Текст книги "Радиоэлектроника-с компьютером и паяльником"

Автор книги: Генрих Кардашев

сообщить о нарушении

Текущая страница: 3 (всего у книги 19 страниц)

Катушки индуктивности и трансформаторы

Катушки индуктивности

Согласно терминологическим словарям, катушка индуктивная – это элемент электрической цепи, предназначенный для использования его индуктивности и выполненный из провода, намотанного на каркас. Хотя наличие каркаса и не обязательно в контуре мощного радиопередатчика или ТВЧ-генератора, катушка, как правило, бескаркасная и выполняется из толстого медного посеребренного (подумайте зачем) провода (шины или трубки). Кроме того, катушка может быть и плоской спиралью, выполненной на печатной плате.

В приведенном выше определении, «катушка индуктивная» или, что то же самое, «катушка индуктивности», или, наконец, «индуктивная катушка» номинирован тип компонента (изделия) через его параметр «индуктивность». Называть изделие его свойством индуктивностью или, наоборот, параметр катушкой плохо и может привести к ошибкам. К сожалению, радиолюбители часто этим грешат: не следуйте подобному примеру.

Основополагающие работы по катушкам индуктивности провел впервые Майкл Фарадей, открывший закон электромагнитной индукции. Фарадей использовал катушки в качестве электромагнитов и называл их соленоидами (от греческих слов, означающих трубка и вид). Практически одновременно с ним закон самоиндукции был открыт Джозефом Генри, по фамилии которого и была впоследствии названа единица индуктивности («генри»).

Электрическими характеристиками катушек индуктивности служат: значение индуктивности, максимальный ток, активное сопротивление провода обмотки. Для контурных катушек также важны: величина добротности, характеризующей потери энергии в катушке, собственная емкость и частотный диапазон использования.

В катушках индуктивности электромагнитная энергия запасается в виде магнитного поля, концентрирующегося внутри катушки. Индуктивность зависит от числа витков и общей геометрии катушки (рис. 6).

Рис. 6. Катушки индуктивности:

_{а – внешний вид; б – УГО; в – компоненты EWB}

Магнитопровод (называемый в обиходе, в нарушение ГОСТ, сердечником), помещенный внутрь катушки, приводит к увеличению ее индуктивности пропорционально магнитной проницаемости материала, из которого он выполнен.

В подстраиваемых индуктивных катушках предусматривают возможность регулировки той части длины стержня из ферромагнетика, которая вводится внутрь катушки. Катушки индуктивности выполняют как одно-, так и многослойными. При изготовлении катушек индуктивностью от 100 мкГн до 100 мГн для областей низких и средних частот применяют чашечные ферритовые броневые магнитопроводы.

Одной из разновидностей катушек индуктивности является дроссель (от нем. Drossel – сокращать), используемый чаще всего как элемент фильтров выпрямителей. Индуктивности дросселей имеют типичные значения от 0,1 до 1 Гн.

Для устранения влияния внешних полей на работу катушки индуктивности или, напротив, полей их рассеяния на окружающие компоненты, катушки часто помещают в специальные экраны.

Катушки индуктивности могут быть одиночными или секционированными (с отводами). Несколько катушек индуктивности могут быть связаны также электромагнитными полями (взаимоиндукцией), образуя «связанные» контуры. Развитием подобных устройств являются трансформаторы.

Магнитные головки

Так называют небольшие катушки с магнитопроводом (сердечником, точнее – двумя С-образными полусердечниками), имеющим тонкий поперечный зазор, заполняемый твердым немагнитным материалом (например, бериллиевой бронзой). Это один из основных элементов разнообразной аппаратуры для магнитной записи и воспроизведения информации. Магнитное поле рассеяния вблизи зазора, взаимодействуя с движущимся в нем магнитным носителем, используется для записи, воспроизведения или стирания информации.

Магнитная запись была изобретена и впервые осуществлена датским инженером В. Паульсеном в 1898 г. В качестве носителя информации он использовал тонкую стальную проволоку; позже стали применять магнитные ленты и диски (гибкие и жесткие).

Ширина зазора у современной магнитной головки составляет 0,1…10 мкм. Сердечник изготавливают из специальных магнитно-мягких (не сохраняющих остаточную намагниченность) материалов: пермаллоя, сендаста или некоторых ферритов. Магнитный же носитель содержит слой магнитно-жесткого материала (например, магнитный порошок оксида железа или диоксида хрома), способного сохранять остаточную намагниченность. Для защиты от помех головки заключают в специальные экраны.

При записи сигнал в катушке создает соответствующее поле в зазоре, и оно намагничивает те участки носителя, которые к нему примыкают в данный момент. При воспроизведении, наоборот, эти участки, двигаясь в области зазора, создают в нем магнитное поле, характеристики которого несут информацию о создавшем их ранее сигнале при записи. В результате электромагнитной индукции в обмотке головки наводится ЭДС, являющаяся сигналом воспроизведения информации.

В зависимости от назначения различают аудио– и видеоголовки (рис. 7).

Рис. 7. Магнитные головки:

_{а – аудио; б – видео; в – УГО}

Конструкции головок очень разнообразны, например, для обеспечения записи стереозвука универсальная головка имеет четыре рабочих зазора.

Головки характеризуют числом витков обмотки, шириной рабочего зазора и шириной дорожки, резонансной частотой, амплитудой тока записи и выходным напряжением воспроизведения, магнитной проницаемостью и индукцией насыщения.

В настоящее время, помимо чисто магнитных (индукционных) устройств, применяют и более сложные магнитоэлектронные головки (магнитооптические, магниторезистивные, магнитодиоды, элементы Холла и Виганда). Особый интерес представляют миниатюрные тонкопленочные магнитные головки, изготовляемые по интегральной технологии.

Трансформаторы

Электрический трансформатор (от лат. transformare – преобразовывать) является статическим (без подвижных частей) электромагнитным аппаратом, предназначенным для преобразования одного переменного напряжения в другое той же частоты.

Простейший трансформатор представляет собой две индуктивные катушки (обмотки), связанные своими магнитными полями через общий (замкнутый) магнитопровод. Если первичную обмотку подключить к источнику переменного синусоидального напряжения некоторой частоты (например, 50 Гц), то переменный ток, протекающий по этой обмотке, создаст в магнитопроводе переменный магнитный поток, также изменяющийся по синусоидальному закону с той же частотой. Этот переменный поток, пронизывая витки вторичной обмотки, индуцирует в ней переменную ЭДС той же частоты.

В зависимости от отношения числа витков первичной и вторичной обмоток, которое называется коэффициентом трансформации, могут встретиться три случая. Величина наведенной ЭДС может быть меньше первичного напряжения – понижающий трансформатор (число витков первичной обмотки больше, чем вторичной), больше его – повышающий трансформатор (обратное соотношение числа витков) и, в частном случае, равна ему – разделительный трансформатор. По назначению и в зависимости от конструктивных особенностей различают трансформаторы: силовые, согласующие, выходные, импульсные, измерительные и др. (рис. 8).

Рис. 8. Трансформаторы:

_{а – внешний вид; б – УГО; в – компоненты EWB}

Трансформаторы малой мощности делятся по конструктивному выполнению магнитопроводов на три группы: броневые, стержневые и тороидальные. Броневые и тороидальные трансформаторы применяются на частотах 50…1000 Гц, тороидальные – на частотах 400 Гц-100 кГц и выше. На частотах до 1кГц трансформаторы выполняют одно– и трехфазными, а выше преимущественно однофазными.

Магнитопроводы трансформаторов имеют различную геометрическую форму и выполняются из различных материалов. Из тонких листов специальной трансформаторной стали, Ш-образной формы, часто выполняют силовые трансформаторы для источников вторичного электропитания. Магнитопроводы согласующих и выходных (для подключения громкоговорителей) трансформаторов, работающих в диапазоне частот до 35 кГц, для уменьшения потерь на нагрев магнитопровода в высокочастотных полях выполняют тороидальной формы из пермаллоевой ленты или полуколец спеченного феррита.

В ряде устройств, прямо на печатную плату, монтируют специальные (залитые компаундом на основе полимерных смол) так называемые «залитые трансформаторы», а также «сверхплоские трансформаторы».

При выборе трансформаторов необходимо учитывать допустимые токи и напряжения, полную мощность (В·А), потребляемую из сети, и активную мощность (Вт), которую он может передать в нагрузку. Следует также обращать внимание на диапазон рабочих частот, маркировку обмоток и выводов (особенно у многообмоточных трансформаторов).

При эксплуатации трансформаторов приходится учитывать ряд их особенностей. Напряжение на вторичной обмотке трансформатора снижается с увеличением мощности, потребляемой от него в нагрузке.

Трансформаторы создают помехи, поэтому надо принимать необходимые меры по экранировке и правильному их размещению относительно других устройств. При монтаже трансформаторов надо следить, чтобы никакие стяжки и крепления не превратились в короткозамкнутые витки. Поскольку трансформаторы нагреваются при работе, то наряду с другими компонентами для них может потребоваться также обдув воздухом от вентилятора.

1.2. Основные электронные компоненты

Электровакуумные приборы

Радиолампы

Наиболее существенные успехи при зарождении радиоэлектроники в 1920–1930 годы прошлого века связаны с ламповой техникой. Сами же радиолампы (точнее, электронные лампы) ведут свою историю от еще более ранних открытий Эдисона, Томсона и Флеминга, приведших к созданию электровакуумного диода с катодом в виде нити накаливания и изобретения американским инженером и ученым Ли де Форестом трехэлектродной лампы (триода) в 1907 г. Именно введение управляющего электрода в виде сетки, размещаемой между катодом и анодом, позволило создавать радиоэлектронные устройства с самыми разнообразными характеристиками и назначением.

В зависимости от функционального назначения различают электронно-управляемые лампы: выпрямительные, усилительные, генераторные и модуляторные; по диапазону частот – низкочастотные, высокочастотные и сверхвысокочастотные; по мощности – маломощные, мощные и сверхмощные.

Независимо от назначения любая радиолампа состоит из баллона (колбы), системы электродов и системы вводов. Баллон может быть стеклянным, керамическим и металлокерамическим (рис. 9).

Рис. 9. Радиолампы:

_{а – внешний вид; б – УГО триода и компонент EWB}

В процессе производства из баллона откачивают воздух до разрежения примерно 10^-6 мм рт. ст.

Основными электродами двухэлектродной лампы (диода) являются катод и анод.

Катод служит источником электронов, получаемых за счет термоэлектронной эмиссии. Различают катоды прямого и косвенного накала; в последних специальные вещества, легко эмитирующие электроны, наносят на наружную по отношению к нити накала поверхность.

Анод является приемником электронов, попадающих на него при подаче положительного потенциала относительно катода. На аноде при ударах электронов рассеивается определенная мощность, приводя к его нагреву. Поэтому в лампах малой и средней мощности анод изготавливают их никеля, тантала, стали или молибдена, а в мощных и сверхмощных устройствах дополняют системой принудительного охлаждения (воздушного или водяного). Геометрическая форма анода может быть самой разнообразной: от простейшего цилиндра до сложной «оребренной» поверхности.

Выпрямительные диоды называют кенотронами. В одном баллоне могут размещаться два анода, что удобно при использовании схем двухполупериодного выпрямления. Основными характеристиками кенотронов являются обратное напряжение и рабочий ток. Для детектирования токов высокой частоты используют специальные детекторные диоды.

В триодах между катодом и анодом размещают управляющий электрод, обычно имеющий форму сетки (рис. 9, б). Сетка размещается ближе к катоду, благодаря чему малые потенциалы на ней относительно катода (сравнительно с большим потенциалом анода, но помещенным дальше), дают возможность управления анодным током. В частности, это дает эффект усиления сигналов. Триод, как и диод, также может быть сдвоенным.

Анодно-сеточная характеристика триода (зависимость анодного тока от напряжения на сетке при определенных анодных напряжениях) имеет угол наклона к оси абсцисс, характеризующий ее «крутизну»: чем больше крутизна, тем больше усиление, даваемое лампой. Эти характеристики заходят и в отрицательную область сеточных напряжений, что не удобно при использовании ламп.

В тетродах – четырехэлектродных лампах, для устранения этого недостатка используется (по предложению А. Хелла в 1924 г.) еще одна экранная сетка. Однако в них начинает развиваться динатронный эффект – выбивание вторичных электронов из анода первичными, что ухудшает характеристики лампы. Поэтому создали пентод – лампу с двумя экранными сетками.

Для схемотехнического удобства при преобразовании сигналов были созданы различные комбинированные лампы, например триод-пентод или триод-гептод (имеющий пять сеток), и другие варианты.

Этот процесс усложнения отдельного компонента приостановился за счет развития полупроводниковых устройств. Трудно себе представить даже простейший однокристальный микропроцессор, если бы его удалось сделать в одном баллоне по электровакуумной, а не твердотельной технологии, а о персональных компьютерах можно было бы и не мечтать.

Магнетрон

К особому типу электровакуумных приборов относится магнетрон, в котором анод и катод являются коаксиальными цилиндрами, образующими для радиального потока электронов сложный объемный электромагнитный резонатор, помещенный в постоянное магнитное поле.

Термин «магнетрон» является транслитерацией слова magnetron, образованного из слов MAGNET – магнит + electRON – электрон, и введен, очевидно, в 1921 г. американским изобретателем А. Хеллом при описании магнетронного генератора электромагнитных колебаний. На магнетронах были основаны первые радиолокационные устройства. Оценивая это изобретение, английский ученый и писатель Ч. Сноу писал, что причаливший к берегам Америки перед Второй мировой войной корабль доставил туда груз в виде черного чемоданчика, заключавшего в себе три предмета. Ценность этого груза превышала все, что когда-либо доставлялось на континент со времен Колумба. Однако это не были драгоценности или произведения искусства: одним из таинственных и бесценных предметов был магнетрон. Сейчас киловаттный магнетрон – это обыденный предмет, находящийся внутри кухонной микроволновки.

В предвоенные годы в СССР были выполнены основополагающие работы в этой области. Идея радиолокации была высказана советским ученым П. К. Ощепковым. В 1934–1935 гг. под руководством С. А. Зусмановского был создан двухщелевой магнетрон мощностью около 1 кВт. Многорезонаторные магнетроны оригинальной конструкции, идея которых была предложена М. А. Бонч-Бруевичем, были изготовлены инженерами Н.Ф. Алексеевым и Д. Е. Маляровым в 1936–1937 гг.

На рис. 10, а показан общий вид магнетрона от бытовой СВЧ-печи, а на рис. 10, б, в разрезы более мощного специального магнетрона с перестраиваемой частотой.

Рис. 10. Магнетроны:

_{а – общий вид магнетрона от бытовой СВЧ-печи; б, в – разрез и вид в поперечном сечении систем резонаторов специального магнетрона: 1 – резонаторы анодного блока; 2 – коаксиальный резонатор; 3 – щели, соединяющие резонаторы анодного блока с коаксиальным резонатором; 4 – поршень коаксиального резонатора для перестройки частоты; 5 – окно для вывода мощности колебаний СВЧ; 6 – катод; 7 – полюсные наконечники магнита}

Колебания электронного потока (во времени и в пространстве) в резонаторе приводят к генерированию электромагнитных волн в диапазоне от миллиметровых до метровых (в зависимости от геометрии системы). Излучение волн во внешнее пространство осуществляется через антенный вывод, который в бытовом магнетроне представляет собой пакетированную систему: снаружи «штенгеля» (запаянной стеклянной трубки, через которую откачивался воздух в процессе изготовления) надет цилиндр из «радиопрозрачного» фарфора, заканчивающийся медным колпачком (см. в верхней части рис. 10, а) высотой около 1,5 см. Колпачок соединен со связками внутри анодного блока магнетрона специальной петлей связи, проходящей внутри «штенгеля».

Магнетроны, используемые в бытовых СВЧ (микроволновых) печах имеют мощность порядка 1 кВт; их КПД доходит до 85 %. Для питания подобного магнетрона используется высоковольтный выпрямитель с напряжением около 4 кВ.

Электронно-лучевые приборы

Кинескоп – игрушка дорогая.

М. Гук. Аппаратные средства IBM PC

Электровакуумные приборы приобретают особые свойства, если поток термоэлектронов сконцентрировать в виде луча или пучка лучей.

В электронно-лучевых трубках (ЭЛТ) катодный узел, размещаемый в ее горловине, называют электронным прожектором, или пушкой (рис. 11).

Рис. 11. Электронно-лучевая трубка:

_{а – кинескоп; б – схема ЭЛТ (1 – электронная пушка; 2 – отклоняющие катушки; 3 – анод; 4 – электронный луч)}

Конструкции прожекторов могут быть достаточно сложными, например пентодными. Далее по ходу луча следует отклоняющая система – электростатическая или электромагнитная (дополнительное внешнее устройство) и приемник электронов – экран. Колбу трубки чаще всего делают из стекла и внутри покрывают слоем графита («аквадага»), от которого выводят контактный электрод. Экран трубки в простейшем случае – это покрытое люминофором ее дно. При попадании электронного пучка на люминофор возбуждается его свечение (электролюминесценция). Светоотдача, время послесвечения и его цвет зависят от свойств люминофора.

Различают осциллографические трубки, используемые для регистрации быстропротекающих электрических процессов, индикаторные – для радиолокации, а также телевизионные кинескопы и передающие трубки, и дисплеи мониторов персональных компьютеров.

В осциллографических трубках для получения изображения к горизонтально отклоняющим пластинам подводится пилообразно изменяющееся напряжение – напряжение развертки, а к вертикально отклоняющим – напряжение исследуемого сигнала (прошедшего через канал усиления).

В зависимости от скорости развертки по горизонтали (измеряемой временем на одно деление шкалы), характеристики сигнала, усилителя и чувствительности отклоняющей системы на экране возникает та или иная картина. В приборах, использующих эти трубки – электронно-лучевых осциллографах (осциллоскопах) – имеются соответствующие регулировки. Для одновременного наблюдения на экране различных сигналов используют многолучевые трубки.

Кинескоп – приемная ЭЛТ, был изобретен в США в 1929 г. В. К. Зворыкиным, эмигрировавшим после революции из России ученым. Он же и там же, в 1932 г., изобрел и первую передающую телевизионную трубку иконоскоп (от греч. eikón – изображение и sкорéо – смотрю, рассматриваю). «Как хорошо, что Зворыкин уехал, и телевиденье там изобрел…», – пел по этому поводу Б. Окуджава.

В кинескопе для получения телевизионного изображения используется растровая развертка, при которой луч прочерчивает горизонтальные строки (строчная развертка) с одновременным их смещением по вертикали (кадровая развертка). Яркость свечения автоматически управляется телевизионным сигналом, подаваемым на катод (модулятор) после его обработки в телевизионном приемнике.

Для получения цветного изображения используют принцип пропорционального смешения цветов. Кинескоп выполняют с трехкомпонентным люминофором (дающим красное, зеленое и синее свечение каждый) и устанавливают три автономно управляемых прожектора. Перед люминофором с внутренней стороны располагают также специальную сетчатую (щелевую) цветоразделительную (теневую) маску, обеспечивающую попадание лучей на соответствующие сегменты люминофора (см. рис. 11, а).

Дисплеи мониторов ПК часто являются усовершенствованными кинескопами. (При появлении ПК умельцы приспосабливали телевизионные приемники для вывода видеоинформации из компьютера.) В зависимости от типа монитора используют монохромные (черно-белые, черно-зеленые и черно-желтые) дисплеи или цветные дисплеи.

Основным параметром дисплея является размер его экрана по диагонали и размер зерна-триады люминофора, выбираемый шагом отверстий матрицы теневой маски. Существуют мониторы с диагональю от 14 до 21 дюйма и зернистостью от 0,42 до 0,26 мм и тоньше. В прямой зависимости от указанных величин находится экранное разрешение изображения, которое можно получить на мониторе. Эту характеристику принято оценивать полным числом высвечиваемых элементов – точек или пиксел, измеренных по горизонтали и вертикали, например, 800x600, 1024x768 или 1280x1024 пиксел. (Интересно отметить, что масочный дисплей по своей конструкции уже является не аналоговым, а как бы цифровым устройством.) Реальная разрешающая способность будет, конечно, зависеть от полосы пропускания всего видеотракта. Чистота цвета также зависит от намагничивания элементов монитора и кинескопа (в основном, его маски), поэтому в мониторах предусматривают специальные системы размагничивания. Опытный радиолюбитель никогда не поднесет динамические головки к экрану: это все равно, что стукнуть его молотком (далее см. эпиграф данного раздела).

В приемной трубке – иконоскопе используется принцип накопления электрических зарядов для преобразования оптического изображения в телевизионные сигналы. Световой поток от объекта направляется (через оптическую систему) на светочувствительную мишень – слюдяную пластину с мозаикой, состоящей из нескольких миллионов изолированных друг от друга миниатюрных фотокатодов (из зерен серебра, покрытых цезием или окислом цезия), и вызывает на ее поверхности характерное распределение электрических зарядов (потенциальный рельеф). На другую ее сторону нанесен металлический слой, так называемая сигнальная пластина. Каждый фотокатод с этой пластиной образует конденсатор. Электронный луч, обегая мозаику мишени в определенной последовательности, задаваемой характером телевизионной развертки, разряжает каждый конденсатор через резистор (сопротивление нагрузки), подключаемый к усилителю электрических сигналов.

С середины прошлого века иконоскоп был заменен более совершенными передающими телевизионными трубками (супериконоскопом, суперортиконом, видиконом и др.).