Текст книги "Электроника в вопросах и ответах"

Автор книги: И. Хабловски

Соавторы: В. Скулимовски
сообщить о нарушении

Текущая страница: 4 (всего у книги 29 страниц)

Что можно сказать о катушке индуктивности как элементе схемы?

Катушка индуктивности является элементом, вносящим в цепь определенную постоянную или регулируемую индуктивность. Катушку индуктивности часто выполняют навивкой проволоки на корпус, сделанный из изолятора. Навивка может быть одно– или многослойной. Катушки бывают воздушными (бессердечниковыми) либо с магнитным сердечником. Катушки индуктивности (рис. 2.8) в основном характеризуются следующими параметрами: индуктивностью и добротностью.

Рис. 2.8. Графическое изображение катушек индуктивности с постоянной (а), переменной (б) индуктивностью и с ферритовым сердечником (в)

Основной единицей индуктивности является генри [Гн]. Чаще используются в тысячу раз меньшая единица, называемая миллигенри [мГн], и в миллион раз меньшая единица – микрогенри [мкГн]. Индуктивность катушки возрастает с увеличением ее размеров и числа витков. Воздушные катушки имеют индуктивность от 1 Гн до нескольких десятков миллигенри. Большие значения индуктивности (даже несколько тысяч генри) получают, когда катушки индуктивности выполняют на ферромагнитных стержнях. Регулировка индуктивности чаще всего выполняется перемещением сердечника относительно навивки (например, путем вворачивания или выворачивания сердечника отверткой).

Кроме индуктивности катушки обладают некоторой емкостью зависящей от распределения навивки, и некоторым активным сопротивлением (рис. 2.9), отражающим потери энергии в катушке (в навивке, корпусе, сердечнике). Сопротивление потерь увеличивается при росте частоты.

Рис. 2.9. Эквивалентная схема реальной катушки индуктивности

Добротность катушки определяется как отношение индуктивного сопротивления к сопротивлению потерь (последовательному):

Q = X_L/R = 2πfL/R.

Добротность изменяется в зависимости от частоты, габаритных размеров и формы катушки, материала корпуса, типа навиваемого провода, свойств сердечника. Добротность катушек составляет 50—200. Большой добротностью в диапазоне высоких частот обладают воздушные катушки, навитые на керамический корпус.

Индуктивными элементами являются также дроссели и трансформаторы. Дросселями называются катушки, задача которых создать в цепи большое сопротивление для переменного тока, чтобы подавить токи определенных частот. В частности, дроссели применяются в фильтрах источников питания.

Определение результирующего значения индуктивности при последовательном и параллельном соединении катушек пояснено на рис. 2.10.

Рис. 2.10. Определение результирующей индуктивности при последовательном (а) и параллельном (б) соединении катушек

Трансформатор как элемент цепи

Трансформатор является индуктивным элементом, состоящим по меньшей мере из двух обмоток, предназначенных для передачи энергии из первичной обмотки во вторичную. В электронных устройствах трансформатор чаще всего служит для повышения или понижения напряжения (в выпрямителях в устройствах питания), а также для согласования нагрузки, подключенной ко вторичной обмотке трансформатора, сопротивлением источника, подключенного к первичной обмотке. Часто трансформаторы используют в качестве элементов связи в усилителях. Мощности используемых в электронных устройствах трансформаторов редко превышают 100 Вт. Отношение числа витков вторичной обмотки n₂ к числу витков первичной n₁ называется передаточным отношением р или коэффициентом трансформации К_тр трансформатора. Для идеального трансформатора, т. е. трансформатора без потерь, имеем следующие соотношения (рис. 2.11): передаточное отношение р = n₂/n₁ = U₂/U₁; передаваемая мощность[6]6
  В действительности передаваемая мощность меньше, поскольку в трансформаторе всегда имеются потери.


[Закрыть] р = U²₂/R₂ = p²U²₁/R₂.

Согласование сопротивления нагрузки R₂ с сопротивлением источника R₁бывает в том случае, когда сопротивление R₁, «видимое» со стороны источника или пересчитанное на первичную обмотку трансформатора и зависящее от передаточного отношения трансформатора, равно сопротивлению источника

R = R₂/p² = R₁

Рис. 2.11. Трансформатор, нагруженный на сопротивление

Какие преобразователи встречаются в электронных устройствах?

Существует много видов преобразователей. Их задача – преобразование энергии одного вида в другой. Электроакустические преобразователи (рис. 2.12) преобразуют акустическую энергию, например речи или музыки, в электрическую или наоборот. В первом случае это микрофоны, во втором – громкоговорители и телефоны. Существуют также преобразователи, обеспечивающие возможность записи звуковых сигналов и изображении, в том числе на магнитной ленте, на пластинке (записывающие головки), а также преобразователи для воспроизведении записанного звука и изображения, на пример в электропроигрывателях, магнитофонах, видеомагнитофонах.

В телевидении используют преобразователи, которые преобразуют в передающей камере (передающие электронно-лучевые трубки) оптическое (световое) изображение и электрический сигнал, а также в приемнике (кинескопы приемные трубки) электрическим сигнал в световое изображение.

Рис. 2.12. Графическое изображение электроакустических преобразователей микрофона (а), громкоговорителя (б) и наушников (в)

На каком принципе работает микрофон?

Это зависит от типа микрофона, но в общем случае можно сказать, что преобразование энергии звука, попадающего на микрофон, в электрическую энергию происходит на принципе использования пружинной мембраны, колеблющейся под влиянием энергии звуковых волн, которая вызывает изменение тока, протекающего в цепи микрофона в такт с воздействующими на эту мембрану волнами.

Динамический микрофон (рис. 2.13) действует на принципе возникновения электродвижущей силы в катушке, перемещающейся в магнитном поле. Катушка соединена с колеблющейся мембраной, а магнитное поле создается постоянным магнитом.

Рис. 2.13. Упрощенная конструкция динамического микрофона:

_{1 – колеблющаяся мембрана; 2 – витки катушки; 3 – постоянный магнит}

Угольный микрофон (рис. 2.14) применяется, в частности, в телефонных трубках. Колеблющаяся в нем мембрана изменяет электрическое сопротивление угольного порошка, прижимаемого мембраной, что в свою очередь вызывает изменение тока, протекающего через порошок.

Рис. 2.14. Конструкция угольного микрофона:

_{1 – колеблющаяся мембрана; 2 – зерна угольного порошка; 3 – корпус}

Емкостный микрофон работает на принципе использования колеблющейся мембраны в качестве одной из обкладок конденсатора. Колебания мембраны изменяют емкость, что в свою очередь вызывает изменение падения напряжения на резисторе, включенном в цепь микрофона.

Существуют и другие типы микрофонов. Они отличаются конструкцией и параметрами, такими как чувствительность (точнее эффективность), полоса акустических частот, выходное сопротивление источника сигнала, направленные свойства и др.

На каком принципе работает громкоговоритель?

Это зависит от типа громкоговорителя. В случае динамического громкоговорителя (рис. 2.15) электрический ток на акустических частотах, протекающий через обмотку катушки, размещенный в поле постоянного магнита или электромагнита, вызывает колебания этой катушки. Катушка соединена с конусообразной мембраной (чаще всего из бумажной массы). Колебания мембраны вызывают в свою очередь возникновение звуковых волн.

Рис. 2.15. Упрощенная конструкция динамического громкоговорителя:

_{1 – колеблющаяся мембрана; 2 – колеблющаяся катушка; 3 – постоянный магнит; 4 – подвеска мембраны}

Существуют также другие типы громкоговорителей. Важными параметрами громкоговорителя являются: допустимая акустическая мощность, КПД, сопротивление громкоговорителя как нагрузки схемы, управляющей громкоговорителем.

Верное воспроизведение всего диапазона акустических частот одним громкоговорителем при современном уровне техники оказывается невозможным, и поэтому в устройствах высококачественного воспроизведения применяют комплекты громкоговорителей, содержащие подобранные соответствующим образом громкоговорители для низких и высоких частот. Обычно громкоговорители, хорошо воспроизводящие низкие частоты, значительно больше по размерам, чем громкоговорители для воспроизведения высоких частот.

На каком принципе работают преобразователи изображения?

Преобразователь, превращающий оптическое изображение в электрический сигнал и применяемый в телевизионной камере, работает на принципе использования явления фотоэмиссии или фотопроводимости.

Во втором случае в передающей трубке, называемой видиконом, оптическое изображение, проектируемое объективом на пластинку со слоем фоторезистора, изменяет сопротивление в различных ее местах в зависимости от интенсивности света, падающего в данное место. Увеличение интенсивности света вызывает убывание сопротивления. При проектировании изображения на пластинке возникает определенное распределение потенциала, зависящее от распределения света и теней в проецируемом оптическом изображении. В трубке имеется электронный луч, который направлен на пластинку и перемещается по ней по определенному закону. Перемещаясь, луч попадает на точки с разным потенциалом, что вызывает протекание через пластину тока, значение которого в каждый момент зависит от сопротивления в данной точке, т. е. от количества света, падающего на точку. Таким образом, получают ток, изменяющийся в зависимости от распределения светлых и темных точек пространства.

Преобразование электрического сигнала в оптическое изображение происходит в приемных трубках, называемых кинескопами. Принцип действия кинескопа тот же, что и осциллографических трубок. Электронный луч воздействует на экран, покрытый материалом, светящимся под его воздействием. Интенсивность свечения зависит от тока луча, который в свою очередь зависит в каждый момент от мгновенного значения управляющего трубкой сигнала, полученного от передающей трубки.

Что такое электронные цепи и схемы?

Это комбинации, образующиеся в результате соединения электрических элементов. В общем случае определение «цепь» применяется по «отношению» к простым комбинациям элементов, а определение «схема» – к более сложным, однако такое деление строго и последовательно не соблюдается.

Цепи и схемы делятся на разные группы в зависимости от принципа действия, функции, технологии, свойств и т. п. В дальнейшем мы познакомимся с определением и сущностью цепей и схем, называемых линейными и нелинейными, активными и пассивными, логическими и цифровыми, резонансными, связанными, печатными, интегральными и др.

Что такое линейные и пассивные цепи?

Линейные цепи – это цепи, состоящие только из линейных элементов, т. е. таких, для которых зависимость между напряжением и током является линейной. В общем случае линейными элементами не являются транзисторы, лампы, катушки индуктивности, трансформаторы с сердечником и преобразователи. На практике цепи, содержащие нелинейные элементы и называемые нелинейными, рассматриваются приближенно как линейные, особенно при работе с малыми уровнями сигналов.

Пассивными цепями называются цепи, не содержащие активных элементов, т. е. элементов, повышающих уровень энергии подводимого сигнала, таких как, например, транзистор или лампа.

Что такое интегрирующая цепь?

Это линейная цепь (рис. 2.16, а), используемая для изменения формы подводимого сигнала. Форма выходного сигнала при возбуждении такой цепи прямоугольным импульсом представлена на рис. 2.16, б. Скорость нарастания фронта выходного сигнала зависит от постоянной времени τ = RC или τ = L/R. Чем больше постоянная времени, тем сильнее форма выходного сигнала отличается от формы входного сигнала.

Интегрирующую цепь можно рассматривать как фильтр, пропускающий низкочастотные составляющие сигнала и подавляющий составляющие более высоких частот, т. е. как фильтр нижних частот.

Рис. 2.16. Примеры простых интегрирующих цепей (а) и форма импульса (б) на выходе

Что такое дифференцирующая цепь?

Это линейная схема (рис. 2.17, а), используемая для изменения формы подводимого сигнала. При подаче прямоугольного импульса на выходе цепи получают сигнал, форма которого показана на рис. 2.17, б. Изменение формы сигнала тем больше, чем меньше постоянная времени цепи τ = RC или τ = L/R.

Дифференцирующую цепь можно рассматривать как фильтр, пропускающий высокочастотные составляющие сигнала и подавляющий низкочастотные составляющие, т. е. как фильтр верхних частот.

Рис. 2.17. Примеры простых дифференцирующих цепей (а) и форма импульса (б) на выходе

Что такое цепь с параллельным резонансом?

Это цепь, состоящая из катушки индуктивности и конденсатора, соединенных параллельно. Если учесть потери в катушке и конденсаторе как сопротивление R, то такую цепь можно представить в виде, показанном на рис. 2.18, а. Полное сопротивление этой цепи зависит от частоты (рис. 2.18, б).

Рис. 2.18. Цепь с параллельным резонансом (а) и зависимость полного сопротивления цепи (б) от частоты

Наибольшее значение достигается при частоте собственных колебаний цепи, называемой резонансной частотой и выражаемой формулой

где L – и генри, С – в фарадах, а результат получаем в герцах Резонансное сопротивление (или динамическое) имеет чисто резистивный характер, а его значение рассчитывают по формуле

Z_рез = L/RC

На частотах, меньших резонансной, сопротивление цепи имеет характер индуктивной реактивности, на больших – емкостной реактивности. Если сопротивление потерь мало, а добротность Q катушки и всей цепи высока, кривая, представляющая изменение сопротивления Z, получается узкой и высокой. Условием сохранения узкой и крутой резонансной кривой является возбуждение цепи от источника с соответственно большим внутренним сопротивлением (Z_вн >> Z_рез). Важно также, чтобы сопротивление нагрузки, подключенной на выходе цепи, было достаточно высоким. Если эти условия не выполняются, то даже при большом значении Q самой цепи резонансное сопротивление снижается из-за нагружения цепи сопротивлением источника или нагрузки, а резонансная кривая расширяется и снижается.

Цепи с параллельным резонансом находят широкое применение в электронике и радиоэлектронике, в частности в усилителях и генераторах.

Что такое цепь с последовательным резонансом?

Это цепь, состоящая из катушек индуктивности и конденсатора, соединенных последовательно. Если учесть потери в катушке и конденсаторе (сопротивление R), то такую цепь можно представить в виде, показанном на рис. 2.19, а. Полное сопротивление такой цепи зависит от частоты (рис. 2.19, б) и достигает наименьшего значения Z = R на частоте собственных колебаний, выражаемой той же формулой, что и в случае параллельного резонанса. На частотах, меньших резонансной, сопротивление пони имеет емкостной характер, на больших индуктивный. Чем больше добротность цепи, тем меньше сопротивление при резонансе и тем уже кривая изменения сопротивления.

Рис. 2.19. Цепь с последовательным резонансом (а) и зависимость полного сопротивления цепи (б) от частоты

Что такое частотная характеристика?

Это график или аналитическое выражение, представляющее для данной цепи или устройства зависимость тока, напряжения или коэффициента усиления от частоты подводимого к нему синусоидального колебания. Частотная характеристика называется иногда передаточной характеристикой. Можно рассматривать график изменения фазового угла от частоты, называемой частотной характеристикой фазы или фазовой характеристикой.

Примеры частотных и фазовых характеристик для нескольких цепей показаны на рис. 2.20. Для двух первых цепей приведено изменение отношения напряжений U₂/U₁, выраженное и децибелах, а для третьей – изменение тока, протекающего в цепи, в функции частоты.

Рис. 2.20. Частотные и фазовые характеристики дифференцирующей (а), интегрирующей (б) цепей и цепи с параллельным резонансом (в)

Что такое линейные искажения цепи?

Это искажения сигнала, возникающие в электронных цепях (линейных и нелинейных), связанные с тем, что синусоидальные сигналы с различными частотами передаются с разным затуханием (усилением) и разным отставанием по фазе. В результате этих искажении частотная характеристика отличается от линейной плоской характеристики так, как показано на рис. 2.20.

Что такое ширина полосы пропускания цепи?

Это полоса частот, заключенная между граничными частотами и численно равная разности этих частот (рис. 2.21). Граничные частоты – такие частоты, на которых разность ординат на резонансной характеристике относительно отсчет нон частоты имеет точно определенное условное значение, равное, например, 3 дБ. Отсчетной частотой для данной цепи может быть средняя (центральная), резонансная или какая-нибудь другая частота. Из двух граничных частот частоту, имеющую меньшее значение, называют нижней граничной частотой, а имеющую большее значение – верхней граничной частотой.

В случае резонансной цепи ширина полосы пропускания тем меньше, чем больше добротность цепи.

Рис. 2.21. Определение ширины полосы цепи

Что такое импульсная характеристика цепи?

Импульсной характеристикой цепи называется электрический сигнал, получаемый на выходе при возбуждении цепи прямоугольным импульсом большой длительности с очень коротким временем фронта. Такой импульс называется единичным скачком, а сигнал, полученный после возбуждения цепи таким скачком, называется откликом на единичный скачок или ступенчатым откликом.

Пример сигнала отклика показан на рис. 2.22.

Рис. 2.22. Пример отклика единичный скачок

Отклик по своей форме отличается от возбуждающего колебания и позволяет оценивать динамические свойства исследуемой цепи.

Если амплитуда возбуждающего сигнала такова, что нелинейные искажения не возникают (например, ограничение), то отклик связан с линейными искажениями, вносимыми цепью. В сигнале отклика можно определить время фронта (см. рис. 1.26) и размер выброса (см. рис. 1.27).

Между частотной характеристикой и откликом существует взаимосвязь, однако математически она достаточно сложна. В общем случае можно утверждать, что чем больше ширина полосы пропускания данной цепи, тем форма отклика меньше отличается от формы возбуждающего сигнала.

Глава 3
ДИОДЫ

Что такое диод?

Диод – простой электронный прибор с двумя электродами, имеющий несимметричную характеристику выходного тока, протекающего через него и зависящего от входного напряжения (амплитуды и полярности) (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Условные графические обозначения полупроводникового (а), вакуумного (б) диодов и вольт амперная характеристика диода (в)

Такая характеристика позволяет использовать диод во многих электронных устройствах в качестве элемента, который легко пропускает ток в одном направлении и почти не пропускает в противоположном, в частности для выпрямления переменных и детектирования модулированных колебаний и т. п.

Различают полупроводниковые и ламповые диоды. Полупроводниковый диод работает на принципе использования свойств р-n перехода, возникающего при соединении полупроводников n– и р-типов.

Что такое плоскостной диод?

Плоскостной диод (или иначе диод с р-n переходом) – полупроводниковый прибор, образованный р-n переходом с двумя металлическими контактами (выводами), присоединенными к р– и n-областям (рис. 3.2, а) и хорошо проводящими электрический ток (омические контакты). Контакты выводятся наружу из корпуса диода и называются анодом и катодом (рис. 3.2, б). Графическое изображение полупроводникового диода и способы обозначения катода показаны на рис. 3.2, в.

Рис. 3.2. Графические изображения для р-n перехода диода (а), его выводов (б) и других полупроводниковых диодов (в)

Какие явления происходят в р-n переходе без смещения?

Полупроводники р и n, образующие переход, отличаются типом основных носителей и их концентрацией. В области p-типа акцепторные примеси увеличивают концентрацию дырок, а в области n-типа донорные примеси обеспечивают преимущественную концентрацию электронов (рис. 3.3).

Рис. 3.3. Явления в р-n переходе:

_{а – начальное состояние p– и n– слоев; б – распределение зарядов в р-n переходе перед установлением равновесного состояния; в – распределение объемных зарядов в р-n переходе в равновесном состоянии; г – распределение потенциала; д – направления движения неосновных носителей через переход}

Соединение полупроводников обоих типов с разной концентрацией вызывает протекание (диффузию) основных носителей через переход: дырки из p-области переходят в n-область, а электроны из n-области диффундируют в р-область. На большом расстоянии от перехода происходит рекомбинация (повторное соединение) дырок и электронов, в то же время вблизи перехода в полупроводнике n-типа наблюдается избыток положительных зарядов, образованных неподвижными положительными ионами доноров, а в полупроводнике р-типа – избыток отрицательных зарядов, образованных неподвижными отрицательными ионами акцепторов. В результате вблизи перехода возникает пространственный заряд ионов, создающий электрическое поле на переходе и вызывающий появление потенциального барьера, который препятствует дальнейшему протеканию основных носителей после достижения состояния равновесия. При этом состоянии n-область заряжена положительно относительно p-области. Существующий в переходе запирающий слой делает невозможным протекание основных носителей заряда, однако не препятствует протеканию через переход в противоположном направлении неосновных носителей, т. е дырок из n– в р– и электронов из р– в n-область.