Текст книги "Электроника?.. Нет ничего проще!"

Автор книги: Жан-Поль Эймишен

сообщить о нарушении

Текущая страница: 21 (всего у книги 21 страниц)

Н. – Принцип работы этого стабилизатора полностью аналогичен принципу работы стабилизатора на газоразрядных лампах. Но я подозреваю, что полупроводниковые приборы позволяют получить более совершенную схему.

Л. – И ты, Незнайкин, не ошибся. Здесь можно использовать систему автоматического регулирования, во многом похожую на сервомеханизм, которая с помощью отрицательной обратной связи поддерживает выходное напряжение неизменным; для этого стабилизатор сравнивает выходное напряжение с опорным (контрольным) напряжением, усиливает полученное в результате этого сравнения отклонение и воздействует выходным сигналом усилителя на объект регулирования.

Н. – Объяснение несколько туманно. Я предпочел бы конкретный пример.

Стабилизатор напряжения

Л. – Пожалуйста, посмотри схему, которую я подготовил для себя на рис. 163.

Рис. 163. Стабилизатор напряжения на транзисторах. Опорным напряжением служит часть напряжения, снимаемого с диода Зенера; транзистор Т₂ усиливает напряжение ошибки; Т₁ – мощный транзистор.

Напряжение U через резистор R₃ подается на стабилитрон Д, на котором создается опорное напряжение.

Чтобы регулировать напряжение Е, мы с помощью потенциометра R₄ снимем лишь часть опорного напряжения и подадим его на базу транзистора Т₂. Часть стабилизируемого выходного напряжения Е через делитель напряжения R₁ – R₂, подается на эмиттер транзистора Т₂. Если выходное напряжение Е становится слишком высоким или слишком низким, то часть его, подаваемая на эмиттер, будет соответственно отличаться от части спорного напряжения на базе Т₂. Транзистор Т₂ запирается или проводит. Его коллекторный ток, представляющий собой усиленное напряжение ошибки, подается на базу транзистора Т₁. Связь между транзисторами очень проста, так как транзистор Т₁ относится к типу р-n-р. Представь себе, что в силу каких-либо причин питаемая напряжением Е схема имеет тенденцию потреблять слишком много. Тогда напряжение Е снизится. Такое изменение произойдет и с потенциалом эмиттера транзистора Т₂, что вызовет увеличение коллекторного тока транзистора Т₂. Этот ток, проходя через базу транзистора Т₁ значительно повысит ток в цепи коллектора транзистора Т₁, что скомпенсирует первоначальное нарушение равновесия.

Н. – В этом стабилизаторе меня беспокоит то обстоятельство, что транзистор Т₁ выдерживает всю разность напряжений U и Е и одновременно должен рассеивать большую мощность.

Л. – Мы должны взять мощный транзистор и установить его на хорошем радиаторе, способном рассеивать соответствующее количество тепла. Соблюдая необходимые меры, можно легко рассеивать мощность более 30 вт, что превышает возможности большинства ламп, которые ты до сих пор использовал.

Н. – В самом деле это превосходный стабилизатор напряжения, он весьма прост и в то же время обладает широкими возможностями. Вероятно, я в ближайшее время сделаю себе такой стабилизатор.

Л. – Ты получишь очень хорошие результаты, если примешь некоторые меры предосторожности. Не забывай, что стабилизатор не имеет защиты от короткого замыкания. Если ты замкнешь его выводы нагрузкой со слишком низким сопротивлением, транзистор Т₁ может выйти из строя.

Н. – Я полагаю, что для предотвращения таких серьезных неприятностей достаточно поставить плавкий предохранитель.

Л. – Теперь, кажется, есть плавкий предохранитель, реагирующий достаточно быстро. Обычно же транзистор гибнет раньше предохранителя и тем самым спасает его. Если же ты хочешь надежно оградить себя от неприятностей, то нужно дополнить стабилизатор напряжения схемой на трех транзисторах, которая играет роль триггера и почти мгновенно (через несколько микросекунд) после перенапряжения отключает выходное напряжение.

Я не буду ее описывать, так как она отличается некоторой сложностью, но разобраться в ней совсем нетрудно. Все необходимые подробности ты можешь найти в полных схемах самой различной аппаратуры.

Сельсины

Н. – Я с некоторым недоверием отношусь к схемам, которые ты называешь сложными, но понятными, и тем не менее я думаю, что мне удастся с ними справиться. А теперь я хотел бы спросить тебя, что такое сельсин. Я часто слышал это слово и, в частности, встречал его в брошюре о радиолокаторе.

Л. – Сельсин – небольшая электрическая машина, очень похожая на электродвигатель, она служит для передачи угла поворота вала. В неподвижной части (статор) имеются три обмотки (рис. 164) B₁, В₂ и В₃, расположенные под углом 120° друг к другу. Подвижная часть (ротор) имеет только одну обмотку, создающую магнитное поле, перпендикулярное оси ротора. Выводы этой обмотки соединены с двумя кольцами, к которым прижимаются две щетки.

Рис. 164. Пара сельсинов, используемых для передачи угла поворота вала с помощью трех напряжений различной амплитуды, наводимых ротором сельсина-датчика в трех обмотках статора сельсина-приемника.

Н. – Эта машина действительно немного похожа на электродвигатель, но я не вижу, как ее можно использовать для передачи положения.

Л. – Представь себе, что мы имеем два одинаковых сельсина. Я соединил, как это показано на рис. 164, все три обмотки статора первого с соответствующими обмотками второго…

Н. – А, нет! С этим я не согласен. Ты действительно соединил один вывод каждой обмотки первого сельсина с выводом соответствующей обмотки второго, но при этом накоротко замкнул вторые выводы всех трех обмоток первого сельсина и такую же операцию проделал со вторыми выводами обмоток второго сельсина. Я согласился бы с использованием одного общего провода для этих выводов, но при условии, если общий провод одного статора будет соединен с общим проводом другого статора.

Л. – В этом нет необходимости. Можно доказать, что напряжения в обмотках таковы, что их алгебраические суммы постоянно равны нулю. Поэтому нет надобности соединить между собой общие точки этих обмоток. А теперь подадим переменное напряжение в обмотку ротора первого сельсина. Во всех трех обмотках статора появятся наведенные напряжения, амплитуды которых зависят от положения ротора. Эти три напряжения передаются на три соответствующие обмотки второго сельсина и создают три вектора магнитного поля, которые, складываясь, дают одно результирующее, направленное точно так же, как породившее его магнитное поле первого сельсина.

Теперь можно двумя способами использовать второй сельсин. Мы можем подать в его ротор такое же напряжение, какое подается в ротор первого (обычно переменное напряжение 90—100 в с частотой 50 гц). Тогда в результате взаимодействия магнитного поля ротора второго сельсина с магнитными полями обмоток его статора ротор займет точно такое же положение, что и ротор первого сельсина.

Н. – Я понял, как работает система, но я не вижу разницы между управляющим и управляемым сельсинами.

Л. – Ты прав, что не видишь разницы – ее действительно нет. Передача может происходить в обоих направлениях. Все происходит так, как если бы для передачи движения с одного сельсина на другой использовали длинный гибкий вал. Если ты силой помешаешь вращению ротора второго сельсина, то почувствуешь соответствующее сопротивление на роторе первого.

Это система передачи положения, а не система автоматического регулирования. Обычно ею пользуются для перемещения вторым сельсином стрелки по шкале. Система очень удобна в тех случаях, когда при передаче угла необходимо обеспечить вращение по всему кругу без мертвого угла; ею удачно заменяют рассмотренные нами ранее системы на потенциометрах. Но картина будет совершенно другая, если я не подам тока в ротор второго сельсина и если я поверну его рукой. Как ты думаешь, что в этом случае произойдет?

Н. – Я думаю, что в его обмотке появится наведенное напряжение.

Л. – Совершенно верно. А как оно будет изменяться?

Н. – Я думаю, что оно будет изменяться при вращении ротора. Напряжение, несомненно, должно быть очень высоким, когда ротор расположен так, что магнитное поле хорошо проходит по его виткам. И оно, вероятно, будет очень низким, когда ротор расположен так, что магнитное поле не может проходить по его виткам.

Л. – Совершенно правильно, отдавая дань строгости выражений, я хочу уточнить. Наведенное напряжение равно нулю, когда витки ротора расположены параллельно магнитному полю, создаваемому тремя обмотками статора. Это направление перпендикулярно тому, которое занимает ротор при подаче в него такого же напряжения, как и в обмотку ротора первого сельсина, как мы только что делали.

Мы можем подать напряжение с этого второго ротора на усилитель, а затем на специальный фазочувствительный детектор, который даст нам положительное или отрицательное напряжение в зависимости от того, в какую сторону смещен ротор от положения, соответствующего наибольшему значению наводимого в этом роторе напряжения.

Н. – Мне в голову пришла одна идея…

Л. – Так изложи ее, мне кажется, что ты сегодня в очень хорошей форме.

Н. – Незачем говорить об этом, я всегда в хорошей форме. Если это напряжение ротора соответствующим образом усилить и затем подать на двухфазный двигатель, то его можно заставить вращаться в одном или в другом направлении.

Л. – Совершенно верно, и этим пользуются на практике. Но как при использовании твоего метода, так и при использовании уже описанного мною двигателя постоянного тока, управляемого фазочувствительным детектором, этот двигатель всегда используете я для воздействия на ротор сельсина, чтобы удерживать его в таком положении, когда наведенный в обмотке этого ротора ток ничтожно мал.

Н. – А какими преимуществами обладает этот метод по сравнению с первым?

Л. – На этот раз передача необратима. Первый сельсин выступает в роли управляющего органа, а второй – в роли управляемого. Необходимо отметить, что в этом случае мощность на роторе сельсина приемника зависит только от усилителя и управляемого им двигателя. Этот метод позволяет поворачивать в нужное положение очень тяжелые предметы, обладающие большой инерцией. Поэтому такая система передачи угла часто используется для управления радиолокационными антеннами.

Н. – В принципе очень удобно, что эту сельсинную систему можно применять несколькими различными способами. К тому же второй сельсин также может применяться двумя разными способами, о которых ты мне рассказал.

Л. – Теоретически все это возможно, а на практике предпочитают в известной мере специализировать сельсины. Существуют специальные сельсины-датчики, которые устроены так, чтобы подключаемые к их обмоткам нагрузки не изменяли наводимых в них напряжений. У сельсинов-приемников, предназначенных для индикации передаваемого угла, как я тебе уже говорил, принимают специальные меры для демпфирования колебаний ротора. В тех же сельсинах, которые предназначены для использования в системе автоматического регулирования с двигателем, стальная арматура ротора должна быть очень однородной, чтобы ротор не оказывал никакой реакции на обмотки сельсина-передатчика. В сельсинах, используемых для прямой передачи угла без двигателя, приводящего в движение второй сельсин (такую систему передачи называют телеиндикацией), нет необходимости в исключительной однородности стального сердечника ротора. Этот ротор устанавливается в заданное положение магнитным полем и поэтому совершенно не влияет на сельсин-датчик.

Цифровые кодирующие устройства

Н. – В брошюре о радиолокаторе я обнаружил описание еще одного странного устройства. Там говорилось о передаче положения с помощью «цифровых кодирующих устройств». Что это такое?

Л. – Это устройства, связанные с осью и передающие сведения о положении в цифровой, обычно в двоичной, форме. Такое устройство, например, можно сделать в виде диска, разделенного на концентрические кольца (дорожки), каждое из которых состоит из прозрачных n непрозрачных участков (рис. 165).

По одну сторону диска располагают ряд ламп, каждая из которых освещает небольшой участок выделенной ей дорожки, а по другую сторону диска напротив ламп размещают фотоэлементы. Когда между лампой и фотоэлементом находится прозрачный участок кольцевой дорожки, фотоэлемент дает напряжение, а когда луч света перекрывается непрозрачным участком, напряжения на выводах фотоэлемента нет. Путем соответствующего размещения прозрачных и непрозрачных зон на кольцевых дорожках можно сделать так, что даваемые фотоэлементами напряжения составят число, в двоичной системе позволяющее точно определить положение оси.

Рис. 165. Кодирующий диск состоит из прозрачных и непрозрачных зон. В зависимости от угла поворота диска лампы Л₁, Л₂, Л₃ и Л₄ освещают или не освещают соответствующие фотоэлементы Ф. Последние по проводам, число которых соответствует числу кольцевых дорожек, передают в двоичном коде информацию об угле поворота диска.

Здесь уместно вспомнить о проведенном нами ранее сравнении цифровой и аналоговой вычислительной техники. Система передачи данных в цифровой форме представляет интерес для передачи большого количества цифр, характеризующих с высокой точностью те или иные явления. В тех случаях, когда особой точности не требуется, вполне достаточно передачи непрерывно изменяющихся величин, как, например, трех напряжений с разной амплитудой в трех обмотках сельсина.

Грандиозные проекты

Н. – Я очень рад услышать объяснения принципа работы этих цифровых кодирующих устройств. Они позволят мне решить проблему, над которой я в последнее время работаю: один из моих приятелей попросил сделать ему автоматическую систему управления станком по заданной программе. Я установлю на станке такое цифровое кодирующее устройство. Переданное им число запишу на сдвигающий регистр. Последний позволит мне сложить это число с числом из программы, записанной в магнитном запоминающем устройстве…

Л. – Я знал, что ты в прекрасной форме, Незнайкин, но я никогда не подозревал, что ты стал так силен! Положительно, для тебя электроника…

Н. – Электроника?.. Нет ничего проще!

Вместо послесловия

Письмо Любознайкина Незнайкину

Дорогой друг!

Мы очень давно не виделись, причина, вероятно, заключается в том, что все время отнимает создание системы программного управления станком. Тем не менее я считаю необходимым упорядочить все то, о чем мы говорили во время наших бесед, и поэтому я предлагаю тебе нечто вроде предметного указателя.

Как ты помнишь, твоя неудача с устройством охраны от воров побудила меня рассказать тебе о преобразователях (стр. 8), затем попытаться дать определение электроники (стр. 10) и, наконец, посоветовать тебе в виде подготовки к нашим последующим беседам перечитать небольшой учебник по электротехнике.

Во второй беседе (стр. 12) мы убедились, что использование преобразователя может оказаться необходимым даже в тех случаях, когда изучаемое явление само по себе уже электрическое: мы увидели, как преобразуют постоянные напряжения в переменные, чтобы облегчить их усиление (стр. 13), и какие методы используют для измерения очень высоких напряжений (стр. 14). Мы рассмотрели преобразователи магнитного поля (стр. 17) и тензометрические преобразователи (стр. 19), которые позволяют измерять приложенную силу. Мы также познакомились с системами, в которых используются вибрирующая струна (стр. 22) и пьезоэлектрические преобразователи.

В третьей беседе (стр. 24) мы говорили об ускорении (стр. 25) и об акселерометрах (стр. 26). Мы говорили о преобразователях звука или микрофонах (стр. 27), рассмотрели преобразователи, чувствительные к температуре (в том числе терморезисторы – стр. 28 и термопары) и к свету, – здесь мы начали с вакуумных фотоэлектрических элементов (стр. 30), перешли к газонаполненным элементам (стр. 31), фоторезисторам, фотодиодам и закончили фотоумножителями (стр. 34).

Во время нашей четвертой беседы (стр. 36) я объяснил тебе строение атомного ядра (протоны и нейтроны) и рассказал, что такое изотопы (стр. 37). Мы познакомились с природой ядерных излучений; с альфа-, бета– и гамма-лучами (стр. 38) и со средствами для их измерения: с ионизационной камерой, а также со счетчиком Гейгера – Мюллера (стр. 40) и со сцинтилляционным счетчиком (стр. 42).

Начав с ядерных излучений, мы совершили краткий экскурс в электрохимию ионов. Я объяснил тебе, что такое pH (стр. 44) и как измерять этот показатель с помощью стеклянного электрода (стр. 46), а затем рассказал об окислительно-восстановительном потенциале.

Когда мы встретились в пятый раз (стр. 50), мы приступили к изучению собственно электронной части интересующих нас систем. Мы начали с усилителя, и я показал тебе, как расширяют его полосу пропускания в сторону высоких и в сторону низких частот, попутно я напомнил тебе, что такое децибелы (стр. 53).

В ходе нашей шестой беседы (стр. 62) мы рассмотрели, как повысить входное сопротивление усилителя, в частности благодаря использованию электрометрической лампы (сгр. 63), и как снизить выходное сопротивление (стр. 66) с помощью катодного повторителя (стр. 67), схемы с общим коллектором (стр. 70) и с помощью суперэмиттерного повторителя или схемы с общим суперколлектором (стр. 72).

Когда мы встретились в седьмой раз (стр. 76), мы говорили о таком изменении формы сигнала, как ограничение (стр. 78), о схеме, осуществляющей такую операцию с сигналом, о симметричном усилителе (стр. 79) и особенно о схеме, называемой триггером Шмитта (стр. 82). Полученные сигналы с крутыми фронтами мы подавали на дифференцирующую (стр. 85) и интегрирующую схемы (стр. 88). Для облегчения понимания роли этих схем я рассказал тебе, что такое производная (стр. 90) и интеграл (стр. 91).

Во время нашей восьмой встречи (стр. 95) мы познакомились с умножителем частоты (стр. 96) сначала для сигналов одной определенной, а затем и для сигналов любой частоты (стр. 98). Чтобы дать тебе возможность делить частоту, мне пришлось рассказать о мультивибраторе (стр. 99), а затем о его использовании для деления частоты на четное число (стр. 104). Последнее побудило меня рассмотреть вместе с тобой, как устроен триггер с двумя устойчивыми состояниями (стр. 106), что облегчило тебе понимание схемы с одним устойчивым состоянием или одновибратора (стр. 111).

Во время нашей девятой встречи (стр. 116) ты узнал, что такое амплитудный дискриминатор (стр. 116) и селектор (стр. 117).

Наша десятая беседа (стр. 123) была посвящена различным исполнительным механизмам; мы начали с реле (стр. 124), перешли к двигателю постоянного тока (стр. 129) и закончили двигателем переменного тока (стр. 133).

Когда мы встретились в одиннадцатый раз (стр. 148), ты захотел узнать, что такое виброгенераторы (стр. 149), пьезоэлектрические (стр. 150) и магнитострикционные (стр. 152) генераторы улыразвука. Занявшись источниками модулированного света, мы рассмотрели фототелеграф (стр. 153), а затем лазер (стр. 155).

Во время нашей двенадцатой встречи (стр. 162) ты узнал, как осуществляется электронный счет сначала в двоичной системе счисления (стр. 163), а затем и в десятичной (стр. 166), а также как осуществляется индикация полученного результата (стр. 168).

Прежде чем приступить к ознакомлению с цифровыми электронными вычислительными машинами, тебе в начале нашей тринадцатой беседы пришлось немного потренироваться в сложении по правилам двоичной арифметики (стр. 180), а затем я рассказал тебе о логических элементах (стр. 182), которые позволили нам создать полусумматор (стр. 184) и сдвигающий регистр (стр. 186).

Встретившись в четырнадцатый раз (стр. 191), мы были уже подготовлены к изучению полной схемы двоичного сумматора (стр. 192) и умножителя (стр. 195).

Для выполнения вычислений необходимы запоминающие устройства, и я показал тебе, как работают запоминающие устройства на ферритовых тороидальных сердечниках (стр. 199) и на туннельных диодах (стр. 202).

В ходе нашей пятнадцатой беседы (стр. 205) я рассказал тебе о системах автоматического регулирования (стр. 207), об их демпфировании (стр. 207) и о сервомеханизмах вообще (стр. 210). Мы говорили об одном типе систем автоматического регулирования – об усилителе с отрицательной обратной связью (стр. 212).

На наше шестнадцатое заседание (стр. 220) ты пришел с оригинальным проектом аналогового умножителя (стр. 221), который заставил меня рассказать тебе об операционных усилителях (стр. 224), а затем и вообще об аналоговой вычислительной технике (стр. 228).

Наша семнадцатая встреча (стр. 232) преследовала цель дать ответы на твои вопросы относительно сверхвысоких частот и, в частности, о получении таких частот с помощью магнетрона (стр. 233), об их передаче по коаксиальному кабелю с четвертьволновыми изоляторами (стр. 234) и о смешивании их с колебаниями гетеродина, создаваемыми клистроном (стр. 235). Мы познакомились также с антенным переключателем (стр. 237), который поочередно подключает радиолокационную антенну то к передатчику, то к приемнику. Знакомясь с вспомогательными устройствами радиолокатора, мы рассмотрели стабилизаторы напряжения питания (стр. 238) и системы передачи угла на сельсинах (стр. 240).

В этот момент, отстранив все сомнения, ты занялся осуществлением своего грандиозного проекта создания системы программного управления. Я поздравляю тебя с твоим смелым начинанием.

Ни ты, ни я не можем претендовать на то, что за семнадцать наших бесед мы разобрали «всю электронику». Но я надеюсь, что немного помог тебе ознакомиться с этой увлекательной, бурно развивающейся наукой, которая обусловливает жизнь современного мира. Именно по этой причине тебе необходимо постоянно держать себя в курсе событий и ежедневно, как делаю я сам, продолжать изучать электронику.

Ни ты, ни я не можем претендовать на то, что за семнадцать наших бесед мы разобрали «всю электронику». Но я надеюсь, что немного помог тебе ознакомиться с этой увлекательной, бурно развивающейся наукой, которая обусловливает жизнь современного мира. Именно по этой причине тебе необходимо постоянно держать себя в курсе событий и ежедневно, как делаю я сам, продолжать изучать электронику.

Если во время такой «постоянной переподготовки» ты столкнешься с какими-либо трудностями, не стесняйся обратиться ко мне за советом. Я всегда отвечу, если это будет в моих силах, но я готов поспорить, что в один прекрасный день ты меня «перегонишь», а это тоже очень полезно, так как плох тот ученик, который не превзойдет своего учителя.

В ожидании твоих писем прошу тебя принять заверения в моей сердечной дружбе.

Твой друг Любознайкин