного края намотки к другому, затем
делает перегиб и провод возвращается к прежнему краю.
Следующий виток кладется рядом с предыдущим, а точ-
ка перегиба оказывается за точкой перегиба предыдуще-
го витка. Витки соседних слоев при этом оказываются
не параллельны, а пересекаются под углом. Намотка ти-
па «Универсаль» обеспечивает меньшую паразитную ем-
кость между витками катушки, возможность намотки
многослойной катушки на каркасе без щечек и проч-
ность намотки. В промышленных условиях такую намот-
ку выполняют на специальных станках.
Радиолюбитель после небольшой тренировки может
вручную выполнить подобную намотку, проклеивая вит-
ки полистироловым клеем. В крайнем случае, можно на-
мотку многослойных катушек выполнять внавал между
щечками, расположенными на каркасе.
Если необходимы высокие значения добротности кон-
тура, вместо одножильного провода марки ПЭЛШО не-
обходимо использовать многожильный провод, который
называется литцендратом, марки ЛЭШО. Литцендрат
441
свит из большого количества тонких эмалированных про-
водов диаметров 0,05 или 0,07 мм. Токи высокой частоты
протекают не по всей толще проводника, а только по его
поверхности, а суммарная поверхность проводов литцен-
драта оказывается значительно больше, чем у одножиль-
ного провода соответствующего литцендрату диаметра.
При зачистке и припайке концов катушки, намотанной
литцендратом, нельзя обрывать ни единой жилки, иначе
добротность резко упадет.
Трансформаторы высокой частоты, которые представ-
ляют собой катушки с индуктивной связью, выполняются
обычно в виде двух катушек, расположенных на общем
каркасе соосно. Связь между катушками определяется
расстояниехМ между ними. Иногда для возможности регу-
лировки связи между катушками одна из них наматы-
вается на манжетке, расположенной на каркасе, что да-
ет возможность, перемещая эту катушку, изменять ко-
эффициент связи.
Изготовление трансформаторов низкой частоты и си-
ловых трансформаторов сводится к изготовлению карка-
са, намотке катушки и заполнению отверстия катушки
пластинами трансформаторной стали.
Каркас для катушки трансформатора может быть
изготовлен из картона или прессшпана, как показано
на рис. 26.1. Гильза делается из полоски шириной, рав-
ной высоте окна сердечника, и длиной, равной периметру
рабочего керна сердечника. Щечки вырезаются так, что-
бы гильза входила в их отверстия. Гильза со щечками
скрепляется полосками бумаги казеиновым клеем.
Значительно более жесткий каркас получается, если
его изготовить из гетинакса или текстолита. Детали та-
кого каркаса показаны на рис. 26.2. Высота зубчиков де-
тали 2 и глубина впадин детали I равны толщине мате-
риала. Ширина зубчиков и впадин берется произвольной,
но одинаковой. Остальные размеры каркаса соответству-
ют размерам сердечника, показанного на рис. 10.2, б.
Ширина полочек щечек, на которых расположены отвер-
стия, берется несколько большей, чем без отверстий. От-
верстия служат для пропускания выводов от концов об-
моток.
Сборка каркаса производится в такой последователь-
ности. Сначала обе щечки складываются вместе, одна к
другой. В окно щечек вставляются две сложенные дета-
ли 1 в вертикальном положении, затем их поворачивают
442
Рис. 26.2. Детали гетинаксового каркаса
Рис. 26 J. Эскиз каркаса
катушки трансформатора
в горизонтальное положение и разводят: одну деталь в
верхнюю часть щечек, а вторую — в нижнюю и вытяги-
вают на себя до упора. Далее устанавливают детали 2
так, чтобы их зубчики вошли во впадины деталей /. Об-
разуется гильза со щечками у одного края, которая лег-
ко рассыпается. Наконец одну щечку передвигают по
гильзе вперед до упора, после чего каркас уже оказыва-
ется прочным и рассыпаться не может. -
Изготовление прокладок является серьезным делом,
и пренебрегать аккуратностью нельзя, так как небреж-
ность, допущенная здесь, приводит либо к пробою меж-
ду витками катушки, либо к увеличению ее размеров, и
она затем не входит в окно сердечника. Для прокладок
нужно заранее нарезать длинные полоски бумаги шири-
ной на 5 мм больше эффективной высоты окна h. По бо-
кам полоски аккуратно надрезаются на глубину 3...4 мм
через 3...5 мм, как показано на рис. 26.3. Это даст воз-
можность обогнуть гильзу, а бахрома, примыкая к щеч-
кам, предохранит витки от «проваливания» в область
предыдущего слоя.
Перед намоткой нужно заготовить провод для выво-
дов, в качестве которого используется гибкий многожиль-
ный изолированный провод. Можно применить монтаж-
ный провод марки МГШВ. Намотка начинается с уста-
новки вывода. Конец провода освобождается от изоля-
ции на длину 10 мм, жилки скручиваются и облужива-
ются. Залуженный конец вывода вставляется снаружи в
отверстие левой щечки, расположенное ближе к гильзе,
443
Рис, 26.3. Форма бумаж-
ных прокладок
lllllllllllllllllllllllllllllllirilll
и продвигается вплотную к правой щечке. Конец обмо-
точного проврда необходимого диаметра зачищается от
лака, залуживается, скручивается с залуженным концом
вывода, и скрутка пропаивается. На место пайки на-
кладывается кусочек сложенной пополам бумаги так,
чтобы пайка оказалась внутри, после чего начинается
намотка.
При отсутствии намоточного станка удобно пользо-
ваться ручной дрелью, зажатой в тисках в горизонталь-
ном положении. В окно каркаса вставляют деревянную
бобышку с отверстием посередине. В него вставляют
длинный винт, другой конец которого зажимают в пат-
рон дрели. Катушка с обмоточным проводом устанавли-
вается на горизонтальной оси под тисками. Намотка пер-
вого слоя ведется справа налево. Левой рукой вращают
ручку дрели, а правой держат наматываемый провод,
создавая натяжение. Намотка поверх вывода закрепля-
ет первый слой, и случайно выдернуть его будет невоз-
можно. Намотка слоя ведется не доходя до левой щеч-
ки на 2 мм. Затем кладется прокладка, концы которой
должны ложиться внахлест, один на другой.
Нужно следить, чтобы нахлесты всех прокладок ло-
жились на тех боках гильзы, которые соответствуют по-
лочкам щечек с отверстиями. В слой нужно стараться
уложить столько витков, сколько было получено при рас-
чете. Намотав предпоследний слой, на него укладывают
вывод, пропустив его в отверстие той щечки, около ко-
торой находится конец предпоследнего слоя. Залужен-
ный конец вывода загибается у противоположной щечки.
Затем наматывается последний слой, его конец припаи-
вается к концу вывода, и этот вывод оказывается закреп-
лен последним слоем намотки. Теперь кладутся три слоя
прокладок, после чего аналогично ведется намотка сле-
дующей обмотки.
После намотки катушки производится сборка, в про-
цессе которой необходимо обеспечить минимальные маг-
нитные зазоры. Для этого сборка пластин производится
вперекрышку. Катушка кладется на стол выводами вверх
или вниз так, чтобы ее окно располагалось горизонталь-
444
но слева направо. Первая Ш-пластина вставляется сле-
ва, вторая — справа. Затем слева кладется перемычка и
вставляется четвертая пластина. Сборка продолжается
до заполнения окна. Последние пластины приходится за-
бивать, пользуясь деревянным молотком или деревянной
прокладкой. После сборки пластин их нужно уплотнить,
постукивая с боков, а сердечник стянуть либо шпилька-
ми, если использовались пластины с отверстиями, либо
обоймой. Шпильки, перед тем как их вставляют в отвер-
стия сердечника, нужно обернуть одним-двумя слоями
бумаги.
26.7. НАЛАЖИВАНИЕ И РЕМОНТ АППАРАТУРЫ
Современная радиоэлектронная аппаратура характе-
ризуется сложностью схемы, многофункциональностью и
наличием большого количества автоматических регули-
ровок. Это требует для налаживания и ремонта аппара-
туры высокой квалификации радиолюбителя, знания им
основ электротехники и радиотехники, умения разби-
раться в схемах. Если нет достаточной квалификации и
опыта, браться за изготовление или ремонт сложного ап-
парата не следует, так как наладить его нормальную
работу все равно не удастся, а при попытках ремонта мо-
гут быть внесены дополнительные неисправности, кото-
рые усложнят распознавание имеющихся дефектов.
При налаживании и ремонте радиоаппарата в первую
очередь нужно внимательно изучить его структурную
схему, а затем и принципиальную по имеющимся опи-
саниям. Нужно прекрасно понимать назначение и взаи-
модействие каждого блока, узла и каскада, прохождение
сигналов в схеме. Тогда по внешним признакам прояв-
ления неисправности можно сделать предварительное
заключение о том, какой блок может быть неисправен.
Исследуя работу подозрительного блока, проверяя про-
хождение через него сигналов или их преобразование,
пользуясь для этого необходимыми приборами, можно
сделать окончательный вывод о том, неисправен ли
именно этот блок, или неисправность находится в дру-
гом блоке. Теми же методами, а также путем измерения
режимов каждого из каскадов неисправного блока выяв-
ляется неисправный каскад. И здесь измерение режимов
каскада и сравнение фактических режимов с номиналь-
445
ними позволяет обычно выявить неисправный, элемент
схемы данного каскада.
Рассмотрим в качестве примера методику нахожде-
ния неисправности наиболее сложного бытового элек-
тронного аппарата — современного телевизионного при-
емника.
Собственно приемник полного телевизионного сигна-
ла значительно сложнее обычного радиовещательного
приемника, поскольку в нем должна быть сформирована
частотная характеристика специальной формы, прини-
маемые сигналы лежат в диапазонах метровых и деци-
метровых волн, а требования, предъявляемые к системам
автоматической регулировки усиления и автоматической
подстройки частоты гетеродина, значительно жестче, чем
аналогичные требования, предъявляемые к этим систе-
мам радиовещательных приемников. Как видно из рас-
смотрения структурных схем, помимо приемника телеви-
зионного сигнала телевизор содержит устройства выделе-
ния и разделения сигналов синхронизации, генераторы
строчной и кадровой разверток, системы автоматической
подстройки частоты и фазы строчной развертки, систему
управления электронным лучом кинескопа по яркости и
по его положению на экране, высоковольтный выпрями-
тель. Еще сложнее оказывается телевизор цветного изоб-
ражения, который дополнительно содержит сложный
блок цветности, осуществляющий выделение из полного
телевизионного сигнала сигналов окраски изображения,
и цветовую синхронизацию.
Схема современного телевизора содержит десятки
электронных ламп или транзисторов и полупроводнико-
вых диодов, сотни резисторов и конденсаторов, катушки
индуктивности, трансформаторы высокой и низкой ча-
стоты, переключатели и штепсельные разъемы. Все эти
элементы схемы соединяются между собой тысячами па-
ек, и каждый элемент, каждый проводник, каждая пайка
в процессе эксплуатации аппарата может выйти из строя,
неизбежно приводя к отказу в работе всего аппарата.
Для восстановления нормальной работы телевизора не-
обходимо выявить причину неисправности, то есть найти
элемент, проводник или пайку, выведшие из строя. Пос-
ле этого устранение дефекта уже не представляет труд-
ности.
Поиск неисправностей наиболее целесообразно прово-
дить в три этапа. На первом этапе определяется неис-
446
правный блок. На втором этапе выявляется неисправный
каскад этого блока. На третьем этапе уточняется неис-
правный элемент схемы, проводник или пайка. Опреде-
ление неисправного блока облегчается тем, что схема те-
левизора состоит из функционально законченных бло-
ков, каждый из которых выполняет вполне определенные
функции согласно структурной схеме.
В процессе определения неисправного блока прихо-
дится пользоваться внешними проявлениями возникшей
неисправности. Для этого необходимо внимательно ис-
следовать поведение аппарата: вращая регулятор ярко-
сти, проверить, светится ли экран кинескопа; подключив
антенну, установив нужный канал и выключив АПЧГ,
вращая ручку настройки, проверить, появляется ли изоб-
ражение на экране, появляется ли звуковое сопровож-
дение телевизионной передачи; подавая какой-либо
внешний сигнал на вход усилителя звуковой частоты,
проверить, появляется ли звук в громкоговорителях; про-
верить воздействие внешних органов управления на ра-
боту телевизора, то есть их влияние на размер и форму
изображения и на характер звукового сопровождения
телевизионной передачи.
Начинать ремонт неисправного телевизора следует
подобно тому, как врач начинает лечение больного: с
выслушивания жалоб, внимательного осмотра, а иногда
и со сбора необходимых анализов. Только после тща-
тельного осмотра телевизора можно сделать вывод о
том, какой из его блоков неисправен. Большое значение
имеет история появления неисправности. Важно бывает
знать, как появилась данная неисправность, скачком или
плавно, что предшествовало ее появлению, возникла ли
неисправность сразу после очередного включения теле-
визора или сначала аппарат работал нормально, а потом
после некоторого времени нормальной работы возникла
неисправность.
Наиболее часто возникает , неисправность, которая
проявляется в отсутствии свечения экрана кинескопа.
При этом свечение не появляется даже после поворота
регулятора яркости в положение, соответствующее мак-
симальной яркости. Для свечения исправного кинескопа
на него должны быть поданы все необходимые питаю-
щие напряжения: напряжение накала, напряжение уско-
ряющего электрода, высокое напряжение второго ано-
да, кроме того, кинескоп не. должен быть заперт по мо-
4-17
дулятору. Наличие напряжения накала проверяется ви-
зуально по свечению нити: если нить накала светится,
значит, эта цепь исправна. Если же нить не светится,
может быть, не поступает на нее напряжение накала,
может быть, она перегорела. Поэтому нужно проверить
наличие напряжения накала на выводах кинескопа о
помощью вольтметра переменного напряжения. Если на-
пряжение поступает, а нить накала не светится, прове-
ряют надежность контактов в ламповой панели кинеско-
па и при их исправности делается заключение об обрыве
нити накала, что влечет необходимость замены кинеско-
па новым.
Напряжение на ускоряющий электрод черно-белого
кинескопа в телевизорах II класса обычно подается с
блока кадровой развертки, где оно вырабатывается пу-
тем выпрямления импульсов обратного хода по кадрам.
Поэтому отсутствие ускоряющего напряжения в этих те-
левизорах, которое проверяется вольтметром постоянного
напряжения, указывает на неисправность блока кадро-
вой развертки. В телевизорах III класса черно-белого
изображения напряжение на ускоряющий электрод кине-
скопа подается с блока строчной развертки, где оно вы-
рабатывается путем выпрямления импульсов обратного
хода по строкам. Поэтому в этих телевизорах отсутствие
ускоряющего напряжения указывает на неисправность
блока строчной развертки. В цветных телевизорах отсут-
ствие ускоряющего напряжения также связано с неис-
правностью строчной развертки.
Высокое напряжение на второй анод кинескопа во
всех телевизорах поступает с высоковольтного выпрями-
теля, который выпрямляет высоковольтные импульсы, по-
ступающие с повышающей обмотки строчного трансфор-
матора. Наличие на втором аноде кинескопа высокого
напряжения проверяется особым способом, который сос-
тоит в следующем. Берется отвертка с длинным лезвием
и хорошо изолированной ручкой. К лезвию около ручки
присоединяется кусок монтажного провода, другой конец
которого через последовательно включенный резистор
сопротивлением 4,7...5,1 МОм подключается к шасси те-
левизора. При включенном телевизоре, держа отвертку
за ручку подальше от лезвия, подносят жало отвертки к
выводу второго анода кинескопа, который находится на
боковой поверхности колбы. Резиновый или пластмассо-
вый уплотнитель предварительно, еще до включения те-
448
левизора, должен быть снят или отогнут. Подносить жа-
ло отвертки к выводу второго анода нужно медленно и
осторожно, не допуская их касания. Когда расстояние
между ними сократится до 10...20 мм, должна появиться
яркая мощная искра, которой предшествует возникнове-
ние на острие жала фиолетового свечения (коронирую-
щий разряд). Начальная длина искры, выраженная в
миллиметрах, численно равна напряжению, выраженно-
су в киловольтах.
При появлении искры отвертку нужно сразу удалить
от вывода второго анода во избежание перегрузки высо-
ковольтного выпрямителя. Наличие редких слабых голу-
боватых искорок указывает на недостаток высокого на-
пряжения, что свидетельствует о неисправности высоко-
вольтного выпрямителя или блока строчной развертки.
Указанный способ измерения высокого напряжения, ко-
нечно, является очень приближенным, лучше пользовать-
ся статическим киловольтметром, но и таким методом
всегда удается проверить наличие высокого напряжения
и примерную его величину.
Чтобы проверить, не заперт ли кинескоп по модулято-
ру, на очень короткое время замыкают между собой вы-
воды катода и модулятора кинескопа. Если все ранее
указанные напряжения на кинескоп поступают и он ис-
правен, в момент замыкания катода с модулятором эк-
ран должен ярко вспыхнуть. Если этого не происходит,
значит, кинескоп неисправен и подлежит замене. Если
появляется вспышка, значит, отсутствие свечения связа-
но с тем, что кинескоп заперт по модулятору и нужно
проверять либо цепь регулировки яркости, либо цепь ка-
тода кинескопа. Следует лишь добавить, что в тех ки-
нескопах, у которых имеется ионная ловушка, отсутствие
свечения может вызываться ее неправильным положени-
ем на горловине магнитного кольца.
Если кинескоп сверится нормально, но изображения
на экране нет, это указывает на отсутствие сигнала изоб-
ражения. При поисках причины такого дефекта большое
значение имеет наличие или отсутствие звукового сопро-
вождения. В случае нормального звукового сопровож-
дения телевизионной передачи неисправность следует ис-
кать в цепях после видеодетектора, так как до него сиг-
налы изображения и звука проходят через одни и те же
каскады. Если же отсутствует не только изображение на
экране, но и звуковое сопровождение, наоборот, неис-
правность должна находиться в тех каскадах, по кото-
рым сигналы изображения и звука проходят вместе. В
первую очередь здесь может быть виновата антенна. Ког-
да прием ведется в зоне уверенного приема, целесообраз-
но вместо фидера поключить к антенному гнезду теле-
визора кусок провода длиной 2...3 м. На экране появит-
ся, возможно плохое, изображение, а в динамиках поя-
вится звук. Это и укажет на неисправность антенны. В
противном случае неисправен приемный тракт: селектор
каналов, УПЧ канала изображения.
Отсутствие звукового сопровождения телевизионной
передачи при наличии изображения на экране указывает
на неисправность канала звука. Здесь можно разделить
тракт на усилитель промежуточной частоты сигнала зву-
ка и усилитель звуковой частоты. Для проверки, какой
из этих блоков неисправен, нужно прикоснуться пинце-
том к среднему выводу регулятора громкости. При ис-
правном усилителе звуковой частоты в динамике будет
слышно гудение, а при неисправном усилителе звуковой
частоты такого гудения не будет. Может быть также не-
исправен сам динамик, который проверяется омметром.
Когда отсутствует общая синхронизация, на экране
изображения нет, но нет и чистого растра. Вместо этого
видны сбитые по строкам элементы изображения, чер-
ные, серые и белые полосы перемещаются в вертикаль-
ном направлении. Регуляторами частоты строчной и кад-
ровой разверток упорядочить движение этих полос не
удается, хотя на какие-то мгновения при вращении этих
регуляторов оказывается возможным остановить их дви-
жение. В этом случае неисправен амплитудный селектор
синхронизирующих импульсов. Когда строчная синхро-
низация устойчива, но изображение перемещается в
вертикальном направлении и остановить его регулятором
частоты кадров не удается, значит, отсутствуют кадро-
вые синхроимпульсы и дефект следует искать в цепи раз-
деления строчных и кадровых синхроимпульсов. Если же
наоборот, изображение устойчиво по кадрам (горизон-
тальные полосы не движутся в вертикальном направле-
нии), при вращении регулятора частоты строк удается
на момент получить правильно сформированное изобра-
жение, но оно сразу же рассыпается на беспорядочные
полосы, значит, отсутствует строчная синхронизация и
неисправность находится в системе автоматической под-
стройки частоты и фазы строчной развертки.
, 450
Случается, что картина совпадает с рассмотренной,
но вращение одного из регуляторов часюгы строчной или
кадровой развертки совершенно не приводи! к каким-
либо изменениям. Это указывает на неисправное!ь за-
дающего генератора соответствующей частоты, когда
при вращении регулятора частота не изменяется.
В цветных телевизорах возможна дополнительная
группа различных неисправностей, связанных с наруше-
нием цветопередачи. В первую очередь к ним относится
отсутствие цветности, когда цветное изображение вос-
производится на экране черно-белым. В этом случае не-
исправность следует искать в системе цветовой синхро-
низации, которая ошибочно запирает цветовой канал, как
будто телевизором принимается не цветной сигнал, а
черно-белый.
Некоторые радиолюбители, мало знакомые с работой
цветного телевизора, склонны при наличии такого де-
фекта винить кинескоп. Это, однако, совершенно невер-
но, так как цветной кинескоп не имеет белого люмино-
фора, а белый цвет воспроизводится в результате вос-
приятия нашим зрением всех трех цветов. Отсюда нали-
чие черно-белого изображения на экране кинескопа воз-
можно только при полной исправности всех трех элек-
тронных прожекторов кинескопа.
Если при отсутствии цвета черно-белое изображение
характеризуется слабой контрастностью, это указывает
на то, что отсутствие цвета связано с недостаточным
уровнем сигнала на входе телевизора или неисправность
находится в каскадах, расположенных до видеодетек-
тора.
Конечно же, нужно иметь уверенность в том, что в
настоящее время телецентром передается цветной сиг-
нал, и только при наличии такой уверенности искать не-
исправность в телевизоре.
Иногда, наоборот, цветное изображение воспроизво-
дится на экране, но после окончания цветной передачи,
когда телецентр передает черно-белое изображение, оно
на экране не воспроизводится. Либо при переключении
селектора каналов на другой канал, по которому переда-
ется черно-белое изображение, оно также не воспроизво-
дится. В таких случаях иногда ошибочно делается вывод
о неисправности селектора каналов. Тем не менее при
внимательном рассмотрении цветного изображения уда-
ется заметить, что оно не является нормальным. Прежде
451
всего понижена четкость воспроизведения мелких дета-
лей. Кроме того, обычно более яркие цвета воспроизво-
дятся темнее, а обычно более темные — светлее. Все это
указывает на наличие неисправности яркостного канала.
Приводя эти примеры, мы не имели своей целью ис-
черпать все возможные неисправности в схемах черно-
белых и цветных телевизоров, связав их с каким-то опре-
деленным блоком или узлом аппарата. Хотелось лишь
показать, как путем логических рассуждений по харак-
теру проявления неисправности, по влиянию органов
внешней регулировки можно определить неисправный
блок, для того чтобы сузить в дальнейшем зону поиска
дефекта.
Помимо такого логического анализа очень большую
помощь для выявления неисправного блока дает возмож-
ность пробной замены блоков заведомо исправными. Ес-
ли такая замена не очень удобна и достаточно трудоем-
ка в ламповых, лампово-полупроводниковых и полупро-
водниковых телевизорах с навесным или печатным мон-
тажом, которые содержат всего несколько блоков, сое-
диненных с остальной схемой аппарата десятками паек,
то в интегрально-модульных телевизорах очень легко и
быстро осуществить пробную замену какого-либо подо-
зрительного модуля. Для этого радиомеханики телевизи-
онных ремонтных мастерских, осуществляющих ремонт
телевизоров на дому у владельцев, должны иметь в со-
ставе носимого комплекта запасных частей набор исправ-
ных модулей для пробной замены.
Замененный неисправный модуль здесь же может быть
отремонтирован. Конструкция таких телевизоров специ-
ально рассчитана на то, чтобы обеспечить удобство ре-
монта неисправного модуля. С этой целью модуль мо-
жет быть вставлен в разъем с обратной стороны кросс-
платы, благодаря чему достигается свободный доступ
к его монтажу.
Для владельца телевизора, занимающегося ремонтом
своего аппарата самостоятельно, иметь запасной набор
всех модулей, конечно, нецелесообразно, так как стои-
мость такого набора достаточно высока. Поэтому в том
случае, если нет возможности одолжить у кого-нибудь
нужный модуль, приходится ограничиваться определени-
ем неисправного модуля, исходя только из логических
рассуждений.
Большую помощь при определении неисправного бло-
452
ка, узла или модуля может оказать использование ос-
циллографа, с помощью которого проверяется форма
сигнала на входе и выходе какого-то участка схемы ап-
парата, а затем фактические осциллограммы сравнива-
ют с теми, которые приведены на принципиальной схе-
ме. Отклонение каких-то осциллограмм от нормы, раз-
личные искажения формы сигнала оказывают значитель-
ную помощь при выявлении неисправного модуля или
блока. Необходимо лишь помнить, что в цветных теле-
визорах осциллограммы блока цветности, указанные на
схеме, получаются только в том случае, если принимает-
ся сигнал цветных полос, который иногда передается те-
лецентром вместо испытательной таблицы.
Иногда оказывается достаточным проверить лишь ре-
жимы питания блока, так как при отсутствии одного из
напряжений питания блок работать не будет. Если это
напряжение должно поступать из блока питания или из
какого-либо другого блока, дальнейший поиск неисправ-
ности ведется уже там.
26.8. ЗАМЕНА ЭЛЕМЕНТОВ СХЕМЫ
В процессе ремонта электронной аппаратуры может
выявиться неисправный элемент, подлежащий замене, а
иногда такого элемента в наличии нет. Рассмотрим воз-
можности замены неисправного элемента схемы элемен-
тами другого типа.
26.8.1. Замена электронных ламп
Если в результате измерения и анализа режимов не-
исправного каскада или после изучения того, как дан-
ная неисправность проявляется, будет сделан вывод о
необходимости замены лампы, то проще всего заменить
ее новой. Схема любого радиоаппарата промышленного
изготовления рассчитана так, ^то при выходе из строя
какой-либо электронной лампы и ее замене новой лампой
того же типа, как правило, не требуется вновь подбирать
режим лампы и производить замену деталей, если они
не вышли из строя. После замены дефектной лампы ап-
парат должен снова нормально работать.
Однако иногда это правило не обходится без исклю-
чения. Дело в том, что электронные лампы, как и дру-
ге радиоэлементы, не бывают совершенно одинаковыми.
4бЗ
Значения анодных токов, крутизны характеристики
анодного тока и другие параметры различных экземпляр
ров ламп одного и того же типа имеют разброс в преде-
лах допусков, установленных техническими условиями.
Разброс представляет собой объективную техническую
необходимость, так как изготовить две абсолютно оди-
наковые лампы невозможно, а сужение поля допусков
привело бы к резкому повышению стоимости производ-
ства ламп. Эта неоднородность параметров’ ламп и их
характеристик учитывается при разработке массовой ра-
диоаппаратуры, и режимы их выбираются так, чтобы
обеспечить нормальную работу аппарата при установке
ламп с параметрами, находящимися в пределах установ-
ленных для них допусков.
Тем не менее в процессе эксплуатации режимы всех
ламп немного уходят относительно номинальных. Это
происходит по разным причинам. Из-за естественного
старения изменяются параметры всех элементов схемы.
При ремонтах отдельные детали заменяются новыми.
В результате изменения режимов ламп изменяют-
ся и положения ручек регулировки аппарата, в ко-
торые их необходимо установить для нормальной рабо-
ты. Так, если в новом телевизоре нормальное изображе-
ние получалось при среднем положении регулятора ча-
стоты кадровой развертки, то в процессе эксплуатации
положение этого регулятора может переместиться от се-
редины к одному из крайних пределов. При установке
новой лампы может оказаться, что для получения нор-
мального изображения пределов регулировки не хватит.
Такое явление не должно внушать каких-либо опа-,
сений. Тем более нельзя считать неисправной новую лам-
пу, хотя старая лампа до выхода из строя давала воз-
можность получить нормальное изображение с помощью
этого регулятора. В подобном случае при наличии не-
скольких новых ламп можно подобрать такую, с кото-
рой удастся получить изображение нормального вида.
Если подбором ламп нельзя добиться нормального
изображения или нет возможности подбирать лампы из-
за их отсутствия, необходимо заменить один из резисто-
ров, которые обычно включаются последовательно с пе-
ременным резистором, что позволяет сдвинуть пределы
его регулировки.
Иногда замена вышедшей из строя лампы новой того
же типа оказывается невозможной по причине отсутствия
454
нужной лампы. Во многих случаях можно произвести
замену лампой другого типа, подходящей по своим па-
раметрам. Для этого сначала нужно выбрать лампу того
же наименования. Так, высокочастотный пентод можно
заменить только высокочастотным пентодом, двойной
триод — двойным триодом, триод-пентод — триодом-пен-
тодом. Затем нужно сравнить по справочнику параметры
ламп. Заменяемая и заменяющая лампы должны иметь
одинаковое напряжение накала. Крутизна характеристи-
ки анодного тока для пентодов или коэффициент усиле-
ния для триодов должны различаться не более чем на
20 %. Лампы выходных каскадов строчной и кадровой
разверток и усилителе?! низкой частоты можно заменить
лампами, имеющими не меньшее значение допустимой
мощности рассеяния на аноде. В выходных каскадах раз-
верток можно устанавливать лампы, допускающие не
меньшее значение положительного импульса на аноде
при запертой лампе.
Когда заменяющая лампа подобрана по параметрам,
необходимо проверить совпадение цоколевок. Если цоко-
левки у заменяемой и заменяющей лампы одинаковы,
можно производить замену. Если же цоколевки не сов-
падают, приходится перепаивать ламповую панель в со-
ответствии с цоколевкой вновь устанавливаемой лампы.
Приведем некоторые примеры замены ламп одних ти-
пов лампами других типов. Лампы 6ЖЗП почти всегда
можно заменить лампами 6Ж1П без какого-либо ущер-
ба в работе аппарата и без изменений в схеме. В редких
случаях такая замена невозможна в связи с тем, что
значение максимальной мощности рассеяния на аноде
у лампы 6Ж1П меньше. Замена возможна, если факти-
ческая мощность, равная произведению фактического
анодного тока лампы на величину напряжения между
анодом и катодом, не превышает 1,Я Вт. Обратная заме-
на лампы 6Ж1П лампой 6ЖЗП не всегда может обеспе-
чить нормальную работу устройства из-за повышенной
входной емкости у лампы 6ЖЗП.
Лампа 6Ж5П может быть заменена лампой 6Ж1П,
6ЖЗП или 6Ж4П. При этом, однако, может получиться
недостаток усиления, так как эти лампы по сравнению с
6Ж5П обладают пониженным значением крутизны ха-
рактеристики анодного тока. Необходимо также прове-
рить запас по мощности рассеяния на аноде. Обратная
замена ламп 6Ж1П или 6ЖЗП лампой 6Ж5П возможна
455
без переделок только в тех случаях, когда на ламповой
панели ножки 2 и 7 соединены. Это объясняется тем, что
у ламп 6Ж1П и 6ЖЗП катод соединяется с третьей сет-
кой внутри баллона, а у ламп 6Ж5П эти электроды вы-
ведены на разные ножки.
Лампа 6Н1П всегда может быть заменена лампой
6Н5П, и наоборот, так как цоколевки их одинаковы и
параметры весьма близки. Лампу 6Н1П можно также
заменять лампой 6Н23П, хотя обратная замена иногда
невозможна, если лампа 6Н23П используется в каскаде
усиления высокой частоты ламповых селекторов каналов
ПТК, где лампа 6Н1П работает значительно хуже.
26.8.2. Замена диодов и транзисторов
При замене вышедшего из строя диода новым дио-
дом того же типа никогда не возникает необходимости
каких-либо изменений в схеме. При отсутствии диода
того же типа часто можно подобрать подходящий диод
другого типа, так как номенклатура выпускаемых оте-
чественной промышленностью диодов достаточно широ-
ка. В первую очередь нужно учесть, что заменяющий
диод должен относиться к той же группе, что и заменяе-
мый: к выпрямительным диодам, к импульсным, высоко-
частотным или диодам СВЧ, стабилитронам, варикапам
или туннельным диодам. Точечный диод заменяется так-
же точечным, плоскостной — плоскостным.
Такие параметры заменяющих диодов, как макси-
мальный средний прямой ток и максимальное обратное
напряжение, должны быть не меньше, чем у заменяемых.
Емкость перехода высокочастотных заменяющих диодов
не должна быть больше, чем у заменяемых. Напряже-
ние стабилизации, максимальный и минимальный токи
стабилитронов должны отличаться не более чем на 10 %.
Пределы изменения емкости варикапов должны быть
одинаковы. При необходимости подобрать для замены
другой тип тиристора следует сравнить такие параметры,
как наибольшее прямое напряжение на запертом тири-
сторе, наибольшее обратное напряжение и наибольшую
силу тока в прямом направлении. Все эти параметры у
заменяющего тиристора должны быть не меньше, чем у
заменяемого.
В случае замены вышедшего из строя транзистора но-
вым транзистором того же типа, как правило, также не
456
появляется необходимости каких-либо дополнительных
изменений. Часто имеется возможность установки тран-
зистора того же типа, но с другим буквенным индексом.
По справочнику нужно сравнить эти транзисторы между
собой, так как транзисторы с разными буквенными ин-
дексами могут различаться по разным параметрам: по
значению граничной частоты, по значению статического
коэффициента передачи тока, по допустимым напряже-
ниям коллектор — база и коллектор — эмиттер и т. д.
Если найти транзистор того же типа нет возможно-
сти, иногда можно подобрать транзистор другого типа.
Заменяющий транзистор должен относиться к той же
группе, что и заменяемый: малой мощности низкой ча-
стоты, например, или большой мощности средней часто-
ты. Затем подбирают транзистор той же структуры р-п-р
или п-р-п, полевой транзистор с p-каналом или /г-кана-
лом. Далее проверяют значения предельных параметров:
максимальный ток коллектора, максимальные напряже-
ния коллектор — база и коллектор — эмиттер, макси-
мальная мощность на коллекторе у заменяющего тран-
зистора должны быть не меньше, чем у заменяемого.
Статический коэффициент передачи тока должен отли-
чаться не более чем на 20 %.
У высокочастотных или сверхвысокочастотных тран-
зисторов такие параметры, как емкость коллектора, вре-
мя рассасывания и постоянная времени цепи обратной
связи, должны быть не больше прежних. Если транзистор
предназначен для работы в первых каскадах высокочув-
ствительного усилителя высокой или низкой частоты, ко-
эффициент шума у- нового транзистора должен быть не
больше, чем у старого.
Кремниевые транзисторы рекомендуется заменять
только кремниевыми, германиевые — германиевыми. Од-
нопереходные транзисторы заменяются однопереходны-
ми, биполярные — биполярными, полевые транзисторы с
р-п переходом, МОП-транзисторы, заменяются аналогич-
ными.
При замене транзисторов транзисторами других ти-
пов может понадобиться подгонка режима нового тран-
зистора в соответствии с особенностями его работы в
данной конкретной схеме. Так, если транзистор исполь-
зуется в усилительном каскаде класса А, обычно подби-
рается такой режим, при котором напряжение на кол-
лекторе примерно вдвое меньше напряжения питания.
457
Если транзистор работает в ключевом каскаде, он обыч-
но должен быть заперт по базе: либо потенциал базы
равен потенциалу эмиттера, либо база более поло-
жительна для р-п-р транзистора или отрицательна для
п-р-п транзистора относительно эмиттера. Соответствую-
щий режим подбирается заменой резистора в цепи базы,
через который на базу подается отпирающий или запи-
рающий потенциал.
26.8.3. Замена микросхем
Несмотря на то что каждая микросхема обычно со-
держит большое количество элементов, замена вышед-
шей из строя микросхемы новой того же типа не требу-
ет никаких изменений в схеме аппарата, так как в мик-
росхемах всегда есть внутренние элементы, •стабилизи-
рующие ее режим. Если необходимой для замены мик-
росхемы того же типа не имеется, можно иногда подоб-
рать микросхему аналогичного назначения из другой се-
рии. Однако такая замена бывает возможна только для
операционного усилителя или цифровой (логической)
микросхемы. Другие аналоговые микросхемы, обычно ис-
пользуемые п аппаратуре, аналогов среди микросхем
других серий не имеют.
Отечественной промышленностью выпускаются опера-
ционные усилители самых разных типов, как в виде по-
лупроводниковых микросхем, так и в виде гибридных в
сериях 140, 153, 154, 157, 284, 544, 551, 553, 574.
Иногда путем изучения параметров подлежащего за-,
мене операционного усилителя по справочнику можно
подобрать другой операционный усилитель той же серии
с несколько лучшими параметрами. Так, при отсутствии
операционного усилителя типа К140УД1А его можно
заменить операционным усилителем К140УД1Б или
К140УД1В, отличие которых состоит в повышенном пре-
дельно допустимом напряжении питания. При напряже-
нии питания, которое было рассчитано на использова-
ние усилителя К140УД1А, характеристики операционных
усилителей К140УД1Б и К140УД1В практически оста-
ются такими же, как и у усилителя К140УД1А.
Иногда также путем изучения характеристик в спра-
вочнике удается подобрать примерно аналогичный опе-
рационный усилитель или с немного лучшими парамет-
рами в другой серии. Правда, обычно использование дру-
458
гой серии связано с необходимостью изменения монтажа,
так как не совпадают назначения выводов.
Значительно проще осуществляется замена цифро-
вых микросхем, потому что среди разных серий имеются
практически точные аналоги, отличающиеся только бы-
стродействием и потребляемой мощностью от источни-
ков,питания. В телевизионной аппаратуре быстродейст-
вия самых «медленных» микросхем вполне достаточно,
а разница в потреблении мощности от источника пита-
ния при замене одной микросхемы оказывается несуще-
ственной.
Цифровые микросхемы используются в устройствах
сенсорного выбора программ СВП-4-1...СВП-4-3, где
применен набор из четырех микросхем К155ЛА8,
К155ТВ1, К155ТМ2 и К155ИД1. При отсутствии мик-
росхемы К155ЛА8 ее можно заменить микросхе-
мой К133ЛА8, которая имеет точно такие же характери-
стики, но другой корпус меньшего размера, хотя нумера-
ция выводов указанных микросхем совпадает. Поэтому
при замене понадобится лишь удлинить выводы неболь-
шими кусочками монтажного провода.
При отсутствии микросхемы К155ТВ1 можно исполь-
зовать либо микросхему К131ТВ1, либо К158ТВ1. Кор-
пуса, параметры и назначение выводов всех трех микро-
схем одинаковы. Кроме того, микросхема К155ТВ1 мо-
жет быть заменена микросхемой К130ТВ1, К133ТВ1 или
К136ТВ1. Эти три микросхемы имеют корпус меньшего
размера, поэтому при замене нужно лишь удлинить их
выводы, а назначение выводов совпадает с назначением
выводов микросхемы К155ТВ1. Параметры К133ТВ1
точно такие же, как у К155ТВ1.
При отсутствии микросхемы К155ТМ2 можно исполь-
зовать микросхемы К131ТМ2, К133ТМ2 или К136ТМ2,
Здесь К131ТМ2 имеет такой же корпус, назначение выво-
дов и параметры, как К155ТМ2. Микросхема К133ТМ2
является точным аналогом К155ТМ2, но собрана в дру-
гом корпусе меньшего размера. Благодаря одинаковому
назначению выводов их при замене придется удлинить.
Микросхема К136ТМ2 имеет другой корпус меньшего
размера, при замене требует удлинения выводов.
Микросхема К155ИД1 не имеет аналогов среди дру-
гих микросхем этой или других серий и поэтому не мо-
жет быть заменена другой микросхемой.
459
26.8.4. Замена кинескопов
Все выпускаемые для бытовых телевизоров кинеско-
пы можно разделить на 4 группы по возможностям их
взаимозаменяемости.
К 1-й группе можно отнести кинескопы устаревшего
типа, уже не используемые в современных телевизорах,
хотя некоторые из них все еще выпускаются промышлен-
ностью для установки в старых телевизорах, находящих-
ся в эксплуатации. К этой группе относятся кинескопы
35ЛК2Б, 35ЛК6Б, 35ЛК7Б, 40ЛК6Б, 43ЛК2Б, 43ЛКЗБ,
43ЛК13Б и 53ЛК2Б. Кинескопы этой группы характери-
зуются малым углом отклонения луча, равным 70°. Все
они имеют одинаковый диаметр горловины, одинаковую
конструкцию цоколя и цоколевку, за исключением кине-
скопов 40ЛК6Б и 43ЛК13Б, имеющих современный цо-
коль. Заменяя кинескоп другим из этой группы, следует
иметь в виду, что одни рассчитаны на использование
магнитного кольца ионной ловушки, которое надевается
на горловину в районе изгиба электронного прожектора,
и при установке нового кинескопа требуется подобрать
положение этого кольца, соответствующее наибольшей
яркости свечения экрана и наилучшей фокусировке луча
(35ЛК2Б, 43ЛК2Б, 43ЛКЗБ, 53ЛК2Б). Другие кинеско-
пы имеют алюминированный экран и в магнитном коль-
це ионной ловушки не нуждаются (35ЛК6Б, 35ЛК7Б,
40ЛК6Б, 43ЛК13Б).
Кинескоп 43ЛК2Б в отличие от остальных имеет ме-
таллическую колбу, соединенную со вторым анодом, ко-
торая должна быть хорошо изолирована от шасси, для'
чего используются специальные изоляторы. При замене
требуется изменение конструкции крепления кинескопа,
а если кинескопы разного размера экрана, то, конечно,
нужна переделка футляра телевизора. Без каких-либо
переделок заменяются между собой кинескопы 35ЛК2Б
и 35ЛК6Б.
Ко 2-й группе относятся кинескопы 43ЛК9Б и
43ЛКНБ, которые также в современных телевизорах не
используются. Они имеют угол отклонения луча 110° и
формат экрана 3:4, соответствующий формату телевизи-
онного изображения. Полностью взаимозаменяемы.
К 3-й группе относятся частично устаревшие кинеско-
пы и их современные аналоги 47ЛК2Б, 50ЛК1Б, 59ЛК2Б,
59ЛКЗБ, 61ЛК1Б, 65ЛК1Б и 67ЛК1Б. Эти кинескопы
460
имеют угол отклонения луча 110° и формат экрана 4:5,
больше приближающийся по форме к квадрату, чем фор-
мат телевизионного изображения 3:4. Поэтому если изоб-
ражение занимает по высоте весь экран, левый и правый
края изображения уходят за пределы экрана и не вос-
производятся. При воспроизведении сюжетных изобра-
жений это не имеет значения, так как действие всегда
происходит в середине экрана, но при воспроизведении
телевизионных испытательных таблиц или титров кино-
фильма их края пропадают.
Кинескопы этой группы имеют одинаковые кон-
струкции цоколя и цоколевку, поэтому могут включать-
ся один вместо другого. При установке кинескопа боль-
шего размера необходима переделка футляра телевизора.
К 4-й группе относятся кинескопы, предназначенные
для использования в переносных телевизорах 23ЛК9Б,
23ЛК13Б и 31ЛК4Б. Угол отклонения луча этих кинес-
копов составляет 90 °, а номинальное напряжение нака-
ла 11...12 В. Кинескопы имеют одинаковую конструк-
цию цоколя, цоколевка кинескопа 23ЛК13Б и 31ЛК4Б
одинакова, а цоколевка кинескопа 23ЛК9Б отличается.
Некоторые черно-белые кинескопы не входят в ука-
занные группы, потому что не имеют аналогов и не мо-
гут быть заменены кинескопами другого типа. К таким
кинескопам относятся 11ЛК1Б с углом отклонения лу-
ча 70 °.
Из цветных кинескопов наибольшее распространение
получили кинескопы 40ЛК4Ц, 59ЛКЗЦ, 61ЛКЗЦ и
61ЛК4Ц. Все они имеют угол отклонения луча 90 °, оди-
наковый диаметр горловины, одинаковые конструкцию
цоколя и цоколевку. Электрические параметры их также
примерно одинаковы. Кинескопы имеют цветоделитель-
ную маску и дельтообразное расположение электронных
прожекторов. По этим причинам указанные кинескопы
могут считаться условно взаимозаменяемыми в связи с
тем, что замена одного из них другим требует переделки
футляра телевизора и перестройки динамического сведе-
ния лучей в широких пределах. Только кинескопы
61ЛКЗЦ и 61ЛК4Ц можно считать полностью взаимо-
заменяемыми. Последний отличается повышенной ярко-
стью свечения и малым временем готовности, которое
не превышает 10 с после включения.
Промышленностью выпускаются и другие цветные ки-
нескопы, которые не имеют аналогов и не могут быть
461
заменены кинескопами других типов. К ним относятся
кинескопы с размерами диагонали экрана 25 и 32 см,
предназначенные для использования в переносных теле-
визорах цветного изображения, а также кинескопы
51ЛК2Ц и 61ЛК5Ц, предназначенные для стационарных
телевизоров. Эти кинескопы также имеют цветоделитель-
ную маску, но не с круглыми отверстиями, а с вытянуты-
ми по вертикали, люминофор нанесен на экран узкими
вертикальными полосками, а электронные прожекторы
расположены планарно.
26.8.5. Замена резисторов и конденсаторов
При необходимости и замены вышедшего из строя ре-
зистора нужно выяснить его основные параметры — со-
противление и мощность рассеяния, которые указаны на
принципиальной схеме или в спецификации к ней.
Тип резистора, как правило, не имеет значения: мож-
но взамен неисправного устанавливать новый резистор
типа ОМЛТ, ВС, УЛМ или УЛИ, имеющий соответст-
вующее сопротивление и мощность рассеяния. При от-
сутствии резистора нужного номинала хорошие резуль-
таты обычно получаются, если установить резистор, со-
противление которого отличается от необходимого на
10%. Наконец, вместо одного резистора можно устано-
вить два, включенные последовательно или параллель-
но, чтобы результирующее сопротивление было равно
необходимому или отличалось от него на 10 %.
При необходимости замены вышедшего из строя кон-
денсатора подбирается другой конденсатор той же ем-
кости и с тем же или увеличенным рабочим напряжени-
ем. В отличие от резисторов, которые при выходе из
строя обычно сгорают, что нарушает их маркировку,
маркировка конденсаторов остается вполне различимой
и по ней можно выяснить емкость и рабочее напряжение
конденсаторов. Желательно также установить новый
конденсатор того же типа, что и вышедший из строя.
Никакого вреда работе аппаратуры не принесет за-
мена конденсатора конденсатором другого типа, если в
нем используется более высококачественный диэлектрик.
Следует особо остановиться на случаях замены кера-
мических конденсаторов, входящих в состав колебатель-
ных контуров. При замене контурных конденсаторов
следует устанавливать новый конденсатор, имеющий ту
же группу ТКЕ, что и вышедший из строя.
Литература
Абра мони ч В. А. Как находить и устранять неисправности
в телевизорах. М.: /ДОСААФ, 1962.
Абра м о в н ч В. Определение и устранение неисправностей
в телевизорах. — Радио. 1960. № 10. С. 41—43.
А небе pi Е. Радио и телевидение?., это очень просто. — М.:
Энергия, 1979.
Верховцев О. Г., Лютов К. П. Практические советы ма-
стеру-любителю. — Л.: Энергоатомиздат, 1987.
Гинзбург В. Высокотемпературные сверхпроводники стали
реальноегыо. — Наука и жизнь. 1987. № 9. С. 18—25.
Ел ья ш к ев и ч С. А., Кишиневский С. Э. Блоки и мо-
дули цветных унифицированных телевизоров. — М.: Радио и связь,
1982.
Е л ь я ш к е в и ч С. А., Пескин А. Е. Устройство и ремонт
цветных телевизоров. — М.: ДОСААФ, 1987.
Иванов Р., Лауд Т., Штуман Л., Черноиванов В.
Цифровая оптическая звукозапись. — Радио. 1987. № 11. С. 17—20.
Кантор Л. Я., Тимофеев В. В. Спутниковая связь и про-
блема геостационарной орбиты. — М.: Радио и связь, 1988.
Куз и не ц Л. М., Соколов В. С. Узлы телевизионных при-
емников,—М.: Радио и связь. 1987.
М а н а е в Е. И. Основы радиоэлектроники. — М.: Радио и
связь, 1985.
М ар дин В.-В., Кривоносов А. И. Справочник по элект-
ронным измерительным приборам. — М.: Связь, 1978.
Никитин В. А. Как добиться хорошей работы телевизора.—
М.: ДОСААФ, 1988. -
Партин А. С., Борисов В. Г. Введение в цифровую тех-
нику. — М.: Радио и связь, 1987.
Пясецкий В. В. Цветное телевидение в вопросах и ответах.—
Минск: Полымя, 1986.
Степаненко И. П. Основы теории транзисторов и транзи-
сторных схем. — М.: Энергия, 1977. '
Хохлов Б. Н. Декодирующие устройства цветных телевизо-
ров.— М.: Радио и связь, 1987.
Ч е х И. Осциллографы в измерительной технике / Пер. с нем. —
М.— Л.: Энергия, 1965.
300 практических советов. — М.: Московский рабочий, 1986.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение ................................................. 3
1. Понятие о строении вещества ........ 5
> 2. Проводники и изоляторы.............................. 9
3. Электростатика ........................................14
4. Постоянный ток...................................... 29
5. Магнетизм .... *............................53
6. Проводники в магнитном поле...........................68
. 7. Переменный ток . . ...................’ . . * 74
8. Резонанс.................’.............................95
9. Несинусоидальные токи............................. . 114
10. Трансформаторы и автотрансформаторы ..... 127
11. Электродвигатели.....................................138
12. Электрорадиоэлементы . .................144
13. Полупроводниковые приборы............................154
14. Интегральные микросхемы..............................177
15. Микромодули..........................................183
16. Электровакуумные приборы............................ 184
17. Усилительная схема...................................201
18. Выпрямители и стабилизаторы напряжения...............233
19. Радиопередающие устройства...........................251
20. Радиоприемные устройства.............................268
21. Телевизионные приемники..............................291
22. Магнитофоны..........................................340
23. Электроакустическая аппаратура ......................354
24. Элементы вычислительной техники......................361
25. Радиотехнические измерения...........................376
26. Мастерская радиолюбителя.............................417
Литература ...........................................463
Издание для досуга
Вильямс Адольфович Никитин
КНИГА НАЧИНАЮЩЕГО РАДИОЛЮБИТЕЛЯ
Художественный редактор Т. А. Хитрова
Технический редактор 3. И. Сарвина
Корректор И. С. Судзиловская
ИБ № 4038
Сдано в набор 20.11.89. Подписано в печать 28.12.90. Изд. № 2/п-532.
Формат 84X108732. Бумага типографская № 2. Гарнитура литера-
турная. Печать высокая. Усл. п. л. 24,36. Уч.-изд. л. 24,72. Усл.
кр. отт. 24,62. Тираж 100 000 экз. Заказ № 2085. Цена 4 р.
Ордена «Знак Почета» издательство ЦК ДОСААФ СССР «Патриот».
129110, г. Москва, Олимпийский просп., д. 22
4-я военная типография
-т.