Текст книги "Радио?.. Это очень просто!"

Автор книги: Евгений Айсберг

сообщить о нарушении

Текущая страница: 14 (всего у книги 19 страниц)

Комментарии к девятой беседе

Микрофон

В этой беседе Любознайкин занялся изучением первых звеньев цепи радиопередачи. Он начал с начала – с микрофона и поступающих на него звуковых колебаний.

Звуковые колебания – вибрации молекул воздуха с частотой от 16 гц (самый низкий тон) по 16 000 гц (наиболее высокий тон) преобразуются с помощью микрофона в соответствующие изменения электрического тока.

Описанный Любознайкиным угольный микрофон, работающий на принципе изменения сопротивления, очень чувствителен даме к относительно слабым звукам, но имеет некоторые недостатки, мешающие чистому воспроизведению звучания. Существуют другие системы микрофонов, более совершенные, но менее чувствительные; однако это не имеет большого значения, так как с помощью ламп всегда можно усилить слабые микрофонные токи. К более совершенным относятся электродинамические микрофоны, в которых легкая катушка колеблется под воздействием звуковых волн в магнитном поле магнита; мы знаем, что в этих условиях в катушке появляются– наведенные токи.

Модуляция

Микрофонный ток, электрически точно воспроизводящий звуковые волны, имеет слишком низкую частоту, чтобы порождать электромагнитные волны. Для передачи тока низкой частоты через пространство, отделяющее передающую антенну от приемной, его нужно ввести в ток высокой частоты, который способен создавать радиоволны

Каким образом вводят низкую частоту в ток высокой частоты? Или, пользуясь технической терминологией, каким образом осуществляется модуляция высокой частоты низкой частотой?

В чистом виде, без модуляции, ток высокой частоты имеет форму обычного переменного тока, который нам уже достаточно хорошо известен (см. рис. 38,а). В результате модуляции правильный строй отдельных амплитуд тока высокой частоты нарушается. Они удлиняются или укорачиваются в соответствии с формой тока низкой частоты (рис. 38,б). Если соединить все верхушки отдельных полупериодов, то получится кривая (изображенная на рис. 38,в пунктиром), имеющая форму микрофонного тока. В этом неравенстве амплитуд тока высокой частоты скрыта низкая частота.

Таким образом, модуляция является своеобразным формированием высокочастотного тока.

Описанная нами система модуляции носит название амплитудной модуляции, потому что именно амплитуда высокочастотных колебаний изменяется в ритме низкой частоты. Однако низкой частотой можно воздействовать на другой параметр высокочастотного тока – его частоту. В частотной модуляции, как называют этот метод, амплитуда тока высокой частоты остается постоянной, а изменяется частота в бóльшую или меньшую сторону среднего значения пропорционально мгновенным значениям модулирующего тока низкой частоты. Ниже мы рассмотрим этот метод частотной модуляции, применяющийся на ультракоротких волнах.

Передатчик

Ток высокой частоты (немодулированный) создается лампой, входящей в состав генератора. Гетеродин приемника является примером такого устройства, и Любознайкин был прав, задержавшись на анализе его работы. Не возвращаясь к деталям различных стадий процесса возбуждения незатухающих колебаний, напомним лишь, что основной частью генератора является колебательный контур между сеткой и катодом лампы, индуктивно связанный с катушкой в ее анодной цепи. Последовательно чередующиеся заряды и разряды конденсатора колебательного контура создают ток высокой частоты, который прекратился бы через некоторое количество периодов (как это показано на рис. 21, а), если бы в соответствующие моменты катушка в анодной цепи не передавала через индуктивную связь в катушку колебательного контура энергию, необходимую для пополнения потерь. Благодаря этому непрерывно возобновляемому пополнению энергии возбужденные колебания поддерживаются с постоянной амплитудой и частотой, равной резонансной частоте колебательного контура.

В конечном итоге колебания генератора поддерживаются за счет энергии анодного тока. В передатчике (рис. 140) относительно слабые колебания задающего генератора усиливаются перед подачей их в передающую антенну, мощным высокочастотным усилителем. Один из каскадов этого усилителя используется для манипуляции с помощью ключа, разрывающего цепь, в случае телеграфии или для модуляции микрофонным током в случае телефонии. Микрофонный ток в большинстве случаев слишком слаб, чтобы им можно было непосредственно модулировать высокую частоту. Поэтому перед подачей на модулятор его усиливают.

Схема радиотелефонного передатчика, приведенная на рис. 37, очень упрощена; она служила лишь для пояснения принципа работы.

Рис. 140. Блок-схема радиотелефонного передатчика.

_{1 – микрофон; 2 – микрофонный усилитель; 3 – модулятор; 4 – задающий генератор; 5 – усилитель высокой частоты; 6 – передающая антенна.}

Комментарии к десятой беседе

Телефонные трубки

Если началом радиотелефонной цепи служит микрофон, то последним ее звеном являются телефонные трубки. Именно они (или их близкий и более мощный родственник громкоговоритель) выполняют функции, обратные функциям микрофона: превращение токов низкой частоты в звуковые колебания.

Телефонные трубки состоят из электромагнита с сердечником из намагниченной стали, установленного позади тонкой упругой стальной мембраны (рис. 141). Все это размещено в металлическом или пластмассовом корпусе. Переменные токи низкой частоты, протекая по обмоткам электромагнита, попеременно увеличивают или уменьшают намагниченность сердечника, который сильнее или слабее притягивает мембрану. Последняя больше или меньше изгибается в ритме изменений тока.

Созданные таким образом вибрации передаются окружающему воздуху и распространяются в виде звуковых волн. Если ни одно из многочисленных преобразований, которые претерпевает ток между микрофоном передатчика и телефонными трубками приемника, не исказили его, то воспроизводимый трубками звук будет точно соответствовать звуку, попавшему на микрофон.

Рис. 141. Устройство телефонных трубок.

_{1 – электромагнит; 2 – мембрана; 3 – акустический раструб; 4 – корпус; 5 – питающий провод.}

Детектирование

Через телефонные трубки должен проходить ток низкой частоты. Совершенно бесполезно пытаться питать наушники модулированным током высокой частоты. Мембрана, имеющая слишком большую инерцию, не стала бы вибрировать на такой высокой частоте Однако если бы это и оказалось возможным, воспроизведенный «звук» имел бы столь высокую частоту, которую человеческое ухо не воспринимает. Кроме того, ток высокой частоты не пройдет через обмотки телефонных трубок из-за их слишком большого индуктивного сопротивления.

Три причины, из которых достаточно каждой отдельно взятой, приводят к необходимости осуществить операцию, обратную модуляции выделить из модулированного тока высокой частоты его низкочастотную составляющую. Эта операция носит название детектирования (иногда говорят демодуляция).

Для выделения низкочастотной составляющей модулированного тока его достаточно выпрямить, т. е. подавить все полупериоды одной из полярностей.

Таким образом, получаются импульсы тока, имеющие только одно направление и следующие один за другим в ритме высокой частоты, амплитуда которых изменяется в соответствии с формой тока низкой частоты (см. рис. 40,б). Достаточно накопить эти импульсы на обкладках конденсатора малой емкости, чтобы, разряжая его на телефонные трубки (или любое другое сопротивление), создать ток низкой частоты (рис. 40, в). Таков общий смысл процесса детектирования. Рассмотрим подробнее способы его осуществления.

Детекторы

Выпрямление тока производится с помощью проводника с односторонней проводимостью. Такой проводник имеет относительно небольшое сопротивление при прохождении тока в одном направлении и значительно большее (или даже бесконечно большое) в другом направлении. Ламповый диод может служить примером детектора с бесконечно большим сопротивлением в «запрещенном направлении», потому что электроны не могут пройти в направлении от анода к катоду. Детекторы с так называемым непостоянным контактом, из которых в прошлом был наиболее известен галеновый детектор с точечным контактом, пропускают в одном направлении ток значительно большей величины, чем в другом.

Любознайкин был прав, утверждая, что любая асимметрия (физическая, химическая или геометрическая) между двумя соприкасающимися телами, определяет неодинаковую проводимость в обоих, направлениях. А так как идеальной симметрии никогда не бывает, то можно сказать, что все неидеальные контакты в бóльшей или меньшей степени детектируют. Это явление часто бывает весьма нежелательным. Отсюда возникает опасность плохих контактов и необходимость применять пайку контактов при сборке радиоприемника.

Кристаллический детектор с непостоянным контактом имеет преимущества перед ламповым диодом в том, что не требует тока накала, и уступает ему в том, что может детектировать лишь очень слабые токи. В наши дни кристаллический детектор применяется лишь в безламповых радиоприемниках, в которых вообще нет усиления и очень слабый ток антенны после детектирования подаемся непосредственно на телефонные трубки. Такие приемники пригодны для приема только местных передач.

Но разве не является чудом даже такой приемник, в котором ничтожной частицы энергии, полученной антенной из пространства, достаточно для приведения в движение мембраны телефонных трубок..?

Конденсатор, служащий для накапливания однонаправленных импульсов выпрямленного тока, должен иметь достаточно малую емкость, чтобы представлять большое сопротивление для тока низкой частоты, так как иначе этот ток замкнулся бы через конденсатор. Обычно используется конденсатор емкостью до 2 000 пф.

Добавим, что в современных ламповых приемниках часто применяют полупроводниковые детекторы, германиевые или кремниевые, не уступающие ламповым диодам и не требующие накала.

Анодное детектирование

Триод позволяет одновременно осуществлять детектирование и усиление модулированного тока. Для этого подлежащее детектированию напряжение подается между сеткой и катодом лампы, причем отрицательное напряжение смещения должно быть больше, чем при использовании лампы в качестве усилителя, так как необходимо, чтобы рабочая точка была смещена к нижнему изгибу характеристики. В таких условиях отрицательные полупериоды высокочастотного напряжения дадут лишь малое снижение анодного тока, а положительные полупериоды вызовут значительное увеличение анодного тока. Последний примет форму серии однонаправленных импульсов высокой частоты с меняющимися амплитудами.

Конденсатор, включенный в анодную цепь и заряжаемый импульсами, создает в телефонных трубках (или любой другой нагрузке) ток низкой частоты.

В этом и состоит сущность детектирования на нижнем изгибе сеточной характеристики, называемого анодным детектированием. В принципе оно сводится к неравномерному усилению положительных и отрицательных полупериодов модулированных высокочастотных импульсов.

Комментарии к одиннадцатой беседе

Усиление высокой и низкой частоты

В большинстве приемников применяется усиление сигналов как до, так и после детектирования. Высокую частоту необходимо усилить, чтобы напряжение, подаваемое на детектор, имело величину, достаточную для детектирования в нормальных условиях. Следует отметить, что каждый детектор имеет свой «порог чувствительности», определяемый самым низким напряжением, которое он еще может удовлетворительно детектировать. Таким образом, когда по какой-либо причине (большая удаленность или малая мощность передатчика) напряжение, подаваемое на детектор, меньше порогового напряжения, детектирование будет отсутствовать или окажется неудовлетворительным.

Следовательно, усиление высокой частоты позволяет принять даже маломощные или удаленные передатчики; оно служит, таким образом, для повышения чувствительности приемника. Помимо этого, схему цепей связи между каскадами высокой частоты выбирают такой, чтобы повысить избирательность приемника.

Детектированное напряжение, как правило, слишком мало, чтобы его можно было подать непосредственно на громкоговоритель. Так как к последнему нужно подвести более или менее значительную энергию, после детектирования необходимо усиление низкой частоты.

При подаче на вход лампы (между сеткой и катодом) переменного напряжения возникает переменный анодный ток. Если необходимо использовать еще одну усилительную лампу, то следует прежде всего преобразовать переменный ток в переменное напряжение.

Трансформатор

Эта операция может выполняться несколькими способами. Один из наиболее распространенных заключается в применении трансформатора. Напомним, что трансформатор представляет собой совокупность двух индуктивно связанных обмоток. При подаче переменного напряжения на одну из обмоток которую назовем первичной, на другой обмотке, носящей название вторичной, появляется напряжение этой же формы. Если обе обмотки имеют одинаковое количество витков, то напряжение, индуктированное во вторичной обмотке, будет равно напряжению, поданному на первичную. Если же во вторичной обмотке витков будет вдвое больше, чем в первичной обмотке, так как ее можно рассматривать как состоящую из двух последовательно соединенных обмоток, в каждой из которых количество витков такое же, как в первичной обмотке. В этом случае на каждой из обмоток возникнет такое же напряжение, как на первичной, а при последовательном соединении оба напряжения суммируется.

Вообще отношение напряжения вторичной обмотки к напряжению первичной равно отношению количеств витков в этих обмотках. Если во вторичной обмотке витков больше, чем в первичной, трансформатор называется повышающим, при обратном соотношении количеств витков трансформатор называется понижающим. Отношение количества витков вторичной обмотки к количеству витков первичной носит название коэффициента трансформации. У повышающих трансформаторов оно больше, а у понижающих – меньше единицы.

Благодаря высокой магнитной проницаемости стальных сердечников их применяют в трансформаторах, предназначенных для токов низкой частоты. Во избежание появления в сердечнике индуктированных токов (так называемых токов Фуко, или вихревых токов), являющихся причиной значительной потери энергии, сердечник набирается из тонких изолированных пластин. Трансформаторы для высокой частоты также могут иметь магнитный сердечник, но в этом случае разделения сердечника на тонкие пластины уже недостаточно, чтобы избежать потерь энергии на вихревые токи. Сердечники высокочастотных катушек необходимо делать из железного порошка, в котором каждое микроскопическое зернышка изолировано диэлектриком от соседних зернышек.

И, наконец, в трансформаторах для очень высоких частот вообще следует отказаться от использования сердечника. Так, например, трансформаторы для ультракоротких воин не имеют никакого сердечника и часто изготавливаются из жесткого голого провода без изоляционного каркаса, так как в диэлектрике, помещенном в электрическое поле высокой частоты, также имеют место потери.

Трансформаторная связь

Трансформаторов в качестве элемента связи между двумя лампами включается следующим образом первичная обмотка – на выход первой лампы (между анодом и положительным полюсом источника анодного напряжения), вторичная обмотка – на вход второй лампы (между сеткой и катодом). Таким образом, изменения величины анодного тока в первичной обмотке будут преобразованы во вторичной обмотке в переменное напряжение, подаваемое на вход следующей лампы.

Автоматическое смещение

Питание анодов всех ламп приемника осуществляется от одного общего источника анодного напряжения. Для создания же отрицательного смещения на сетках ламп используется падение напряжения, создаваемое анодным током каждой лампы на резисторе, включенном между катодом и отрицательным полюсом источника анодного напряжения.

Падением напряжения называют напряжение, создаваемое на концах резистора проходящим через него током. По закону Ома падение напряжения равно произведению тока (в амперах) на сопротивление (в омах) U = I·R. Таким oбразом, ecли между катодом и отрицательным полюсом диодного напряжения включен резистор сопротивлением 2 000 ом, то при анодном токе 0,003 а падение напряжения составит 0,003·2 000 = 6 в.

В соответствии с направлением тока конец резистора, соединенный с отрицательным полюсом анодного напряжения, становится отрицательным по отношению к катоду. К этому концу и следует подключить цепь сетки, чтобы потенциал сетки был отрицательным относительно катода (рис. 50).

Однако немедленно возникает трудность. Смещение должно иметь определенную и возможно более постоянную величину, в то время как создающий падение напряжения анодный ток имеет переменную величину, по крайней мере при наличии на входе лампы переменного напряжения. В этих условиях падение напряжения, используемое в качестве сеточного смещения, также становится переменным. Как можно этому помочь?

Разделение составляющих

Рассматривая внимательнее форму анодного тока, мы можем отметить, что, будучи одной полярности (потому что в лампе электроны могут перемещаться только в одну сторону – от катода к аноду), он изменяется по величине в соответствии с изменениями сеточного напряжения. В качестве некоторой абстракции можно рассматривать анодный ток, как состоящий из двух токов постоянного тока (тока покоя, соответствующего отсутствию переменного напряжения на сетке лампы) и переменного тока, являющегося результатом изменения сеточного напряжения. Переменная составляющая изменяет величину анодного тока относительно постоянной составляющей, добавляясь к ней во время положительных и вычитаясь из нее во время отрицательных полупериодов.

Представление анодного тока как суммы постоянной и переменной составляющих поможет нам решить трудность, возникающую при получении напряжения смещения. Действительно, чтобы оно было постоянным, нужно использовать падение напряжения только от постоянной составляющей анодного тока. Что же касается переменной составляющей, то мы помешаем ей пройти через сопротивление смещения и отведем ее через конденсатор. Если этот конденсатор имеет достаточную емкость то путь через него для переменного тока более свободен, чем через сопротивление, и задача решена (рис. 142).

Рис. 142. Пульсирующий анодный ток (А) можно рассматривать как сумму двух составляющих постоянной (Б) и переменной (В). Справа показана схема разделения составляющих.

Такой метод разделения постоянной и переменной составляющих очень широко применяется в радиотехнике, и мы еще не раз будем пользоваться им. Вполне понятно, что емкость конденсатора должна быть тем большей, чем ниже частота, с тем чтобы его сопротивление переменной составляющей нe было велико. Кроме того, чем меньше сопротивление смещения, тем больше должна быть емкость, чтобы переменная составляющая была действительно «заинтересована» следовать через конденсатор. Так по крайней мере выразился бы Любознайкин.

Трансформаторы низкой и высокой частоты

После этого отступления, посвященного вопросам питания, вернемся снова к трансформатору. Трансформатор, предназначенный для низкой частоты, содержит большое количество витков (несколько тысяч) в каждой обмотке. Между витками, так же как и между обеими обмотками, образуются емкости. В трансформаторе возникают потери, вызываемые вихревыми токами и другими причинами. Все это приводит к тому, что не все частоты передаются одинаково эффективно и трансформатор вносит искажения. Чтобы искажения были незначительными, необходим трансформатор очень высокого качества. В идеальном случае передача всех звуковых частот должна быть одинаковой. Но это только идеал…

Такое требование, являющееся идеальным для трансформаторов низкой частоты, было бы недопустимо для трансформаторов высокой частоты, где, наоборот, стремятся пропустить только одну частоту (частоту принимаемого передатчика) в ущерб всем другим частотам. Следовательно, трансформаторы высокой частоты должны быть избирательными. С этой целью с помощью конденсаторов переменной емкости настраивают одну из обмоток (первичную или вторичную) или обе обмотки.

Двухтактная схема

Чтобы закончить главу об усилителях на трансформаторах, остается рассмотреть очень распространенную и заслуживающую изучения схему. Речь идет о двухтактной, или симметричной, схеме, которую называют иногда также балансной.

В этой схеме (рис. 54) сигнал с выхода первой лампы (Л₁) одновременно подается через трансформатор Tp₁ на две лампы (Л₂ и Л₃), составляющие собственно двухтактный каскад. На рисунке прекрасно видна полная симметрия схемы, работу которой мы и разберем.

На лампы Л₂ и Л₃ каждое мгновение воздействуют сеточные напряжения противоположных знаков. Действительно, если во время одного из полупериодов электроны во вторичной обмотке трансформатора Тр₂ перемещаются сверху вниз, то потенциал сетки лампы Л₂ становится менее отрицательным, а сетки лампы Л₃ – более отрицательным. При следующем полупериоде распределение потенциалов как раз противоположно. Таким образом, когда анодный ток лампы Л₂ повышается, анодный ток лампы Л₃ понижается и наоборот. Обе лампы работают в противоположной полярности в два такта, чем и объясняется происхождение названия «двухтактный».

Для использования переменных анодных токов противоположных полярностей установлен второй трансформатор (Тр₂) с выводом от средней точки на первичной обмотке. Таким образом, ток каждой лампы проходит лишь по половине первичной обмотки. Оба тока проходят по обмотке в противоположных направлениях, но сами токи имеют противоположную полярность, поэтому действие токов в конечном счете складывается, так как их магнитные поля имеют одинаковое направление. Таким образом, обе переменные составляющие совместно индуктируют во вторичной обмотке ток, воздействующий на громкоговоритель Гр.

Если переменные составляющие анодного тока обеих ламп действуют согласованно, то постоянные составляющие, имеющие одинаковую величину, но протекающие по половинам первичной обмотки в разных направлениях, создают противоположно направленные магнитные поля, которые взаимно уничтожаются.

В этом заключается одно из преимуществ двухтактной схемы. Благодаря отсутствию постоянного магнитного поля сердечник трансформатора работает в наилучших условиях, так как его намагничивание определяется лишь переменными составляющими. Магнитная проводимость сердечника, снижающаяся при увеличении подмагничивающего поля, оказывается значительно выше, чем при наличии постоянного поля, создаваемого постоянной составляющей.

К этому преимуществу следует добавить еще и другие. Так, например, благодаря работе обеих ламп в противоположной полярности компенсируются некоторые искажения, обусловленные кривизной их характеристик (нелинейные искажения).