Текст книги "Юный техник, 2008 № 08"

Автор книги: Юный техник Журнал

сообщить о нарушении

Текущая страница: 5 (всего у книги 5 страниц)

ЗАОЧНАЯ ШКОЛА РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ
Широкополосный антенный усилитель

В любом усилителе можно ввести обратную связь – часть усиленного сигнала подать на вход. Если фаза этой добавки совпадает с фазой сигнала на входе, то получается положительная обратная связь (ПОС). От ее введения усиление возрастает.

Так действует уже известный вам регенератор. Но этим эффект от ПОС не ограничивается.

Как бы мы ни старались, но усиление всегда зависит от частоты. Получается, что усилитель как бы «предпочитает» одни частоты (чаще всего – одну-единственную). Амплитуда сигнала на этих частотах после усиления резко возрастает. На других частотах амплитуда возрастает значительно слабее, и в отдельных редких случаях она может даже стать меньше, чем была на входе. Положительная обратная связь все эти особенности усилителя обостряет. Плохо это или хорошо?

Вообще-то обратная связь – это всего лишь искусственный прием. Если мы с вами хотим принять определенную радиостанцию, а усилитель именно на ее частоте дает максимальное усиление, то это хорошо. В усилитель добавляют колебательный контур и настраивают его на частоту радиостанции.

Но, как правило, усилитель обладает некоторым усилением и на других частотах, где работают мешающие станции. Это плохо!

Тогда вводят ПОС. Она обостряет усиление на частоте настройки. Нужная станция звучит значительно громче, а все остальные на ее фоне становятся едва заметны. Это как раз то, что и нужно для хорошего радиоприема!

Но вот другой случай.

Нам нужен усилитель звуковой частоты (УЗЧ) для качественного воспроизведения музыки. Тут предпочтение одних частот другим абсолютно недопустимо, поскольку резко исказит смысл музыкального произведения. И конечно, здесь вводить ПОС нельзя! Она лишь повысит различия в усилении отдельных частот. Другое дело отрицательная обратная связь – ООС. В этом случае часть усиленного сигнала подается на вход в противофазе. Введение ООС резко уменьшает различия в усилении отдельных частот. Правда, от этого значительно снижается коэффициент усиления, падает громкость звука. Но этот недостаток легко устраняется добавлением еще одного-двух каскадов усиления.

Мы с вами говорили об особенностях работы усилителей на обычном человеческом языке, и вы заметили, что по мере углубления в тему наш рассказ становился все более многословным.

А теперь представьте себе, что мы решили проверить работу УЗЧ. Для этого будем подавать на его вход сигналы строго постоянной амплитуды, но самых различных частот, например, через каждые 100 Гц, и каждый раз будем измерять величину усиленного сигнала на выходе. Так, во всем звуковом диапазоне нам придется произвести около двухсот измерений. Произвели.

Ну и что? Как в этом самому разобраться или кому-нибудь рассказать? Согласитесь, на словах это несколько неудобно… Но можно поступить иначе, построить график зависимости амплитуды усиленного сигнала от частоты. Он называется амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ). Стоит на него лишь взглянуть – и «речи не нужны», все понятно во всех тонкостях.

Итак, отрицательная обратная связь (ООС) выравнивает амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) усилителя, делая ее более пологой, в то время как положительная (ПОС) – напротив, обостряет АЧХ и дает усиление в узкой полосе частот, узкий резонансный пик.

Так, например, бывает в регенераторах с ПОС. Но, не всегда это верно. Оказывается, можно получить регенерацию и усиление сигнала с помощью ПОС в широкой полосе частот. Такая задача возникает, например, при разработке антенных усилителей для малых активных антенн. Сразу отметим, что усилитель при этом должен иметь очень «гладкую» исходную АЧХ, на графике изображаемую горизонтальной линией. Но современная электроника позволяет делать такие усилители.

Пусть малая штыревая антенна (0,5 м длиной, для определенности) расположена в задней части крыши легкового автомобиля. С приемником (трансивером) на приборной панели она соединена 50-омным коаксиальным кабелем. С учетом всех изгибов кузова его длина получается около 4 метров, а емкость – 400 пФ. Антенна хорошо работает с радиостанцией любительского диапазона 144…146 МГц.

Длина нашей антенны почти равна четверти волны, и она оказывается настроена в резонанс. При этом ее входное сопротивление близко к 50 Ом. Антенна согласована с кабелем, а все радиостанции (трансиверы) имеют стандартный 50-омный вход/выход.

В кабеле – бегущая волна и потери едва достигают десятых долей децибела. Эта антенна вполне прилично принимает станции диапазона FM, но отказывается работать на длинных и средних волнах (ДВ и СВ).

Причина становится понятной, если посмотреть на эквивалентную схему антенны (на ДСВ) вместе с кабелем (рис. 1).

На усилитель А1и емкость Спока не обращайте внимания. Радиоволны наводят в антенне ЭДС, равную Е∙h _д, где Е– напряженность поля радиостанции, h _д– действующая высота антенны, для коротких штырей она примерно равна половине их длины.

Эта ЭДС невелика, при типичной напряженности поля 1 мВ/м она составит 250 мкВ.

О резонансе столь короткой антенны и речи нет, она имеет емкостное, и довольно большое, сопротивление. Опытным путем установили, что емкость коротких штырей над металлическим основанием (землей) равна 6… 10 пФ/м (у толстых штырей больше, у тонких – меньше).

Возьмем среднее значение С _ант= 4 пФ. Тогда в середине СВ-диапазона (на частоте 1 МГц) емкостное сопротивление антенны будет Х _а= 1/2πfC _ант= 40 кОм!

Если даже приемник совсем не нагружает антенну, то емкостное сопротивление кабеля – всего 400 Ом.

Мы получили емкостный делитель напряжения в 100 раз, а ведь на короткую антенну поле радиостанций наводит и без того слабый сигнал. На приемник в нашем примере поступит всего 2,5 мкВ, что может оказаться меньше, чем его чувствительность! Ситуация еще хуже, если у вас профессиональный приемник с 50-омным входом. Тут получается делитель в 800 раз (40 000/50)!

Это значит, что нужен антенный усилитель с таким же коэффициентом усиления. Но мы не можем беспредельно ослаблять сигнал, а потом его усиливать, ведь собственный шум усилителя остается прежним! Следовательно, такое решение ухудшает отношение сигнал/шум, а значит, и качество приема. Положение еще терпимо, если шум эфира огромен и намного превосходит собственный шум усилителя, но все равно есть предел. Надо искать другие решения.

Одно из них – расположить усилитель с высоким входным сопротивлением около самой антенны, а уже после него включить кабель. Так обычно и делают, но это исключает работу антенны с радиостанцией.

Если вы читали про регенераторы, то уже знаете, что ПОС компенсирует потери в колебательном контуре, теоретически внося в него отрицательное сопротивление. Нам же здесь надо скомпенсировать потери в емкостном делителе, причем в широкой полосе частот. Значит, нужна отрицательная емкость. В природе такой не существует, но ее можно создать средствами радиоэлектроники. Отрицательная емкость создает такой же 90-градусный сдвиг между током и напряжением, как и обычная, но ток должен не втекать, а вытекать из нее! Чтобы создать этот эффект, соединим выход усилителя А1с его входом емкостью обратной связи (рис. 1).

Усилитель должен быть неинвертирующим и широкополосным, то есть не вносить дополнительных фазовых сдвигов.

Через цепь ОС на вход усилителя потечет ток в том же направлении и в той же фазе, как и от антенны. В результате напряжение на входе усилителя возрастет и потери в емкостном делителе будут частично скомпенсированы.

Расчет показывает, что для полной компенсации потерь в приведенном примере при С _ант= С _осусиление Кдолжно быть около 50. Тогда на выходе усилителя напряжение сигнала будет равно ЭДС в антенне. Еще увеличивая емкость С _ос и К, можно получить дополнительное усиление сигнала, но затем вся система самовозбудится – все, как в обычном регенераторе.

Правда, генерировать он будет не синусоидальные, а релаксационные колебания сложной формы.

Проект практической схемы антенного усилителя, установленного не около антенны (как часто делают), а непосредственно на входе приемника, показан на рисунке 2.

Антенна WA1 через кабель подсоединена ко входу усилителя, собранного на полевом VT1 и биполярном VT2 транзисторах. Цепочка C1R1 нужна лишь для защиты полевого транзистора от статических и низкочастотных наводок и случайных попаданий постоянного напряжения на кабель и антенну. Емкость и сопротивление этих элементов не критичны.

Усилитель представляет собой повторитель сигнала с усилением, равным отношению сопротивлений (R3 + R2)/R2. Это при нижнем положении движка регулятора усиления R2. Перемещая движок кверху, мы шунтируем часть резистора R2 емкостью С2, и усиление возрастает. Режим транзисторов по постоянному току при этом не изменяется.

ПОС создается через подстроечный конденсатор С3.

Следует заметить, что усилитель нельзя включать без входного антенного кабеля – он немедленно самовозбудится (но из строя не выйдет и ничего страшного с ним не произойдет). На время налаживания, если кабеля нет, замкните вход усилителя на общий провод большой емкостью, например 0,1 мкФ. Проверьте режим транзисторов по постоянному току – на выходе усилителя должно быть напряжение, равное примерно половине напряжения питания. Установить его можно подбором резисторов R2, R3 и заменой транзистора VT1 на такой же, но с другим буквенным индексом.

КП303А, Б, В дают меньший ток и, соответственно, меньшее напряжение, а Г, Д, Е – большее. Имейте в виду, что вход приемника не должен быть замкнут по постоянному току (легко проверить омметром). Если же он замкнут (на входе приемника катушка), включите в выходной провод усилителя разделительный конденсатор (от 1000 пФ и выше). Затем подключите усилитель в штатном режиме и проверьте его работу, принимая радиостанции. Отрегулируйте конденсатор С3 и регулятор усиления так, чтобы прием дальних станций был хорошим, но не подходите слишком близко к порогу генерации – усилитель будет устойчивее.

В заключение отмечу, что данный усилитель может работать и как обычный резонансный регенератор, если на его вход вместо штыря и кабеля подключить контур магнитной антенны (без всяких отводов и катушек связи).

В. ПОЛЯКОВ, профессор

ЧИТАТЕЛЬСКИЙ КЛУБ

Вопрос – ответ

По радио говорили: «Выносите почаще мусор, иначе рискуете заболеть»… Не знаете ли вы какие-то подробности?..

Ирина Чернова,

г. Москва

Немецкие ученые предупреждают: долго держать дома мусорное ведро с органическими отходами опасно для здоровья. Исследования показали, что рассеянные в воздухе споры грибов, разлагающих органику, могут привести к аллергическим реакциям – лихорадке, зуду и даже к астме. Особенно опасна аспергиллома – гриб, поселяющийся в легких. «Даже при простом поднятии крышки ведра с органическими отходами вы можете вдохнуть ее споры, – поясняет ведущий пульмонолог Немецкого фонда легких Харальд Морр. – Чем больше спор вы вдохнете, тем хуже могут быть последствия для вашего здоровья».

Слышала, будто далеко не все витамины полезны. Как это может быть? Ведь долгое время врачи уверяли всех, что витамины полезны для здоровья, при их недостатке люди заболевают…

Вероника Кострикова,

г. Омск

Да, мы привыкли к аксиоме: витамины – это источник жизни. Но при внимательном изучении вопроса все оказывается далеко не так просто. Недавно группа ученых Копенгагенского университета обобщила важные данные. На основании результатов 67 научных исследований специалисты пришли к выводу: оказывается, витамины могут навредить.

В отчете группы сотрудников университета, в частности, говорится: «Витамин Аповышает риск преждевременной смерти на 16 %, бета-каротин – на 7 %, а витамин Е– на 4 %». Ученые также не нашли никаких доказательств того, что антиоксиданты способствуют профилактике болезней.

Из этого исследователи сделали вывод: нужно стараться получать необходимые витамины из продуктов питания, избегая употребления пищевых добавок и витаминных драже.

Почему некоторые перелетные птицы, например, журавли, летят определенным строем – клином или выстроившись в цепочку? Зато другие – скажем, ласточки – никакого строя не соблюдают…

Наташа Сидорова,

г. Воронеж

Ответить на этот вопрос попытались французские орнитологи. Они установили на спину белым пеликанам датчики, оценивающие давление воздушного потока и сердечную деятельность птиц.

Как удалось выяснить, пеликаны, летящие строем за вожаком, испытывают меньшее сопротивление воздушному потоку, нежели одиночные птицы. Заодно почему-то синхронизируются и их сердечные ритмы.

Но этот феномен наблюдается лишь у относительно крупных птиц. У небольших летунов, например, у тех же ласточек и стрижей, выигрыш от таких построений невелик.

Время от времени некоторые рыбы выбрасываются из воды в воздух. Для чего это им надо?

Ирина Соломина,

г. Таганрог

Причин тому бывает несколько. Рыбаки иногда говорят, что рыба «играет». На самом же деле, лососевые рыбы подскакивают в воздух, пытаясь преодолеть пороги, когда поднимаются вверх по течению для нереста. Так называемые летучие рыбы, которых много в тропических морях, после разгона выпрыгивают в воздух и пролетают иной раз десятки метров, планируя на своих растопыренных плавниках, спасаясь от хищников. Ведь воздух намного менее плотен, чем вода, и развить в атмосфере высокую скорость намного легче.

Некоторые породы рыб, например, тропическая аравана, выбрасываясь в воздух, охотятся таким образом на свою добычу – летающих насекомых и ловят их раскрытым ртом.

ДАВНЫМ-ДАВНО

Еще в глубокой древности люди умели быстро передавать сигналы на огромные расстояния. Весть о взятии Трои в XIII веке до н. э. путь около 1000 км преодолела всего за 3 часа. Для этого греки заранее построили вдоль побережья Средиземного моря – от Трои до Афин – цепь из нескольких сотен костров, возле которых день и ночь дежурили воины.

Как только победа стала очевидна, в первый костер подбросили хворост, и в небо взметнулся столб дыма. Заметив его, стражи следующего костра проделали то же самое, а за ними – по цепочке – все остальные.

С развитием мореплавания появился способ сигнализации при помощи флагов, которые сигнальщик держал в руках.

В 1789 г. французский священник Клод Шапп продемонстрировал под Парижем «семафор» – аппарат, передающий сигналы при помощи двух пар установленных на столбе крыльев. Они поднимались и опускались, как руки сигнальщика с флагами. Сочетания различных положений крыльев соответствовало буквам алфавита.

Столбы (станции) светофора располагались на расстоянии прямой видимости. На каждой станции был оператор, наблюдавший за соседней станцией и повторявший движения ее крыльев. Так, по цепочке, можно было передавать сигнал любой сложности на любые расстояния. В этот момент во всех странах и особенно во Франции, охваченной революцией, ощущалась потребность немедленно передавать приказы и извещать о событиях.

Поэтому уже в 1794 г. по проекту Клода Шаппа была построена семафорная линия связи Париж – Лилль длиною 210 км. Первая депеша шла по ней целых три часа, но и такая скорость привела правительство Франции в восторг.

Очень скоро линии семафорного телеграфа покрыли всю Европу.

ПРИЗ НОМЕРА!

Наши традиционные три вопроса:

1. Представьте, на пустырь рядом с вашим домом упал метеорит. Как отличить его от других камней?

2. Вода, как известно, камень точит. Как это происходит?

3. Какой паровой двигатель эффективнее – работающий на воде или, например, на аммиаке?

ПРАВИЛЬНЫЕ ОТВЕТЫ НА ВОПРОСЫ

«ЮТ» № 3 – 2008 г.

1. Чем выше напряжение ЛЭП, тем меньше ток, который идет по проводам, и тем меньше металла идет на их производство.

2. Площадь лопастей винта у вертолета меньше, чем у самолетного крыла. Поэтому на создание подъемной силы приходится тратить больше энергии.

3. Биотопливо – это, в общ…???… переработанная растительная биомасса. A…???…. которые идут в переработку, запасают энергию Солнца.

* * *

Поздравляем с победой Влада КРИВОНОСОВАиз п. Сухобезводное Нижегородской обл. Правильно ответив на вопросы, он стал обладателем профессионального паяльника.

Близка была к победе Анастасия Никитскаяиз г. Прохладного.

* * *

_{А почему?Можно ли научиться ходить по воде? Кто и когда поднял в небо первый воздушный змей? Как город Петра в Иордании стал чудом света? Из какого материала паук плетет паутину? На эти и многие другие вопросы ответит очередной выпуск «А почему?».}

_{Школьник Тим и всезнайка из компьютера Бит продолжают свое путешествие в мир памятных дат. А читателей журнала приглашаем заглянуть в знаменитый Новокузнецк, город горняков и металлургов.}

_{Разумеется, будут в номере вести «Со всего света», «100 тысяч «почему?», встреча с Настенькой и Данилой, «Игротека» и другие наши рубрики.}

_{ЛЕВША«Сама не летает и другим не дает». Эти слова американского военного эксперта обращены к нашей отечественной ЗСУ23-4 – зенитной мобильной противовоздушной установке, которая во время движения радаром обнаруживает вражеский самолет и сбивает его на расстоянии от 11 до 4,5 км. Об этой уникальной самоходке вы прочтете в «Левше» и сможете выклеить ее бумажную модель для своего «Музея на столе».}

_{– Любители электроники смонтируют радиотелефонную приставку для сетевого домашнего телефона и смогут вести беспроводные переговоры на расстоянии до 300 м от базы.}

_{– Юные механики соберут поршневой буксир пловца для активного отдыха на воде.}

_{– Также в номере вы найдете новые головоломки В. Красноухова, и, как всегда, «Левша» поделится с вами полезными советами.}

* * *