КулЛиб электронная библиотека 

Радиоэлектроника для начинающих (и не только) [В Бессонов ] (fb2) читать онлайн


Настройки текста:



Бессонов В.В. «Радиоэлектроника для начинающих (и не только)» «Солон-Р» — радиолюбителям Выпуск № 6

Введение

Книга «Радиоэлектроника для начинающих (и не только)» написана педагогом-практиком, по многолетнему опыту знающим как заинтересовать учащихся для появления у них интереса к радиоэлектронике.

Теоретический материал в книге излагается в доступной для начинающих радиолюбителей форме, для понимания физических процессов используются аналогии из механики и гидравлики, с которыми они часто встречаются в жизни.

Конструкции, рекомендуемые для самостоятельного изготовления, взяты из курса, который автор уже много лет ведет в радиокружке. Автор книги надеется, что авторы используемых в книге статей благосклонно отнесутся к такому подходу. Рекомендуемые конструкции подобраны таким образом, что каждый радиолюбитель может проверить свои знания на практике. Если в предлагаемой для изготовления конструкции радиолюбитель найдет незнакомые для себя элементы (транзисторы, микросхемы и т. д.), он может обратиться к соответствующей главе книги, где, как правило, может найти ответ на свой вопрос.

Из опыта работы с учащимися автор знает, что при появлении у ученика желания что-то изготовить своими руками, его не интересует знание об их принципе работы, конструкции, и т. д. Он хочет взять детали и начать паять. И только потом, после изготовления, его может заинтересовать принцип работы этого устройства (и самих деталей).

Книга отличается от ранее изданных тем, что:

1. изучение теории базируется, в основном, на практическом материале и принципиальных схемах устройств, предлагаемых для изготовления в изучаемой главе;

2. при изучении теоретического материала последующих глав используются не только схемы устройств данной главы, но и, что очень важно, схемы устройств и практический материал из предыдущих глав, с которыми радиолюбители уже частично знакомы и которые используются только в объеме, необходимом для изучения теоретического материала данной главы;

3. для изготовления устройств даются более широкие рекомендации по выбору и взаимозаменяемости радиодеталей не только аналогичными, но и их аналогами, что поможет выйти из затруднительного положения при отсутствии необходимых полупроводниковых приборов;

4. при изготовлении устройств на микросхемах даются рекомендации по их использованию не только по прямому назначению, но и по применению отдельных частей микросхемы. Это позволит радиолюбителю использовать микросхемы, имеющиеся в его собственности, которые, казалось, никогда не найдут применения;

5. в конце каждой главы даются полезные советы по особенностям изготовления, монтажу, настройке, взаимозаменяемости различных деталей изготавливаемых устройств, а также задачи.

Книга рассчитана на учащихся 5—11 классов, учащихся колледжей, техникумов, студентов ВУЗов, а также на начинающих радиолюбителей.

Все замечания, пожелания и отзывы о книге автор просит направлять в издательство «СОЛОН-Р» по адресу: 129337, г. Москва, а/я 5.

Глава 1 Электро- и радиотехнические материалы

Пайка и основы электрического монтажа


В этой главе приводятся краткие данные о свойствах материалов, применяемых при изготовлении радиоэлектронных устройств (РЭУ), их обработке, рассказывается об устройстве паяльника и правилах пайки. В последующих главах, где даются рекомендации по самостоятельному изготовлению различных конструкций, будут даваться ссылки на отдельные пункты этой главы, т. е. эта глава является как бы справочной для последующих глав.


1.1. МЕТАЛЛЫ

Ниже приведен перечень металлов и примеры их применения (в порядке возрастания сопротивления)


Таблица 1.1

Проводники — Типичные применения

Серебро — Контакты выключателей для электрических цепей

Медь — Электрические проводники всех типов

Алюминий — Проводники со сниженным весом

Вольфрам — Нити накала осветительных и радиоламп

Никель — Радиолампы

Олово — Припой

Сталь — В телефонных и телеграфных линиях

Свинец — Припой и пластины аккумуляторных батарей

Нихром — Нагревательные элементы, реостаты


РАБОТА С МЕТАЛЛАМИ

1.1.1. Правка листового материала

Перед началом правки выпуклых мест (выпучин) их обводят мелом или карандашом, затем заготовку кладут на плиту выпуклостью вверх и начинают наносить удары в направлении от краев выпуклости к ее центру. Удары наносят частые, но не сильные.

По мере приближения к центру удары должны быть слабее. Нельзя наносить удары сразу по выпуклому месту — от этого оно еще сильнее увеличится.

Полосы из мягких алюминиевых и медных сплавов лучше править (рихтовать) через прокладку из гетинакса или текстолита толщиной 1,53 мм. В этом случае ровная неповрежденная поверхность получается даже при работе обычным стальным молотком.


1.1.2. Изгибание листового металла

Приспособление для изгибания состоит из двух стальных уголков 45x45 мм и двух стальных прижимных планок. Отверстия в уголках и планках следует сверлить совместно.

Место сгиба на листе надо натереть хозяйственным мылом, а затем уже нагревать. Натертое место приобретает темно-коричневый цвет как раз тогда, когда температура листа достигает оптимального значения. Этот прием позволяет точнее определить температуру, до которой нужно нагревать деталь, а главное — не допустить ее перегрева, приводящего к нарушению структуры металла.


1.1.4. Резка металлов

При изготовлении панели и шасси прибора обычно пользуются ножовкой. В зависимости от твердости разрезаемого материала, формы и размеров заготовки используют ножовочные полотна различной длины, ширины, толщины и с различными расстояниями между зубьями. Полотно должно быть заправлено и станке так, чтобы зубья его были направлены вперед, а не назад, и натянуто винтом так, чтобы оно не изгибалось во время работы. Ход вперед при работе делается с легким нажимом, ход назад — без нажима.

Для резки металлов ножовочные полотна выбирают в зависимости от толщины и твердости материалов. Чем тверже металл, тем более мелкими должны быть зубья ножовочного полотна. Полотно с мелкими зубьями используют также для резки мягкого, но тонкого материала. В зависимости от толщины материала полотно выбирают так, чтобы в работе участвовало одновременно не менее двух зубьев. Если шаг зубьев полотна таков, что в работе участвует один зуб, ножовку «заедает».

Тонкие листовые материалы удобно резать, зажав их между брусками из дерева твердой породы. Если разрезают под острым утлом к оси трубку, ее следует вставить в заранее просверленное в деревянном бруске отверстие и пилить вместе с деревом.


1.1.5. Простые правила сверления

• Перед работой нужно тщательно очистить сверло и надежно закрепить его в патроне. Затем проверить, не бьет ли оно. Для этого включите дрель и, не поднося к детали, посмотрите на сверло. Если вы видите его как бы слегка «размазанным», закрепите сверло снова.

• Нельзя сверлить незакрепленные или плохо закрепленные детали. Это может привести не только к поломке сверла, но и к травме.

• Никогда не подносите к детали вращающееся сверло. Неподвижное сверло нужно вставить в намеченное керном углубление и только после этого нажимать на пусковое устройство. Выведя сверло из отверстия, нужно выключить дрель, а окончив работу, сразу же отключить ее от сети.

• Неспециалисту не разрешается работать с электродрелью в ванной комнате или в других помещениях с каменным полом, где есть имеющие заземление предметы (например, отопительные батареи).

• Перед работой с дрелью нужно убрать волосы под головной убор и застегнуть манжеты на рукавах.

• Если при сверлении сверло визжит или скрипит, значит, оно затупилось. Надо прекратить работу и заточить его.

• Когда вы сверлите глубокое отверстие или твердый материал, время от времени выводите сверло. Это нужно для его охлаждения. Сверло может так разогреться при работе, что станет светиться красным светом. Это признак того, что оно накалилось до температуры отпуска металла. Чтобы этого не происходило, надо время от времени выключать дрель и охлаждать сверло смоченной в воде ватой.

• Тонколистовой материал (например, жесть) лучше сверлить, подложив под деталь толстый лист резины.

• При большом числе отверстий разного диаметра вначале рекомендуется просверлить их все сверлом, диаметр которого равен диаметру самого малого отверстия, а уж затем рассверливать остальные отверстия до нужных размеров. Если диаметр отверстий всего в 1,2–1,5 раза больше диаметра самого малого отверстия, то их сверлят сразу сверлом необходимого размера.

• Качественное сверление возможно только при использовании смазочно-охлаждающих веществ. При работе с мягкими материалами (алюминий, органическое стекло, гетинакс) можно пользоваться мыльной водой.


1.1.6. «Рубашка» для сверла

Она потребуется, когда из-за малого диаметра сверла не удается зажать его в патроне. Но «шить» ее лучше на «размер» меньше: на гвозде или сверле меньшего диаметра навейте медную проволоку плотно, виток к витку, по часовой стрелке. Наденьте полученную спираль на хвостовик нужного сверла, теперь при зажиме и работе спираль будет заклинивать, а сверло надежно удерживать в патроне.


1.1.7. Вместо сверла — напильник

Зажмите в патрон надфиль с круглым сечением или обломок круглого напильника с проточенным хвостовиком: спиральная насечка прекрасно работает не только при поступательном движении, но и при вращательном.


1.1.8. Опасности при сверлении

Если при сверлении есть опасность повредить сверлом близко расположенные детали, то на сверло рекомендуется надевать трубку из резины, хлорвинила или другого подобного материала.

Длина трубки должна быть меньше длины вставленного в дрель сверла настолько, чтобы из трубки высовывался лишь конец сверла. Трубка одновременно служит надежным ограничителем глубины сверления.


1.1.9. Резьба в отверстиях

• Диаметр отверстия под резьбу приближенно определяют, умножив

размер резьбы на 0,8 (например, для резьбы М2 сверло должно иметь диаметр 1,6 мм, для М3 — 2,4 мм, для М4 — 3,2 мм и т. д.).

• Для надежности резьбового соединения размер резьбы выбирают так, чтобы в резьбовом отверстии было не меньше трех полных витков резьбы. Так, при толщине материала 2 мм можно нарезать резьбу М2, М3, у которой шаг резьбы 0,4 и 0,5 мм соответственно. Резьбу М4 применять нецелесообразно, так как шаг резьбы у нее 0,7 мм.

• При нарезании резьбы в мягких металлах (например, в алюминии) следует ограничиться нарезкой резьбы только первым метчиком. В таком отверстии винт удерживается прочнее.

• Резьбу после обрезания винта или шпильки будет легко восстановить, если предварительно навинтить на них плашку или гайку. Отрезав или откусив кусачками лишнее, конец резьбовой детали опиливают напильником, а затем свинчивают плашку (гайку) — резьба восстанавливается.


1.1.10. Самодельные метчики для нарезки резьбы

В некоторых случаях при нарезке резьбы в мягких металлах и пластмассах можно применять самодельные метчики и плашки, изготовление которых не представляет больших трудностей. Для метчиков берут стальной болт с нужным размером резьбы и конец его спиливают на конус (на 2…3 мм от конца), а затем трехгранным напильником пропиливают три-четыре режущие кромки по длине болта. В головке болта, если нет воротка, прорезают шлиц, в который вставляют и закрепляют металлический пруток.


1.1.11. Очистка загрязненных поверхностей

• Значительно улучшится вид деталей из дюралюминия, если смазать их поверхности раствором буры (1 г буры на 100 мл кипяченой воды) с добавлением нескольких капель нашатырного спирта. Через 30 минут детали протирают чистой суконной ветошью.

• Поверхность медных, латунных и бронзовых деталей очищают пастой, состоящей из равных частей талька и древесных опилок, смешанных со столовым уксусом до получения тестообразной массы. Хорошие результаты получают и при использовании пасты, составленной из равных частей поваренной соли и мела, замешанных на молочной сыворотке.

• Изделия из меди, латуни сохраняют свой блеск, если их тщательно натереть воском.

• Освежить поверхность небольших изделий из меди можно, прокипятив их в течение 30 минут в растворе кальцинированной соды (40 г/л).

• Освежить алюминиевые шасси, панели и экраны можно, промыв их жесткой волосяной щеткой в теплом водном растворе хозяйственного мыла.


1.1.12. Уход за напильником

• В насечках напильника не будут застревать частицы обрабатываемого металла, если напильник предварительно натереть мелом или древесным углем или смочить спиртом.

• Если деревянные ручки у слесарного инструмента обжечь на огне (до потемнения), то можно предотвратить появление мозолей или водяных пузырей на руках во время обработки металла (или, по крайней мере, замедлить их образование).


1.1.13. Надписи на металле

Вырезанную в «размер» переднюю панель тщательно зачищают и полируют наждачной шкуркой, нагревают до 100…120 °C и натирают воском с таким расчетом, чтобы он, расплавившись, покрыл поверхность металла тонким ровным слоем. Когда панель остынет, слой воска в соответствующих местах процарапывают до металла, стружки воска осторожно удаляют. Затем приготавливают немного 20…30-процентного раствора поваренной соли, смачивают этим раствором кусок ваты и прикладывают его к панели так, чтобы полностью покрыть все надписи. Сверху на вату накладывают металлическую пластину. К панели присоединяют положительный полюс источника постоянного тока напряжением 2…4 В, а к металлической пластине — отрицательный полюс. Процесс травления продолжается 3…10 минут (в зависимости от силы тока источника и глубины травления). По окончании травления панель тщательно промывают в горячей воде и удаляют с ее поверхности воск.

Этим способом можно делать надписи на всех металлах и их сплавах, в том числе на поверхности из закаленной и нержавеющей стали.


1.1.14. Совместимые и несовместимые пары металлов

При механическом монтаже для крепления деталей широко используют винты, заклепки и т. п. Проводя механический монтаж, следует избегать непосредственного соединения разнородных металлов, так как иначе в месте их касания при попадании влаги (особенно это относится к наружным радио- и телевизионным антеннам) образуются недопустимые гальванические пары, вызывающие усиленную коррозию. По этой причине заклепываемые детали и заклепки рекомендуется делать из однородных или совместимых металлов.

В таблице 1.2 приведены совместимые и несовместимые пары металлов.



Обозначения: С — совместимые пары; Н — несовместимые пары; П — совместимые при пайке, но несовместимые при непосредственном соприкосновении; «—» — не паяются.


1.2. ИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

1.2.1. Области применения

В электрических схемах, работающих при повышенных температурах, в качестве изоляции применяется асбест, керамика, слюда. Электрические провода, подводящие ток к нагревательным элементам, обычно изолируются асбестом, защищенным сверху хлопчатобумажной оплеткой. Слюда и керамика применяются в качестве основы для обмоток нагревательных элементов, например утюгов, паяльников (они хорошие изоляторы и выдерживают значительный нагрев).

В высокочастотных цепях в качестве изоляторов применяют стеатит (радиофарфор) и полистирол.

В таблице 1.3 приведены примеры использования различных диэлектриков.



1.2.2. Работа с изоляционными материалами

Обработка органического стекла

Склеивать детали из органического стекла можно целлулоидным клеем, который легко приготовить, растворив в ацетоне очищенную от эмульсии фотопленку (вместо ацетона можно использовать жидкость для снятия маникюрного лака). При использовании целлулоидного клея получается средняя прочность склеиваемого шва. Лучшие результаты дает дихлорэтановый клей, который растворяет органическое стекло и образует более прочный шов. Для изготовления этого клея стружку или отходы органического стекла погружают в раствор дихлорэтана (50 г). Густота клея зависит от количества органического стекла — чем его больше, тем гуще клей. На склеиваемую поверхность палочкой или кисточкой наносят густой слой клея и через 2–3 минуты производят склеивание. Излишний клей удаляют тряпкой. Хранить клей следует в стеклянной посуде с притертой пробкой. Склейку следует производить под вытяжной трубой или в проветриваемом помещении, потому что, высыхая, клей выделяет вредные вещества.

Так как достать дихлорэтан не всегда удается, дихлорэтановый клей можно заменить клеем для кожи, который продается в магазинах хозяйственных товаров. Процесс склеивания очень прост: склеиваемые поверхности густо смазывают клеем, соединяют и просушивают в течение 15 минут при температуре 30…35 °C. Клей для органического стекла может быть получен также, если растворить стружки органического стекла в уксусной кислоте.

Для поверхностной окраски органического стекла можно приготовить состав из опилок органического стекла, уксусной эссенции (уксусной кислоты) и пасты для заправки шариковых ручек. В шести частях (по объему) крепкой уксусной эссенции следует полностью растворить одну часть опилок органического стекла и в раствор добавить пасту. От ее количества зависит интенсивность краски. Уксусная эссенция растворяет поверхностный слой органического стекла, и краска, проникая в него, придает стеклу соответствующий цвет.

Полировка органического стекла производится вручную чистой сухой суконкой или же суконкой с зубным порошком. Для получения блестящей, зеркальной поверхности органическое стекло полируют мелкозернистыми составами полировочных смесей. Хорошие результаты дает использование зубной пасты.

При механической полировки нужно использовать полировальный круг из хлопчатобумажной, а не из суконной ткани, так как при сильном прижимании детали к суконному вращающемуся кругу полируемую поверхность можно оплавить. Такой изъян ликвидировать очень трудно, а порой и невозможно.


Работа со стеклотекстолитом

Лист стеклотекстолита можно расщепить с угла неострым ножом и разделить его на два тонких листа. Такому приему хорошо поддается и фольгированный стеклотекстолит.

Двусторонний из одностороннего. Если вам необходима пластина двустороннего стеклотекстолита, а есть только односторонний, то это затруднение может быть разрешено сравнительно просто: надо склеить две заготовки эпоксидным клеем (или, в крайнем случае, клеем БФ-2).

В случае, когда имеющийся односторонний стеклотекстолит слишком толст, можно рекомендовать удалить часть слоев стеклоткани. Для этого лезвием ножа расщепляют каждую заготовку с одного из углов и разделяют ее на две части. Следует заметить, что расщепить заготовку удается не всегда.


Резка листового материала

Для этих целей наиболее удобны специальные резаки, изготовленные из старых ножовочных полотен. Детали сложной конфигурации можно вырезать лобзиком, используя ножовочное полотно для металла.

Органическое стекло можно разрезать обыкновенной ниткой № 00. Нитку натягивают в станке для ножовочного полотна или в лобзике. Резку производят так, как и ножовкой. Этим способом можно выполнять фигурную резку органического стекла с большой точностью. Для фигурной резки можно также воспользоваться отрезком нихромовой проволоки (или никелиновой) диаметром 0,2…0,3 мм, натянув на изоляторах в станке для ножовочного полотна или в лобзике и подключив к электрической сети через низковольтный трансформатор или автотрансформатор. Температуру проволоки надо подобрать опытным путем, изменяя приложенное к ней напряжение.


Трещины в органическом стекле

Продолжение трещины в органическом стекле можно приостановить, если в конце трещины просверлить отверстие диаметром 2…3 мм.


Нарезание резьбы в пластмассах

Вполне удовлетворительные результаты, особенно для резьбы М4 и менее, можно получить, спилив резьбу винта или шпильки с двух сторон вдоль длины. Чтобы нарезанная резьба была более чистой, по резьбе изготовленного метчика нужно «пройти» соответствующей плашкой или гайкой. Шпилька, болт или винт должны быть стальные и иметь нарезную, а не накатную резьбу.


Восстановление резьбы в деталях из термопласта

Подбирают гайку с нужной резьбой и небольшими внешними размерами и, подогревая паяльником, слегка вдавливают ее в деталь до полного утопления. При этом надо следить за тем, чтобы гайка была зафиксирована без перекоса. После остывания гайки заусенцы вокруг нее аккуратно удаляют.


Восстановление резьбы в деталях из любого материала

Отверстие с испорченной резьбой очищают, обезжиривают и заполняют заготовленным эпоксидным клеем. Винт смазывают вазелином или машинным маслом, излишки которого удаляют. Обмакивают винт в эпоксидный клей и ввинчивают в отверстие. Если винт входит в отверстие слишком свободно, целесообразно поместить туда два — четыре отрезка суровой нитки и, завернув винт, обрезать их у края отверстия. Через сутки, когда клей затвердеет, винт вывинчивают. Это, как правило, не требует усилий, так как резьба была смазана вазелином. И все же винт для этих целей лучше брать с глубоким и хорошим шлицом или с головкой под ключ, и с резьбой не накатной, а нарезной.


Изгибание листового термопластичного материала

Изгибание можно осуществить, только прогрев материал, причем хороший изгиб правильной формы получается лишь при равномерном прогреве материала (органическое стекло, полистирол, винипласт и др.), с обеих сторон на ширину 5…15 мм (в зависимости от толщины листа).

Для разогревания на лист пластика с обеих сторон вдоль линии изгиба накладывают полосу нужной ширины из тонкой алюминиевой фольги и прижимают. Концы полосы подключают к обмотке трансформатора на напряжение порядка нескольких вольт (напряжение подбирают опытным путем). Не следует допускать перегрева, так как при этом прозрачность или цвет материала по линии изгиба могут значительно измениться. Как только материал прогреется, фольгу снимают, лист изгибают на требуемый угол и выдерживают заготовку до полного остывания.

Вырезание слюдяных прокладок. При установке мощных транзисторов и диодов на теплоотвод радиолюбителю приходится сталкиваться с изготовлением прокладок из тонкой (от 0,04 до 0,5 мм) слюды. Наибольшую трудность здесь представляет прорезание отверстий. Для этого можно воспользоваться обычным чертежным измерителем или циркулем с двумя иглами. На нарисованный из плотной белой бумаги в масштабе 1:1 чертеж прокладки наложить заготовку слюды. Установить одну иглу циркуля в центр будущего отверстия и осторожно вращать циркуль так, чтобы вторая игла процарапывала окружность требуемого диаметра. Вращать циркуль нужно без большого нажима и обязательно в одну сторону, иначе слюда может расслоиться.


Обработка стекла

Для вырезки фигурной пластины можно применять нагретый паяльник. Для этого предварительно изготовляют шаблон и на него накладывают стекло. Затем напильником или стеклорезом процарапывают неглубокую борозду по линии контура. После этого жало нагретого паяльника прикладывают к борозде и, не отрывая от стекла, без нажима ведут паяльник по нарисованной линии. За паяльником останется трещина в стекле.

Чтобы разрезать широкую трубку, вокруг того места, где она должна быть разрезана, делают надпил. Затем с обеих сторон оборачивают полосками сырой фильтровальной бумаги шириной 2…4 см. Потом совершенно сухое пространство, где имеется надпил, нагревают одним из возможных способов:

— вращая трубку над острым пламенем газовой горелки;

— используя обернутую вокруг трубки и подключенную в сеть через трансформатор или реостат нихромовую проволоку (проволока должна быть плотно прижата к трубке и нагрета до красного каления);

— или, наконец, применяя для этой цели толстую, пропитанную в керосине нитку. Нитку плотно обвязывают вокруг трубки и поджигают.

Между полосками фильтровальной бумаги образуется при этом кольцевая трещина и одна часть трубки отделяется от другой. Острые края каждой из частей следует после этого отшлифовать. Если при разрезании трубки не пользоваться полосками влажной бумаги, то разрез получится шероховатым.

Способ проделывания отверстия в стекле с помощью припоя Для этого одну сторону стеклянной пластины тщательно обезжиривают ацетоном, бензином или спиртом. Затем на место, где должно быть сделано отверстие, насыпают горкой горсть слегка смоченного мелкого речного песка. После этого остро заточенной палочкой в песочной горке делают конусообразное углубление гак, чтобы была видна поверхность стекла (диаметр очищенной от песка поверхности в нижней части конуса должен быть равен нужному диаметру отверстия в стекле). В сделанную песочную форму наливают расплавленный припой с температурой плавления 200…300 °C. После застывания припоя песок ссыпают и вынимают конус припоя вместе с прилипшим к нему кружком стекла.


Полимерная масса и ее применение

В бытовых изделиях, в том числе и в радиоаппаратуре, широко применяется полистирол, в просторечии называемый «пластмасса», из которого изготавливают различные узлы, детали и корпуса. Он растворяется в органических растворителях (ацетон, дихлорэтан, толуол).

Раствор полистирола в ацетоне быстро густеет снаружи, на поверхности образуется тонкая пленка, под которой масса остается жидкой, и поэтому с ней весьма неудобно работать. Гораздо удобнее применять массу из полистирола, растворенного в смеси ацетона с растворителем N646. Растворитель менее летуч, чем ацетон, и растворенная масса застывает дольше, что и обеспечивает удобство ее применения.

При этом нужно иметь в виду, что чем больше растворителя, тем дольше масса застывает. При застывании массы наблюдается ее усадка.

Полистирол бывает разных цветов: комбинируя различные цветные обломки, можно получить массу разных цветов.

Данная полимерная масса оказывается полезной в самых разнообразных случаях. Ее можно использовать для склейки деталей и узлов из полистирола и других пластмасс, заливки монтажных плат с радиокомпонентами, что увеличивает их механическую прочность и дает защиту от пыли и повышенной влажности. Эта масса годится для крепления конденсаторов, транзисторов, реле и других радиокомпонентов к монтажной плате с целью увеличения механической прочности крепления. Кроме того, можно использовать массу как добавку в эпоксидных компаундах.

Полимерную массу также можно использовать для крепления монтажных проводов и жгутов к алюминиевым панелям. Место крепления желательно хорошо зачистить и обезжирить, иначе крепление будет непрочным. Можно также покрывать пайки, но масса должна быть в этом случае очень жидкой. При ее использовании нужно помнить, что ацетон вреден, и сушку нужно производить в проветриваемом помещении.


1.3. РАБОТА С ДРЕВЕСИНОЙ

1.3.1. Покрытие эпоксидным клеем

Покрытие эпоксидным клеем (смолой) мало уступает по внешнему виду покрытию полиэфирным лаком, которое широко используется при отделке мебели и футляров для радиоаппаратуры в промышленных условиях. Процесс состоит из следующих операций. Удалив изъяны (царапины и др.) и зачистив поверхность, размешают одну из панелей футляра в горизонтальной плоскости и ровным слоем заливают заранее приготовленной смолой с отвердителем. Готовя панель к покрытию, шлифовать ее поверхность не требуется. Толщина слоя смолы — 1,5…2 мм. Воздушные пузырьки с покрываемой поверхности нужно тщательно удалить, прокалывая их иголкой. Через 6…7 часов поверхность затвердеет, и тогда можно будет заливать другую панель. После двух — трех суток выдержки панели на воздухе приступают к се шлифовке и полировке. Сначала пользуются более грубой наждачной бумагой, а затем переходят на мелкозернистую. Бумагу нужно закрепить на ровном деревянном бруске. Во время обработки панель поливают водой. Полирование производят любой полировочной пастой с помощью куска войлока. Полученное покрытие достаточно теплостойко, не боится влаги и органических растворителей.


1.3.2. Как освежить изделия и детали из светлой древесины

Изделия и детали из светлой древесины можно «освежить» следующим способом. В чистой посуде растапливают немного белого стеарина (например, кусочек свечки) и добавляют к нему такое же количество бензина (соблюдая меры предосторожности — вблизи не должно быть открытого огня), чтобы получилась однородная, не очень густая смесь. Остывшей смесью с помощью тампона из льняной ткани натирают поверхность древесины, а через 2…3 часа полируют все шерстяной тканью.


1.3.3. Ремонт трещин

Трещины, появившиеся на деревянных футлярах, можно замаскировать пчелиным воском, после чего тщательно протереть обработанные места шерстяной тканью.


1.4. МАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Все магнитные материалы можно разделить на две основные группы — магнитно-мягкие и магнитно-твердые. Магнитно-мягкие материалы легко намагничиваются и легко размагничиваются.

Магнитно-твердые материалы с большим трудом намагничиваются, но будучи намагниченными, могут долго сохранять магнитную энергию. Поэтому их применяют главным образом для изготовления постоянных магнитов.

По составу все магнитные материалы делятся на металлические, неметаллические и магнитодиэлектрики. К металлическим относятся чистые металлы (железо, кобальт, никель) и магнитные сплавы некоторых металлов. К неметаллическим относятся ферриты, получаемые из порошкообразной смеси оксидов железа и других металлов. Ферриты, как и металлические материалы, могут быть магнитно-мягкими и магнитно-твердыми. Магнитодиэлектрики представляют собой композиционные материалы, состоящие из 60…80 % порошкообразного магнитного материала и 40…20 % диэлектрика.

Основными металлическими магнитно-мягкими материалами, применяемыми в РЭА, являются карбонильное железо, альсиферы и низкоуглеродистые кремнистые стали. Карбонильное железо применяется при изготовлении высокочастотных магнитодиэлектрических сердечников. Из альсифера изготовляют литые сердечники, работающие в диапазоне частот не более 50 кГц, и магнитные головки. Низкоуглеродистые кремниевые стали применяют в менее ответственных узлах РЭА: они значительно уступают пермаллоям. Пермаллой — сплав железа с никелем или железа с никелем и кобальтом. Основные достоинства пермаллоя — высокое значение магнитной проницаемости в слабых полях и малое значение коэрцитивной (удерживающей) силы, недостатки — большая чувствительность к механическим напряжениям, сравнительно высокая стоимость. Применяют в магнитных элементах измерительных, автоматических и радиотехнических устройств при их работе в слабых постоянных и переменных полях с частотой до нескольких десятков килогерц. Для уменьшения потерь на гистерезисе и вихревые токи магнитно-мягкие материалы при работе в области высоких частот должны обладать высоким активным сопротивлением. К таким материалам относятся ферриты и магнитодиэлектрики. Магнитно-мягкие ферриты широко используются для изготовления сердечников различного рода трансформаторов, катушек индуктивности, магнитных антенн и других изделий РЭА, работающих в широком диапазоне частот, вплоть до СВЧ-диапазона.

На основе магнитно-твердых ферритов изготовляют постоянные магниты. Магнитодиэлектрики, несмотря на несколько пониженные магнитные характеристики, чем у ферритов, применяют для изготовления сердечников высокочастотных узлов РЭА. Это обусловлено большой стабильностью их характеристик по сравнению с ферритами и возможностью изготовления из них сердечников сложной формы.


1.5. ПРОВОДА

В таблице 1.4 указаны диаметры некоторых проводов и примеры их применения.



1.5.1. Обмоточные провода


1.5.1.1. Медные обмоточные провода

Они предназначены для изготовления обмоток трансформаторов, дросселей, реле, высокочастотных катушек, резонансных контуров и т. п. Эти провода могут иметь эмалевое покрытие, из волокнистых материалов и комбинированную изоляцию из эмали и волокнистых материалов. Эмалевая изоляция обладает лучшими электроизоляционными свойствами по сравнению с волокнистой изоляцией. Эмалированные провода на масляных лаках марок ПЭЛ и ПЭЛ У применяются для изготовления обмоток различного рода катушек, однако если провод при изготовлении обмотки или в процессе работы катушки испытывает повышенные механические воздействия, то эти провода дополнительно защищают обмоткой из хлопчатобумажной пряжи, капроновым волокном или натуральным шелком (марки ПЭЛБО, ПЭЛШКО, ПЭЛШО и т. п.). Термостойкость проводов перечисленных марок, включая ПЭЛ и ПЭЛУ, порядка 100…105 °C, причем обмотка из капронового волокна выше по термостойкости, чем из натурального шелка и хлопчатобумажной пряжи. Кроме того, капроновое волокно превосходит натуральный шелк по стойкости против истирания и более надежно при воздействии таких растворителей, как бензин, бензол, трансформаторное масло и т. п. Электроизоляционные свойства капрона такие же, как у натурального шелка, и несколько выше, чем у хлопчатобумажной пряжи.

Однако, несмотря на высокую механическую прочность, провода с волокнистой изоляцией имеют значительно больший наружный диаметр, чем эмалированные. Поэтому созданы высокопрочные эмалированные провода марки ПЭВ-1 и ПЭВ-2, ПЭЛР-1, ПЭЛР-2, ПЭВТЛ-1 и ПЭВТЛ-2. Провода последних марок обладают повышенной термостойкостью, выдерживая длительный нагрев до 130 °C, а кратковременный до 150…180 °C. По сравнению с другими высокопрочными эмалированными проводами они обладают большим сопротивлением изоляции и меньшим tgδ. Тангенс угла диэлектрических потерь tgδ характеризует удельные потери энергии в диэлектрике, находящемся в переменном электрическом поле. Чем больше tgδ, тем больше нагрев диэлектрика. Поэтому они особенно пригодны в качестве провода для намотки высокочастотных катушек индуктивности. Кроме того, провода марок ПЭВТЛ-1 и ПЭВТЛ-2 залуживаются путем погружения в расплавленный припой или при помощи паяльника без предварительной зачистки эмали и без применения флюсов. Наиболее термостойки провода марки ПЭТВ — до 155 °C. Кратковременный нагрев они выдерживают до 200 °C.

Основные параметры наиболее часто применяемых медных обмоточных проводов приведены в таблице 1.5.




Пробивные напряжения эмалевой изоляции четырех видов обмоточных проводов приведены в таблице 1.5, а.




При выборе марки провода учитывают рабочую температуру, электрическую прочность изоляции и надежность провода. В аппаратуре на полупроводниковых приборах используются в основном провода с эмалевой изоляцией. При повышенных требованиях к надежности аппаратуры рекомендуются провода с двухслойной изоляцией. Провода с комбинированной изоляцией применяют при повышенных механических нагрузках в процессе намотки или эксплуатации аппаратуры.


1.5.1.2. Высокочастотные обмоточные провода (литцендраты)

Они предназначены для изготовления высокочастотных катушек индуктивности с высокой добротностью. Эти провода состоят из пучка эмалированных проволок (их количество может быть более 1000) диаметром 0,05; 0,07; 0,1 и 0,2 мм. Изготовление таких проводов из большого числа изолированных проволок вызвано явлением так называемого поверхностного эффекта. Суть его заключается в том, что на высоких частотах ток вытесняется к внешней поверхности провода под действием переменного магнитного поля внутри сплошного провода, в результате чего увеличивается активное сопротивление этого провода. Чтобы ослабить это вредное влияние, высокочастотный провод составляют из большого числа изолированных друг от друга проволок, увеличивая тем самым его токонесущую поверхность.

Выпускаются высокочастотные обмоточные провода следующих марок: ЛЭЛ и ЛЭП — без дополнительной изоляции пучка; ЛЭЛО — с обмоткой из шелка с лавсаном в один слой; ЛЭП КО — с обмоткой из капронового волокна в один слой; ЛЭШО — с обмоткой из натурального шелка в один слой; ЛЭЛД — с обмоткой из шелка с лавсаном в два слоя; ЛЭШД — с обмоткой из натурального шелка в два слоя. Провода марок ЛЭП и ЛЭПКО перед лужением не требуют зачистки.

Основные параметры некоторых высокочастотных обмоточных проводов приведены в таблице 1.6.




1.5.1.3. Обмоточные провода высокого сопротивления (манганин, константан, нихром)

Для изготовления образцовых резисторов, магазинов сопротивлений, шунтов к измерительным приборам и добавочных сопротивлений к вольтметрам используют манганин, обладающий малым TKR (температурным коэффициентом сопротивления), большим удельным сопротивлением и малой термоэдс в контакте с медью.

Для изготовления реостатов и балластных резисторов используют проволоку из никелина, нейзельберга, реотана и константана, а в нагревательных приборах — из нихрома, фехраля и хромаля.

Константановые провода, изолированные эмалями на масляных лаках (марка ПЭК), изготавливаются из твердой проволоки диаметром 0,03…0,09 мм и из твердой и мягкой проволоки диаметром 0,1…0,15 мм.

Манганиновые провода с эмалями на масляных лаках изготавливаются из твердой (марка ПЭМТ) и мягкой (марка ПЭММ) проволоки.

Нихромовые провода, изолированные масляной эмалью, выпускаются под маркой ПЭНХ. Кроме упомянутых, выпускаются эмалированные высокопрочные константановые, манганиновые и нихромовые провода с повышенной толщиной изоляции (маркируются соответственно цифрами 1 и 2), причем манганиновые и константановые провода изготавливаются из твердой и мягкой проволоки, а нихромовые провода только из мягкой проволоки.

Термостойкость всех проводов (кроме нихромовых марки ПЭНХ) такая же, как у медных проводов с соответствующей изоляцией.

Марки и основные применения наиболее распространенных обмоточных проводов высокого сопротивления указаны в таблице 1.7.






1.5.2. Монтажные провода

Выпускаются в изоляции из полихлорвинила, полиэтилена, а также с волокнистой дополнительной изоляцией (первый слой).

Провода с волокнистой изоляцией применяют в аппаратуре, работающей в нормальных условиях (при невысокой влажности и температуре), когда исключена возможность конденсации воды в аппаратуре и отсутствуют резкие климатические изменения. Наиболее термостойки провода с изоляцией из фторопласта (до 250 °C).

По конструкции токопроводящей жилы различают однопроволочные (негибкие) и многопроволочные (гибкие) монтажные провода. Основные параметры монтажных проводов приведены в таблице 1.8.




* Только для проводов с токопроводящей жилой сечением 0,07 и 0,12 мм2; провода с большим сечением токопроводящих жил могут работать при напряжениях до 1000 В переменного тока.


1.6. ПАЙКА И ОСНОВЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО МОНТАЖА

1.6.1. Устройство паяльника

Паяльник — один из основных инструментов радиолюбителя. По своей конструкции паяльники могут быть различными. Но наибольшее распространение у радиолюбителей получили паяльники с медным жалом — прямым или изогнутым. Нагревательным элементом в них обычно служит нихромовый провод, намотанный на металлическую трубку, в которую вставляется медный стержень (жало). Для изоляции намотки от металлической трубки между ними прокладывается слой слюды.

Новый паяльник должен быть соответствующим образом подготовлен к работе. Рабочей части жала паяльника должна быть придана заостренная форма (30°), что часто делают с помощью напильника. Однако обработку жала лучше делать ковкой, так как наклеп уменьшает интенсивность растворения меди и затрудняет образование раковин, сокращающих срок службы напильника. Затем приступают к залуживанию. Для этого, слегка нагрев паяльник, покрывают слоем канифоли (опускают жало паяльника в канифоль) рабочую часть жала для предохранения медной поверхности от окисления. Перегрев паяльника перед покрытием его канифолью недопустим. Если же паяльник по какой-либо причине все же оказался перегретым и зачищенная часть жала покрылась темно-синим налетом окиси меди, то его следует остудить и вновь зачистить. Как только жало нагреется до температуры плавления припоя, рабочая поверхность его должна быть целиком покрыта припоем (т. е. следует облудить жало).


1.6.2. Ремонт паяльника

Наиболее часто встречающиеся повреждения в паяльнике — перегорание обмотки и пробой на корпус. Перегорание обмотки вообще лишает возможности пользоваться паяльником, пробой же создает опасность поражения током, особенно при работе с заземленной аппаратурой или в сыром помещении. Пробитый на корпус паяльник опасен и в другом смысле — пользуясь им, можно повредить радиоаппарат (вывести из строя микросхемы, транзисторы), в котором производится пайка. Для устранения этих повреждений обычно приходится разбирать паяльник и перематывать его обмотку. Обычно при перемотке паяльника возникает ряд трудностей. Тонкие пластины слюды при попытке обернуть ими металлическую трубку паяльника обычно ломаются или крошатся.

Чтобы избежать этого, слюду рекомендуется два — три раза нагреть и пламени (например, газовой плиты) докрасна, а затем охладить на воздухе. Слюда после этого станет мягкой и будет легче гнуться, плотнее прилегая к трубке. Если пластинка слюды раскрошилась, а достаточно большой целой пластинки в запасе нет, то для изоляции можно использовать мелкие куски от старых электронагревательных приборов. Эти куски укладывают слоем соответствующей толщины на лист тонкой бумаги или кальки, при необходимости слюду к бумаге можно слегка приклеить силикатным клеем. Затем слюду вместе с бумагой укладывают на стержень, а бумажную ленту закрепляют на стержне клеем. Далее производят намотку и сборку паяльника обычным способом.

Для изоляции слюдяными крошками можно использовать также липкую ленту, оставив конец ленты длиной около 10 мм свободным от слюды. Подготовленную полоску свободным от слюды концом приклеивают к трубке паяльника и с натяжением наматывают ее так, чтобы слюдяная изоляция образовала сплошной слой без зазоров и отверстий. Излишки ленты отрезают, а конец прикрепляют к основанию отрезком липкой ленты.

Если нагреватель необходимо изолировать снаружи, такую же полоску липкой ленты со слюдой наматывают на спираль и закрепляют шнуром из асбеста или помещают в кожух, иначе после включения паяльника в сеть липкая лента сгорит и слюда осыплется.

Нагревательную обмотку паяльника можно изолировать от корпуса паяльника и жидким стеклом (силикатным или конторским клеем). Для этого трубку паяльника следует покрыть жидким стеклом и хорошо высушить при температуре 50…60 °C, но еще лучшие результаты получаются, если стержень покрыт «тестом», составленным из жидкого стекла, талька, мела (зубного порошка) или асбестовой крошки. Тесто должно быть густоты сметаны; им обмазывают трубку паяльника и высушивают. Намотку провода производят поверх этого слоя.

Вместо слюды и асбеста, которыми обмотка обычно покрывается сверху, можно в крайнем случае применить и обычную глину (но лучше огнеупорную!). Трубку паяльника обмазывают слоем глины толщиной 1…2 мм, после чего глину сушат. Затем на глине наматывают первый слой намотки и сверху опять покрывают ее глиной, снова сушат и продолжают намотку. Поверх последнего слоя намотки еще раз наносят слой глины, заполняя ею остающееся свободное пространство между нагревательным элементом и кожухом паяльника. Обмотку паяльника чаще всего наматывают виток к витку или с некоторым принудительным шагом.

Для низковольтных паяльников (на 6-12 вольт), подключаемых к сети через понижающий трансформатор, вместо проволоки из нихрома можно использовать стальную проволоку. Для этой цели можно, например, применить жилу от стального (буксирного) троса, подвергнув его предварительному отжигу. После отжига проволока становится мягкой и легко наматывается на паяльник. Длину обмотки подбирают по свечению проволоки, которое должно быть темно-вишневого цвета. Вся обмотка обычно укладывается в один слой. Такой паяльник прост в изготовлении и долговечен. Преимуществом его является также большая безопасность при эксплуатации.

Низковольтный паяльник можно изготовить из перегоревшего обычного паяльника мощностью 40…90 Вт. Нагреватель паяльника разбирают и, удалив старую обмотку, наматывают на ее место новую, закрепляют витки и собирают паяльник. Витки следует располагать в один слой равномерно по всей длине, которую занимала прежняя обмотка. Для обмотки нагревателя удобно использовать нихромовый провод диаметром 0,4 мм от спирали электроплиток на 220 вольт. В таблице 1.9 приведены числа витков нагревателя, экспериментально подобранные для паяльников из нихромового провода диаметром 0,4 мм мощностью 50 или 100 Вт на различные питающие напряжения.



* Наматывают в два провода и соединяют обмотки параллельно.


А как включить низковольтный паяльник в сеть 220 В? Можно, конечно, включить его последовательно с лампой накаливания или резистором большой мощности, но это не всегда удобно и неэкономично. Лучше всего подключить паяльник к сети через бумажный конденсатор, емкость которого можно рассчитать по формуле:

С = 3000∙P/Uп(UUп),

где С — емкость конденсатора, мкФ; Р — мощность паяльника, Вт; Uп — напряжение, на которое рассчитан паяльник, В; U = 220 В — напряжение сети.

При этом бумажный конденсатор должен иметь рабочее напряжение не менее 400 В, а мощность паяльника должна быть в пределах 40…50 Вт.

Возникает вопрос: «Сколько паяльников и какие надо иметь, чтобы качественно изготовить какой-либо прибор?» Опыт многих практиков говорит, что даже для легких сборочных работ желательно иметь два паяльника различного типа. Большинство печатных плат можно паять с помощью паяльника 25 и 50 Вт с прямым или изогнутым жалом. Для более крупных работ следует использовать паяльники на 90 и более ватт. Следует запомнить: правильно выбранное жало облегчает работу, поэтому следует иметь несколько тонких конических и плоских жал и одно плоское широкое для распайки микросхем. С точки зрения техники безопасности рекомендуется иметь паяльники на напряжение не выше 36 В.

Вместе с паяльником неплохо приобрести различные принадлежности и инструмент. Если вы однажды поработали с хорошим инструментом, то потом вряд ли захотите работать с плохим. Поэтому лучше один раз купить хороший инструмент, чем несколько раз плохой. К примеру: в хороших бокорезах режущие части в сомкнутом состоянии соприкасаются только на концах. Не покупайте бокорезы, у которых кромки неровные, или не сходятся концы, или кромки соприкасаются не на концах, а в каком-либо другом месте.


1.6.3. Методика обучения пайке

Если вы никогда не паяли, предлагаем воспользоваться одной из двух методик, в основе которых, как в и любой другой методике, лежит практика.

Возьмите 300 мм голого провода диаметром 23 мм (или изолированного, с которого надо снять изоляцию) и разрежьте его на 12 одинаковых кусков длиной 25 мм, чтобы из них сделать куб, закрепив точки соединения посредством пайки. Допускается использовать только плоскогубцы с длинными губками, паяльник, припой, флюс. И никакого другого инструмента и приспособлений. Это должно научить вас держать конструкцию неподвижной во время ее охлаждения. После того как куб будет готов, дать ему остыть, а затем положить его на ладонь и сжать руку в кулак. Если хотя бы одно из соединений нарушится, надо проделать все еще раз, взяв новые куски проводов.

Можно выбрать другой путь. Нарезать куски медной проволоки длиной 30…50 мм и толщиной 2…3 мм. Обмотать освобожденный от изоляции монтажный провод вокруг этой проволоки (2–3 витка) и соединить его путем пайки. Инструмент тот же, что и выше. Это упражнение надо повторять до тех пор, пока не будут получаться аккуратные, блестящие, прочные соединения.

При пайке надо соблюдать несколько правил, тогда и пайка будет получаться надежной и аккуратной.

• Лучше всего пользоваться припоями ПОС-61, ПОС-50, ПОС-40 и спирто-канифольными флюсами.

• Необходимо прогреть место соединения до такой температуры, чтобы приложенный к нему припой мог расплавиться. Припой должен расплавиться благодаря теплу, отдаваемому местом соединения. Частая ошибка заключается в том, что припой расплавляют паяльником в надежде на то, что он стечет с паяльника и прилипнет к месту соединения. Это грубая ошибка!

• Место соединения следует тщательно зачистить.

• Место соединения должно быть неподвижным до тех пор, пока расплавленный припой не затвердеет.

• Не перегревать места соединения.

• Припоя не должно быть слишком мало.

• Припоя не должно быть слишком много.

Опыт многих практиков показывает, что качество пайки во многом определяется мастерством монтажника и тем выше, чем ниже давление паяльника на печатную плату при пайке, чем меньше перепаек элементов и чем меньше время пайки при заданной температуре паяльного наконечника (внутренние дефекты на печатных платах практически не появляются, если время пайки меньше 3 с).

Распайка, хотя в это и трудно поверить, может быть немного проще пайки. Распаять контакт может почти каждый, но не повредить компоненты и проводники печатной платы очень нелегко. Для распайки надо иметь приспособления для отсасывания расплавленного припоя. Это может быть резиновый сжимающийся шар («груша»), снабженный соответствующим наконечником. После расплавления припоя отпускают до этого сжатую «грушу», происходит всасывание припоя внутрь ее. Для этих же целей можно использовать медную оплетку, заполненную флюсом. Ее подносят к расплавленной точке, нагревают паяльником, и расплавленный припой проникает внутрь оплетки благодаря капиллярному эффекту.


1.6.4. Припои и флюсы

Припои — это сплав металлов, предназначенный для соединения деталей и узлов пайкой. Выбор припоя производят в зависимости от соединяемых металлов или сплавов, от способа пайки, температурных ограничений, размера деталей, требуемой механической прочности и коррозийной стойкости и др. Для пайки толстых проводов используют припой с температурой плавления более высокой, чем для пайки тонких проводов. В некоторых случаях необходимо учитывать и электропроводность припоя (напоминание: удельное сопротивление олова равно 0,115, а свинца — 0,21 Ом мм2/м).

Припой разделяют на мягкие с температурой плавления ниже 400 °C и твердые с температурой плавления более 500 °C. Твердые припои отличаются более высокой прочностью при растяжении. К ним относятся, главным образом, медно-цинковые (ПМЦ) и серебряные (ПСр) припои.

В радиотехнической промышленности и радиолюбительской практике наиболее широко используются мягкие припои, изготовленные на оловянной, свинцовой, висмутовой, кадмиевой и цинковой основах. Основные данные наиболее распространенных припоев приведены в таблице 1.10.





Для самостоятельного приготовления припоя компоненты состава (олово и свинец) отвешивают на весах, расплавляют смесь в металлическом тигле над газовой горелкой и, перемешав расплав стержнем из стали, стальной пластинкой снимают пленку шлака с поверхности расплава. Затем осторожно разливают расплав в формы — желоба из жести, дюралюминия или гипса. Плавку необходимо выполнять в хорошо проветриваемом помещении, надев защитные очки, перчатки и фартук из грубой ткани.

Флюс — это вещество или смесь, предназначенные для растворения й удаления оксидов с поверхности спаиваемых деталей. Кроме того, во время пайки они защищают от окисления поверхность нагреваемого металла и расплавленный припой. Все это способствует увеличению растекаемости припоя, а следовательно, улучшению качества пайки. Флюс выбирают в зависимости от соединяемых пайкой металлов или сплавов и применяемого припоя, а также от характера сборочно-монтажных работ.

При монтаже электро- и радиоаппаратуры наиболее широко применяются канифоль и флюсы, приготовленные (на основе) с добавлением неактивных веществ — спирта, скипидара, глицерина. Остаток канифоли негигроскопичен и является хорошим диэлектриком.

Прочную пайку с ровной поверхностью застывшего припоя можно получить, применив жидкий канифольный флюс, составленный из 20 г измельченной в порошок чистой канифоли, растворенной в 35…40 г чистого спирта, бензина или скипидара.

Практически установлено, что при указанной пропорции составных частей флюс при пайке не дает вспышки паров растворителя. Этот флюс нужно хранить в пузырьке с притертой пробкой. Для жидкого флюса не рекомендуется применять канифоль, предназначенную для натирания скрипичного смычка, так как пайка может быть загрязнена посторонними примесями. Хранить жидкий флюс также удобно в полиэтиленовой масленке, хоботок которой закрывается специальной пленкой. С помощью такой масленки можно легко и быстро нанести требуемое количество флюса на место пайки. При этом флюс расходуется значительно экономичнее, уменьшается испарение его растворителя, пайка получается более чистой и аккуратной.

Еще один состав жидкого флюса: канифоль — 6 %, глицерин — 14 %, спирт (этиловый или денатурированный) — остальное.

Ускорить процесс пайки и повысить в ряде случаев качество соединения можно, применив вместо канифоли глицериновую пасту. С помощью пасты можно паять детали из самых разнообразных металлов и сплавов даже без предварительной зачистки и лужения, что особенно удобно при пайке в труднодоступных местах. Глицериновую пасту легко изготовить самому. Состав ее следующий: 48 % веретенного масла, 12 % пчелиного воска, 15 % светлой канифоли, 15 % глицерина, 10 % насыщенного водного раствора хлористого цинка. Изготовляя глицериновую пасту, ее нужно все время подогревать. Сначала расплавляют канифоль, затем добавляют веретенное масло, воск, глицерин и в последнюю очередь хлористый цинк.

Пасту можно изготовить и по более простому рецепту. Кусочки канифоли размельчают в порошок и, подливая глицерин, растирают до густоты сметаны. Паста удобна тем, что она хорошо сохраняется длительное время. Хранить ее можно в любой посуде с крышкой. На место пайки пасту наносят с помощью кусочка проволоки.

В некоторых исключительных случаях вместо канифоли можно использовать ее заменители. Так, канифольный лак, имеющийся в продаже в хозяйственных магазинах, можно применять как жидкий флюс взамен раствора канифоли в спирте.

В качестве флюса при пайке проводников можно в случае крайней необходимости пользоваться также живицей — смолой сосны или ели, — доступным материалом, особенно радиолюбителям, живущим в сельской местности. Такой флюс можно приготовить самому. Набранную в лесу смолу нужно растопить в жестяной банке на слабом огне (на сильном огне она может воспламениться). Расплавленную массу разлить в спичечные коробки.

Застывшая смола используется в качестве флюса так же, как канифоль.

Если под рукой канифоли или другого флюса нет, то в самом крайнем случае канифоль можно заменить таблеткой аспирина, имеющейся в домашней аптечке. Недостаток этого флюса — неприятный запах дыма, выделяющийся при плавлении аспирина.

При пайке в домашних условиях припой обычно наносят с помощью горячего паяльника. Контролировать количество расплавленного припоя, переносимого паяльником, крайне затруднительно: оно зависит от температуры плавления припоя, температуры и чистоты жала и от других факторов. Не исключено при этом попадание капель расплавленного припоя на проводники, корпуса элементов, изоляцию. Это заставляет вести работу крайне осторожно и аккуратно, и все же бывает трудно добиться хорошего качества пайки.

Облегчить пайку и улучшить ее можно с помощью паяльной пасты. Для приготовления пасты напильником измельчают припой и смешивают его опилки со спирто-канифольным флюсом.

Количество припоя в пасте подбирается опытным путем. Если паста получилась слишком густой, в нее добавляют спирт. Хранить пасту нужно в плотно закрывающейся посуде. На место пайки пасту наносят небольшими дозами металлической лопаточкой. Применение паяльной пасты позволяет избежать перегрева малогабаритных деталей и полупроводниковых приборов.

При сращивании проводов, трубок, стержней, когда нет возможности воспользоваться электрическим паяльником, применяют «паяльную ленту». Чтобы изготовить паяльную ленту, необходимо сначала составить пасту из порошка припоя, канифоли и вазелина. Порошок получают путем опиливания прутка припоя напильником с крупной насечкой (мелкая забивается припоем).

Приготовленную пасту наносят тонким слоем на миткалевую ленту. Место пайки обматывают в один слой «паяльной лентой», смачивают бензином или керосином и поджигают. Соединяемые поверхности желательно предварительно облудить.


1.7. ПОЛЕЗНЫЕ СОВЕТЫ

1.7.1. Пайка алюминия

Пайка алюминия припоями ПОС затруднительна, но все же возможна, если оловянно-свинцовый припой содержит не менее 50 % олова (ПОС-50, ПОС-61, ПОС-90). В качестве флюса применяют минеральное масло. Лучшие результаты получаются при использовании щелочного масла (для чистки оружия после стрельбы). Удовлетворительное качество пайки обеспечивает минеральное масло для швейных машин и точных механизмов. На место пайки наносят флюс и поверхность алюминия под слоем масла зачищают скребком или лезвием ножа (механическим путем), чтобы удалить всегда имеющуюся на поверхности алюминия оксидную пленку. Паяют хорошо нагретым паяльником. Для пайки тонкого алюминия достаточна мощность паяльника 50 Вт, для алюминия толщиной 1 мм и более желательна мощность 90 Вт. При пайке алюминия толщиной более 2 мм место пайки нужно предварительно прогреть паяльником и только после этого наносить флюс.

При химическом методе удаления окисла пленки пайку производят следующим способом: место на алюминиевой панели, к которому предполагается подпаять провод, зачищают и на него аккуратно наносят две — три капли насыщенного раствора медного купороса. Далее к панели подключают отрицательный полюс источника постоянного тока, а к положительному полюсу подсоединяют кусок медной проволоки, конец которой опускают в каплю так, чтобы проволока не касалась панели. На панели через некоторое время осядет слой красной меди, к которому (после сушки) припаивают обычным способом нужный провод. В качестве источника тока может быть применена батарейка от карманного фонарика или аккумулятор.

При пайке дюралюминия оксидную пленку можно удалить механическим путем. Для этого предварительно зачищенное место пайки заливают расплавленной канифолью и густо посыпают железными опилками, собранными при опиливании мелким напильником какого-либо гвоздя, винта и т. п. Затем горячим залуженным паяльником, потирая с усилием, хорошо зачищают место пайки, залитое канифолью и посыпанное железными опилками.

Железный порошок очистит место пайки от пленки, при этом произойдет облуживание, после чего опилки можно удалить. Далее пайка ведется обычным путем.

Флюс с железными опилками можно приготовить заранее. Для этого опилки собирают на бумагу с помощью приставленного с обратной стороны магнита и добавив канифоли; можно приготовить и флюс-карандаш. Вылейте расплав канифоли с добавленными опилками в трубочку, скрученную из пропитанной парафином бумаги. После остывания такая «самокрутка» легко разматывается, освобождая готовый канифольный стержень.

Паять дюралюминий можно также паяльником со стальным жалом, нанося припой на дюралюминий. Спаиваемые поверхности надо предварительно зачистить и покрыть флюсом, предохраняющим металл от окисления. При этом в качестве флюса нужно использовать стеарин.

К известным способам пайки можно добавить еще один, очень простой. Зачищенное и обезжиренное место пайки покрывают с помощью паяльника тонким слоем канифоли, а затем сразу же натирают таблеткой анальгина (бенальгина). После этого облуживают поверхность припоем ПОС-50 (или близким к нему), прижимая к ней с небольшим усилием жало слегка нагретого паяльника.

С облуженного места ацетоном смывают остатки флюса, еще раз осторожно прогревают и снова смывают флюс. Спаивание деталей производят обычным образом.


1.7.2. Пайка нихрома

Пайка нихрома с нихромом, нихрома с медью и ее сплавами, нихрома со сталью может быть осуществлена припоем ПОС-61, ПОС-50, хуже ПОС-40, с применением флюса следующего состава (граммы): вазелин — 100, хлористый цинк в порошке — 7, глицерин — 5. Флюс приготовляют в фарфоровой ступке, в которую кладут вазелин, а затем добавляют, хорошо перемешивая до получения однородной массы, последовательно хлористый цинк и глицерин. Соединяемые поверхности тщательно зачищают шлифовальной шкуркой и протирают ватой, смоченной в 10 %-ном спиртовом растворе хлористой меди, флюсуют, лудят и только после этого паяют.

Значительно лучшие результаты, чем пайка, дает сварка, в особенности, если приходится соединять между собой концы тонкой проволоки. Преимущество сварки состоит в том, что для ее выполнения никаких припоев не требуется. Контакт при этом получается очень надежный, так как температура нагрева свариваемых металлов значительно выше, чем, например, у оловянно-свинцовых припоев. Поэтому при эксплуатации даже от сильного нагрева сваренного контакта соединение проводов не нарушается.

Для соединения проводов из нихрома, константана, манганина и т. п. их следует зачистить, скрутить и пропустить через них ток такой силы, чтобы место сварки накалилось докрасна. На это место пинцетом кладется кусочек ляписа (азотнокислого серебра), который при нагревании расплавляется, в результате чего в месте соединения возникает прочный контакт.

Если диаметр свариваемой проволоки не превышает 0,15…0,2 мм, то ее концы накладывают друг на друга (расстояние 15…20 мм) и на них наматывают тонкую медную проволоку диаметром 0,1…0,15 мм. Затем соединенные таким образом проволочки вносят в пламя горелки. Медь при этом начинает плавиться и прочно соединяет оба высокоомных провода. Оставшиеся концы медной проволоки обрезают, а место сварки изолируют, если нужно. Этот способ применим для соединения медных проводов с проводами из сплавов высокого сопротивления.

Перегоревший провод электронагревательного прибора (нихром, никелин, константан) можно соединить следующим способом: концы провода в месте обрыва вытянуть на длину 15…20 мм и зачистить до блеска шкуркой. Затем из листовой стали или алюминия вырезать небольшую пластинку и из нее сделать муфту, надеваемую на провода в месте их соединения. Провода должны быть предварительно скреплены обычной скруткой. В заключение муфту плотно сжимают плоскогубцами.


1.7.3. Лужение провода в эмалевой изоляции

Для зачистки эмалированных проводов малого сечения можно использовать полихлорвиниловую трубку. Отрезок трубки кладут на дощечку и, прижимая провод к трубке плоскостью жала хорошо разогретого паяльника, легким усилием 2–3 раза протягивают провод. При этом одновременно происходит разрушение эмалевого покрытия и лужение провода. Применение канифоли при этом не обязательно. Вместо полихлорвиниловой трубки можно воспользоваться обрезками монтажного провода или кабеля в полихлорвиниловой изоляции.


1.7.4. Вместо припоя — клей

Часто бывает необходимо припаять провод к детали, изготовленной из металла, трудно поддающегося пайке, — нержавеющей стали, хрома, никеля, сплавов алюминия и др. В таких случаях для обеспечения надежного электрического и механического контакта можно использовать следующий способ.

Деталь в месте присоединения провода тщательно зачищается от грязи и оксидов и обезжиривается. Луженый конец провода обмакивают в клей БФ-2 и жалом нагретого паяльника прижимают к месту соединения в течение 5…6 с. После остывания на место контакта наносят 1–2 капли эпоксидного клея и сушат до полного затвердения.


1.7.5. Провод типа «литцендрат»

Снимая изоляцию с проводов типа «литцендрат», необходимо быть очень осторожным. Если хотя бы одна из жил литцендрата окажется не зачищенной или даже не пропаянной, то добротность колебательного контура снизится во много раз (такие провода используются в основном для изготовления катушек индуктивности). Для зачистки литцендрата лучше всего предварительно обжечь изоляцию в пламени спиртовки или спички, не допуская при этом оплавления проволочек, а затем мягкой фланелевой тряпочкой, смоченной в спирте, или опустив конец провода в спирт, аккуратно снять обгоревшую изоляцию.


1.7.6. Лак для закраски паек

После того как монтаж полностью завершен, места пайки для придания монтажу законченного красивого вида можно закрасить лаком. Подходит для этих целей лак для ногтей. Но можно приготовить и специальный лак: в ацетоне или жидкости для снятия лака с ногтей растворяют очищенную от эмульсии фотопленку и добавляют в раствор несколько капель чернил для авторучек. Цвет изготовленного этим способом лака зависит от цвета и количества влитых в него чернил.


1.7.7. Защита переводных надписей

При окончательной отделке своих конструкций многие радиолюбители пользуются переводным шрифтом. Однако надписи, выполненные таким шрифтом, недостаточно стойки, и их необходимо каким-то образом защитить.

Надежные результаты можно получить, если надпись сначала покрыть тонким слоем яичного белка, а через несколько часов сушки — уже бесцветным нитролаком. Покрытие можно выполнять мягкой кистью.

Глава 2 Постоянный электрический ток

В этой главе вы познакомитесь с понятием электрическая цепь, источник и приемник энергии, изучите основные законы постоянного тока, научитесь решать задачи по расчету электрических цепей. Кроме того, на основе приведенного подробного описания устройств вы можете самостоятельно собрать миллиавометр, усилитель звуковой частоты «Электронное ухо». В конце главы приведены полезные советы, которые, надеемся, будут полезны вам в вашей практической работе.


2.1. ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЦЕПЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Электрическая цепь постоянного тока состоит из источника электрической энергии, приемника электрической энергии и линейных соединительных проводов (рис. 2.1). Вместо слов «приемник энергии» в литературе чаше встречается другое название — «потребитель энергии», «нагрузка источника».



Рис. 2.1. Поясняющий, из каких элементов состоит электрическая цепь постоянного тока


Приведем несколько примеров электрических цепей:

• Источник электрической энергии — электрохимический элемент G (рис. 2.2) или электрохимическая батарея GB (рис. 2.3). Приемник электрической энергии — резистор R (рис. 2.2) или электрическая лампа накаливания EL (рис. 2.3).

И, конечно, соединительные провода.



Рис. 2.2. Электрическая цепь, состоящая из гальванического элемента и резистора



Рис. 2.3. Электрическая цепь, состоящая из электрической батареи и лампы накаливания


• Источник энергии постоянного тока — выпрямитель переменного тока UZ (рис. 2.4) или электрохимическая батарея GB (рис. 2.5). Приемник энергии — телевизионный приемник (рис. 2.4) или электродвигатель постоянного тока М (рис. 2.5). И, конечно, соединительные провода.



Рис. 2.4. Электрическая цепь, состоящая из выпрямителя (преобразователя переменного напряжения в постоянное) и телевизора



Рис. 2.5. Электрическая цепь, состоящая из аккумулятора и электродвигателя постоянного тока


• В некоторых случаях источник энергии становится приемником энергии, например аккумулятор в режиме подзарядки (рис. 2.6).



Рис. 2.6. Электрическая цепь, состоящая из зарядного устройства и аккумулятора (здесь аккумулятор является приемником энергии)


Для автономного питания радиоэлектронной аппаратуры наиболее широко используются электрохимические источники тока — гальванические элементы и батареи, а также аккумуляторы (рис. 2.7).



Рис. 2.7. Внешний вид гальванических элементов и батарей, их УГО и БЦО


Наибольшее распространение получили элементы 373 (а), 343 (б) и 316 (д). Они различаются размерами и емкостью, исчисляемой в ампер-часах. При одних и тех же условиях эксплуатации химические элементы большего размера обеспечивают питание устройства более продолжительное время. Начальное напряжение элементов в среднем равно 1,6 В. У их аналогов — элементов таких же размеров «Орион М», «Юпитер М» и «Уран М» — электрические характеристики на 10…30 % лучше.

Параметр «емкость в ампер-часах», широко применявшийся для оценки количества электричества, отдаваемого гальваническими элементами или батареями, в настоящее время почти полностью вышел из употребления. Причина этого в том, что определение величины емкости, как произведения величины разрядного тока на время разряда, встречает затруднения, поскольку в процессе разряда элемента или батареи разрядный ток не остается постоянным.

Более удобным параметром, который в настоящее время и является основным для большинства гальванических элементов и батарей, является продолжительность работы, Это время, в течение которого напряжение на выводах элемента (или батареи), разряжаемого на внешнюю цепь с заданным сопротивлением, снижается до некоторой конечной, тоже заданной величины.

Продолжительность работы большинства цилиндрических элементов при непрерывном разряде, в том числе применяемых для питания транзисторных приемников, определяется в нормальных условиях (комнатная температура) при разряде на цепь с сопротивлением 20 Ом до конечного напряжения 0,85 В. Гарантированная продолжительность работы в этом режиме свежеизготовленных элементов типа 332 составляет 6 часов, элементов типа 343 — 12 часов и элементов 373 «Марс» — 40 часов.

Если элемент или батарею разряжать на сопротивление меньшей величины или после длительного хранения, то продолжительность их работы сокращается.

Основные параметры некоторых элементов и батарей приведены в таблице 2.1.



В таблице приняты следующие обозначения: U — напряжение в начале разряда; Rн — сопротивление нагрузки; I — разрядный ток; Емк — емкость элемента или батареи (в ампер∙часах); во второй колонке приводятся габариты источника — там, где приведены две цифры, первая означает диаметр круглого элемента, а вторая его высоту; там, где приведены три цифры, они, как обычно, относятся к высоте, длине и ширине; в последней колонке таблицы приведена масса m в граммах.

В таблице 2.1, а представлены результаты испытаний 200 экземпляров различных батареек.



Карманные радиоприемники питаются от малогабаритных батарей типа «Крона» (е), начальное напряжение которых 9 В. Используются также батареи 3336ЛT (г), начальное напряжение которых равно 4,5 В, или аккумуляторная батарея 7Д-0,1 из дисковых аккумуляторов (в), начальное напряжение которой 8,75 В. Батарею можно составить и из последовательно соединенных аккумуляторов Д-0,1 или Д-0,25. Напряжение каждого из них равно 1,25 В. Соединив два аккумулятора, как показано на рис. 2,7, к, получим батарею, номинальное напряжение которой равно 2,5 В.

На схеме гальванический элемент и аккумулятор обозначаются так, как показано на рис. 2.7, ж,з соответственно. Батарею можно обозначать и так, как на рис. 2.7, и, указывая ее напряжение в вольтах.

Широкое применение в радиоэлектронике находят резисторы. Наиболее распространенные типы непроволочных резисторов (рис. 2.8): ВС (а) — высокостабильные, сопротивлением 10 Ом…1 МОм на рассеиваемую мощность 0,125…10 Вт; УЛМ (б) — углеродистые лакированные малогабаритные, сопротивлением 10 Ом…1 МОм на рассеиваемую мощность 0,12 Вт; МЛТ (в) — металлизированные лакированные теплостойкие, сопротивлением 8,2 Ом… 10 МОм на рассеиваемую мощность 0,125…2 Вт. Кроме названных, используются и другие типы непроволочных резисторов: ОМЛ, ОМЛТЕ (при таких же параметрах, что и МЛТ, обладают повышенной механической прочностью и надежностью); МТ, МТЕ, С1-4 и С2-6 (по внешнему виду, размерам и рассеиваемой мощности аналогичны резисторам МЛТ, но более теплостойкие).



Рис. 2.8. Внешний вид, УГО и БЦО постоянных резисторов


Из проволочных резисторов в радиоэлектронной аппаратуре применяются следующие типы: ПЭ (г) — проволочные эмалированные, сопротивлением 1 Ом…51 кОм на рассеиваемую мощность 7,5…150 Вт; ПЭВ (д) — проволочные эмалированные влагостойкие, сопротивлением 1 Ом…56 кОм на рассеиваемую мощность 2,5…100 Вт. Для печатного монтажа специально разработаны и выпускаются резисторы С5-14В (з), С5-22 (и), С5-41 (к), С5-44 (л), С5-49 (м), С5-55 (н), С5-58 (о), сопротивлением 1 Ом…20 МОм на рассеиваемую мощность 0,05…10 Вт.

Малогабаритные и миниатюрные резисторы имеют сокращенное обозначение. Если сопротивление резистора выражается целым числом, то обозначение единицы этой величины пишется после него. Например, 47ЕС — 47 Ом ± 10 % (для резисторов, изготовленных после 01.07.84 г., обозначение другое: 47RC), 51 КВ — 51 кОм 20 %, 47МВ — 47 МОм 20 %. Здесь буквы С, В и проценты показывают допустимое отклонение сопротивления от номинала.

Если значение сопротивления резистора дробное, то буквенное обозначение ставят вместо запятой. Например, резистор сопротивлением 2,2 кОм при допустимом отклонении от номинала ± 5 % маркируют как 2К2И, резистор сопротивлением 5,6 Ом маркируют как 5R6C (5,6 Ом ±10 %).

Если сопротивление резистора выражается десятичной дробью с нулем впереди, то вместо нуля и запятой впереди ставят буквенное обозначение единицы этой величины. Например, К33С — 0,33 кОм ± 10 %, М51В — 0,51 МОм 20 %. Для указания мощности, на которую рассчитан резистор, применяются обозначения, показанные на рис. 2.8,ж.

Основные параметры резисторов.

1. Номинальное сопротивление (номинал);

2. Допустимое отклонение от номинала;

3. Номинальная рассеиваемая мощность;

4. Температурный коэффициент сопротивления (ТКС);

5. Уровень собственных шумов.

I. Номинальное сопротивление Rн — сопротивление, указанное на резисторе. Фактическое сопротивление резистора может отличаться от номинала на значение, не превышающее допустимое отклонение. Измеряется в омах (Ом), килоомах (кОм), мегомах (МОм).

1 МОм = 1000 кОм = 1 000 000 Ом.

Номинальные сопротивления резисторов имеют строго определенную градацию; установлено шесть рядов номинальных сопротивлений: Е6, Е12, Е24, Е48, Е96, Е192. Число, стоящее после символа Е, определяет количество номиналов величин в ряду. Каждый ряд задается числовыми коэффициентами, умноженными на 10n, где n — целое положительное или отрицательное число. Это будут числа: 0; 1; 10; 100; 1000 и т. д.

Резисторы изготавливаются с номинальными сопротивлениями, соответствующими одному из числовых коэффициентов ряда.

Наиболее распространенными являются ряды Е6, Е12, Е24, которые представлены в таблице 2.2.



Если Вы разобрались с таблицей, то ответьте на вопросы, не глядя в таблицу: сколько числовых коэффициентов имеется в ряду Е12? (Ответ: 12.)

Примеры пользования таблицей 2.2.

1. В ряду Е6, например, величине номинала «1,5» соответствуют сопротивления: 0,15; 1,5; 15; 150 Ом; 1,5; 15; 150 кОм; 1,5; 15; 150 МОм и т. д.

2. В ряду Е24 величине номинала «4,3» соответствуют сопротивления: 0,43; 4,3; 43; 430 Ом; 4,3; 43; 430 кОм и т. д.

II. Допустимое отклонение от номинала также нормировано и соответствует ряду: ±0,01; ±0,02; ±0,05; ±0,1; ±0,2; ±0,5; ±1,0; ±5,0; ±10; ±20; ± 30 %.

• Пример 1. Резистор сопротивлением 10 кОм имеет допустимое отклонение 10 %. Значит, его сопротивление может принимать любое значение в интервале от 9 кОм до 11 кОм (так как 10 % от 10 кОм составляют 1 кОм). В таблице 2.2. приведены допустимые отклонения номиналов сопротивлений для рядов Е6, Е12, Е24.

• Пример 2. Вам нужен резистор сопротивлением 62 кОм, допустимое отклонение которого не должно превышать 5 %. Из каких рядов номинальных сопротивлений можно выбрать эту величину? (Ответ: Е24, т. к. только резисторы этого ряда имеют допустимое отклонение от номинала 5 %).

• Пример 3. Вам нужен резистор сопротивлением 390 Ом, допустимое отклонение которого не должно превышать 10 %. Из каких рядов номинальных сопротивлений можно выбрать эту величину? (Ответ: Е12, Е24).

• Пример 4. Расчетным путем, например, вы определили, что нужен резистор сопротивлением 44 кОм. Но резистор с таким номиналом промышленность не выпускает (его нет в ряду номинальных сопротивлений), поэтому требуется выбрать ближайший номинал из имеющихся в рядах номинальных сопротивлений (таблица 2.2.). Из таблицы видим, что наиболее близким по номиналу являются резисторы сопротивлением 43 кОм (ряд Е24) и 47 кОм (ряды Е6, Е12 и Е24). Резисторы сопротивлением 43 кОм имеют допустимое отклонение 5 % (ряд Е24), поэтому их сопротивление равно 43 2,15 кОм, т. е. сопротивления этих резисторов могут принимать любое значение в интервале от 40,85 кОм до 45,15 кОм (т. к. 5 % от 43 кОм составляют 2,15 кОм).

Если вы затрудняетесь с вычислением процентов, то рекомендуем воспользоваться правилом пропорции. Для данного примера:

43 кОм — 100 %,

R0 кОм — 5 %.

Отсюда неизвестная величина: R0 = 43∙5/100 = 2,15 кОм.

Резистор 47 кОм из ряда Е24 имеет допустимое отклонение ± 5 %, поэтому его сопротивление может находиться в пределах от 44,65 кОм до 49,35 кОм (т. к. 5 % от 47 кОм составляют 2,35 кОм), и для наших целей он не подходит. Правила вычисления здесь такие же, как и выше:

43 кОм — 100 %,

R0, кОм — 5 %.

Отсюда: R0 = 43∙5/100 = 2,35 кОм.

А вот резисторы сопротивлением 47 кОм из ряда Е12 (а тем более из ряда Е6) можно использовать, так как их сопротивление может находиться в пределах от 42,3 кОм до 51,7 кОм (для ряда Е12) и от 37,6 кОм до 56,4 кОм (для ряда Е6).

Чтобы из этих резисторов выбрать нужный сопротивлением 44 кОм, необходимо использовать омметр. Следует иметь в виду, что и омметр имеет погрешности измерения; так, например, авометр Ц4317 имеет погрешность измерения сопротивления 1,5 %.

III. Номинальная рассеиваемая мощность Рн — это максимальная мощность, на которую рассчитан резистор при длительной его работе без изменения его параметров в течение гарантийного срока службы. Измеряется в ваттах (Вт), милливаттах (мВт):

1 Вт = 1000 мВт.

Ограничивающими факторами при работе резистора являются температура окружающей среды и максимальное напряжение. Поэтому с повышением температуры допустимая рассеиваемая мощность снижается. Рабочее напряжение резистора не должно превышать напряжения, рассчитанного исходя из номинальной мощности Рн и номинального сопротивления Rн: <= √(РнRн)

Например, для резистора сопротивлением 1 кОм и рассеиваемой мощностью 0,125 Вт максимальное напряжение составляет 15 В. Однако при больших номинальных сопротивлениях это напряжение может достигать таких значений, при которых возможен пробой. Поэтому для каждого типа резистора с учетом его конструкции устанавливается предельное рабочее напряжение Uпред.

Номинальную рассеиваемую мощность в ваттах выбирают из ряда: 0,01; 0,025; 0,05; 0,125; 0,25; 0,5; 1; 2; 5; 10; 15; 25; 50; 75; 100; 150; 250; 500 Вт. Наиболее распространенные значения рассеиваемой мощности равны: 0,125; 0,25; 0,5; 1; 2 Вт.

Чтобы любой прибор надежно работал в отведенный для него гарантийный срок, резисторы не должны работать в предельном режиме. Рассеиваемая резистором мощность не должна превышать 0,8∙Рмакс.

Условное графическое обозначение (УГО) постоянных резисторов с указанием рассеиваемой мощности показано на рис. 2.8,ж: чем больше рассеиваемая мощность, тем больше размеры резистора.

На рис. 2.8,в показан общий вид резисторов МЛТ.

IV. Температурный коэффициент сопротивления (TKR) — это величина, характеризующая относительное изменение сопротивления резистора при изменении температуры на 1 °C.

Так, ТКС резисторов типа МТ и МЛТ не превышает 0,02 %/С.

Вы можете провести несколько экспериментов. Возьмите какой-либо резистор, например МЛТ или ВС, подключите его к омметру. Прибор «покажет» какое-то сопротивление резистора. Поднесите под резистор на расстоянии нескольких сантиметров горящую спичку и понаблюдайте за положением стрелки омметра.

В этом эксперименте стрелка отклонится незначительно, это означает, что резисторы МЛТ и ВС имеют малый ТКС. А вот если вы проделаете аналогичный эксперимент с терморезистором (о них речь пойдет ниже), то увидите, что его сопротивление меняется значительно при изменении температуры.

V. Уровень собственных шумов резистора — это отношение электрического напряжения помех резистора, возникающих при прохождении по нему постоянного тока, к приложенному напряжению.

По уровню шумов некоторые резисторы делятся на две группы.

К группе А относятся резисторы, уровень шумов которых не более 1 мкВ/ В в полосе частот 60 Гц…6 кГц. К группе Б относятся резисторы, уровень шумов которых превышает 1 мкВ/ В. Некоторые специальные резисторы имеют более низкий уровень собственных шумов, а переменные резисторы имеют более высокий уровень за счет шумов переходного контакта.

А как на практике проявляется этот параметр? Во время паузы при прослушивании передач по приемнику (особенно если он много лет находится в эксплуатации) в динамике прослушивается «шипение». Это и есть проявление собственных шумов резисторов (и других элементов приемника).

Широкий класс резисторов составляют переменные резисторы (потенциометры), которые позволяют плавно изменять сопротивление. Они делятся на непроволочные, проволочные и полупроводниковые. Среди непроволочных переменных резисторов наибольшее распространение получили резисторы следующих типов (рис. 2.9): СП (а) — сопротивления переменные от 470 Ом до 5 МОм на рассеиваемую мощность 0,25…2 Вт; СПО (е) — сопротивления переменные объемные от 47 Ом до 4,7 МОм на рассеиваемую мощность 0,15…2 Вт; СПЗ — малогабаритные с выключателем (б) и без него (в).

Потенциометры имеют три вывода: два от концов токопроводящего слоя и средний от щетки ползунка. УГО потенциометра на схемах показано на рис. 2.9,ж слева, а подстроечного резистора — на рис. 2.9,ж справа. Кроме одинарных применяются сдвоенные переменные резисторы (г); варианты УГО их на схемах показаны на рис. 2.9,к.



Рис. 2.9. Внешний вид, УГО и БЦО непроволочных и полупроводниковых переменных резисторов


По характеру изменения сопротивления в зависимости от угла поворота оси резистора переменные непроволочные резисторы выпускаются со следующими функциональными характеристиками (д): А — линейные, Б — логарифмические, В — обратно логарифмические. Характеристики Е и И имеют сдвоенные переменные резисторы с общей осью, применяемые в регуляторах стереобаланса двухканальных стереофонических устройств: один из них включается в левый канал, другой — в правый. Маркировка переменных резисторов и БЦО (Буквенно-цифровое обозначение) их на схемах такие же, как и постоянных.

Для стабилизации работы радиоэлектронной аппаратуры используются полупроводниковые резисторы — терморезисторы (з) и варисторы (л). Основной параметр первых — температурный коэффициент сопротивления (TKR), в зависимости от которого они делятся на терморсзисторы с отрицательным ТКС и с положительным ТКС. Номинальное сопротивление терморезисторов составляет 1 Ом… 10 МОм. Используются для температурной стабилизации электрических цепей и контуров, для температурной компенсации электроизмерительных приборов, в устройствах измерения и регулирования температуры и в устройствах автоматики и контроля. УГО и БЦО терморезистора с положительным TKR на схемах показаны на рис. 2.9,и. Параметры терморезисторов приведены в таблице П1 Приложения.

Варисторы — это полупроводниковые резисторы, сопротивление которых зависит от приложенного напряжения. Они выпускаются двух видов: стержневые и дисковые (рис. 2.9,л). Находят применение в стабилизаторах и ограничителях напряжения, в частности в устройствах стабилизации высоковольтных источников напряжения телевизоров, для стабилизации тока в отклоняющих катушках кинескопов, в системах размагничивания цветных кинескопов, в системах автоматического регулирования и т. д. УГО и БЦО варисторов на схеме приведены на рис. 2.9,м. Параметры варисторов приведены в таблице П2 Приложения.

Конструкция переменных проволочных резисторов, используемых в радиоэлектронной аппаратуре, зависит от назначения и места установки в устройстве. При внутренней установке такие резисторы (рис. 2.10,а) могут иметь линейную либо функциональную зависимость сопротивления от перемещения подвижного контакта и выполняются как с круговым, так и с прямолинейным перемещением подвижного контакта. Пределы изменения их сопротивления составляют 10 Ом…47 кОм при допустимой рассеиваемой мощности 1…5 Вт.

Широкое распространение получили переменные резисторы группы ПП1 и малогабаритные подстроечные резисторы группы СПБ. УГО резистора с плавным регулированием сопротивления показаны на рис. 2.10,б: слева общее обозначение, справа — переменный резистор, у которого не используется один вывод.



Рис. 2.10. Общий вид, УГО проволочных переменных резисторов


2.2. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК И НАПРЯЖЕНИЕ

Прежде чем вести разговор об электрическом токе, совершим маленький экскурс в историю. Он поможет усвоить основные понятия об электричестве.

• Уильям Гильберт (1540–1603 гг.) предложил прилагательное электрический для описания силы притяжения (янтарь, натертый шерстью или мехом, притягивает перья или кусочки соломы); это понятие происходит от греческого слова электрон, означающего янтарь.

• Представление о содержащихся в веществах электрических частицах было высказано в качестве гипотезы английским ученым Г. Джонстоном Стонеем. В 1891 г. он предложил название электрон для введенной им единицы электричества. Зная о существовании электронов, можно довольно просто объяснить некоторые свойства электричества. В любом металле имеются электроны, обладающие значительной свободой движения, и при приложении разности потенциалов они перемещаются между атомами данного металла.

Постоянный электрический ток, протекающий по медной проволоке, представляет собой поток электронов вдоль этой проволоки. Проведем простой эксперимент (рис. 2.11): с помощью ключа SA подключим батарею 3336Л на несколько секунд к электролитическому конденсатору емкостью 50 мкФ, который за это время успеет зарядиться до напряжения батареи; затем вместо батареи переключателем SA подключим к конденсатору электрическую лампочку от карманного фонаря. Лампочка на мгновение вспыхнет, что свидетельствует о кратковременном протекании тока.



Рис. 2.11. Поясняющий процесс накопления зарядов и протекания тока через лампу накаливания


Чтобы лучше представить весь этот процесс, воспользуемся аналогией между электрическим током и течением воды по трубе.

Так как труба оказывает тормозящее действие на воду, то для обеспечения протекания воды по ней необходимо создать между входом и выходом трубы некоторую разность давлений. В водопроводе, например, эта разность давлений создается с помощью водонапорной башни, уровень воды в которой выше любой точки водопроводной сети. Разность уровней (или напор) эквивалентны разности потенциалов (напряжению) электрической цепи, а наполненный водой бак на вершине водонапорной башни играет роль заряженного конденсатора. И подобно тому, как при протекании электрического тока конденсатор разряжается и разность потенциалов на его обкладках падает, стремясь к нулю, так и бак постепенно опорожняется, а разность уровней стремится к нулю, и течение воды прекращается, подобно электрическому току. Чем меньше емкость конденсатора и больше сила тока, протекающего через лампочку накаливания, тем на меньшее время будет вспыхивать лампочка; аналогично течение воды прекратится тем быстрее, чем меньше емкость бака и чем больше расход воды (чем больше диаметр труб). Следуя этой же аналогии, количество воды измеряют в кубических метрах (м3); количество электричества обычно измеряют в кулонах (Кл), ампер∙секундах (АЧтный метр (Н/м2).

Электрический ток в проводнике зависит от разности электрических потенциалов (или от падения напряжения между концами проволоки), измеряемого в вольтах (В).

Не огорчайтесь, если из прочитанного материала вам не все понятно. Это вполне закономерно. Шаг за шагом, изучая новый материал, вы будете не один раз возвращаться назад, к ранее прочитанному, и таким образом будете как бы заново открывать для себя ранее прочитанное.

А теперь проведем простой эксперимент (рис. 2.12, а): между двумя деревянными столбиками натянута тонкая нихромовая проволока, которая соединена с выводами выпрямителя переменного тока с выходным напряжением 4,5 В с помощью толстых медных проводов.

Нихромовая проволока выбрана потому, что она имеет значительно большее сопротивление, чем медная, поэтому она будет более короткой. С помощью вольтметра определим падение напряжения на проволоке вдоль ее длины. Для этого общий зажим вольтметра с помощью провода (щупа) подсоединим к столбику 2, а щуп от положительного зажима вольтметра будем перемещать вдоль проволоки (нихрома). Когда щуп находится у столбика 1, вольтметр покажет напряжение 4,5 В, а когда щуп будет придвинут к столбику 2, вольтметр покажет нуль напряжения.

График распределения напряжения вдоль проволоки приведен на рис. 2.12, б (сплошная линия). Если медный провод отсоединить от отрицательного провода выпрямителя, то тока в проводнике не будет. Если теперь подключим общий зажим вольтметра к отрицательному выводу выпрямителя, то вольтметр будет показывать напряжение 4,5 В независимо от положения его щупа (рис. 2.12,б, пунктирная линия).



Рис. 2.12. Демонстрирующий распределение напряжения вдоль проводника с током


Если Вы не совсем хорошо поняли, почему так получается, попробуем снова обратиться к аналогии между прохождением электрического тока по цепи и воды по трубе. Существование разности потенциалов между точками проводника с током аналогично существованию разности давлений в струе жидкости при ее течении с трением по трубе. Это сходство можно проследить на приборе, изображенном на рис. 2.13. Наклонная пунктирная линия на рисунке показывает распределение давления вдоль горизонтальной трубы (сравните ее с наклонной линией распределения напряжения вдоль проводника на рис. 2.12,б). Если закрыть кран на конце трубы (рис. 2.13), то течение жидкости прекратится и во всех трубах 1–5 жидкость установится на одном уровне (обозначенном штрих-пунктирной линией), что свидетельствует об отсутствии разности давлений, точно так же, как между точками проводника, по которому не течет ток, нет разности потенциалов. При открывании крана возникает течение жидкости, между участками горизонтальной трубы появляется разность давлений (наклонная пунктирная линия).



Рис. 2.13. На котором можно продемонстрировать аналогию между потоком жидкости и силой тока в проводнике, между электрическим потенциалом и давлением воды на концах трубы


2.3. ЗАКОН ОМА. СОПРОТИВЛЕНИЕ ПРОВОДОВ

Закон Ома для участка цепи устанавливает зависимость между силой тока, протекающего через проводник (резистор), и напряжением, приложенным к концам этого проводника (резистора). Этот закон носит название в честь немецкого физика Георга Ома (1787–1854 гг.).

I = U/R. (2.1)

Здесь I — сила тока в проводнике, измеряется в амперах (А), миллиамперах (мА) или микроамперах (мкА); U — напряжение, приложенное к концам проводника, измеряется в вольтах (В), милливольтах (мВ), микровольтах (мкВ); R — сопротивление проводника, измеряется в омах (Ом), килоомах (кОм), мегомах (МОм). Из закона Ома следует, что чем больше сопротивление проводника R, тем меньше сила тока I в проводнике при одном и том же напряжении U между концами проводника.

Формулу (2.1) можно записать иначе:

U = IR. (2.2)

Из этой формулы видно: чем меньше сопротивление R проводника при одной и той же силе тока I, протекающей через проводник, гем меньше напряжение U, требуемое для протекания этого тока через этот проводник.

Зная силу тока I, протекающего через проводник, а также напряжение U, приложенное к концам проводника, из формулы (2.1) можно определить сопротивление R этого проводника:

R = U/I. (2.3)

При пользовании этими формулами обратите особое внимание иа соответствие размерностей входящих величин. Сила тока I должна быть выражена в амперах, напряжение U в вольтах, а сопротивление R в омах. Для того чтобы запомнить закон Ома, можно из картона вырезать равносторонний треугольник и оформить его, как показано на рис. 2.14. Искомую величину (силу тока I, напряжение U или сопротивление R) закрывают пальцем на треугольнике, а взаимное расположение двух оставшихся открытыми величин укажет, какие арифметические действия над ними необходимо произвести: на левом нижнем рисунке — умножение, на правых рисунках — деление.



Рис. 2.14. Который позволяет быстро записать формулы для закона Ома


Решим несколько примеров.

• Вычислить силу тока I, протекающего через проводник, имеющий сопротивление R = 5 Ом, если к нему приложено напряжение U = 1,5 В.

Решение. I = U/R = 1,5/5 = 0,3 А.

• К электрической лампе накаливания приложено напряжение U = 220 В, при этом через нее протекает сила тока I = 300 мА. Вычислить сопротивление нити накала.

Решение. Так как сила тока выражена в миллиамперах, преобразуем в амперы. Учитывая, что 1 А = 1000 мА, составим пропорцию:

1 А — 1000 мА,

I А — 300 мА.

Отсюда I = 1∙300/1000 = 0,3 А.

А теперь вычислим сопротивление нити накала:

R = U/I = 220/0,3 = 733 Ом.

• Человек случайно коснулся руками двух проводов, находящихся под напряжением U = 220 В. Сопротивление человеческого тела R = 36 кОм (оно различно для различных людей). Чему равна сила тока, проходящего через тело человека? (Это опасно для жизни, поэтому проводов, находящихся под напряжением, касаться нельзя!)

Решение. Преобразуем килоомы в омы. Так как 1 кОм = 1000 Ом, то 36 кОм = 36000 Ом. Тогда:

I = U/R = 220/36000 = 0,006 А = 6 мА.

Каждый источник питания обладает внутренним сопротивлением. И на нем так же, как и на других элементах цепи, создается какое-то напряжение. С учетом этого напряжение на зажимах источника питания будет всегда меньше э.д.с. (электродвижущей силы) как раз на величину падения напряжения на внутреннем сопротивлении. Если увеличится потребляемая от источника питания сила тока, то в полном согласии с законом Ома увеличится и падение напряжения на внутреннем сопротивлении источника, а значит, уменьшится напряжение на зажимах источника питания.

Чтобы изменение нагрузки (изменение силы тока) меньше влияло на выходное напряжение источника, его внутреннее сопротивление стараются свести к минимуму.

Напряжение батарейки уменьшается и при ее старении, так как со временем увеличивается ее внутреннее сопротивление.

Закон Ома для полной цепи (с учетом внутреннего сопротивления источника) запишется так (рис. 2.14,б):

I = Е/(R + r). (2.1,б)

Здесь Е — э.д.с. источника питания; R — сопротивление нагрузки; r — внутреннее сопротивление источника питания.

В практике вам часто придется иметь дело с проводами при изготовлении трансформаторов, катушек индуктивности и в других случаях. Сопротивление провода вычисляется по формуле:

R = ρ∙I/S (2.4)

Здесь R — сопротивление провода в омах (Ом), I — его длина в метрах (м), S — площадь поперечного сечения в квадратных миллиметрах (мм2).

S = 1,57∙d2

где d — диаметр провода в миллиметрах (мм); ρ — коэффициент пропорциональности, зависящий от рода материала, называется удельным сопротивлением материала, измеряется в омах, умноженных на метр (Ом∙м). Его значения для различных материалов приведены в таблице ПЗ. Приложения.

• Решим еще пример. Какой площади сечения S1 нужно взять алюминиевую проволоку, чтобы ее сопротивление R1 было такое же, как у железной проволоки (R2) сечением S2 = 2 мм2? Длина обеих проволок одинакова (l1 = l2).

Запишем исходные условия по другому.

Дано: R1 = ρ1l1/S1R2 = ρ2l2/S2. По условию задачи: R1R2 = R; l1 = l2 = l; S1 = 2 мм2.

Из таблицы ПЗ Приложения:

ρ1 = 2,5∙10-8 Ом∙м; ρ2 = 12∙10-8 Ом∙м.

Определить S1.

Тогда ρ1l1/S1ρ2l2/S2. Отсюда:

S1 = S1 = r1S2/ρ2 = 2,5∙10-8 = 0,41 мм2. Ответ: S1 = 0,41 мм2.

Вернитесь еще раз к формуле (2.4) и запомните размерность величин, которые должны подставляться в формулу.

На рис. 2.15 приведена номограмма для расчета сопротивления проводов с высоким удельным сопротивлением. Приведен пример (пунктирная линия) определения сопротивления манганинового провода диаметром 0,22 мм. Оно равно 3 Ом на каждый метр.



Рис. 2.15. Номограмма для расчёта сопротивления проводов с большим удельным сопротивлением


Известно, что при повышении температуры сопротивление металлов увеличивается. У некоторых металлов это увеличение значительно: у чистых металлов оно достигает 40…50 %. Такие сплавы, как константан и манганин имеют очень малое изменение сопротивления от температуры. Зависимость сопротивления металлов от температуры используется для устройства термометров сопротивления. Его (термометр из металла) помещают внутрь, например, печи, а концы обмотки включают в электрическую цепь.

Измеряя сопротивление обмотки, можно определить температуру в печи (рис. 2.16,а). Такие термометры часто применяются для измерения очень высоких и очень низких температур, при которых ртутные термометры уже неприменимы.



Рис. 2.16. а) Термометр сопротивления, который позволяет измерять высокие и низкие температуры


В настоящее время очень широкое распространение получили полупроводниковые термометры, у которых температурный коэффициент сопротивления в 10–20 раз больше, чем у проволочных термометров.

Если сопротивление проводника при температуре t1 равно R1, а при температуре t2 равно R2, то среднее значение температурного коэффициента сопротивления (в интервале от 0 до 100 °C):

αср = (RtR0)/R0(tt0). (2.5)

Обычно в качестве R0 принимают сопротивление при температуре t0 = 0 °C.

• Решим пример. Сопротивление нити накала выключенной электрической лампочки накаливания с вольфрамовой нитью равно 60 Ом. При полном накале сопротивление лампочки возрастает до 636 Ом. Какова температура накаленной нити?

Воспользуемся таблицей ПЗ Приложения для нахождения αср. Так как t0 = 0 °C, то формула (2.5) запишется так:

αср = (RtR0)/R0t (2.5, а)

откуда t = (RtR0)/R0αср.

При изменении температуры в больших пределах сопротивление некоторых металлов также изменяется в больших пределах и нелинейно. На рис. 2.16,б изображена нелинейная вольт-амперная характеристика нити накала лампы накаливания.



Рис. 2.16.б) Из вольт-амперной характеристики нити накала лампы видно, что сопротивление нити накала зависит от напряжения (а, следовательно, от температуры) нелинейно. Среднее значение ТКС (αср) этого не учитывает.


При очень низких температурах, начиная с некоторой «критической», сопротивление многих металлов внезапно, скачком, падает до нуля. Это явление было открыто в 1911 г. нидерландским физиком X. Камерлинг-Оннесом и получило название сверхпроводимости. Критическая температура, при которой наступает сверхпроводимость, различна у разных металлов: у свинца она равна 7,3 К (около —266 °C формулу:

Т(К) = 273 + t (°С). (2.6)

Постарайтесь запомнить эту формулу, так как в справочниках по полупроводниковым приборам (диодам, транзисторам и т. д.), которыми вы будете пользоваться, температура, как правило, выражена в Кельвинах.

Камерлинг-Оннес (1853–1926 г.г.) сделал свинцовое кольцо и охладил его до сверхпроводящего состояния (-266 °C)


2.4. ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЕ И ПАРАЛЛЕЛЬНОЕ СОЕДИНЕНИЕ РЕЗИСТОРОВ

Лучший способ изучения закономерностей в цепи постоянного тока — это провести все измерения самостоятельно. Предполагается, что у вас дома имеется ампервольтомметр (авометр), прибор для измерения силы тока, напряжения и сопротивления резисторов, и Вы все опыты будете проводить дома. Прежде чем приступать к измерениям, вы должны внимательно изучить техническое описание авометра, чтобы научиться им пользоваться. Только после этого можете приступить к проведению опытов.

Задание первое. Приготовьте батарею 3336Л, либо «Крону» и два резистора: R1 = 100 Ом и R2 = 150 Ом. Если таких резисторов нет, возьмите другие, по номиналам близкие к этим. Соберите схему, изображенную на рис. 2.17,а; на этой схеме в качестве амперметра постоянного тока использован авометр. Чтобы выбрать верхний предел измерения авометра, воспользуйтесь законом Ома:

I = U/(R1 + R2).

Для нашего случая I = 4,5/(100 + 150) = 4,5/250 = 0,018 А = 18 мА. Значит, верхний предел измерения тока не должен быть меньше 18 мА. Предел измерения следует выбирать таким образом, чтобы стрелка прибора при измерении находилась во второй половине шкалы, в этом случае относительная погрешность измерения наименьшая. Снимите показания прибора. Затем отключите батарею и включите прибор между резисторами R1 и R2 (рис. 2.17,б), зафиксируйте его показания: миллиамперметр должен показывать такое же значение тока, что и в первом случае. Затем подключите прибор между положительным зажимом батареи и резистором R1 (рис. 2.17,в). Не забудьте отключать батарею на время переключения прибора.



Рис. 2.17. Из которого можно сделать вывод, что при последовательном соединении резисторов сила тока в электрической цепи одинаковая


Включите батарею и снова зафиксируйте показания прибора: его показания совпадут с двумя предыдущими. Из этих измерений следует вывод: при последовательном соединении элементов через них протекает одна и та же сила тока:

I1 = I2 = I3 = I. (2.7)

При изучении закона Ома мы получили формулу (2.3), которой сейчас воспользуемся для определения общего сопротивления R цепи:

R = U/I = 4,5/0,018 = 250 Ом.

Отсюда следует, что R0 = R1 + R2. (2. 8)

Сделаем вывод: при последовательном соединении сопротивлений общее сопротивление цепи равно сумме этих сопротивлений. Это будет также справедливо, если последовательно включить любое количество резисторов.

А теперь подготовьте прибор для измерения напряжения постоянного тока. — Верхний предел измерения выберите равным 2,5 или 5 В, замерьте падение напряжения на резисторе R1 (рис. 2.18, а).

Вольтметр «покажет» напряжение 1,8 В. Затем подключите вольтметр к резистору R2 (рис. 2.18, б) и снимите его показания, — вольтметр покажет 2,7 В. Во время проведения опыта вы снимете показания, несколько отличающиеся от приведенных, не огорчайтесь, это закономерно, ведь при измерениях имеют место погрешности измерения.

Если вы теперь сложите оба показания вольтметра: (1,8 + 2,7) В = 4,5 В, то увидите, что сумма напряжений на резисторах равна напряжению на зажимах батареи. Отсюда вывод: при последовательном соединении резисторов сумма падения напряжений на них равна напряжению на зажимах источника.

U1 + U2 = U. (2.9)



Рис. 2.18. Из которого можно сделать вывод:

1) что напряжение на резисторах, соединенных последовательно, прямо пропорционально сопротивлению резисторов;

2) что сумма напряжения на всех резисторах цепи равна напряжению на зажимах источника питания;

3) что общее сопротивление цепи равно сумме сопротивлений всех резисторов цепи


А можно определить напряжение на резисторах, не пользуясь вольтметром? Можно, для чего следует воспользоваться законом Ома:

U1 = IR1 = [U/(R1 + R2)]∙R1,

U2 = IR2 = [U/(R1 + R2)]∙R2.

Из этих формул следует: зная напряжение на зажимах батареи и сопротивление резисторов, можно вычислить падение напряжения на резисторах R1 и R2. Если последовательно включены три резистора, то:

U1 = IR1 = [U/(R1 + R2 + R3)]∙R1,

U2 = IR2 = [U/(R1 + R2 + R3)]∙R2.

U3 = IR3 = [U/(R1 + R2 + R3)]∙R3.

Так как U = IR, то можно сделать вывод: чем больше сопротивление резистора, тем больше будет падение напряжения на нем.

Из эксперимента (рис. 2.18) вы убедились, что напряжение на резисторе R2 больше напряжения на резисторе R1 в R2/R1 = 150/100 = 1,5 раза.

• Решим задачу. Электрическая цепь состоит из батареи «Крона» и трех последовательно соединенных резисторов:

R1 = 1 кОм; R2 = 2,2 кОм; R3 = 3,3 кОм. Определите падение напряжения на резисторе R3.

Решение.

U3 = IR3 = [U/(R1 + R2 + R3)∙R3 = (9/(1000 + 2200 + 3300)]∙3300 = 4,57 В.

А теперь возьмем те же два резистора, что и в опыте с последовательным соединением, но соединим эти резисторы параллельно (рис. 2.19, а): два любых вывода резисторов R1 и R2 соединим вместе и подключим к положительному выводу батареи, затем соединим вместе два остальных вывода резисторов R1 и R2 и соединим их с выводом «+» миллиамперметра, а его вывод «-» подключим к отрицательному выводу батареи. Миллиамперметр включим на пределе 100 мА (0,1 А). При сборке схемы всегда помните: батарея подключается к схеме всегда последней, а отключается первой.

Итак, подключите батарею и снимите показания миллиамперметра: прибор покажет 75 мА. Зная напряжение батареи и силу тока в обшей цепи, можно вычислить общее сопротивление цепи (рис. 2.20, б, 2.19, б):

R0 = U/I = 4,5 / 0,075 = 60 Ом.

Здесь: 75 мА = 0,075 А.

Отсюда вывод: общее сопротивление цепи при параллельном соединении резисторов всегда меньше наименьшего из двух резисторов, т. е. R0 = 60 Ом меньше сопротивления резистора R1 =100 Ом и тем более R0 меньше R2 = 150 Ом. Общее сопротивление цепи при параллельном соединении можно найти по формуле:

1/R0 = 1/R1 + 1/R2. (2.10, а)

Отсюда получаем: R0 = R1R2/(R1 + R2). (2.10, б)



Рис. 2.19. Из которого можно сделать вывод, что при параллельном соединении резисторов общее сопротивление цепи меньше наименьшего сопротивления одного из резисторов цепи


Для трех параллельно соединенных резисторов:

1/R0 = 1/R1 + 1/R2 + 1/R3 (2.10, в)

А теперь включите миллиамперметр в цепь первого резистора (рис. 2.20, а), верхний предел должен быть примерно 50 мА. Когда подключите все элементы схемы, подключите батарею. Прибор покажет силу тока I1 = 45 мА. Отключите батарею и подключите миллиамперметр в цепь второго резистора (рис. 2.20, б). Подключите батарею и замерьте силу тока: прибор покажет I2 = 30 мА.

А теперь сравните все три показания миллиамперметра: сумма сил токов через резисторы R1 и R2 равна силе тока в общей цепи (силе тока, потребляемой от батареи). Отсюда вывод, при параллельном соединении резисторов сила тока в общей (неразветвленной) цепи равна сумме сил токов, протекающих через резисторы.

I0I1 + I2. (2.11, а)

Если параллельно соединены три резистора, тогда:

I0I1 + I2 + I3. (2.11, б)



Рис. 2.20. Из которого можно сделать вывод, что сумма силы токов в ветвях (при параллельном соединении) равна силе тока, потребляемого от источника (силе тока в неразветвленной части цепи)


Теперь переключите прибор для измерения напряжения, соберите схему, как показано на рис. 2.21, и замерьте напряжение вначале на резисторе R1, затем на резисторе R2. Вы убедились, что вольтметр в обоих случаях показывает одно и то же напряжение, равное напряжению на зажимах батареи, т. е. 4,5 В? Отсюда вывод: при параллельном соединении резисторов падения напряжения на них равны.

U1 = U2. (2.12, а)

Для трех параллельно соединенных резисторов

U1 = U2 = U3. (2.12, б)



Рис. 2.21. Который позволяет быстро определить, что при параллельном соединении резисторов напряжение на них одинаковое


Часто в вашей практике (при изготовлении какого-либо прибора, устройства) встречаются или могут встретиться такие случаи, когда отсутствует резистор необходимого номинала. Есть два выхода из этого положения.

1. Найти два резистора, желательно одинакового номинала, чтобы сумма их сопротивлений была равна сопротивлению заменяемого резистора. Эти резисторы надо соединить последовательно (2.8).

2. Резисторы можно соединить и параллельно. Для этого следует подобрать один резистор R1, который образует вместе с другим параллельно соединенным резистором R2 заданное сопротивление R0. Если учесть, что номинальные значения сопротивлений постоянных резисторов образуют не непрерывный ряд (смотри табл. 2.2), а в ваших запасах отсутствуют резисторы многих номиналов, входящих в шкалу номинальных значений, то задачу по отысканию второго резистора нельзя отнести к легким. Вы в этом скоро убедитесь. Ускорить и облегчить решение задачи по подбору второго резистора можно с помощью диаграммы, изображенной на рис. 2.22.



Рис. 2.22. Сетка для подбора второго резистора при параллельном соединении резисторов


С помощью этой номограммы можно определить электрические величины двух параллельно соединенных резисторов или катушек индуктивности, а также двух последовательно соединенных конденсаторов.

При определении электрических величин соединяемых резисторов, катушек индуктивности или конденсаторов сопротивления, индуктивности или емкости которых имеют один порядок, пользуются шкалами ОА, ОВ, ОС, а если их значения различаются на один порядок, то шкалами ОА, OD, ОЕ.

Пример 1. Параллельно соединены два резистора с номиналами 7,5 кОм и 5 кОм. Прикладывая край линейки к делениям 7,5 на шкале ОА и к 5 — на шкале ОВ, на шкале ОС считываем результат — 3. Общее с сопротивление резисторов будет 3 кОм.

Пример 2. Подобрать два резистора с номиналами одного порядка, общее сопротивление которых при параллельном соединении составило бы 35 Ом.

Деления с числом 35 на шкале ОС нет, поэтому пользуются делением 3,5, помня при этом, что полученный результат надо будет умножить на 10. Сопротивления резисторов находят по шкале ОА и ОВ и выбирают наиболее приемлемый вариант.

Чтобы построить такую номограмму, надо стороны ОА и ОВ равнобедренного треугольника АОВ разделить на 10 равных частей, а биссектрису ОС — на 5 частей. Отсчет ведут от точки О. Каждое деление можно разделить еще на 10 или 5 частей. Угол АОВ может быть любым.

Участок АЕ = (1/10) АВ, а шкала ОЕ, используемая в тех случаях, когда исходные и определяемые электрические величины различаются между собой на один порядок, должна быть разделена на 9,1 части. Значения делений шкалы ОА останутся без изменений, а цена делений шкалы ОВ увеличится в 10 раз.

На рис. 2.23 показан «ключ» пользования диаграммой.



Рис. 2.23. Подбор второго резистора к 150-омному резистору для получения результирующего сопротивления, равного 120 Ом


На практике редко встречаются случаи, когда можно встретить либо только последовательное, либо только параллельное соединение сопротивлений. Чаще всего встречается смешанное соединение сопротивлений (рис. 2.24, а). Чтобы вычислить токи и напряжения в схеме, необходимо ее преобразовать либо только к последовательному, либо только к параллельному соединению. На рис. 2.24 надо найти эквивалентное сопротивление R0 параллельно соединенных резисторов R2 и R3, тогда схема будет состоять из двух последовательно соединенных резисторов R1 и R0, что уже не составит труда для вычислений (рис. 2.24, б).



Рис. 2.24. Из которого видно как преобразовать сложную цепь (смешанное соединение резисторов) в простую, позволяющую провести ее расчет


• Решим задачу. На схеме рис. 2.24, а найти силу тока I1, если напряжение источника питания U = 1,5 В, R1 = 100 Ом, R2 = 150 Ом, R3 = 330 Ом.

Решение. Из рис. 2.24, б видно, что сила тока I1 = U/Rэ, a Rэ = R1 + R0.

Определим R0.

R0 = R2R3/(R2 + R3) = 150∙330/480 = 103,1 Ом.

Тогда общее сопротивление электрической цепи

Rэ = R1 + R = 100 + 103,1= 203,1 Ом,

а сила тока, потребляемая от источника питания

I1 = U/Rэ = 1,5/203,1 ~= 0,0074 А = 7,4 мА.


2.5. ИЗМЕРЕНИЕ СИЛЫ ТОКА, НАПРЯЖЕНИЯ И СОПРОТИВЛЕНИЯ

Прибор для измерения силы тока называется амперметром (миллиамперметром, микроамперметром), а прибор для измерения напряжения (разности потенциалов) — вольтметром (милливольтметром, микровольтметром). Амперметры и вольтметры обычного типа (в отличие от электронных приборов) имеют одинаковое измерительное устройство, называемое гальванометром.

Гальванометры бывают магнитоэлектрической, электромагнитной и других систем. В радиоэлектронике применяются, главным образом, измерительные приборы магнитоэлектрической системы, которые имеют более высокую чувствительность, большую точность результатов измерений и равномерную шкалу (рис. 2.25).



Рис. 2.25. Конструкция гальванометра магнитоэлектрической системы


Если в Вашей домашней лаборатории имеется какой-либо гальванометр, то на его основе Вы можете подготовить для себя амперметр, вольтметр или омметр.

Согласно закону Ома сила тока I и напряжение U пропорциональны друг другу, поэтому обе эти величины, сила тока и напряжение, могут быть измерены при помощи одного и того же прибора — гальванометра, шкалу которого надо только проградуировать соответствующим образом. Так, например, счетчик в такси отмеряет пройденное расстояние, и его можно проградуировать в километрах. Но так как плата за проезд исчисляется пропорционально расстоянию, то шкалу счетчика можно проградуировать непосредственно в рублях и копейках так, чтобы она сразу показывала стоимость проезда. Аналогично шкалу гальванометра можно проградуировать в амперах, если через него протекает сила тока в измеряемой цепи, либо в вольтах, если он служит для измерения напряжения между двумя точками измеряемой цепи.

Если гальванометр используется в качестве амперметра, то его следует включать в цепь последовательно с элементами цепи (рис. 2.17; 2.19; 2.20), а если используется в качестве вольтметра, то его следует подключать к зажимам элемента цепи (рис. 2.18; 2.21), на которых измеряется напряжение, т. е. его следует подключать параллельно элементу цепи (резистору, лампочке, электродвигателю и т. д.).

Следует твердо помнить: как бы не включался измерительный прибор (амперметр, вольтметр или любой другой) в электрическую цепь, он не должен искажать протекающие в этой цепи процессы.

Рассмотрим это на примере амперметра и вольтметра. Вы уже знаете, что амперметр включают в цепь последовательно. Если сопротивление амперметра равно Rа, а сопротивление цепи равно Rц, то при включении амперметра в электрическую цепь для измерения силы тока сопротивление этой цепи станет равно

R = Rц + Ra = Rц(1 + Ra/Rц) (2.13)

Последнее выражение мы получили, разделив каждое слагаемое на Rц.

Чтобы амперметр заметно не увеличивал сопротивление цепи, его сопротивление Rа, должно быть не менее чем на порядок, т. е. в 10 раз меньше сопротивления цепи Rц (смотри формулу 2.13).

В этом случае R = Rц(1 + 0,1) = 1,1∙Rц ~= Rц. Поэтому амперметры делают с очень малым сопротивлением (несколько десятых или сотых долей Ома).

Рассмотрим пример. Необходимо измерить силу тока в электрической цепи, имеющей сопротивление 0,1 Ом. Вы включаете последовательно с элементами этой цепи амперметр, сопротивление которого равно 0,05 Ом. После включения амперметра сопротивление электрической цепи станет равным

R = Rц + Ra = 0,15 Ом. Следовательно, сила тока в цепи уменьшится (так как увеличится сопротивление цепи) и амперметр покажет именно эту силу тока. После выключения амперметра из цепи сила тока в ней снова увеличится, так как уменьшится полное сопротивление цепи.

Теперь посмотрим как вольтметр, имеющий сопротивление Rвн и подключенный к резистору R1 параллельно (рис. 2.18), изменит режим работы цепи. Общее сопротивление R образовавшейся цепи равно:

R = R1Rвн/(R1 + Rвн) = R1/(1 + R1/Rвн) (2.14)

Последнее выражение в формуле (2.14) мы получили, разделив числитель и знаменатель дроби на Rвн. Из формулы следует: чем больше сопротивление вольтметра Rвн по сравнению с сопротивлением резистора R1, тем меньше отличается их общее сопротивление R от сопротивления резистора R1 и, следовательно, вольтметр вносит меньше искажений. Следовательно, вольтметр должен иметь большое сопротивление. Для этого последовательно с гальванометром включают дополнительный резистор Rд (рис. 2.26), имеющий сопротивление несколько килоом, чтобы общее сопротивление R = Rвн + Rд было как минимум на порядок (т. е. в 10 раз) больше сопротивления резистора R1.

В этом случае вносимым сопротивлением вольтметра можно пренебречь. Действительно, в этом случае R = R1/(1 + R1/Rвн) = R1/(1 + 0,1) = R1/1,1 ~= R1.



Рис. 2.26. Из которого видно, почему увеличивается входное сопротивление вольтметра с увеличением сопротивления добавочного резистора


• Рассмотрим пример. Предположим, что в цепи имеются два резистора сопротивлением по 10 кОм каждый и включены они последовательно (рис. 2.27, а). На зажимы ХР1 и ХР2 подано напряжение 10 В. Вы хотите измерить напряжение на резисторе R1 вольтметром, имеющим сопротивление Rвн = 10 кОм.



Рис. 2.27. Поясняющий влияние входного сопротивления вольтметра на режим работы электрической цепи (общее сопротивление участка цепи «резистор-вольтметр» всегда меньше сопротивления резистора, к которому подключен вольтметр.)


При подключении вольтметра к резистору R1 (рис. 2.27, б) их общее сопротивление R0 станет равным:

R0 = RвнR1/(Rвн + R1) = 10∙10/(10 + 10) = 5 кОм,

а напряжение на резисторе R1 изменится (уменьшится). Покажем это.

Напряжение на резисторе R1 до подключения вольтметра равно:

U1 = I1R1 = [U/(R1 + R2)]∙R1 = [10/(10 + 10)∙10 = 5 B.

Напряжение на R1 после подключения вольтметра:

U1 = I1R0 = (U/(R0 + R2)]∙R0 = [10/(5000 + 10000)]∙5000 = [10/15000]∙5000 = 10/3 = 3,33 B.

Здесь R0+ R2 — общее сопротивление цепи при подключенном вольтметре. Такое же напряжение покажет и вольтметр.

После подключения вольтметра напряжение на R1 уменьшилось с 5 В до 3,33 В, а это существенно. Чтобы вольтметр не искажал режим цепи, его сопротивление должно быть хотя бы на порядок, т. е. в 10 раз больше сопротивления R1, т. е. сопротивление вольтметра должно быть 100 00 Ом (100 кОм). Тогда сопротивление параллельной цепи вольтметр Rвн и резистор R1 будет равно:

R01 = RвнR1/(Rвн + R1) = 100∙10/(100+10) ~= 9,1 кОм,

а падение напряжения на нем:

U12 = I1R01 = [U/(R01 + R2)]∙R01 = [10/(9,1 + 10)]∙9,1 = 10 9,1/19,1 = 4,76 B.

Теперь напряжение на резисторе R1 при подключении вольтметра меньше напряжения на резисторе R1 до подключения вольтметра на небольшую величину, всего на 5 В — 4,76 В = 0,24 В. А в случае, когда вольтметр имел сопротивление Rвн = 10 кОм, это напряжение отличалось на 5 В — 3,33 В = 1,66 В.

А теперь познакомимся с устройством омметра, прибором для измерения сопротивления резисторов и электрических цепей. Прибор позволяет также «прозвонить» катушку индуктивности, обмотки трансформатора и т. д., чтобы убедиться, что витки обмоток не замкнуты. На рис. 2.28 приведена схема омметра.



Рис. 2.28. Принципиальная схема простого омметра


Для его изготовления потребуется микроамперметр с током полного отклонения, например 100 мкА, два резистора — постоянный и переменный, источник питания на 4,5 В — батарея 3336Л. Если накоротко замкнуть гнезда XS1 и XS2 проволочной перемычкой, то по цепи потечет ток, а стрелка микроамперметра отклонится на несколько делений шкалы. Вращая ось переменного резистора R2, устанавливают стрелку индикатора на конечное деление шкалы — 100 мкА, это условный нуль шкалы омметра. А теперь следует убрать перемычку между гнездами XS1 и XS2 и подключить к ним выводы резистора, например, сопротивлением 3 кОм. Стрелка индикатора отклонится и остановится вблизи условного нуля шкалы омметра (немного не дойдет до деления 100 мкА).

Если к гнездам XS1 и XS2 подключить резистор с большим сопротивлением, то в цепи потечет меньшая сила тока, следовательно, стрелка индикатора отклонится на меньший угол, а при сопротивлении 2 МОм стрелка индикатора едва отклонится (микроамперметр покажет силу тока, близкую к нулю). Таким образом, чем меньше угол отклонения стрелки индикатора, тем больше сопротивление резистора.


2.6. МОЩНОСТЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА

Зная работу, совершаемую током за некоторый промежуток времени, можно рассчитать и мощность тока, под которой (так же, как и в механике) понимают работу, совершаемую за единицу времени. Из формулы А = UIt, определяющей работу постоянного тока, следует, что его мощность

Р = A/t = UI. (2.15)

Таким образом, мощность постоянного тока на любом участке цепи выражается произведением силы тока на напряжение между концами участка цепи.

Нередко говорят о мощности электрического тока, потребляемой от сети, желая этим выразить мысль, что при помощи электрического тока («за счет тока») совершается работа электродвигателей, нагреваются электроплитки и т. д. В соответствии с этим на приборах обозначается их мощность, т. е. мощность тока, необходимая для нормального действия этих приборов. Так, например, 220-вольтовая электроплитка мощностью 500 Вт есть плитка, для нормальной работы которой требуется сила тока около 2,3 А при напряжении 220 В (так как 2,3 А∙220 В ~ 500 Вт).

Если в формуле (2.15) сила тока выражена в амперах, а напряжение в вольтах, то мощность получается в джоулях в секунду (Дж/с), т. е. в ваттах (Вт).

Другие формулы для вычисления мощности: Р = U2/R = I2R.


2.7. ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ

2.7.1.Миллиавометр

Этот прибор будет в вашей квартире, в вашем доме, выражаясь образно, «настольной книгой». Уже из названия прибора ясно, что он позволяет измерять силу тока, напряжение и сопротивление резисторов и цепей. Слово «авометр» расшифровывается как «ампер- вольтомметр», а слово «милли» относится к слову «ампер» и указывает, что прибор позволяет измерять силу тока в миллиамперах. Более общее название такого прибора — мультиметр.

Изготовив своими руками такой прибор, вы будете лучше понимать физическую сущность процесса измерения, можете находить и устранять хотя бы относительно простые неисправности в различной бытовой аппаратуре, имеющейся в вашей квартире, в вашем доме. Для изготовления прибора необходимо, прежде всего, иметь стрелочный прибор магнитоэлектрической системы. Чем меньше сила тока, на которую рассчитан стрелочный прибор, и чем больше шкала, тем точнее будет конструируемый на его основе авометр.

Прибор позволяет измерять постоянный ток до 100 мА на пяти пределах, постоянное напряжение до 300 В на 6-ти пределах, переменное напряжение до 300 В на 5-ти пределах и сопротивление резисторов от 100…150 Ом до 60…80 кОм на одном пределе. Принципиальная схема прибора приведена на рис. 2.29, на ней приведены все основные обозначения. Зажим «—Общ» является общим для всех измерений, к нему подключается один из двух щупов; второй щуп подключается в одно из гнезд: XS1…XS5 — при измерении переменного напряжения; XS6 — при измерении сопротивления; XS7…XS12 — при измерении постоянного напряжения; XS13…XS17 — при измерении постоянного тока.

Вам, наверное, непонятно слово «предел», которое встречалось выше. Для выяснения обратимся к принципиальной схеме (рис. 2.29). Из схемы видно, что прибор позволяет измерять напряжение постоянного тока на 6-ти пределах: 1 В (гнездо XS7), 3 В (XS8), 10 В (XS9), 30 В (XS10), 100 В (XS11), 300 В (XS12).



Рис. 2.29. Принципиальная схема миллиавометра


Указанные пределы называются верхними, нижние пределы во всех случаях равны нулю вольт. Применяется и другое понятие — диапазон измерения. Тогда мы сказали бы иначе — прибор позволяет измерять напряжение постоянного тока на 6-ти диапазонах: (0…1) В, (0…3) В, (0…10) В, (0…30) В, (0…100) В, (0…300) В.

При наличии нескольких диапазонов (пределов измерений) их выбирают таким образом, чтобы они частично перекрывались в соотношениях 1:2:5 или 1:3:10 (посмотрите на надписи у гнезд прибора). В нашем приборе реализовано последнее соотношение.

О возможном применении гальванометра для тех или иных измерений можно судить по таким его характеристикам, как класс точности и чувствительность. По классу точности существуют гальванометры классов: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4. Класс точности задается в процентах от наибольшего (конечного) значения шкалы гальванометра. Наиболее точными являются гальванометры класса 0,05. Если конечное значение шкалы микроамперметра 100 мкА, число делений на шкале 100, класс точности равен 1 (что соответствует ± 1 %), то в этом случае разность между показанием прибора и истинным значением измеряемой величины может быть не более ± 1 мкА (рис. 2.30, а). Если у второго микроамперметра с такой же длиной шкалы, но имеющим конечное значение шкалы, равное 10 мкА, и число делений на шкале также равно 100 (рис. 2.30, б), то для первого прибора на интервал измерения величины в 1 мкА приходится одно деление шкалы, а для второго прибора 10. Это означает, что вторым прибором можно измерять силу тока с точностью до 0,1 мкА, а первым — только до 1 мкА, т. е. у второго прибора разрешающая способность выше. Эта способность измерительного устройства характеризует его чувствительность, которая определяется количеством единиц измеряемой величины, отсчитываемых на одно деление.



Рис. 2.30. Из которого водно, что первый прибор позволяет измерить силу тока с точностью ± 1 мкА, а второй — с точностью ± 0,1 мкА


Так как класс точности измерительного устройства задается в процентах (например, 1,5 %) от наибольшего (конечного) значения шкалы (предела измерений), то это означает, что приведенная погрешность измерения на любой отметке шкалы не превышает 1,5 % от предела измерения. Отсюда следует также, что точность любого измерения зависит от положения стрелки на отметках шкалы. Так, например, при измерении силы тока рассмотренным выше микроамперметром с конечным значением шкалы 100 мкА и классом точности 1 (±1 %) абсолютная погрешность измерения силы тока 100 мкА составляет 100 мкА ± 1 % = 100 ± 1 мкА. То есть, если прибор показывает 100 мкА, то реальное значение силы тока находится в пределах 100 ± 1 = 99…101 мкА. Если этот же микроамперметр, но уже включенный в другую цепь, показывает силу тока 10 мкА, то погрешность измерения будет составлять уже не 1 %, а 10 %, потому что погрешность измерения силы тока в 1 мкА составляет от текущего значения измеряемой силы тока 10 мкА уже 10 % (1 мкА / 10 мкА)∙100 % = 0,1∙100 % = 10 %. А если если прибор показывал силу тока 30 мкА, то погрешность измерения была бы равна (1 мкА / 30 мкА)∙100 % = 3,3 %. Поэтому все измерения следует проводить таким образом, т. е. выбирать пределы измерения, чтобы стрелка прибора (амперметра, вольтметра или омметра) находилась в конце шкалы. Об этом следует всегда помнить.

В изготавливаемом приборе использован индикатор магнитоэлектрической системы типа М24 с током полного отклонения стрелки Iпо = 200 мкА и сопротивлением рамки Rп = 800 Ом. Эти два параметра (Iпо, Rп) являются основными параметрами гальванометра. Ток полного отклонения гальванометра Iпо определяется максимальным значением шкалы гальванометра. Например, если микроамперметр имеет конечную отметку шкалы, равную 100, то это соответствует силе тока полного отклонения 100 мкА.Такой прибор можно включать только в такие цепи, сила тока в которых не превышает 100 мкА. Сопротивление рамки Rп гальванометра используется при расчетах шунтов и добавочных сопротивлений и часто указывается на шкале прибора. Так как в нашем миллиавометре использован гальванометр с Iпо = 200 мкА, то с его помощью можно измерить силу тока только до 200 мкА. А если требуется измерить бóльшую силу тока, то для этого необходимо использовать шунт-резистор, подключенный параллельно гальванометру. Применение шунтов позволяет расширить пределы измерений амперметров (миллиамперметров, микроамперметров), хотя при этом ухудшается чувствительность прибора.

В состав миллиамперметра (рис. 2.29) входят: микроамперметр РА1, шунты R14—R18, кнопка SB1 и гнезда XS13—XS17, зажим «— Общ».

Рассчитаем сопротивления шунтов к миллиамперметру постоянного тока. Вначале рассчитывают сопротивление общего шунта, соответствующего наименьшему верхнему пределу Iп1 измерения силы тока, т. е. пределу 1 мА = 1000 мкА. Для этого используется формула:

Rш = Rп/(Iп1/Iп0I) = 800/(1000/200 — 1) = 200 Ом. (2. 16)

В этой формуле обе величины (Iп0 и Iп1) должны иметь одинаковую размерность. Посмотрите на схему: общее сопротивление шунта действительно равно 200 Ом. Теперь можно перейти к расчету сопротивлений шунтов остальных пределов измерений. Следующий этап — расчет сопротивления шунта максимального предела (Iп5 = 100 мА = 100 000 мкА). Почему? Потому что сопротивление этого шунта наименьшее, а его величина будет входить составляющей в сопротивление шунтов других пределов измерений (посмотрите на рис. 2.29). Сопротивление R18 этого шунта определяем по формуле:

R18 = (Iп0/Iп5)(Rш + Rп). (2.17)

Здесь так же, как и в формуле (2.16) Iп0 и Iп1, должны иметь одинаковую размерность. Тогда:

R18 = (200/100000)∙(800 + 200) = 2 Ом.

По этой же формуле определяются сопротивления других шунтов, но каждый раз вычитаются сопротивления шунтов тех пределов, которые добавляются к рассчитываемому.

R17 = (Iп0/Iп4)(Rш + Rп) — R18 = 200/30000 (800 + 200) — 2 ~= 4,7 Ом.

R16 = (Iп0/Iп3)(Rш + Rп) — R17R18 = 200/10000 (800 + 200) — 4,7–2 = 13,3 Ом.

R15 = (Iп0/Iп2)(Rш + Rп) — R16R17R18 ~= 46,7 Ом.

R14 = (Iп0/Iп1)(Rш + Rп) — R15R16R17R18 = 133,3 Ом.

Точно так же можно рассчитать сопротивления шунтов для других значений Iп0 и Rп, т. е. для другого гальванометра.

• Рассмотрим пример. Необходимо измерить силу постоянного тока в цепи, о которой мы знаем предварительно, что она не превышает 30 мА. Тогда один конец измерительного проводника подсоединяем к гнезду XS16, а второе — к зажиму «—Общ», вторые концы измерительных проводников со щупами подключаем в разрыв электрической цепи, где необходимо измерить силу тока. При этом следует учитывать полярность подключения прибора (см. рис. 2.17, 2.19, 2.20). После этого нажимаем на кнопку SB и считываем показания прибора. Появляется вопрос: какой шкалой пользоваться? Из рис. 2.31 видно, что для измерения силы тока и напряжения постоянного тока имеются две шкалы: одна с верхним пределом 10, а вторая — 3 с обозначением в конце шкал: «V_, mА_». Очевидно, мы воспользуемся второй шкалой с верхним пределом 3 мА и показания миллиамперметра будем умножать на 10, так как измерительный проводник подключен к гнезду 30 мА (т. е. верхний предел выбран равным 30 мА), а шкала миллиамперметра равна 3 мА.


Теперь можно перейти к расчету добавочных резисторов R8—RI3 к вольтметру постоянного тока (V_), в который входят микроамперметр РА1, добавочные резисторы R8—R13, гнезда XS7—XS12 и зажим «—Общ». Сопротивления добавочных резисторов вычисляются по формуле:

Rд = [Uп/Iп0] — Rп, (2.18)

где Uп — верхний предел измерения напряжения.

R13 = Uп300/Iп0 - Rп = 300/200∙10-6 — 800 ~= 1,5 МОм.

R12 = Uп100/Iп0 - Rп = 100/200∙10-6 — 800 = 499,2 кОм.

R11 = Uп30/Iп0 - Rп = 30/200∙10-6 — 800 = 149,2 кОм.

R10 = Uп10/Iп0 - Rп = 10/200∙10-6 — 800 = 49,2 кОм.

R9Uп3/Iп0 - Rп = 3/200∙10-6 — 800 = 14,2 кОм.

R8Uп1/Iп0 - Rп = 1/200∙10-6 — 800 = 4,2 кОм.

Отсюда видно: чем больше верхний предел измерения, тем больше сопротивление добавочного резистора.

Входное сопротивление вольтметра постоянного тока на пределе «1 В» равно:

Rвх.1 = R8 + Rп = 4,2 + 0,8 = 5 кОм,

а на пределе «300 В»:

Rвх.300 = R13 + Rп = 1500 + 0,8 ~= 1500 кОм = 1,5 МОм.

Таким образом, вы можете убедиться, что входное сопротивление вольтметра увеличивается с увеличением значения верхнего предела. Но вольтметр чаще характеризуется относительным входным сопротивлением, равным входному сопротивлению вольтметра на данном пределе, поделенным на напряжение верхнего предела. Так, на пределе «1 В» относительное входное сопротивление

RотнRвх.1/1 В = 5 кОм /1 В = 5 кОм/ В,

на пределе «300 В»:

RотнRвх.300/300 В = 1500 кОм/300 В = 5 кОм/ В и т. д.

Таким образом, относительное входное сопротивление вольтметра постоянного тока одинаковое на всех пределах и равное 5 кОм/ В.

Выше (рис. 2.26) было показано, что вольтметр постоянного тока с малым входным сопротивлением заметно искажает режим электрической цепи, что приводит к ошибкам измерения. Чтобы в этом случае получить правильный результат измерения, нужно снять два показания измеряемого напряжения на двух пределах измерения (на пределах «10 В» и «30 В»). Действительное напряжение теперь может быть подсчитано по формуле:

U = U1U2∙(R2R1)/(U1R2U2R1),

где U1, U2 — показания вольтметра на пределах измерения «10 В» и «30 В» соответственно;

R1, R2 — входные сопротивления вольтметра соответственно для пределов измерения «10 В» и «30 В».

Не забывайте, что вольтметр постоянного тока:

1. Всегда подключается к зажимам нагрузки (резистору, лампе накаливания и т. д.) параллельно;

2. Всегда подключается к зажимам нагрузки с учетом полярности напряжения.

А теперь перейдем к расчету резисторов омметра. В омметр входят микроамперметр РА1, постоянный резистор R7, переменный резистор R6, гнездо XS6, зажим «-Общ» и химический элемент G1. С принципом работы омметра вы уже знакомы, если забыли, то следует повторить (рис. 2.28). Если мы подключим микроамперметр РА1 непосредственно к элементу G1 (напряжение на его зажимах равно 1,5 В), то через рамку микроамперметра сопротивлением Rп = 800 Ом потечет ток I = U/Rп = 1,5/800 = 1,8 мА = 1800 мкА. Но сила тока полного отклонения рамки Iп0 равна 200 мкА, поэтому рамка может перегореть. Для ограничения силы тока и ставят резисторы R6 и R7. Общее сопротивление резисторов должно быть равно:

R0 = U/Iп0 = 1,5/200∙10-6 = 7500 Ом = 7,5 кОм,

из них 800 Ом будет составлять сопротивление Rп рамки. В процессе эксплуатации химические элементы разряжаются и напряжение на их зажимах уменьшается. Так, для элементов А314, А316, А332 допустимое напряжение разряда составляет 0,9 В, а для элементов А336, А343, А373 — 0,75 В. С учетом этого общее сопротивление резисторов должно быть не менее:

1. R01 = Uд1/IпоRп = 0,9/200∙10-6 — 800 = 4500 — 800 = 3,7 кОм.

2. R02 = Uд2/IпоRп = 0,75/200∙10-6 — 800 = 3750 — 800 ~= 3 кОм.

Поэтому с учетом полного разряда элемента сопротивление постоянного резистора R7 должно быть равно 3,7 кОм, либо 3 кОм, а сопротивление переменного резистора R6–1 = R0R01 = 7,5–3,7 = 3,8 кОм или R6–2 = R0R02 = 7,5–3 = 4,5 кОм.

Выбираем: R7 = 3 кОм, a R6 = 4,5 кОм. Переменным резистором R6 устанавливают стрелку омметра на нуль шкалы при закороченных клеммах XS6 и «—Общ» измерительными проводниками.

Шкала омметра обратная по сравнению со шкалой вольтметра (рис. 2.31): нуль находится справа, а наибольшее значение сопротивления, обозначаемого знаком «» («бесконечность»), слева. Кроме того, шкала омметра нелинейная: ее деления по мере приближения к («» все более сжимаются.



Рис. 2.31. Образец шкалы миллиавометра


И последнее. Переходим к расчету добавочных резисторов R1—R5 вольтметра переменного тока (V~). Они рассчитываются по тем же формулам, что и добавочные резисторы к вольтметру постоянного тока. Отличие состоит лишь в том, что полученные результаты надо разделить на 2,5. Почему так, вы узнаете в главе «Переменный ток». С учетом этого входное сопротивление вольтметра переменного тока меньше входного сопротивления вольтметра постоянного тока примерно в 3 раза. Вольтметр состоит из микроамперметра РА1, добавочных резисторов R1—R5, диодов VD1, VD2, гнезд XS1—XS5 и зажима «— Общ». Диод VD1 обеспечивает протекание через микроамперметр РА пульсирующего тока, а диод VD2 пропускает полуволну тока в обход микроамперметра. Диод VD2 может и не быть, но тогда увеличится вероятность пробоя диода VD1 и выход из строя микроамперметра. Шкала вольтметра переменного тока неравномерная.

Конструкция прибора показана на рис. 2.32.



Рис. 2.32. Возможная конструкция миллиавометра


В качестве входных гнезд можно использовать гнезда трех семиштырьковых ламповых панелек и один зажим. Гнезда одной из панелек относятся только к миллиамперметру, гнезда второй — только к вольтметру постоянного тока, третьей — к вольтметру переменного тока и к омметру. Микроамперметр, ламповые панельки, переменный резистор R6 типа СП-1, кнопка SB типа КМ1-1 укреплены на гетинаксовой панели размерами 200х140 мм, элемент G1 типа 332 (либо другой) — на боковой стенке прибора. Резисторы универсального шунта и добавочные резисторы вольтметров смонтированы непосредственно на лепестках ламповых панелек.

В качестве добавочного использованы резисторы типа MЛT-0,5, а резисторы R1—R18 универсального шунта должны быт проволочными. Можно использовать манганиновый или константановый провод диаметром 0,01…0,1 мм в шелковой или бумажной изоляции. Отрезки провода намотаны на корпуса резисторов типа MЛT-1 (можно MJIT-0,5) сопротивлением 56 кОм (должно быть не менее 20 кОм) и припаяны к выводам резисторов. Длину провода нужного сопротивления можно вычислить по формуле, а можно измерить омметром. Отрезок константанового провода ПЭК, например, диаметром 0,1 мм и длиной 1 м имеет сопротивление 60 Ом. Сопротивление секций универсального шунта при градуировке прибора надо подгонять, поэтому, чтобы не наращивать провод при подгонке, надо длину провода выбирать на 5…10 % больше расчетной. Градуировка миллиамперметра и вольтметра постоянного тока сводится к подгонке секций универсального шунта и добавочных резисторов, а вольтметра переменного тока и омметра, кроме того, и к разметке шкал. Для градуировки миллиамперметра потребуется: образцовый многопредельный миллиамперметр, свежая батарея 3336Л и два переменных резистора — проволочный сопротивлением 200…500 Ом и пленочный (СП, СПО) сопротивлением 5…10 кОм. Первый используется при подгонке резисторов R16…R18, а второй — при подгонке резисторов R14 и R15 шунта.

В начале лучше подогнать резистор R14. Для этого соедините последовательно (рис. 2.33) образцовый миллиамперметр РА, батарею GB и регулировочный резистор Rр.



Рис. 2.33. Схема градуировки миллиамперметра


Установите движок резистора Rр в положение максимального сопротивления, подключите к ним градуируемый прибор РА, включенный на предел измерений до 1 мА (измерительные шунты подключены к зажиму «-Общ» и гнезду XS13, кнопка SB1 нажата). Затем, постепенно уменьшая сопротивление регулировочного резистора по образцовому миллиамперметру, установите силу тока в измерительной цепи, равную точно 1 мА. Сличите показания обоих приборов. Поскольку сопротивление провода резистора R14 немного больше расчетного, стрелка градуируемого прибора уходит за конечное деление шкалы. Понемногу уменьшая длину провода этого резистора, надо добиться, чтобы стрелка градуируемого прибора установилась точно против конечной отметки шкалы. После этого можно приступить к подгонке резистора R15 на пределе измерений до 3 мА, затем резистора R16 на пределе измерений до 10 мА и т. д. Подбирая сопротивление очередного резистора, уже подогнанные резисторы шунта трогать нельзя, иначе можно сбить градуировку соответствующих им пределов измерений.

Шкалу вольтметра постоянного тока первых трех диапазонов измерений (0…1; 0…3 и 0…10 В) следует градуировать по схеме, показанной на рис. 2.34.



Рис. 2.34. Схема градуировки вольтметра постоянного тока


Параллельно батарее GB, составленной из трех батарей 3336Л (последовательно соединенных), подключить переменный резистор Rр сопротивлением 1,5…2,5 кОм, а между его нижним (по схеме) выводом и движком включить параллельно соединенные образцовый PV0 и градуируемый PVг вольтметры. Предварительно движок резистора поставить в крайнее нижнее (по схеме) положение, соответствующее нулевому напряжению, подаваемому к измерительным приборам, а градуируемый вольтметр включить на предел измерения до 1 В. Постепенно перемещая движок резистора вверх, подать на вольтметры напряжение, равное точно 1 В. Сличить показания приборов. Если стрелка градуируемого вольтметра не доходит до конечной отметки шкалы, значит сопротивление резистора R8 велико, если, наоборот, уходит, значит его сопротивление мало. Надо подобрать резистор такого сопротивления, чтобы при напряжении 1 В, фиксируемом образцовым вольтметром, стрелка градуируемого прибора устанавливалась против конечной отметки шкалы. Так же, но при напряжениях 3 и 10 В, подобрать добавочные резисторы R9 и R10 следующих двух пределов измерений. По такой же схеме проградуировать шкалы и остальных трех пределов измерений, но с использованием соответствующих им источников постоянных напряжений. При этом вовсе не обязательно подавать на приборы наибольшие напряжения пределов измерения.

Подгонять сопротивления резисторов можно при каких-то средних напряжениях (например, резистор R11 — при напряжении 15…20 В), а затем сверить показания вольтметра при более низких и более высоких напряжениях. При градуировке шкалы предела до 300 В резистор Rp должен быть заменен резистором сопротивлением 470…510 кОм.

Среди постоянных резисторов обычно нет точно таких, номинальные сопротивления которых соответствовали бы расчетным сопротивлениям добавочных резисторов (см. ряды номинальных сопротивлений). Поэтому резисторы требуемого сопротивления приходится подбирать из числа резисторов близкого ему номинала с допуском отклонения не более ± 5 %. Например, для предела измерения до 1 В нужен добавочный резистор (R8) сопротивлением 4,2 кОм. В ряду номиналов сопротивлений ближайший номинал резисторов 4,3 кОм. При допуске ± 5 % фактическое сопротивление резисторов этого номинала может быть от 4,1 до 4,5 кОм. С помощью омметра из них можно выбрать резистор сопротивлением 4,2 кОм (с учетом класса точности авометра). Добавочный резистор нужного сопротивления можно также составить из двух или трех резисторов.

Шкалы миллиамперметра и вольтметра постоянного тока равномерные, поэтому наносить на шкалу микроамперметра какие-либо деления между начальной и конечной отметками не следует.

Оцифрованная шкала микроамперметра используется при измерении токов и напряжений всех пределов измерений. А вот шкала вольтметра переменного тока неравномерная, поэтому (кроме подгонки добавочного резистора под наибольшую силу тока каждого предела измерений) приходится размечать все промежуточные деления шкалы. Электрическая схема измерительной цепи во время градуировки вольтметра переменного тока остается такой же, как при градуировке вольтметра постоянного тока (см. рис. 2.34).

Только на переменный резистор Rp надо подавать переменное напряжение, а образцовый прибор должен быть вольтметром переменного тока. Источником переменного напряжения может быть вторичная обмотка трансформатора или автотрансформатор.

Сначала, используя трансформатор, понижающий напряжение сети до 12… 15 В, включите градуируемый вольтметр на предел измерения до 3 В и установите резистором Rp по шкале образцового прибора напряжение 4 В. Затем, подбирая резистор R1, надо добиться отклонения стрелки микроамперметра на всю шкалу. После этого регулировочным резистором установите напряжение 2,9; 2,8; 2,7 В и т. д. через каждые 0,1 В и запишите показания градуируемого вольтметра. Позже по этим записям надо начертить и разметить шкалу вольтметра переменного тока на всех пределах измерения.

Для градуировки шкалы на остальных пределах измерения достаточно подобрать добавочные резисторы, которые бы соответствовали отклонению стрелки микроамперметра до конечного деления шкалы. Промежуточные значения измеряемых напряжений следует отсчитывать по шкале первого предела, но в других единицах.

Шкалу омметра можно градуировать с помощью постоянных резисторов с допуском отклонения от номинала ± 5 %. Сначала, включив прибор на измерение сопротивлений, замкнуть цепь и переменным резистором R6 «уст. 0» установить стрелку микроамперметра на конечное деление шкалы, соответствующее нулю омметра. Затем, разомкнув щупы, подключить к омметру резисторы с номинальными сопротивлениями 50, 100, 200, 300, 400, 500 Ом,1 кОм и т. д. примерно до 60…80 кОм, всякий раз замечая точку на шкале, до которой отклоняется стрелка прибора. В этом случае резисторы нужных сопротивлений можно составлять из нескольких резисторов других номиналов. Чем больше сопротивление образцового резистора, тем на меньший угол отклоняется стрелка прибора. По точкам, соответствующим отклонениям стрелки прибора для различных значений сопротивлений резисторов, построить шкалу омметра.

Образец шкал комбинированного прибора применительно к микроамперметру типа М24 показан на рис. 2.31. Примерно так должны выглядеть шкалы и этого прибора. Начертить их точнее можно на листе ватмана и вырезать бумагу по форме шкалы микроамперметра. Затем осторожно вытащить магнитоэлектрическую систему прибора из корпуса и наклеить на его металлическую шкалу вычерченную многопредельную шкалу миллиампервольтомметра.


2.8. ПОЛЕЗНЫЕ СОВЕТЫ

2.8.1. Измерение напряжений вольтметром с малым входным сопротивлением

При отсутствии вольтметра с большим входным сопротивлением постоянное напряжение можно измерить с высокой точностью и вольтметром с малым входным сопротивлением. Для этого необходимо присоединить вольтметр к точкам А, В цепи, напряжение между которыми нужно измерить (рис. 2.35, а), и заметить первое показание (U1) вольтметра. Затем включить последовательно с вольтметром резистор R, сопротивление которого равно внутреннему сопротивлению вольтметра Rв (рис. 2.35, б) и заметить второе показание (U2) вольтметра.



Рис. 2.35. Метод измерение нал ряжений вольтметром с малым входным сопротивлением


Искомое напряжение U вычисляем по формуле:

U = U1U2/(U1U2).

• Пример. Чему равно напряжение на аноде лампы телевизора, если при измерении вольтметром с малым входным сопротивлением показание прибора равно U1 = 75 В, а при измерении напряжения по схеме рис. 2, 36, б — 52,5 В?

Решение. Напряжение на аноде лампы равно:

U = 75∙52,5/(75–52,5) = 175 В.

Из приведенного примера видно, что при непосредственном измерении напряжения вольтметром результат измерения (U1 = 75 В) намного отличается от действительного значения напряжения (U = 175 В).


2.8.2. Измерение постоянных напряжений миллиамперметром

Этот способ требует двух дополнительных резисторов R1 и R2.

Для облегчения вычислений сопротивление второго резистора должно быть равно числу, выраженному однозначной цифрой с нулями, например 5000, 10 000, 20 000 и т. д. Порядок измерения напряжения следующий:

а) к точкам А и В (рис. 2.36, а), напряжение между которыми требуется измерить, присоединяют миллиамперметр с последовательно включенным резистором R1 и замечают показания прибора (I1) (резистор R1 желательно взять такой величины, чтобы стрелка отклонялась почти на всю шкалу);

б) последовательно с миллиамперметром и резистором R1 включают резистор R2 (рис. 2.36, б) и замечают второе показание (I2) прибора;

в) определяют напряжение между точками А и В по формуле:

U = R2I1I2/(I1I2).



Рис. 2.36. Метод измерения напряжения постоянного тока миллиамперметром


• Пример. Чему равно напряжение на зажимах полупроводникового выпрямителя, если при включении последовательно с миллиамперметром резистора сопротивлением R1 = 900 Ом ток I1 = 9 мА, а при увеличении сопротивления в цепи прибора до 1900 Ом сила тока уменьшается до 5,4 мА?

Решение:

U = 1000∙9∙10-3∙5,4∙10-3/(9∙10-3 — 5,4∙10-3) = 13,5 В.


2.8.3. Измерение силы тока низкоомным вольтметром

В отсутствие миллиамперметра или амперметра ток можно измерить вольтметром. С этой целью вольтметр вводят последовательно в измеряемую цепь (рис 2.37, а) и замечают первое показание (U1) прибора.

Присоединив параллельно вольтметру (рис. 2.37, б) резистор, сопротивление R которого известно, замечают второе показание (U2) вольтметра.



Рис. 2.37. Метод измерения силы тока низкоомным вольтметром


Затем определяют искомый ток, то есть ток, протекающий в цепи в отсутствие вольтметра, по формуле:

I = U1U2/[R1(U1 - U2)]

• Пример. При включении вольтметра в цепь катода кинескопа показание прибора равно U1 = 2,75 В; после присоединения к вольтметру резистора сопротивлением R = 22 кОм показание вольтметра уменьшается до 1,3 В. Чему равен ток в цепи катода кинескопа?

Решение. Согласно формуле измеряемый ток равен:

I = U1U2/[R∙(U1U2)] = 2,75∙1,3/22000∙(2,75 — 1,3) = 112 мКа


Вследствие того, что любой измеритель тока обладает собственным сопротивлением, включение его в цепь увеличивает общее сопротивление и, следовательно, уменьшает ток. Таким образом, показания микро- и миллиамперметров оказываются меньше тех значений токов, которые протекают в цепи в отсутствие прибора. Чем больше отношение сопротивления прибора к сопротивлению между теми двумя точками цепи, к которым присоединен измеритель тока, тем больше эта дополнительная ошибка измерения.


2.8.4. Измерение малых сопротивлений миллиамперметром

Процесс измерения начинается со сборки схемы, изображенной на рис. 2.38, а. Сопротивление R резистора выбирают в пределах R = (20…30)∙RмА, где RмА — сопротивление миллиамперметра, а напряжение батареи берут такой величины, при которой стрелка миллиамперметра отклоняется почти на всю шкалу.

Записав первое показание прибора (I1), присоединяют параллельно миллиамперметру измеряемое сопротивление Rx и замечают второе показание прибора (I2).

После этих измерений сопротивление Rx определяют по формуле:


или по более точной формуле:



Рис. 2.38. Измерение малых сопротивлений миллиамперметром


Если необходимо измерить сопротивление большей величины, то после измерения тока I1 в цепи, показанной на рис. 2.38, а схему дополняют еще одним резистором, сопротивление R1 которого (рис. 2.38, б) выбирают в пределах (2…5) RмА, увеличивают сопротивление R до значения (60…180) RмА, присоединяют измеряемое сопротивление так, как показано на рис. 2.38, б, и определяют Rх по формуле:


где I2 — сила тока, протекающая в ветви резистора R1.

• Пример. Необходимо измерить сопротивление звуковой катушки динамического громкоговорителя. При включении последовательно с четырьмя батареями для карманного фонаря и миллиамперметром (RмА = 9 Ом) резистора R = 180 Ом показание прибора равно 94,7 мА, а при шунтировании миллиамперметра катушкой громкоговорителя ток в цепи прибора уменьшается до 34,9 мА.

Чему равно сопротивление катушки?

Решение. В соответствии с формулой (2.19, а) сопротивление катушки громкоговорителя постоянному току равно:

Rx = 180∙9/[(180 + 9)(94,7/34,9–1)] = 5,01 Ом


2.8.5. Измерение сопротивлений вольтметром

При отсутствии омметра или авометра измерить активное сопротивление можно с помощью обычного вольтметра. С этой целью собирают схему, изображенную на рис. 2.39, и замечают показания U1 вольтметра. Затем замыкают измеряемое сопротивление Rx накоротко и записывают второе показание U2 вольтметра. После этого определяют сопротивление резистора Rx по формуле:


где Rв — сопротивление вольтметра постоянному току.



Рис. 2.39. Измерение сопротивлений вольтметром


Если измерение сопротивления выполняется низкоомным вольтметром и в качестве источника питания используется источник с повышенным внутренним сопротивлением, то измеренное сопротивление вычисляют по формуле:


где Rи — сопротивление источника питания.

Следует иметь в виду, что измерение сопротивления описанным способом тем точнее, чем меньше отличается измеряемое сопротивление от сопротивления вольтметра и чем больше разность показаний U2 — U1.


2.8.6. Два способа измерения сопротивления и тока полного отклонения микроамперметра с помощью двух постоянных резисторов

Способ 1. Измерение сопротивления и тока полного отклонения микроамперметра.

Чтобы измерить внутреннее сопротивление Rм и ток полного отклонения Iпо микроамперметра, собирают схему, изображенную на рис. 2.40



Рис. 2.40. Измерение сопротивления и тока полного отклонения микроамперметра


Сопротивления резисторов выбирают одного порядка и такой величины, чтобы стрелка прибора находилась на второй половине шкалы.

Заметив показания прибора (I1), закорачивают резистор R2 и записывают второе показание (I2) прибора. Затем вычисляют сопротивление микроамперметра по формуле:


где Rи — внутреннее сопротивление гальванического элемента.

Так как обычно Rм значительно меньше первых двух слагаемых, то им можно пренебречь, т. е. воспользоваться формулой:


Ток полного отклонения, то есть ток, при котором стрелка прибора отклоняется на всю шкалу, определяют по формуле:


где Е — э.д.с. гальванического элемента, Iмакс — конечная отметка шкалы, соответствующая току полного отклонения.

• Пример. Определить сопротивление и ток полного отклонения микроамперметра М24, если при включении в цепь прибора резисторов R1 = 15 кОм и R2 = 16 кОм стрелка отклоняется до отметки «44,2» шкалы, а при закорачивании резистора R2 — до отметки «85,7». Внутреннее сопротивление гальванического элемента равно 0,8 Ом, а э.д.с. — 1,46 В и число отметок шкалы — 100.

Решение. В соответствии с формулами (2.22) и (2.24) находим сопротивление микроамперметра:

Rм = [16000/[(85,7/44,2)-1]] — 15000 — 0,8 ~= 2038 Ом

ток полного отклонения

Iпо = (1,46/16000)∙[(100/44,2) — (100/85,7)] ~= 99,9 мкА


Способ 2. Определение внутреннего сопротивления и тока полного отклонения микроамперметра при помощи постоянных резисторов.

Для определения предлагаемым способом сопротивления и тока полного отклонения микроамперметра требуется гальванический элемент и два постоянных резистора: один из них (R1) сопротивлением (1,5…2,0)∙I/Iпо, где Iпо — предполагаемое значение тока полного отклонения микроамперметра в амперах, а другой (R2) сопротивлением 100 — 2000 Ом.

Процесс измерения заключается в следующем:

1. собирают схему, приведенную на рис. 2.41, и записывают первое показание (I1) микроамперметра (если прибор «зашкаливает» или, наоборот, стрелка отклоняется на незначительный угол, то соответственно увеличивают или уменьшают сопротивление резистора R1);



Рис. 2.41. Определение внутреннего сопротивления и тока полного отклонения микроамперметра ори помощи постоянного резистора


2. переводят переключатель в положение 1–3 и записывают второе показание (I2) микроамперметра;

3. вычисляют внутреннее сопротивление (Rм) по формуле:


При питании схемы источником повышенного напряжения (например, батареей гальванических элементов, составленной из трех батарей типа 3336Л) сопротивление R1 увеличивают в девять раз. В этом случае отношение R2/R1 уменьшается тоже в девять раз, а формула (2.25) упрощается, принимая вид:


Как следует из этого выражения, в случае питания схемы повышенным напряжением требуется только один резистор R2 известного сопротивления.

Ток полного отклонения микроамперметра можно определить следующим образом:

1. измерить напряжение U источника питания схемы;

2. записать силу тока (I1), против которой устанавливается стрелка при переводе переключателя в положение 1–2;

3. вычислить ток полного отклонения по формуле:


где Iмакс — конечная отметка шкалы (максимальное значение шкалы прибора).


• Пример. Определите внутреннее сопротивление микроамперметра, ток полного отклонения которого Iпо= 100 мкА.

Выбираем сопротивления резисторов R1 и R2 равными:

R1 = 1,5/Iпо = 1,5/100∙10-6 = 15 кОм и R2 = 470 Ом.

По выбранным значениям сопротивлений токи I1 и I2 равны:

I1 = 92 мкА и I2 = 37,5 мкА.

В соответствии с формулой (2.25) измеряемое сопротивление


Точное значение сопротивления микроамперметра Rп превышает измеренное на 4 Ом. Следовательно, погрешность измерения:

SRm = RпRм/Rп = 720–716/720 ~= 0,6 %,

что свидетельствует о довольно высокой точности измерения сопротивлений.


2.8.7. На что способна батарейка

Любителям радио и электроники часто приходится выбирать тип и размер гальванических элементов. Основным критерием может стать максимальная продолжительность работы комплекта или минимальный его вес. Уменьшение веса связано с использованием элементов батарей небольшой емкости, работающих в форсированном режиме. Поскольку в справочниках обычно приводятся умеренные нагрузки «нормального» режима, укажем максимально допустимые (в разумных пределах) токи для ряда распространенных отечественных источников.

Однако чем больше ток, тем короче жизнь любого гальванического элемента, причем прямой зависимости между увеличением тока нагрузки и сокращением срока службы элемента нет: ресурс элемента в форсированном режиме разряда убывает быстрее из-за меньшей эффективности использования активных материалов.

Полезно учесть и то, что недоиспользованные при этом активные материалы способны отдать свой энергетический потенциал, если после форсированного режима перенести элемент в аппаратуру с небольшим током нагрузки. Примером могут служить элементы R6, которые, отработав до предела в аудиоплейере, еще довольно долго служат в «карманном» радиоприемнике.



Приведенные выше предельные величины нагрузок являются все же достаточно условными. Ведь нередко приходится идти даже на значительное недоиспользование емкости, лишь бы получить значительный ток разряда на короткое время, при минимальных габаритах и весе автономного источника. Например, для модели аэровагона колеи 16 мм дороги «РIКО» был взят аккумулятор 7Д-0,1, который «крутил» моторчик с пропеллером при токе около 17 мА, что раз в семь-восемь превышает стандартную нагрузку при работе в радиоприемнике, для которого батарея предназначена. При повторном кратковременном режиме этого хватало на одну игру. Что касается гальванических элементов, то многие зарубежные изделия одного типоразмера с нашими имеют бóльшую емкость и могут разряжаться большими токами. Выбирая химические источники для конструкции, где они должны работать в нештатном режиме форсированного или ослабленного разряда, следует испытать их, чтобы не просчитаться. Вообще-то, полноценное с инженерной точки зрения испытание — дело не простое. Но в нашем случае можно этого избежать. Чтобы не тратиться на полномасштабную батарею, испытывать можно один лишь ее элемент. При этом нагрузкой послужит резистор-эквивалент, сопротивление которого находят из соотношения

R = Uном/(n — Iср)

где Uном — номинальное напряжение нагрузки, n — количество последовательно включаемых элементов батареи, Iср — средний ток нагрузки свежей батареи. Если ваш потребитель не имеет общей стабилизации напряжения питания, ток разряда будет падающим соответственно снижению разрядного напряжения источника. В таком случае испытательный «стенд» собирается по схеме рис. 2.42, а. Здесь по обычным часам находят время, за которое напряжение по вольтметру снизится до нижнего предела (Uк = Umin/n), допускаемого потребителем.

Иное дело, когда последний использует стабилизацию напряжения питания; этому соответствует испытательная схема по рис. 2, 42, б.



Рис. 2.42. «Стенд» для испытания батареек


Имитировать автоматическую стабилизацию придется переменным резистором R1, поддерживая примерно постоянный ток через эквивалент R2. Конечно, реальный ток нагрузки не будет строго неизменным даже при стабилизированном питании — например, магнитофон потребляет больший ток при большей громкости, и наоборот. Но, принимая средние значения тока, отвечающие обычным условиям эксплуатации прибора, мы получите достаточно достоверный результат.


2.9. ЗАДАЧИ

1. В практических условиях иногда применяется последовательное включение электрических лампочек (например, в елочных гирляндах).

В такой цепи перегорела одна из лампочек (рис. 2.43). Рассмотреть в какой из ламп перегорела нить накала, затруднительно. Как обнаружить перегоревшую лампу, имея только вольтметр? Как отыскать перегоревшую лампу, используя только кусок провода в изоляции?



Рис. 2.43. Как отыскать перегоревшую лампочку?


2. В приведенной на рис. 2.44 схеме переменный резистор R1 (его сопротивление неизвестно) можно установить в два разных положения, при которых на нем будет рассеиваться мощность, равная 5 Вт.

При каких значениях тока в цепи это произойдет? Напряжение источника питания 30 В.



Рис. 2.44. Оказывается, на резисторе R1 выделяется одинаковая мощность при двух положениях переменного контакта


3. На схеме рис. 2.45 сопротивление каждого резистора составляет 1 Ом. Чему равно общее сопротивление цепи?



Рис. 2.45. Чему равно общее сопротивление цепи?


4. На рис. 2.46 приведены разные схемы (а, б, в, г) включения ламп. Попробуйте определить в каждой схеме лампу, которая светится ярче остальных. Все лампы имеют одинаковые параметры.



Рис. 2.46. Какая лампа светится ярче остальных?


5. На рис. 2.47 приведена схема с шестью параллельно включенными резисторами. Сопротивления резисторов R2 и R4 неизвестны. Измерения показывают, что сила токов, протекающих через резисторы R1, R2, R3, составляет 2,75 А, а сумма токов, протекающих через резисторы R3, R4, равна 1 А. Какая сила тока в общей цепи?



Рис. 2.47. Чему равен общий ток в цепи?


6. На рис. 2.48 представлены 4 схемы. Найдите сопротивление внешней цепи каждой схемы. Все резисторы имеют одинаковое сопротивление, равное 12 Ом. Сопротивление диодов в прямом направлении равно нулю, в обратном — бесконечности.



Рис. 2.49. Чему равно сопротивление цепи?

Глава 3 Переменный ток

Из этой главы вы узнаете, чем отличается переменный ток от постоянного, об основных параметрах переменного тока, познакомитесь с основными элементами электрической цепи, рассмотрите их параметры, выясните основные закономерности в цепях переменного тока.


3.1. ПЕРЕМЕННЫЙ ТОК СИНУСОИДАЛЬНОЙ ФОРМЫ. ПОЛУЧЕНИЕ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ

Если в источниках постоянного тока — гальванических элементах, батареях, аккумуляторах — сила тока (напряжение, э.д.с.) не меняют своего направления, ток во внешней цепи всегда течет от положительного зажима к отрицательному, то в источнике переменного тока, который, например, вырабатывает напряжение для городской сети, ток много раз в секунду (50 раз) меняет свое направление и величину (рис. 3.1). Этот ток изменяется по синусоидальному (гармоническому) закону.



Рис. 3.1. Ток много раз в секунду (50 раз) меняет свое направление и величину


Маятник часов — «ходиков» нарисовал бы на стене синусоиду, если их опускать вертикально вниз по стене (рис. 3.2); металлический шар, закрепленный между двумя горизонтально расположенными пружинами (рис. 3.3, а), будет тоже колебаться по убывающей синусоиде, если шар отвести в сторону одной какой-либо пружины и отпустить его.



Рис. 3.2. Маятник часов — «ходиков» рисует на стене синусоиду



Рис. 3.3, а. Металлический шар, закрепленный между двумя горизонтально расположенными пружинами, колеблется по убывающей синусоиде, если шар отвести в сторону


Груз, подвешенный на пружине, будет рисовать убывающую синусоиду (рис. 3.3, б).



Рис. 3.3, б. Груз, подвешенный ив пружине, будет рисовать убывающую синусоиду


На рис. 3.4, а показано получение (генерирование) переменного тока.



Рис. 3.4, а. Принцип работы генератора переменного тока


Если рамка в начальный момент генерирования находится в положении 1, = 0, то мгновенное значение силы тока i = I0sinwt; еcли же рамка находится в положении 2, t = 0, то i = I0coswt.

При вращении рамки в магнитном поле постоянного магнита меняется магнитный поток. В рамке наводится переменная э.д.с. (электродвижущая сила индукции). Если цепь замкнута, то возникает индукционный ток, который непрерывно меняется по модулю, а через T/2 — по направлению.

Устройство генератора (рис. 3.4, б):

1. Обмотка статора с большим числом витков, размещенных в его пазах. В ней наводится э.д.с.

2. Станина, внутри которой размещены статор и ротор.

3. Ротор (вращающаяся часть генератора) создает магнитное поле от электромашины постоянного тока. Может иметь р пар полюсов.

4. Статор состоит из отдельных пластин для уменьшения нагрева от вихревых токов. Пластины — из электротехнической стали.

5. Клеммный щиток на корпусе станины для снятия напряжения.



Рис. 3.4, б. Устройство генератора переменного тока


При равномерном вращении ротора в обмотках статора наводится э.д.с.:

е = EmSinwt = EmSin2pnt,

где Em — максимальное значение эл.с.; n — число оборотов ротора в секунду.

Частота эл.с. равна: f = nр, где р — число пар полюсов. На гидроэлектростанциях в генераторе число пар полюсов равно 40–50, а на тепловых — 10–16.

Если для характеристики постоянного тока достаточно было знать напряжение на зажимах источника и его полярность, то для характеристики переменного тока этого недостаточно. Переменный ток характеризуют такими параметрами, как амплитуда, частота, период, фаза, мгновенное и действующее значение.

Так как сила тока (напряжение, э.д.с.) меняется во времени, то мгновенное значение и амплитуда говорят о его возможностях в данный момент времени.

Чтобы знать возможности переменного тока за длительный промежуток времени, говорят о его действующем значении. А чтобы судить о том, насколько быстро ток меняется во времени, как часто происходит смена его направления, используют такие параметры, как период и частота.

Период тока указывает время, в течение которого происходят все его возможные изменения без повторения. Обозначается буквой Т (рис. 3.5), измеряется в секундах (с), миллисекундах (мс) [1 с = 1000 мс], микросекундах [1 с = 1 000 000 мкс].



Рис. 3.5. Период тока указывает время, в течение которого происходят все его возможные изменения без повторения


Частота тока говорит о том, сколько периодов, т. е. полных циклов, укладывается в единицу времени, в частности, в секунду. Обозначается буквой f и измеряется в герцах (Гц) — числом периодов в секунду.


Частота изменения переменного тока в промышленной сети равна 50 Гц (следовательно, период Т = 1/50 = 0,02 с = 20 мкс.

Вместо частоты f часто применяют величину ω = 2πf = 2π/T, которую называют круговой частотой тока (напряжения, э.д.с.). Она представляет собой число полных колебаний (периодов) тока за 2π секунд (здесь π = 3,14; ω — греческая буква «Омега»).

Максимальное значение силы тока, которое может иметь переменный ток за период, называется амплитудой силы тока. Амплитудное значение силы тока обозначается Im, напряжения Um, э.д.с. Еm, а их мгновенные значения — i, u, е соответственно.

Когда говорят об одном синусоидальном токе (напряжении, эл.с.), то частота f и амплитуда Im являются исчерпывающими характеристиками, потому что начальный момент отсчета времени на графике мы можем выбрать произвольно, т. е. можем переносить на графике рис. 3.1 ось ординат (ось тока) — вправо или влево на необходимую величину. Но когда приходится сопоставлять друг с другом две или несколько величин (силы тока, напряжение, э.д.с.) одной и той же частоты, следует учитывать, что они могут достигать своего максимального значения не в один и тот же момент времени. В подобных случаях говорят, что эти два тока (напряжения) сдвинуты относительно друг друга по фазе или, что равносильно, что между ними существует некоторый сдвиг фаз. На рис. 3.6 показаны две синусоиды одинаковой частоты, сдвинутые относительно друг друга на четверть периода (T/4).



Рис 3.6. Две синусоиды одинаковой частоты, сдвинутые друг относительно друга на четверть периода (T/4).


Синусоида 1 опережает синусоиду 2 на время T/4. Как определить какая синусоида опережает, а какая отстает? Чтобы лучше усвоить это понятие, обратимся к механической аналогии с двумя движущимися с одинаковой скоростью в одном направлении по двум параллельным железнодорожным путям скоростными пассажирскими поездами.

Представьте себе, что вы стоите у железнодорожной линии, а по ней одновременно проезжают два длинных состава с одинаковой скоростью. Как определить, какой поезд отстает, если вы не видите ни начала ни конца составов? Для этого примем за начало отсчета, например, переднюю часть каждого вагона, затем мысленно проведем перпендикулярную линию к рельсам и уже после этого будем фиксировать, начало вагона какого состава пересекает раньше эту мысленную линию. Тот состав и опережает. То же самое следует сделать при определении сдвига фаз двух синусоид (рис. 3.6). Приняв за начало отсчета условно точку пересечения оси времени t синусоидой при переходе ее из отрицательной области в положительную, видим, что синусоида 1 раньше пересекает ось времени на величину времени ΔТ = T/4 следовательно, она опережает синусоиду 2 (а можно сказать, что синусоида 2 отстает от синусоиды 1 на ΔТ = T/4). Если сдвиг фаз между двумя синусоидами больше одного периода, то определить это по графику невозможно, как и нельзя было определить, на сколько вагонов опережал один состав другой в рассмотренном выше примере.

Вы обратили внимание, что сдвиг фаз мы здесь измеряем не в единицах времени, а в долях периода Т? На практике чаще всего сдвиг фаз измеряют в градусах, причем здесь каждый градус равен 1/360 части периода, единицей измерения служит время. Градус как единица измерения времени, периода можно легко связать с угловыми градусами, показывающими положение проводника рамки, вращающегося в магнитном поле. Это условно показано на рис. 3.7.



Рис. 3.7. Связь времени с угловыми градусами


Выше мы говорили, что для оценки свойств переменного тока за длительный промежуток времени вводят параметр — действующее значение тока (напряжения, э.д.с.). Если воспользоваться аналогией, то можно рассмотреть такой пример. Висящая «груша» после многократных ударов боксера отклоняется от вертикального положения на некоторый угол и удерживается в таком положении, пока боксер наносит по ней удары. Но эту же «грушу» можно отвести на тот же угол, приложив меньшее, но постоянное усилие (оно соответствует действующему значению силы ударов).

Теперь вы уже знаете, что мгновенное значение переменного тока все время изменяется как по величине, так и по направлению. Однако, когда мы вкручиваем в патрон лампу накаливания, мы говорим, что лампа рассчитана на напряжение 220 В.

Что мы под этим подразумеваем? Представим себе, что через спираль электрической плитки протекает синусоидальный ток и плитка каждую секунду выделяет количество теплоты Q. Теперь мы через некоторое время подключим эту же плитку в цепь постоянного тока и будем увеличивать напряжение до тех пор, пока плитка не будет выделять каждую секунду такое же количество теплоты, равное Q. В данном случае по своему тепловому действию оба напряжения (тока) равны. Поэтому сила постоянного тока (напряжения,), выделяющего в проводнике то же количество теплоты, что и данный переменный ток (напряжение), называется действующим значением переменного тока I (напряжения U).

Для синусоидального тока действующее значение силы тока (рис. 3.8, а):



Рис. 3.8, а) действующее значение синусоидального тока;


I = Im/√2 = Im/1,414 = 0,707∙Im (3.2, a)

Аналогично для напряжения и э.д.с.:

U = 0,707∙Um (3.2, б)

Е = 0,707∙Еm. (3.2, в)

Поэтому, когда мы говорим, что лампа накаливания рассчитана на 220 В, мы подразумеваем, что это действующее напряжение.

Аналогично, если мы лампочку от карманного фонаря, рассчитанную на напряжение 3,5 В, подключим к источнику переменного тока с напряжением 3,5 В, то накал нити лампочки будет таким же, как и при питании ее от батареи с напряжением на зажимах 3,5 В.

Из (3.2) видно: зная действующее значение силы тока I (напряжения U, э.д.с. Е), которую можно измерить амперметром переменного тока, можно вычислить его амплитудное значение:

Im = I∙√2= 1,4141 (3.3, a)

Um = 1,414∙U (3.3, б)

Em = 1,414∙E (3.3, в)

Из формулы видно, что амплитудное значение синусоидального тока (напряжения, э.д.с.) почти в полтора раза (в 1,414 раза) больше его действующего значения. Так, амплитудное значение напряжения сети 220 В равно:

Um= U∙1,414 = 220∙1,414 = 311 В.

Все амперметры, вольтметры переменного тока калибруются на синусоидальном токе (напряжении); для переменного тока другой формы показания этих приборов нужно корректировать. Например, для переменного тока треугольной формы (рис. 3.8, б) соотношение между действующим и амплитудным значениями определяется по формулам:



Рис. 3.8, б) соотношение между действующим и амплитудным значениями для переменного тока треугольной формы;


I = Im/√3 = 0,577∙Im (3.4, a)

Im = 1,732∙I (3.4, б)

Для последовательности прямоугольных импульсов (рис. 3.8, в), называемых еще «меандром»:

I = Im (3.5)



Рис. 3.8, в) соотношение между амплитудным и действующим значениями тока для последовательности прямоугольных импульсов;


а для последовательности коротких прямоугольных импульсов (рис. 3.8, г):

I = Im∙√α (3.6)

где α = τ/T, (τ — длительность импульса).



Рис. 3.8, г) Соотношение между амплитудным и действующим значениями для последовательности коротких прямоугольных импульсов


3.2. ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЦЕПЬ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА. ЭЛЕМЕНТЫ ЦЕПИ

Элементами цепи переменного тока могут быть лампа накаливания, электрическая плитка, утюг, электродвигатель, резистор, конденсатор, катушка индуктивности, полупроводниковый диод, варистор и другие элементы. Лампа накаливания, электрическая плитка, утюг, резистор, диод, варистор представляют собой элементы, которые преобразуют электрическую энергию в тепловую. Говорят, что они обладают активным сопротивлением. А вот конденсатор и катушка индуктивности являются реактивными элементами, они не преобразуют электрическую энергию в тепловую, т. е. они не потребляют электрическую энергию, как, например, резистор, но обладают другими замечательными свойствами, которые будут рассмотрены ниже.

Кроме того, как указывалось в главе 2, элементы цепи делятся на линейные и нелинейные. Линейные элементы имеют линейную ВАХ (вольт-амперную характеристику) (рис. 3.9, а), нелинейные — нелинейную ВАХ (рис. 3.9, б). Из перечисленных выше элементов линейными элементами являются резистор, конденсатор и катушка индуктивности, а остальные элементы нелинейные.



Рис. 3.9. ВАХ линейного элемента (а) и нелинейного элемента (б)


Внешний вид конденсаторов, их УГО и БЦО показаны на рис. 3.10.



Рис. 3.10. Внешний вид конденсаторов, их УГО и БЦО


Конденсатор, как и катушка индуктивности, оказывают переменному току сопротивление.

Последовательное и параллельное соединение конденсаторов.

Последовательное соединение конденсаторов (рис. 3.11, а):

1/Со = 1/C1 + 1/С2, (3.7, а)

отсюда:

Со = С1С2/(С1 + С2) (3.7, б)

1/Со = 1/C1 + 1/С2 + 1/С3 (3.8)

Параллельное соединение конденсаторов (рис. 3.11, б):

С0 = С1 + С2, (3.9)

С0 = С1 + С2 + С3. (3.10)



Ряс. 3.11. Последовательное (а) и параллельное (б) соединение конденсаторов


Обратите внимание: общая емкость при последовательном соединении конденсаторов вычисляется по формуле, аналогичной формуле для вычисления общего сопротивления при параллельном соединении резисторов, а общая емкость при параллельном соединении конденсаторов — по формуле, аналогичной формуле для вычисления общего сопротивления при последовательном соединении резисторов.

Для получения необходимой емкости при последовательном соединении конденсаторов требуются некоторые вычисления. Для облегчения подбора ёмкости второго конденсатора (при известном значении емкости первого) на рис. 2.22 (глава 2) приведена номограмма.

Как пользоваться номограммой? При определении общих параметров деталей, номиналы которых имеют один порядок, пользуются шкалами ОА, ОВ, ОС, а если номиналы различаются на один порядок, то шкалами ОА, OD, ОЕ. Поясним это на примерах.

 Пример 1. Последовательно соединены конденсаторы емкостью 5 и 20 мкФ. Чему равна общая емкость? Приложив линейку к делению 5 на шкале ОА и к делению 20 на шкале OD, на шкале ОЕ прочтем результат — 4 мкФ.

• Пример 2. Какой емкости конденсатор необходимо включить последовательно с конденсатором емкостью 5,6 пФ, чтобы их общая емкость была 2,5 пФ? Прикладывая линейку к делениям 5,6 на шкале ОА и 2,5 на шкале ОС, на шкале ОВ прочтем — 4,5 пФ.

Чтобы лучше понять принцип работы конденсатора и катушки индуктивности как реактивных элементов, рекомендуем вам самостоятельно провести ряд простых экспериментов.


3.2.1. Конденсатор как накопитель электрической энергии

Для этого соберите схему (рис. 3.12, а). В положении переключателя SA, указанного на рисунке, конденсатор С будет заряжаться от батареи. Ток заряда протекает по цепи: «+» батареи GB резистор R —> переключатель SA —> конденсатор С —> «—» батареи GB. Через несколько секунд конденсатор зарядится и можно переключатель SA поставить в правое положение, лампочка кратковременно вспыхнет и погаснет. Чтобы лучше уяснить процесс заряда и разряда конденсатора, воспользуемся аналогией. Представим конденсатор в виде сосуда с крышкой, который может вместить определенное количество жидкости, например бензина.

После заполнения этого сосуда бензин можно вылить и поджечь, — это эквивалентно вспышке лампочки.



Рис. 3.12. а) Конденсатор — накопитель электрической энергии; б) График заряда конденсатора, в) график разряда конденсатора.


Для чего нужен резистор R в схеме рис. 3.12, а? Если его не будет, то в момент подключения батареи к конденсатору ток заряда будет очень большим, конденсатор может взорваться от нагрева. Резистор R ограничивает ток заряда конденсатора. Конденсатор с хорошим диэлектриком может хранить заряд несколько суток; бумажные конденсаторы разряжаются почти полностью за несколько часов.

На рис. 3.12, б изображен график заряда конденсатора, а на рис. 3.12, в — график разряда конденсатора.

Емкость конденсаторов измеряется в фарадах (Ф), в микрофарадах (мкФ), нанофарадах (нФ), пикофарадах (пФ).


3.2.2. Конденсатор «не пропускает» постоянный ток

При замыкании выключателя SA (рис. 3.13, а) лампочка кратковременно вспыхивает и гаснет. Это значит, что конденсатор не пропускает постоянный ток. Но из эксперимента можно сделать и другой вывод: в момент подключения батареи GB (замыкание выключателя SA), когда напряжение на конденсаторе скачком увеличивается от нуля до 4,5 В, он не оказывает никакого сопротивления (т. е. его сопротивление в начальный момент равно нулю, все напряжение батареи приложено к лампе, сила тока максимальная). Со временем сила тока уменьшается и затем вовсе становится равной нулю. В этот момент конденсатор можно считать заряженным.

На рис. 3.13, б показан график зависимости силы тока, протекающего через конденсатор С и лампу накаливания EL, от времени, т. е. график заряда конденсатора. Из графика видно, что в момент замыкания выключателя SA (при t = 0) сила тока через лампу максимальная и равна I0 = E/Rл ~= 0,3 А.

Здесь Rл = 14 Ом — сопротивление нити накала лампы.



Рис. 3.13. а) Конденсатор не пропускает постоянный ток; б) График зависимости силы тока, протекающего через конденсатор С и через лампу накаливания EL


3.2.3. Сопротивление конденсатора переменному току зависит от его емкости и частоты тока

Меняя емкость конденсатора (рис. 3.14), можно убедиться, что лампа будет светиться по-разному. Для этого надо два конденсатора по 10 мкФ соединить параллельно, последовательно с ними включить лампочку EL на 3,6 В, на вход подать переменное напряжение 36 В. Зафиксировать яркость свечения лампочки. Затем подключить к этим конденсаторам параллельно еще один емкостью 5 мкФ и снова зафиксировать яркость свечения лампочки, — она увеличится. Отсюда вывод: с увеличением емкости конденсатора его сопротивление уменьшается. Обратите внимание, что все конденсаторы в этом эксперименте должны иметь рабочее напряжение не менее 60 В.



Рис. 3.14. Сопротивление конденсатора переменному току зависит от его ёмкости


Реактивное емкостное сопротивление конденсатора переменному току определяется по формуле:


Тогда закон Ома запишется так:

ImUm/Xc = 2UmπfC = UmωC. (3.12)

1 Ф = 106 мкФ = 1012 пФ, 1 мкФ = 103 нФ = 106 пФ.


3.2.4.Сила тока опережает напряжение на емкости на угол π/2

Так как i = ImSinωt, a u = UmSin (ωt + π/2) то, следовательно, напряжение на конденсаторе отстает от силы тока по фазе на угол π/2. Это видно на векторной (рис. 3.15, а) и на временной (рис. 3.15, б) диаграммах. Физически это можно понимать так: пока через конденсатор не потечет ток, на его пластинах не появятся заряды, до тех пор на пластинах и не будет напряжения.



Рис. 3.15. Напряжение на конденсаторе отстаёт от силы тока по фазе на угод 90°


Мощность переменного тока будет равна: Р = IUcosφ. При φ = π/2 мощность Р = 0. Это значит, что конденсатор является реактивным элементом и не потребляет электрической энергии.

Если вы возьмете три конденсатора емкостью 1 мкФ каждый, соедините их параллельно, подключите в сеть 220 В и будете наблюдать за счетчиком электрической энергии, который имеется в вашей квартире, то счетчик никак не отреагирует на это подключение, хотя они по мощности эквивалентны лампочке мощностью 48 Вт. Почему счетчик не реагирует? Потому что конденсатор (как и катушка индуктивности) обладает замечательным свойством: в положительный полупериод напряжения сети он заряжается и накапливает электрическую энергию, а в отрицательный полупериод напряжения сети он отдает эту энергию снова в сеть. Это как морской прилив и отлив: то вода пригоняет к берегу все, что на ней плавает, то все смывает с берега, унося в море. Имейте в виду, что конденсатор должен быть рассчитан на напряжение 250…300 В.

Из графика на рис. 3.16 видно, что реактивное (емкостное) сопротивление конденсатора уменьшается как с увеличением емкости, так и с увеличением частоты питающего переменного напряжения; этот график построен по формуле (3.11). Аналогичными свойствами реактивного элемента обладает и катушка индуктивности.



Рис. 3.16. Сопротивление конденсатора уменьшается как с увеличением ёмкости, так и с увеличением частоты


Внешний вид, УГО и БЦО катушки индуктивности приведены на рис. 3.17.



Рис. 3.17. Внешний вид, УГО и БЦО катушки индуктивности


Чтобы лучше понять свойства катушки индуктивности, проведем несколько экспериментов.


3.2.5. Катушка индуктивности обладает индуктивным сопротивлением, которое также называется реактивным

В качестве катушки индуктивности можно использовать первичную обмотку сетевого трансформатора. При последовательном включении катушки индуктивности и лампы накаливания к источнику постоянного тока лампочка горит ярко, а при включении к источнику переменного тока (в сеть частотой 50 Гц) — тускло либо вообще не горит. Почему? Потому что катушка индуктивности обладает индуктивным сопротивлением XL часть напряжения источника переменного тока гасится на катушке индуктивности, а постоянному току катушка оказывает малое активное сопротивление (сопротивление провода), которое можно вычислить по формуле:

R = ρ∙L/S

Индуктивное сопротивление катушки индуктивности определяется по формуле:

XL = 2πfL = 6,28∙f(Гц)L(Гн). (3.13)

Здесь L — индуктивность катушки, измеряется в генри (Гн), миллигенри (мГн), микрогенри (мкГн).

1 Гн = 1000 мГн = 1 000 000 мкГн.

Конструктивные данные катушек индуктивности даны в описаниях устройств, рекомендованных к самостоятельному изготовлению.

Тогда закон Ома запишется так:

Im = Um/XL = Um/2πfL = UmL. (3.14)


3.2.6. Последовательное и параллельное соединение катушек индуктивности




Рис. 3.18. Последовательное соединение двух катушек индуктивности



Рис. 3.19. Параллельное соединение двух катушек индуктивности



Рис. 3.20. Последовательное соединение трёх катушек индуктивности



Рис. 3.21. Параллельное соединение трех катушек индуктивности


Формулы для вычисления общей индуктивности при последовательном и параллельном включении похожи на аналогичные формулы для вычисления общего сопротивления резисторов.

Если при изготовлении какого-либо прибора у вас не оказалось нужной индуктивности, но имеется большое количество катушек индуктивности других номиналов, их можно соединить последовательно или параллельно для получения нужного номинала. При последовательном соединении вычисления довольно простые, а вот при параллельном соединении необходимо затратить время на вычисления. Тоже самое приходится делать при последовательном соединении конденсаторов и при параллельном соединении резисторов. Для облегчения подбора второго элемента на рис. 2.22 (глава 2) приведена номограмма.


3.2.7. Катушка индуктивности как накопитель магнитной энергии

В этом эксперименте в качестве катушки индуктивности можно использовать первичную обмотку сетевого трансформатора. При замыкании выключателя SA лампочка еле светится, а при размыкании выключателя SA она ярко вспыхивает. Это объясняется тем, что в момент включения элемента G часть энергии источника тратилась на создание магнитного толя катушки индуктивности, а при размыкании выключателя магнитное поле катушки индуктивности исчезает и запасенная в ней энергия отдается лампочке. Это явление называется самоиндукцией. Э.д. с самоиндукции препятствует увеличению тока при подключении источника питания к катушке индуктивности, а при отключении источника питания э.д.с. самоиндукции препятствует уменьшению тока в катушке. Здесь имеется ввиду, что все элементы включены последовательно.


3.2.8. Сила тока отстает от напряжения на катушке индуктивности на угол π/2

Так как i = ImSinωt, a u = UmSin (ωt — π/2), то, следовательно, напряжение на катушке индуктивности опережает силу тока по фазе на угол π/2. Это видно также на векторный (рис. 3.22, а) и на временной (рис. 3.22, б) диаграммах.



Рис. 3.22. Напряжение на катушке индуктивности опережает силу тока по фазе на угол 90°.


3.2.9. На активном сопротивлении (на резисторе) сила тока и напряжение совпадают по фазе

Так как i = ImSinωt, и u = UmSinωt, то, следовательно, напряжение на резисторе совпадает по фазе с силой тока. Это видно также на векторной (рис. 3.23, а) и на временной (рис. 3.23, б) диаграммах.



Рис. 3.23. Напряжение на резисторе совпадает по фазе с силой тока


3.3. ИНТЕГРИРУЮЩИЕ И ДИФФЕРЕНЦИРУЮЩИЕ ЦЕПИ

В электронных устройствах часто бывает необходимо изменить прямоугольные импульсы или сигналы другой формы таким образом, чтобы получить сигнал требуемой формы. Указанное изменение может заключаться в сохранении высокочастотных составляющих сигнала и ослаблении низкочастотных составляющих, в ослаблении только высокочастотных составляющих, в изменении амплитуды и формы сигнала путем ограничения и т. д.

К таким устройствам можно отнести интегрирующую и дифференцирующую цепи, которые находят широкое применение в вычислительной технике, в системах развертки телевизионных приемников и в других случаях, когда необходимо ослабить высокочастотных составляющие импульсов.

Практически интегрирующую цепь (рис. 3.24, а.) можно рассматривать как фильтр нижних частот. При воздействии синусоидальных сигналов интегрирующая цепь сильнее ослабляет сигналы более высоких частот (и вносит некоторый фазовый сдвиг). В случае импульсных или прямоугольных сигналов их форма изменяется благодаря фильтрации высокочастотных сигналов.



Рис. 3.24, а) Cxeма интегрирующей цепи


В практических схемах интегрирующих цепей постоянная времени t = RC велика по сравнению с длительностью воздействующего импульса. В этом случае при ращение напряжения ес на конденсаторе мало по сравнению с напряжением е, приложенным к интегрирующей цепи. Тогда можно записать приближенное равенство:


Таким образом, выходное напряжение интегрирующей цепи пропорционально интегралу входного тока e/R. Это можно объяснить, если обратиться к рис. 3.24, б и в.



Рис. 3.24, б) форма входного импульса интегрирующей цепи, в) выходного импульса интегрирующей цепи


При подаче на вход схемы положительного импульса крутой фронт импульса действует на интегратор в течение очень короткого промежутка времени. Затем в течение времени, равного длительности импульса, действует напряжение, соответствующее плоской вершине импульса. Напряжение на конденсаторе нарастает по экспоненциальному закону. За время, равное постоянной времени цепи τ, напряжение на конденсаторе достигнет примерно 65 % максимального значения, а полностью конденсатор зарядится примерно в течение пяти постоянных времени (5τ). Так как постоянная времени интегрирующей цепи велика по сравнению с длительностью импульса, напряжение на конденсаторе не достигает максимального значения, а постепенно нарастает до некоторой величины (рис. 3.24, в).

По окончании действия входного импульса конденсатор начнет разряжаться через резистор R1 и входную цепь. Разряд протекает медленно по сравнению со спадом входного импульса, и в результате на выходе формируется импульс, форма которого показана на рис. 3.24, в.

Если импульсы на входе интегратора имеют длительность, превышающую интервалы между ними (рис. 3.24, г), то напряжение на конденсаторе будет постепенно нарастать.



Рис. 3.24, г) длительность входных импульсов превышает интервал между ними



Такую схему можно использовать в качестве делителя частоты, так как уровень запуска релаксационного генератора будет достигаться только после определенного числа импульсов, поданных на вход. Постоянная времени этой цепи равна:

τ ~= R1(C1 + С2) + R2C2.

Интегрирующую цепь можно также построить, располагая катушкой индуктивности и резистором. Для этого в схеме на рис. 3.24, а резистор R1 следует заменить катушкой индуктивности, а конденсатор С1 — резистором. Однако, поскольку катушка индуктивности имеет еще и активное сопротивление, схема с резистором и конденсатором более широко применяется на практике.

В дифференцирующей цепи (рис. 3.25, а) постоянная времени должна быть малой по сравнению с длительностью импульсов.



Рис. 3.25. а) Схема дифференцирующей цепи б) форма импульса на входе дифференцирующей цепи в) выходе дифференцирующей цепи


Эту цепь применяют в тех случаях, когда импульсы сравнительно большой длительности необходимо преобразовать в короткие импульсы с крутым фронтом. Цепь сохраняет крутой фронт импульса в той же полярности и по существу ведет себя как фильтр верхних частот, ослабляющий низкочастотные и пропускающий высокочастотные составляющие импульса.

При малой постоянной времени сопротивление резистора оказывается значительно больше реактивного сопротивления конденсатора. Поэтому выходное напряжение, равное падению напряжения на резисторе, приближенно выражается формулой:


На рис. 3.25, б и в показаны соответственно формы импульса на входе и выходе дифференцирующей цепи. От начального момента действия импульса и в течение всей его длительности к входу схемы прикладывается постоянное напряжение. Если при подаче входного импульса конденсатор С1 не был заряжен, то в первый момент через конденсатор, а также через резистор R1 будет протекать большой ток. Таким образом, на резисторе сразу же появляется большое падение напряжения, благодаря чему на выходе очень быстро нарастает фронт импульса (рис. 3.25, в). По мере заряда конденсатора протекающий через него ток уменьшается со скоростью, зависящей от постоянной времени цепи. При малой постоянной времени конденсатор быстро заряжается и ток перестает протекать по цепи. Таким образом, когда конденсатор полностью заряжен, напряжение на резисторе R1 спадает до нулевого уровня. В момент окончания действия импульса входное напряжение уменьшается до нуля, и конденсатор начинает разряжаться.

Ток разряда конденсатора имеет противоположное по сравнению с током заряда направление, следовательно, направление тока через резистор тоже противоположно току заряда. Поэтому на выходе теперь появится отрицательный всплеск напряжения.

На практике на вход дифференцирующей цепи обычно подаются импульсы. Если же на вход дифференцирующей цепи подать синусоидальные колебания, то их форма не изменится, но произойдут сдвиг фазы выходного колебания и уменьшение амплитуды этих колебаний на величины, зависящие от частоты входного сигнала. Другой тип дифференцирующей схемы можно получить, если С1 заменить резистором, a R1 — индуктивностью. В такой цепи фактором, определяющим качество дифференцирования, является также постоянная времени. Как и в интегрирующей цепи, омическое сопротивление катушки индуктивности ухудшает характеристики схемы. Поэтому такую цепь применяют довольно редко.


3.4. ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЙ КОЛЕБАТЕЛЬНЫЙ КОНТУР

Последовательный колебательный контур (ПКК) представляет собой последовательное соединение катушки индуктивности и конденсатора (рис. 3.26, а). Для лучшего понимания свойств ПКК предлагается собрать схему на рис. 3.26, б. В качестве катушки индуктивности предлагается использовать первичную обмотку сетевого трансформатора, конденсатор должен иметь номинальное напряжение, превышающее напряжение источника питания контура не менее чем в 5–7 раз, лампочка накаливания выбирается маломощной на напряжение, равное или несколько меньшее напряжения источника питания контура.

В качестве источника питания ПКК надо использовать понижающий трансформатор с напряжением на вторичной обмотке 10…30 В или автотрансформатор. Для получения резонанса напряжений следует подобрать емкость конденсатора, для чего в цепь ПКК включить амперметр переменного тока и подобрать емкость конденсатора по максимуму силы тока в цепи (рис. 3.26, б). В этом случае при резонансе напряжений лампочка будет иметь максимальную яркость свечения.



Рис. 3.26. а) Схема последовательного колебательного контура; б) Принципиальная схема, которая позволяет обнаружить необычные свойства реактивных элементов


После того, как будет собрана схема, можно приступить к эксперименту. Для этого следует включить оба выключателя SA1 и SA2, лампочка будет иметь максимальную яркость свечения. Затем выключить оба выключателя — лампочка будет иметь меньшую яркость свечения (замерьте вольтметром переменного тока напряжение на лампочке, оно будет меньше напряжения питания ПКК на величину падения напряжения на активном сопротивлении катушки индуктивности, т. е. на сопротивлении проводов катушки индуктивности постоянному току).

А теперь замкните изолированным проводником катушку индуктивности или конденсатор. При изучении постоянного тока вы узнали, что при выключении одного элемента цепи (например, лампы накаливания) при последовательном их соединении, на остальных элементах цепи напряжение (и сила тока) увеличивается т. е. яркость свечения остальных лампочек увеличится. В данном же случае будет все наоборот — лампочка перестанет светить.

А теперь измерим напряжение на катушке индуктивности и на конденсаторе: к удивлению, эти напряжения будут больше напряжения источника питания ПКК в 35 раз (это зависит от величины общего активного сопротивления ПКК — сопротивления лампочки и активного сопротивления проводов катушки индуктивности).

Чем меньше активное сопротивление ПКК, тем больше напряжение на конденсаторе и на катушке индуктивности, причем всегда напряжение на конденсаторе больше напряжения на катушке индуктивности на величину падения напряжения на активном сопротивлении катушки. При измерении напряжений на катушке индуктивности и на конденсаторе не забудьте увеличить предел измерения вольтметра, иначе он может быть поврежден.


3.5. ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ

3.5.1. Цветомузыкальная приставка

Кроме своего основного назначения — подключение к выходу магнитофона, проигрывателя или приемника и получения световых эффектов, приставка позволяет снять АЧХ ФНЧ, ФВЧ и полосового фильтра и судить об их частотных свойствах.

Схема приставки показана на рис. 3.27, а.



Рис. 3.27. а) Принципиальная схема цветомузыкальной приставки б) конструкция экрана с лампами


Со звуковой катушки динамической головки ВА1 усилителя звуковой частоты сигнал звуковой частоты подается на базы транзисторов VT1—VT3 через соответствующие им частотные фильтры. В канале высших частот используется ФВЧ R1C1: он пропускает колебания наиболее высоких частот и оказывает значительное сопротивление колебаниям средних и высших частот.

Дроссель L1 и конденсатор С2 образуют полосовой фильтр. Его резонансная частота ω0 = 1/√(L1∙C2), характеристическре сопротивление ρ = √(L1/C2) и добротность Q равна отношению ρ к активным потерям (его можно определить по АЧХ). Чтобы полосовой фильтр имел достаточно узкую полосу пропускания, необходимо увеличить его добротность, т. е. использовать дроссель с большой индуктивностью и малыми активными потерями и небольшую емкость.

Функцию ФНЧ выполняет дроссель L2 и резистор R3 с параллельно подключенным к нему, как и в предыдущих фильтрах, переходом база-эмиттер транзистора VT3. В коллекторные цепи транзисторов включены лампы накаливания HL1—HL3, цвета баллонов которых соответствуют принятому частотному делению колебаний звукового диапазона.

Исходное состояние транзисторов — закрытое. В это время токи коллекторных цепей транзисторных цепей малы и лампы накачивания не светятся. При появлении сигнала (во время отрицательных полуволн) транзисторы открываются и лампы начинают i метиться. Чем больше уровень сигнала, тем больше открываются транзисторы и ярче светятся лампы. Если преобладают звуки низких тонов, то ярче других светится лампа красного цвета, а если высоких и средних, то синего и зелёного цветов. В результате на экране, освещающемся лампами, создаются цветовые гаммы.

Приставка имеет источник питания, состоящий из понижающего трансформатора TV1, выпрямительного диода VD1 и конденсатора С3 сглаживающего фильтра.

Транзисторы приставки могут быть низкочастотными или высокочастотными, но обязательно средней или большой мощности, например, П213, П214, ГТ403, П601, КТ814, КТ816, КТ818. Лампы накаливания от карманного фонаря (3,5 В х 0,28 А). При наиболее громких звуках суммарный ток ламп приставки может достигать 0,7…0,8 А. Поэтому в выпрямителе блока питания должен работать диод, рассчитанный на выпрямленный ток около 1 А. Если такого диода не окажется, можно использовать четыре диода серии Д226 или Д7, соединив их по мостовой схеме.

В коллекторные цепи транзисторов можно включить не по одной, а по две — три лампы, соединенные параллельно. Но тогда в выпрямителе надо будет использовать диод на ток 3…5 А, например Д242А, а транзисторы, чтобы не перегревались, установить на теплоотводящие радиаторы. Между базами и коллекторами транзисторов можно включить подстроечные или переменные резисторы сопротивлением по 2–3 кОм, которые совместно с постоянными резисторами R1—R3 образуют делители напряжения, открывающие транзисторы. При налаживании приставки этими резисторами можно выбрать режим работы транзисторов, когда нити накала ламп еле светятся.

В качестве сетевого трансформатора TV1 можно использовать выходной трансформатор ТВК-110 или ТВК-90 кадровой развертки телевизора или любой другой трансформатор, понижающий напряжение сети до 5…6 В. Напряжение на выходе выпрямителя должно быть не менее 7…8 В.

Дроссель L1 намотан на двух сложенных вместе ферритовых кольцах 66НН с внешним диаметром 7 мм, а дроссель L2 — на трёх сложенных вместе таких же кольцах. На каждый из таких сердечников надо намотать по 200 витков провода ПЭЛШО или ПЭВ-1 0,1.

Конструкция экрана с освещающими его лампами может быть такой, как на рис. 3.27, б. Лампы размещены на задней стенке ящика, оклеенного внутри алюминиевой фольгой или обитого жестью. Фольга или жесть выполняют роль рефлектора. Лампы можно покрыть в соответствующие цвета цветным лаком либо обтянуть их резиной от надувных шаров соответствующего цвета.

Экраном, являющимся передней стенкой ящика, служит матовое стекло размерами не более 13…18 см. От ламп идут провода к соответствующим им транзисторам, смонтированным вместе с фильтрами и блоком питания в другом ящике.

Экраном может также служить органическое стекло, окрашенное в молочный цвет. Для этого органическое стекло погружают в концентрированную серную кислоту на 1…10 минут. После обработки в кислоте его тщательно промывают в проточной воде и сушат. При выдерживании в кислоте в течение 1…3 минут поверхность стекла не теряет глянца и будет иметь молочный цвет. Если же травить дольше, то его поверхность становится белой и слегка матовой. С увеличением времени воздействия кислоты белый слой становится толще. Если необходимо оставить на органическом стекле прозрачные места, то эти части поверхности покрывают тонким слоем воска. После промывки и сушки воск удаляют.

Работая с серной кислотой, помните, что она опасна, так как при попадании капель воды разбрызгивается. Попавшие на кожу брызги могут вызвать тяжелые ожоги. Поэтому работать следует в резиновых перчатках и в защитных очках. Для погружения детали или изделия в кислоту пользуйтесь пинцетом. На случай попадания кислоты на кожу или одежду всегда имейте под рукой нейтрализующий действие кислоты крепкий раствор питьевой соды или 10 %-ный раствор нашатырного спирта.


3.5.2. Усилитель звуковой частоты «электронное ухо»

Устройство позволяет прослушивать в лесу голоса птиц, может быть использовано как УЗЧ в изготавливаемых приемниках и т. д. Он представляет собой высокочувствительный усилитель звуковой частоты, собранный на трех транзисторах (рис. 3.28).



Рис. 3.28. Принципиальная схема «Электронного уха»


Сигнал с микрофона ВМ1 подается через конденсатор С2 на первый каскад усилителя, собранный на транзисторе VT1. Это эмиттерный повторитель (каскад с общим коллектором), он обеспечивает согласование выходного сопротивления микрофона с входным сопротивлением УЗЧ (об этом написано в главе «Полупроводниковые приборы»).

Если микрофон ВМ1 подключить сразу к каскаду усиления с общим эмиттером, который имеет относительно невысокое входное сопротивление, то не вся мощность, развиваемая микрофоном, будет использована. Нагрузкой эмиттерного повторителя является переменный резистор R2, который одновременно является регулятором усиления.

С первого каскада сигнал подается на базу второго каскада усиления, собранного на транзисторе VT2 по схеме с общим эмиттером. Этот каскад имеет относительно большой коэффициент усиления. Напряжение смещения на базу (выбор рабочей точки) подается через гасящий резистор R3. Ток протекает по цепи: «+»GB1—R5 — эмиттер-база VT2—R3 — «—»GB1. На всех трех последовательно соединенных элементах цепи (R5,VT2,R3) создается падение напряжения, пропорциональное сопротивлению этих элементов постоянному току.

Конденсатор С3 осуществляет развязку между первым и вторым каскадами по постоянному току. Для стабилизации режима работы второго каскада при изменении температуры окружающей среды в цепь эмиттера транзистора VT2 включен резистор R5. Он создаст отрицательную обратную связь (ООС) по постоянному току. А чтобы не было ООС по переменному току (из-за чего уменьшилось бы усиление сигнала), параллельно резистору включен конденсатор С5 большой емкости, который для переменного тока имеет малое сопротивление. С нагрузки каскада — резистора R4 — сигнал подается через разделительный конденсатор С4 на вход третьего (выходного) каскада, собранного на транзисторе VT3. В цепи эмиттера он тоже имеет стабилизирующую цепочку R8C6, а его нагрузкой являются головные высокоомные телефоны BF1. Смещение на базу подастся через гасящий резистор R7.

В качестве источника питания может быть использована батарея «Крона», аккумулятор 7Д-01 или же две последовательно соединенные батареи 3336Л.

Фильтр нижних частот R6C1 предотвращает возможность самовозбуждения УЗЧ по цепи питания (для этого цепи питания транзисторов первых двух каскадов по переменному току закорачиваются на корпус через конденсатор С1).

Чтобы обеспечить большую чувствительность усилителя, необходимо использовать малошумящие транзисторы с большим коэффициентом усиления и малым обратным током коллектора (об этих параметрах написано в главе «Полупроводниковые приборы»). Подойдут для этих целей транзисторы П416Б. Другие возможные замены можно найти в главе 4.

Постоянные резисторы MЛT-0,125 и МЛТ-0,25, переменный резистор ТКД или другой, совмещенный с выключателем питания SA1. Можно установить, в крайнем случае, переменный резистор типа СП-1 и отдельно выключатель питания. Конденсаторы К50-6 либо другие аналогичные, микрофон МД-64, но вполне подойдет другой чувствительный микрофон. Головные телефоны ТОН-1 или ТОН-2, соединенные последовательно для увеличения сопротивления нагрузки усилителя.

Часть деталей усилителя смонтирована на плате толщиной 1,5…2 мм из изоляционного материала (рис. 2.29, а). Плату размещают в небольшом самодельном или подобранном заранее корпусе (рис. 2.29, б), так, чтобы наружу выступала ось переменного резистора R2, на которую надевают ручку. Плата может быть как с навесным монтажом, так и печатная.



Рис. 3.29. Монтажная плата (а) и корпус (б) устройства «Электронного уха»


Микрофон лучше всего закрепить металлическим хомутиком к корпусу усилителя, а для увеличения дальности действия «электронного уха» надо надеть на микрофон рупор, склеенный из картона или чертежной бумаги.

Налаживание усилителя заключается в проверке и установке (если это понадобится) силы тока коллекторов транзисторов.

Вначале миллиамперметр включают в цепь коллектора транзистора VT1 и подбором резистора R1 добиваются силы тока 0,2 мА. Затем устанавливают силу тока транзистора VT2 в пределах 0,3…0,5 мА, затем транзистора VT3 в пределах 0,8…1,0 мА. Но настройка будет значительно эффективнее, если использовать осциллограф и генератор звуковой частоты. Для этого вместо резистора R1 использовать постоянный резистор сопротивлением примерно 300…350 кОм и переменный резистор сопротивлением 250…200 кОм, а вместо резистора R7 — постоянный резистор сопротивлением 200…250 кОм и переменный резистор сопротивлением 250…200 кОм. Использование осциллографа и генератора звуковых частот позволяет не просто добиться максимального усиления, а получить от каждого каскада наибольшее (но, может быть, не максимальное) усиление при минимальных искажениях сигнала (в данном случае синусоиды).

Пользуются «электронным ухом» так. Включают питание и направляют рупор в нужную сторону. Переменным резистором R2 устанавливают такое усиление, при котором хорошо прослушиваются лесные шумы или звуки на расстоянии нескольких метров, но усилитель еще не возбуждается. Кроме того, необходимо помнить, что при большом усилении усилитель может возбудиться из-за акустической связи между микрофоном и телефоном. Чтобы избежать этого, надо устройство держать на некотором расстоянии впереди себя.


3.5.3. Электронная сирена с усилителем

Сирена — это прибор для получения звуков различной высоты. Их устанавливают на специальных автомашинах, используют для подачи сигнала тревоги. Сирена может найти применение и в различных играх. Кроме того, на примере этого устройства можно изучить принцип формирования различных звуков с помощью электронных средств.

Электронная сирена (рис. 3.30) выполнена на четырех маломощных низкочастотных транзисторах и представляет собой два симметричных мультивибратора. Один из них, собранный на транзисторах VT1, VT2, генерирует колебания частотой 1…2 Гц, другой, на транзисторах VT3, VT4, — более высокой частоты.



Рис. 3.30. Принципиальная схема электронной сирены


К выходу первого мультивибратора подключена интегрирующая цепочка R5C3, на выходе которой имеется пилообразное напряжение. Этим напряжением управляется второй мультивибратор, в результате чего на резисторе-нагрузке R9 получается последовательность импульсов различной длительности, имитирующих и телефонах звук механической сирены. Постоянная времени цепи наряда интегрирующей цепи τ3= (R4 + R5)∙C3 = 1,12 с, а разряда τp = (R5 + Rэк VT2)∙С3 = 0,6 с.

С учетом того, что за время t3 конденсатор С3 заряжается до 63 % от максимума, можно считать, что за время действия импульса мультивибратора (T/2 ~= 0,5) напряжение на нем увеличивается почти линейно. Разряжается конденсатор почти в два раза быстрее, чем заряжается.

Транзисторы в сирене могут быть серий МП39—МП42 со статическим коэффициентом передачи тока 30…50, резисторы — мощностью от 0,125 Вт, конденсаторы — любого типа с номинальным напряжением более 9 В.

Частота повторения сигнала сирены определяется сопротивлением резисторов R2, R3 и емкостью конденсаторов C1, С2, а тональность звучания зависит от сопротивления резисторов R7, R8 и емкости конденсаторов С4, С5. Номиналы выше указанных резисторов и конденсаторов могут быть и иными по сравнению с указанными на схеме.

Период колебаний симметричного мультивибратора определяется по формуле:

Т = 1,4R6C = 1,4∙110∙103∙10∙10-6 = 1,54 с.

Схема УЗЧ, к которому можно подключить электронную сирену, приведена на рис. 3.31.



Рис. 3.31. Принципиальная схема УЗЧ к электронной сирене


На входе усилителя стоит частотно-зависимый делитель напряжения R1C1, где R1 одновременно выполняет роль регулятора громкости. Предварительный усилитель выполнен на транзисторе VT1 по схеме с общим эмиттером. Его нагрузкой является резистор R3 (сопротивление диода VD1 в прямом направлении мало, им можно пренебречь). Он не только усиливает сигнал, но и обеспечивает усилителю мощности двухтактный режим работы. Затем — на усилитель мощности, собранный по двухтактной схеме. Затем сигнал подается на предоконечный каскад, собранный на транзисторах VT2 и VT3. Этот каскад нужен для того, чтобы обеспечить двухтактный режим работы выходного каскада. Для облегчения этой задачи и упрощения схемы каскада в нем использованы транзисторы разной структуры — VT2 структуры р-n-р и VT3 — структуры n-р-n. При этом транзистор VT2 усиливает отрицательные полуволны, a VT3 — положительные.

С нагрузок каскада (резисторы R4 и R5) сигналы поступают далее на транзисторы VT4 и VT5 выходного каскада усиления мощности. Мощные колебания звуковой частоты со средней точки (точки симметрии) поступают через конденсатор С3 к головке ВА1 громкоговорителя и преобразуются в звуковые колебания.

Емкость конденсатора С3 должна быть возможно большей, чтобы не оказывать заметного сопротивления колебаниям низких звуковых частот.

Диод VD1 обеспечивает устранение переходных искажений типа «ступеньки». Суть искажений состоит в том, что выходной сигнал с транзистора отслеживает входной сигнал с разницей на величину падения напряжения Uбэ; на положительном интервале входного сигнала выходное напряжение примерно на 0,6 В меньше, чем входное, на отрицательном интервале — наоборот (рис. 3.32).



Рис. 3.32. Иллюстрация переходных искажений типа «ступеньки»


Коллекторный ток транзистора VT1 создает на этом диоде падение напряжения в доли вольта, которое вместе с усиливаемым сигналом подается на базы транзисторов VT2 и VT3. При этом на базе транзистора VT2 имеется отрицательное напряжение смещения, а на базе транзистора VT3 — положительное. В результате транзисторы несколько приоткрываются и уменьшают искажение слабого сигнала, т. е. усилитель работает в режиме АВ.

С точки симметрии выходных транзисторов постоянное и переменное напряжения через резистор R2 подаются на базу транзистора VT1, за счет чего создается ООС, которая стабилизирует работу всего усилителя.

Питается усилитель совместно с электронной сиреной от источника GB1, составленного из двух последовательно соединенных батарей 3336Л. Чтобы исключить возможность самовозбуждения усилителя через источник питания, последний зашунтирован конденсатором С4.

В усилителе использованы постоянные резисторы МЛТ-0,25, переменные — СП-1, конденсаторы К50-6. Транзисторы МП39 можно заменить любыми другими из серии МП39—МП42, транзистор МП38 — любым из серии МП35—МП38, транзистор П213Б — аналогичными транзисторами средней мощности (например, П213—П217) с возможно большим коэффициентом передачи тока. Вместо диода Д9Д подойдет другой диод этой серии. Динамическая головка ВА1 мощностью 3–4 Вт и сопротивлением звуковой катушки 5…10 Ом. Причем наибольшую выходную мощность, а значит, и громкость звука удастся получить с головкой, обладающей меньшим сопротивлением. Большинство деталей размещены на печатной плате, которая показана на рис. 3.33.



Рис. 3.33. Печатная плата электронной сирены


Выходные транзисторы устанавливают на радиаторы, изготовленные по размерам на рис. 3.34 из алюминия толщиной 1,5…2 мм.



Рис. 3.34. Размеры радиатора для транзистора


На радиаторе как можно точнее нужно разметить места отверстий под выводы транзисторов. Поверхность радиатора, с которой должен соприкасаться транзистор, зачищают мелкозернистой наждачной бумагой или лезвием ножа. Выводы эмиттера и базы не должны касаться стенок отверстий. Окончательно транзистор к радиатору прижимают фланцем. Чем лучше контакт между корпусом транзистора и радиатором, тем меньше будет нагрев транзистора и тем большую мощность удастся получить от усилителя.

Хорошим пластинчатым радиатором может быть металлический корпус прибора или его внутренние перегородка. Для обеспечения хорошего теплового контакта необходимо поверхность транзистора, прилежащую к радиатору, смазать невысыхающей смазкой, например силиконовой. Это позволит снизить тепловое сопротивление контакта в полтора-два раза. А если радиатор содержит раковины или другие изъяны, удалить которые невозможно, можно использовать свинцовую прокладку. Для этого пластину свинца аккуратно раскатывают или расплющивают между двумя гладкими плоскими брусками до толщины около 0,5 мм и вырезают прокладку необходимых размеров и формы. Мелкозернистой наждачной бумагой зачищают обе ее стороны, устанавливают под транзисторы и туго сжимают узел винтами. Прокладка не должна быть толще 1 мм, так как теплопроводность свинца не высока.

Радиаторы с транзисторами крепят к корпусу прибора с помощью отверстий в их отгибах. Платы усилителя и электронной сирены укрепляют в корпусе подходящих размеров. На передней стенке корпуса устанавливают динамическую головку, переменный резистор и выключатель питания.

Напротив диффузора головки в стенке вырезают отверстие и закрывают его неплотной тканью. Входные зажимы усилителя и выходные зажимы электронной сирены размещают на задней стенке корпуса.

При налаживании усилителя в первую очередь измеряют напряжение в общей точке соединения эмиттера транзистора VT4 и коллектора транзистора VT5 — оно должно быть равно половине напряжения источника питания. Точнее это напряжение устанавливают подбором сопротивления резистора R2. Далее проверяют ток покоя коллекторов выходных транзисторов, включив миллиамперметр в цепь коллектора любого из транзисторов. Наилучший режим — не более 20 мА — устанавливают подбором диода. Так, если ток значительно превышает указанное значение, устанавливают диод с меньшим прямым сопротивлением или включают параллельно ему такой же диод. При малом значении тока понадобится диод с бóльшим прямым сопротивлением, либо включить последовательно с диодом резистор и подбором сопротивления резистора установить нужный ток. На этом налаживание заканчивается.

При большой громкости звучания усилитель совместно с электронной сиреной потребляет значительный ток и источника питания из двух батарей хватит на 2…3 часа непрерывной работы. Поэтому включать прибор надо на непродолжительное время.

Переходное искажение типа «ступеньки» можно наблюдать с помощью осциллографа. Для этого подать на вход усилителя с генератора звуковых частот напряжение частотой 1 кГц и такой величины, чтобы выходное напряжение усилителя, т. е. напряжение на эквиваленте нагрузки — резисторе сопротивлением, равным сопротивлению динамической головки, — было равно 0,5…1 В. Если теперь закоротить выводы диода VD1, появятся искажения типа «ступеньки».


3.5.4. Когда напряжение сети нестабильно [1]

Предлагаемое устройство защищает радиоаппаратуру быстрым отключением ее от питающей сети при изменении ее напряжения более допустимых пределов.

Решать описанные проблемы поможет полуавтомат, схема которого приведена на рис. 3.35.



Рис. 3.35. Схема полуавтомата защиты радиоаппаратуры


Основой предлагаемого полуавтомата служит мощное электромагнитное реле K1. Для питания его обмотки постоянным током применен выпрямительный мост VD2—VD4, подключенный к сети через гасящие конденсаторы С1 и С2. Включают устройство кратковременным нажатием на кнопку SB1. При этом реле K1 срабатывает, а его замыкающиеся контакты К1.1 блокируют контакты пусковой кнопки. Конденсатор С1 обеспечивает необходимый пусковой ток реле при включении. В рабочем режиме реле удерживается током, текущим через конденсатор С2, до напряжения сети не ниже 160 В. При налаживании устройства емкость конденсатора С2 (а иногда и конденсатора С1) приходится подбирать для каждого типа реле индивидуально.

При повышении напряжения сети до 240 В открываются стабилитроны VD7 и VD8. Одновременно срабатывает оптрон U1 и открывается тринистор VS1, который блокирует цепь питания обмотки реле К1. В результате реле отпускает, его размыкающиеся контакты К1.1 отключают нагрузку устройства от питающей сети переменного тока.

Конденсатор С3, шунтирующий резистор R3 в цепи управления тринистором VS1, предотвращает срабатывание защиты от импульсных помех. Резисторы Rl, R2 ограничивают броски тока через контакты пусковой кнопки SB1, одновременно являясь «предохранителями» в случае пробоя конденсатора С1 или С2.

Диод VD5 улучшает быстродействие устройства, которое определяется в основном типом примененного реле и составляет доли секунды. Время отпускания реле РЭН33, использованного в описываемом устройстве, не превышает 4 мс, что вполне достаточно для надежного срабатывания защиты. Резистор R5 ограничивает ток, текущий через светодиод оптрона U1. Подбором его (в пределах 8…25 кОм) можно регулировать в небольших пределах (5…10 В) порог срабатывания защиты по превышению входного напряжения.

Конструктивно полуавтомат выполнен в виде переносного удлинителя (рис. 3.36).



Рис. 3.36. Конструкция полуавтомата


На его лицевой стенке-крышке установлены сетевая розетка Х2, кнопочный выключатель SB1 (КМ2-1 или П2К без фиксации) и индикатор HL1. Электромагнитное реле (РЭН33), тринистор VS1 и все другие детали смонтированы на печатной плате из одностороннего фольгированного материала, которая размещена в пластмассовом корпусе.

Реле К1 может быть любого типа на рабочее напряжение 12…60 В, а его контакты рассчитаны на ток не менее 2…3 А при напряжении сети 220 В. При этом, соответственно, должно быть и номинальное напряжение конденсатора С4.

Конденсаторы С1 и С2 — К73, МБМ, МБГО на номинальное напряжение не менее 350 В (С2 лучше на 400 В). Стабилитроны VD7 и VD8 заменимы на аналогичные, суммарное напряжение стабилизации которых может быть от 310 до 340 В при токе 10… 12 мА. При меньшем суммарном напряжении стабилизации этих приборов (250…300 В) резистор R5 должен быть сопротивлением 30…47 кОм и большей рассеиваемой мощности. В этом случае увеличится нестабильности порога срабатывания защиты.

Диодный оптрон АОД101А (U1) допустимо заменить транзисторным серии АОТПО или АОТ127, соединив резистор R4 с эмиттером фототранзистора, анод тринистора VS1 — с выводом его коллектора, а между базой и эмиттером установить резистор сопротивлением 1 МОм. При этом и тринистор может быть с большим током управления, например, серии КУ201 или КУ202.

Налаживание устройства сводится в основном к подбору конденсаторов С2 и С1. Подбирая первый из них, добиваются отключения устройства при снижении напряжения сети до 160170 В, а второй — надежного включения Пусковой кнопкой SB1. Не исключен и подбор резистора R5 — для обеспечения надежного срабатывания системы защиты при напряжении сети, превышающим 240…250 В. При настройке не следует забывать о мерах электробезопасности — ведь все элементы устройства гальванически связаны с электросетью повышенной опасности.

В заключение несколько практических советов, связанных с возможными изменениями в самом устройстве защиты.

Если возникнут трудности с подбором высоковольтных стабилитронов VD7 и VD8, то возможно применение одного стабилитрона КС533А с дополнительным транзистором КТ940А, как показано на рис. 3.37, а. Переменным резистором R8 устанавливают напряжение порога срабатывания системы защиты. Однако ее надежность при этом несколько снизится, так как транзистор VT1 может «уходить на обрыв», и устройство не отключит нагрузку в случае превышения входного переменного напряжения. Стабилитроны же, как правило, выходят из строя на «замыкание», и это приводит лишь к отключению нагрузки.

Устройство удастся упростить, если заменить тринистор VS1 и оптрон U1 оптотиристором соответствующей мощности — с выходным импульсным током не менее 1 А, например, серии ЛОУ160. Полуавтомат с таким оптроном должен надежно блокировать по питанию обмотку реле К1 быстрой разрядкой конденсатора С4. Наиболее распространенный оптрон серии ЛОУ10З выдерживает импульсный ток значением до 0,5 А, которого может оказаться недостаточно для надежной работы устройства.

Вообще же оптрон можно заменить маломощным импульсным трансформатором. Подойдет, например, согласующий трансформатор усилителя 3Ч переносного транзисторного радиоприемника или аналогичный, обмотки которого содержат по 150…300 витков провода ПЭВ-2 0,15…0,3. Обмотку с меньшим числом витков подключают к цепи управления тринистором VS1 (рис. 3.37, б), а обмотку с большим числом витков — вместо излучающего диода оптрона U1. Резисторы R3 и R4 в этом случае из устройства удаляют.



Рис. 3.37. Некоторые возможные изменения в конструкции полуавтомата


Для надежной работы устройства в качестве SB1 следует установить кнопку, рассчитанную на полный пусковой ток защищаемого устройства. В цепь анода тиристора VS1 желательно установить ограничительный резистор сопротивлением порядка 10 Ом, он предохранит тиристор от возможного пробоя разрядным током конденсатора С4.


3.5.5. Тиристорный регулятор напряжения

Этот прибор позволяет регулировать напряжение на активной нагрузке в пределах от нескольких десятков вольт до 220 В при нагрузке мощностью до 1000 Вт. Принципиальная схема регулятора приведена на рис. 3.38.



Рис. 3.38. Принципиальная схема тиристорного регулятора напряжения


Тринисторы VS1 и VS2 включены навстречу друг другу — параллельно между собой и последовательно с нагрузкой; они поочередно пропускают ток то в одном, то в другом направлении.

При включении регулятора в сеть в первый момент оба тринистора закрыты и конденсаторы C1, С2 заряжаются через переменный резистор R5.

Выходное напряжение устанавливают с помощью переменного резистора R5, который совместно с конденсаторами C1, С2 образует фазосдвигающую цепочку. Тринисторы управляются импульсами, формируемыми с помощью динисторов VS3, VS4.

Если тринисторы VS1, VS2 установить на радиаторы, то можно увеличить нагрузку до 1,5 кВт.

В некоторый момент времени, который определяется сопротивлением включенной в цепь части резистора R5, когда напряжение на конденсаторах станет равным напряжению включения Uвкл динистора, открывается один из динисторов (какой именно, зависит от полярности полупериода) и параллельно конденсатору, например С2, подключается цепочка из двух резисторов R3, R4.

На резисторе R4 появляется скачок напряжения, равный половине напряжения переключения (=< 5 В). Напряжение на конденсаторе Uc2 распределяется между резисторами R3, R4 и динистором VS4. Этот скачок напряжения включит тринистор VS2, и через нагрузку потечет ток. Отключается указанный тринистор в начале отрицательного полупериода сетевого напряжения; тогда же начинается новый цикл зарядки конденсаторов, но уже в обратной полярности. Теперь открывается второй динистор и второй тринистор.

Резисторы Rl, R4, каждый по 51 Ом, рекомендуется подключать в цепь управления для повышения надежности работы тринисторов.

Особенность работы этой схемы состоит в том, что в ней используются оба полупериода переменного тока.

При использовании динисторов типа КН102Б или КН102В емкости конденсаторов C1, С2 надо уменьшить до 0,2 мкФ и 0,15 мкФ соответственно. Напряжения переключения для них равны 7 В и 10 В соответственно. Конденсаторы любые малогабаритные на напряжение не менее 300 В. Постоянные резисторы типа МЛТ или ВС, переменный резистор типа СП2-2-1.


3.5.6. Два варианта включения ламп дневного света[2]

Традиционные элементы пускового устройства лампы дневного света (ЛДС) — дроссель и стартер. При выходе из строя или отсутствии этих деталей можно воспользоваться предлагаемыми вариантами включения ЛДС с использованием доступных элементов.

На рис. 3.39, а приведена схема пускового устройства, для которого понадобится повышающий трансформатор и включенный последовательно с ним бумажный конденсатор емкостью 12…25 мкФ на напряжение не менее 350 В.

Трансформатор можно намотать на магнитопроводе сечением 2 см2. Его обмотка I должна содержать 500 витков провода ПЭВ-2 0,8…0,9, а обмотка II — 2800 витков провода ПЭВ-2 0,25…0,3.

В качестве трансформатора подойдет любой готовый понижающий с напряжением на вторичной обмотке 12…36 В (например, выходной трансформатор кадровой развертки телевизора ТВК-110ЛМ) и мощностью не менее 5 Вт. Его первичная обмотка используется как обмотка II, а вторичная — как I.



Рис. 3.39. Два варианта включения ламп дневного света


Емкость конденсатора не изменяют при включении в сеть нескольких (до пяти) ЛДС, соединив последовательно обмотки I их трансформаторов (рис. 3.39, б). Параллельно обмоткам подпаивают выводы выключателей, которыми можно зажигать одну, две или все лампы.

При необходимости к обмоткам II допустимо подключать две последовательно соединенные ЛДС мощностью по 20 Вт или одну мощностью 40 Вт.


3.6. ПОЛЕЗНЫЕ СОВЕТЫ

3.6.1. Определение назначения обмоток сетевого трансформатора

Если требуется определить назначение обмоток трансформатора транзисторного приемника, магнитофона или магнитолы, то в первую очередь определяют сетевую обмотку, которая содержит большее число витков и поэтому обладает высоким сопротивлением. Обмотку меньшего сопротивления, обычно не превышающего 10,8 Ом, считают вторичной (понижающей).

При отсутствии омметра сетевую обмотку находят с помощью компаса. Выполняется это так. Устанавливают рядом с трансформатором или кладут прямо на его сердечник обыкновенный компас, присоединяя поочередно к выводам обмоток гальванический элемент или батарею, и наблюдают за стрелкой компаса. Та обмотка, которая отклоняет стрелку на больший угол, и представляет собой сетевую обмотку.


3.6.2. Определение числа витков обмоток сетевого трансформатора

Обмотать боковые стержни сердечника одним-двумя слоями бумаги, осторожно продевая провод, намотать на катушку трансформатора поверх имеющихся обмоток еще одну дополнительную обмотку. Число витков wдоп обмотки желательно взять не менее 25, а в качестве обмоточного провода применить любой изолированный провод диаметром 0,15…0,51 мм. Затем собрать схему, изображенную на рис. 3.40, и установить с помощью автотрансформатора такое напряжение на первичной обмотке I, при котором показание вольтметра равно Uдоп = 46 В. Перевести переключатель в положение 2–1 и записать второе показание U1 вольтметра.



Рис. 3.40. Схема для определения чиста витков сетевого трансформатора


Вычислить число витков обмотки w1 по формуле:

w1 = wдоп∙(U1/Uдоп)

После определения w1 нетрудно таким же способом вычислить число витков и других обмоток.


3.6.3. Нахождение обмотки с бóльшим числом витков

Если об обмоточных проводах трансформатора ничего не известно и сопротивления обмоток не сильно отличаются друг от друга, то обмотку трансформатора, содержащую бóльшее число витков Об, находят следующим образом.

Для этого следует иметь гальванический элемент и миллиамперметр или вольтметр. Присоединяют к одной из обмоток (например, АВ) гальванический элемент, а к другой (CD) — миллиамперметр (рис. 3.41) с предельным значением тока 1 мА. Источник напряжения и прибор подключают к обмоткам так, чтобы при включении элемента стрелка миллиамперметра отклонялась влево, а при отключении — вправо.



Рис. 3.41. Схема для нахождения обмотки трансформатора с большим числом витков


Замкнув и разомкнув контур I, меняют местами гальванический элемент и миллиамперметр и размыкают контур II. Обмотку Об определяют по величине угла отклонения стрелки. Этот угол больше в том случае, если миллиамперметр присоединён к обмотке Об.


3.6.4. Электродвигатель станет сильнее

Увеличение паспортной мощности на 15 % достигается с помощью регулируемого по напряжению выпрямительного блока. Благодаря ему устраняются потери, связанные с перемагничиванием сердечника, что существенно уменьшает вероятность выхода из строя двигателей от перегрузок, увеличивает срок их службы.

В качестве регулятора предлагается схема с использованием тиристоров типа 2У202М, 2У202Н, КУ202М, КУ202Н либо с буквенным обозначением К или Л (рис. 3.42).



Рис. 3.42. Схема регулятора напряжения для электродрели


В мостовой схеме выпрямителя используются диоды Д245А, Д246А, но можно Д245, Д246, Д245В, Д247. Резистор R1 — составной.

В качестве индикатора включения аппарата используется неоновая лампа МН-9. В схеме применены три выключателя тумблерного типа ТП1-2.

Изменяя потенциометром R3 напряжение на управляющем электроде тиристора VS1, регулируем ток, проходящий через тиристор VS1, а следовательно, и ток, проходящий через мост.

В схеме предусмотрено подключение для двух видов нагрузки: Rн1 и Rн2. Первая предназначена для потребителей переменного тока, а вторая — постоянного. Нагрузку, например, дрель включаем в один из обозначенных разрывов цепи: Rн1 или Rн2. Соответственно, надо накоротко замкнуть свободный разрыв цепи выключателем SA2 или SA3. В первом случае вращением потенциометра R3 изменяем частоту вращения дрели, во втором — изменяем и частоту вращения и мощность коллекторного электродвигателя.

Наладка собранной схемы производится с помощью регулирования двух резисторов R1 и R3 при подключенной нагрузке. Вместо R1 временно можно поставить переменный резистор сопротивлением 20 кОм. Движок его ставится в среднее положение. И далее, перемещая движок, следует добиться вращения электродвигателя под нагрузкой от максимальных до минимальных оборотов. Затем надо заменить переменный резистор постоянным.

Регулятор напряжения собирается на текстолитовой плате и размещается в подходящем корпусе сетевого удлинителя с выводом ручки потенциометра R3 наружу.


3.6.5. Устройство для намагничивания магнитов [3]

Устройство работает следующим образом (рис. 3.43).



Рис. 3.43. Схема устройства для намагничивания магнитов


После включения питания начинается заряд накопительного конденсатора С1 через цепочку VD2, R5, R6, VD1. Через 15…20 сек загорается индикатор HL1 «Готов», сигнализирующий о том, что напряжение на С1 достигло рабочей величины (120 В). Теперь можно нажать кнопку SB1, через тиристор VS1 и катушку-соленоид L1 происходит разряд конденсатора С1. Импульс тока, прошедший через L1, создает магнитное поле, которое намагничивает заготовку из магнитного материала, находящуюся внутри соленоида.

Катушка L1 может иметь различную форму и число витков, а также может быть снабжена сердечником необходимой формы из ферромагнитного материала. В данном случае катушка L1 имеет 20 витков провода МГШВ-0,35 на сердечнике из электротехнической стали, заготовки из сплава ЮНД4 в ней намагничиваются до уровня 30…50 мТл.

Очевидно, что изменив номиналы элементов схемы, можно добиться других уровней остаточной индукции, например, увеличения намагниченности можно добиться, увеличив емкость конденсатора С1 и сопротивление резистора R3.

Налаживание устройства состоит в подборе сопротивления резистора R1 до максимально возможной величины, при которой надежно открывается и затем закрывается тиристор VS1 (после зажигания индикатора «Готов» и нажатия и отпускания кнопки «Разряд»).


3.6.6. Как размагнитить инструмент

Конструкция, о которой пойдет разговор, не столько демонстрационное пособие, сколько полезный прибор для школы, кружка, дома. Ведь вам часто приходится пользоваться инструментом из магнитного материала, и вы наверняка замечали, что со временем он становится постоянным магнитом — начинает притягивать мелкие предметы и детали: гайки, шайбы, винты. А это неудобно для работы, следовательно, инструмент нужно размагничивать.

Для этой цели служит приспособление, показанное на рис. 3.44, а. Оно состоит из катушки индуктивности L1, понижающего трансформатора T1 и кнопочного выключателя SB1.

Электрическая схема соединений деталей приведена на рис. 3.44, б. Когда на катушку подают питающее напряжение, катушка создает переменное магнитное поле — оно и размагничивает инструмент.



Рис. 3.44. а) Приспособление для размагничивания инструмента б) схема устройства для размагничивания инструмента


Из плотной бумаги склейте каркас катушки толщиной 1,5…2 и длиной 80 мм. Внутренний диаметр каркаса 30…35 мм. По краям каркаса установите щечки толщиной 5…6 и диаметром 80 мм.

На каркас намотайте обмотку — примерно 1 000 витков провода ПЭЛ или ПЭВ диаметром 0,7…0,9 мм. Сопротивление такой обмотки будет около 8 Ом.

Понижающий трансформатор — любой конструкции, с напряжением на обмотке II 10…15 В при токе нагрузки до 2 А.

Включив установку в сеть, нажмите кнопку выключателя и введите внутрь каркаса катушки, например, отвертку. Подержите ее 10…15 с, а затем выключите установку. Если отвертка не успела размагнититься, операцию повторите.

При отсутствии намагниченных инструментов можете взять, скажем, толстый гвоздь, намагнитить его с помощью постоянного магнита, а затем размагнитить на установке. Индикатором степени намагниченности и эффекта размагничивания допустимо использовать компас.


3.7. ЗАДАЧИ

1. Сила тока в паяльнике 0,9 А при напряжении 220 В. Определите мощность тока в паяльнике и сопротивление обмотки паяльника.

2. Определите сопротивление электрической лампы, на баллоне которой написано: 220 В, 100 Вт.

3. У какой лампы сопротивление нити накала больше: мощностью 50 Вт или 100 Вт, если они рассчитаны на одинаковое напряжение?

4. Сопротивление какой цепи переменному току больше, во сколько раз и почему (рис. 3.45, а, б)?



Рис. 3.45. Сопротивление какой цепи переменному току больше, во сколько раз и почему?


5. При каких соотношениях ХС и XL (рис. 3.46, б) в цепи будет резонанс напряжения (считать, что R < ХС, R < XL)?



Рис. 3.46. При каких соотношениях ХС и XL в цепи будет резонанс напряжения


6. На рис. 3.47 показан трансформатор и приведены значения напряжений и сила токов во вторичных обмотках. Укажите все возможные варианты соединения вторичных обмоток трансформатора, величины напряжений и допустимую силу токов в полученных обмотках.



Рис. 3.47. Указать все возможные варианты соединения вторичных обмоток трансформатора

Глава 4 Полупроводниковые приборы

К полупроводникам относят вещества, занимающие по величине удельного электрического сопротивления (или проводимости) промежуточное положение между проводниками (металлами) и диэлектриками (табл. 4.1).



Характерным признаком полупроводников, выделяющим их в особый класс веществ, является сильная зависимость их электропроводности от концентрации примесей и энергетических воздействий (температуры, света и др.). Например, даже при небольшом повышении температуры проводимость полупроводников резко возрастает (около 5 % на ГС), тогда как у металлов проводимость снижается, причем незначительно (на десятые доли процента на ГС). Введение в полупроводник даже небольшого количества легирующих примесей (около 10 %) существенно увеличивает его проводимость. В электронике находит применение лишь ограниченное число известных полупроводников — германий, кремний, арсенид галия. Бор, фосфор, мышьяк и другие используют в качестве легирующих примесей. Большинство полупроводниковых диодов изготавливаются на основе кремния.

Полупроводники, применяемые в электронике, имеют монокристаллическую структуру. Это значит, что по всему их объему атомы размещены в строго периодической последовательности на определенных постоянных расстояниях друг от друга, образуя кристаллическую решетку. В такой идеальной кристаллической решетке все электроны связаны со своими атомами, поэтому такая структура не проводит электрический ток. Однако в полупроводниках сравнительно небольшие электрические воздействия (нагрев, облучение) приводят к отрыву некоторых электронов от своих атомов. Такие электроны называют электронами проводимости. Они перемещаются по кристаллической структуре и улучшают ее электропроводность. При уходе электрона из атома в кристаллической решетке образуется незаполненная связь (дырка). Ей присущ нескомпенсированный положительный заряд, равный по величине заряду электрона. Это приводит к хаотическому возникновению дырок в связях других атомов, что эквивалентно хаотическому перемещению положительных зарядов. При наличии внешнего электрического поля дырка будет двигаться в направлении, определяемом силами поля, в кристалле возникает электрический ток. Движение электронов и дырок в полупроводнике обуславливает его собственную электропроводность. Она мала, ее можно улучшить, вводя в монокристалл легирующие примеси. Практически не существует полупроводников с чисто электронной или чисто дырочной проводимостью. Электропроводность полупроводников определяется основными носителями заряда, концентрация которых намного больше концентрации неосновных носителей. По функциональным возможностям полупроводниковые приборы можно разделить на три основных класса: диоды, транзисторы и тиристоры.

Диод (рис. 4.1) представляет собой пассивный нелинейный полупроводниковый прибор с двумя электродами — анодом и катодом.

Он проводит ток в прямом направлении, когда к аноду приложен положительный потенциал, а к катоду — отрицательный, и не проводит ток в обратном направлении. Пассивным он называется потому, что не усиливает мощность передаваемого сигнала.



Рис. 4.1. Полупроводниковый диод


Транзистор (рис. 4.2) это полупроводниковый прибор с тремя электродами, который может усиливать сигнал по мощности.



Рис. 4.2. Биполярный транзистор


Тиристор (рис. 4.3) это управляемый полупроводниковый прибор, который используется только в ключевом режиме (открыт-закрыт).



Рис. 4.3. Тиристор


Рассмотрим более подробно эти полупроводниковые приборы.


4.1. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

Слово «диод» образовано от греческих слов «ди» — два и сокращенного «(электр)од». До сих пор мы изучали линейные элементы — резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности. Это значит, что при удвоении приложенного к ним напряжения сила тока тоже удваивается. Вольтамперная характеристика (ВАХ) этих элементов является прямой линией. Диод является нелинейным элементом, поэтому его ВАХ нелинейная (рис. 4.4).



Рис. 4.4. Вольт-амперная характеристика диода


Обратный ток для диодов общего назначения измеряется в долях микроампер (обратите внимание на разный масштаб измерений прямого и обратного тока!), его обычно не принимают во внимание до тех пор, пока обратное напряжение не достигнет значения напряжения пробоя. В этом случае обратный ток диода возрастает до значений, соизмеримых с прямым током, и диод выходит из строя.

Прямой ток резко возрастает при малых положительных напряжениях U, однако он не должен превышать определенного максимального значения Iмакс, так как иначе произойдет перегрев и диод выйдет из строя.

На рис. 4.5 приведена ВАХ германиевого и кремниевого диодов для положительных напряжений. Следует иметь ввиду (см. рис. 4.5), что германиевые диоды открываются в прямом направлении при напряжении 0,2…0,4 В, а кремниевые — при 0,6…0,8 В, и что германиевые диоды имеют меньшее сопротивление в прямом, направлении чем кремниевые. И еще следует отметить: с повышением температуры и прямой и обратный токи увеличиваются.



Рис. 4.5. ВАХ германиевого и кремниевого диодов


По диапазону частот, в котором могут работать диоды, их подразделяют на низкочастотные (НЧ) и высокочастотные (ВЧ). По назначению НЧ диоды подразделяют на выпрямительные, стабилизирующие, импульсные, а ВЧ диоды — на детекторные, смесительные и другие.

Рассмотрим параметры диодов. Различают параметры номинального и предельного режимов работы. Номинальное значение параметра соответствует нормальному режиму работы. Параметры предельного режима характеризуют их максимально допустимые значения, при которых обеспечивается надежность прибора при длительной работе.

Здесь рассмотрим параметры наиболее широко распространенных групп выпрямительных (используемых для выпрямления переменного тока) и универсальных (используемых в качестве выпрямителей переменного тока высоких и низких частот, умножителей и преобразователей частоты, детекторов больших и малых сигналов и т. д.) диодов. Диоды применяют в цепях как постоянного, так и переменного тока.

Средний выпрямленный (прямой) ток Iпр представляет собой ток (среднее значение за период), проходящий через диод, при котором обеспечивается его надежная и длительная работа. Значение этого тока ограничивается максимальной мощностью Рмакс, рассеиваемой диодом. Превышение этого тока ведет к тепловому пробою и повреждению диода.

Прямое падение напряжения Uпр. ср — среднее значение за период на диоде при прохождении через него допустимого прямого тока.

Допустимое обратное напряжение Uобр — среднее значение за период, при котором обеспечивается надежная длительная работа диода. Превышение обратного напряжения приводит к пробою и выходу диода из строя. С повышением температуры значения обратного напряжения и прямого тока снижаются.

Обратный ток Iобр — среднее значение за период обратного тока при допустимом Uобр. Чем меньше обратный ток, тем лучше выпрямительные свойства (свойства односторонней проводимости) диода. Повышение температуры на каждые 10°С приводит к увеличению обратного тока у германиевого и кремниевого диодов в 1,5…2 раза и более.

Максимальная постоянная, или средняя за период, мощность Рмакс, рассеиваемая диодом, при которой он может длительно работать, не изменяя своих параметров.

Предельный режим использования диодов характеризует максимально допустимое обратное напряжение Uобр. макс и максимальный выпрямленный ток Iпр. макс.

Основные параметры наиболее распространенных диодов приведены в таблице 4.2.




В числителе — максимально допустимый импульсный прямой ток, в знаменателе — максимально допустимый постоянный или средний прямой ток.


Если в вашей «кладовке» не оказалось нужного диода, то можно его заменить другим, т. е. найти ему аналог (см. табл. 4.3).



Внешний вид диодов показан на рис. 4.6.



Рис. 4.6. Внешний вид диодов


Маркировка диода нанесена либо на корпусе, либо на выводах в одном случае буквами и цифрами, в другом цветными метками. Диоды Д9 маркируют цветными точками в середине корпуса: Д9Б — красной, Д9В — оранжевой, Д9Г — желтой, Д9Д — белой, Д9Е — голубой, Д9Ж — зеленой и голубой, Д9И — двумя желтыми, Д9К — двумя белыми, Д9Л — двумя зелеными. Около вывода анода на корпусе ставят красную точку.

Для диодов серии D220 принята иная система. Все они маркируются желтой точкой, вывод анода отмечается красной точкой, а вывод катода помечается синей точкой для диода Д220, черной для Д220А, зеленой для Д220Б.

А теперь допустим, что у вас оказался уже работавший в каком-либо устройстве диод. Как узнать, исправен он или нет? Если у вас есть авометр, тогда это не составит труда, для этого необходимо измерить его прямое Rпр и обратное Rобр сопротивления (рис. 4.7).



Рис. 4.7. Измерение прямого и обратного сопротивлений диода с помощью авометра


Если прямое сопротивление составляет десятки ом, а обратное — несколько единиц или десятков килоом, то диод исправен. Чем меньше прямое сопротивление и больше обратное, тем выше качество диода. Если же и прямое и обратное сопротивления бесконечно большие, значит, диод перегорел. А если у вас авометра нет, то и это не беда. Возьмем батарею 3336Л (на 4,5 В) или «Крону» (на 9 В) и лампочку от карманного фонаря, подключим их так, как показано на рис. 4.8. Лампочка должна «гореть», когда «+» батареи подключен к аноду диода, — это говорит о том, что диод исправен.



Рис. 4.8. Проверка исправности диода с помощью батарейки и лампочки от карманного фонаря


При проверке диода омметром (авометром) следует учитывать, что из-за нелинейности ВАХ диода измеренные значения и зависят от напряжения источника питания омметра. Чем больше это напряжение, тем меньшими получаются значения Rпр и большими Rобр. Измеренные обратные сопротивления оказываются много меньше тех значений, которые соответствуют более высоким обратным напряжениям, прикладываемым к диодам в схемах различных устройств (рис. 4.9).

Это обстоятельство следует всегда учитывать, особенно при отбраковке выпрямительных диодов. Рекомендации по применению диодов (перенести сюда).



Рис. 4.9. В зависимости от величины обратного напряжения будет различно и сопротивление диода


4.2.1. Рекомендации по применению диодов

1. Для повышения надежности работы приборов в аппаратуре необходимо снижать температуру переходов, а также рабочие напряжения и токи: они должны быть существенно ниже предельно допустимых. Рекомендуется устанавливать напряжения и токи на уровне 0,5…0,7 от предельных значений. Не допускается также кратковременное превышение предельно допустимого режима при эксплуатации.

2. Если необходимое значение тока или напряжения превышает предельно допустимое для данного прибора значение, рекомендуется их параллельное или последовательное соединение. При параллельном соединении необходимо выравнивать токи через диоды с помощью резисторов с небольшим сопротивлением (до 10 Ом в зависимости от типа диода), включаемых последовательно с каждым диодом. При последовательном включении диодов обратные напряжения на них выравниваются с помощью шунтирующих резисторов или конденсаторов. Рекомендуемые сопротивления и емкости шунтов указываются в ТУ на диоды. Между последовательно или параллельно включенными диодами должна быть хорошая тепловая связь (например, установка на одном радиаторе). В противном случае распределение нагрузки между диодами будет неустойчивым.

3. Необходимо придерживаться принципа максимально возможного снижения температуры переходов и корпуса приборов.

Для охлаждения мощных диодов используют теплоотводяшие радиаторы, а также конструктивные элементы узлов и блоков аппаратуры. Крепление диодов к радиатору должно обеспечивать надежный тепловой контакт. Если корпус должен быть изолирован, то для уменьшения общего теплового сопротивления лучше изолировать радиатор от корпуса аппаратуры, чем диод от радиатора.

4. Расстояние от корпуса до начала изгиба выводов должно быть не менее 5 мм. Расстояние от корпуса или изолятора до места лужения или пайки вывода должно быть не менее 3 мм. Для отвода тепла участок вывода между корпусом и местом пайки зажимается пинцетом с губками из красной меди. Жало паяльника должно быть надежно заземлено. Время пайки должно быть минимальным (2…3 с), температура плавления припоя не превышать 260 °C (например, припой ПОС-40).

5. Не рекомендуется располагать диоды ни в постоянных, ни в переменных сильных магнитных полях.

6. Устройство с диодами необходимо рассчитывать с учетом максимально возможных изменений параметров в диапазоне рабочих температур, а также в процессе эксплуатации и хранения.


4.2.2. Стабилитроны

Стабилитроны применяются для стабилизации напряжения источников постоянного тока, в качестве ограничителей, фиксаторов уровня, развязывающих элементов переключающих устройств, а также для фиксации уровней напряжений и токов в схемах, отсюда другое название кремниевых стабилитронов — опорные диоды.

В стабилитронах обратная ветвь ВАХ имеет крутой излом (рис. 4.10, а), обусловленный резким ростом тока, и используется для стабилизации постоянного напряжения. Обратное сопротивление стабилитрона при малых напряжениях велико, а при достижении напряжения стабилизации ток резко возрастает. На рис. 4.10, б приведена рабочая часть ВАХ стабилитрона. Эффект стабилизации основан на том, что большое изменение тока Д1 вызывает малое изменение напряжения ΔU.



Рис. 4.10. ВАХ стабилитрона


Прямая ветвь стабилитрона ничем не отличается от характеристики обычного диода и падение напряжения в прямом направлении равно примерно 0,6 В.

Основные параметры стабилитронов: напряжение стабилизации Uст, максимальный Iст. макс и минимальный Iст. мин ток стабилизации, дифференциальное (динамическое) сопротивление rдиф ~= ΔUI, статическое сопротивление rстат ~= Uст/Iст, температурный коэффициент напряжения (ТКН) стабилизации αст = ΔU∙100/(Uст∙ΔТ)%/°С при постоянном токе стабилизации (табл. 4.4).



Стабилизация тем лучше, чем круче идет кривая ВАХ и, соответственно, чем меньше дифференциальное сопротивление rдиф, и чем меньше ТКН стабилизации.

Так как реальная ВАХ имеет некоторый наклон, то напряжение Uст стабилизации зависит от тока Iст стабилизации (рис. 4.11).



Рис. 4.11. Напряжение стабилизации в реальных условиях зависит от тока стабилизации


Максимальный ток стабилизации Iст. макс ограничен допустимой мощностью рассеивания Рдоп. Минимальный ток Iст. мин стабилизации соответствует началу устойчивого режима стабилизации; при меньших токах в диоде возникает значительное напряжение шумов (такой режим работы используется на специальных полупроводниковых приборах — генераторах шума).

ТКН стабилизации зависит от рабочей силы тока, а также от напряжения стабилитрона.

На рис. 4.12 показана зависимость ТКН стабилизации αст от напряжения Uст стабилизации. Как видно из рисунка, для высоковольтных стабилитронов αст больше нуля, а для низковольтных меньше нуля.



Рис. 4.12. График зависимости ТКН стабилизации стабилитрона от напряжения стабилизации


Для уменьшения ТКН стабилизации выпускаются термокомпенсированные стабилитроны, в которых соединены последовательно стабилитрон и р-n-переход (диод), включенный в прямом направлении. С повышением температуры падение напряжения на р-n-переходе (включенном в прямом направлении) уменьшается, а на обратно смещенном р-n-переходе (стабилитроне) растет. Таким способом у термокомпенсированных стабилитронов, например КС211, удается получить малый (у КС211Б αст = 0,02 %/°С, а, для сравнения, у КС650А αст = 0,2 %/°С).

На рис. 4.13 изображена схема параметрического стабилизатора напряжения, применяемая на практике.



Рис. 4.13. Принципиальная схема параметрического стабилизатора напряжения


При увеличении входного напряжения возрастет сила тока I в обшей цепи и сила тока через стабилитрон Iст. Увеличится падение напряжения на балластном резисторе Rб. Напряжение на стабилитроне Uст и на нагрузке Rн останутся практически неизменными. Обратите внимание: в схеме на катод стабилитрона подается «+» источника питания, а на катод — «—» источника!

Для стабилизации напряжения разной полярности выпускаются симметричные стабилитроны, имеющие симметричную ВАХ.

Диоды, у которых для стабилизации напряжения используется прямая ветвь ВАХ, называют стабисторами. Стабисторы включаются в схему стабилизации напряжения как обычные диоды. В отличие от стабилитронов стабисторы имеют малое напряжение стабилизации (около 0,7 В).

Для расширения диапазона стабилизации используют последовательное соединение в одном корпусе нескольких стабисторов.

Параметры стабисторов аналогичны параметрам стабилитронов, а их максимальная сила тока и мощность те же, что и у выпрямительных диодов. Стабисторы имеют отрицательный ТКН стабилизации. Для использования в качестве стабистора предназначены кремниевые диоды Д219С, Д22 °C, Д223С. Внешний вид всех стабилитронов одинаковый.

Если у вас нет стабилитрона на нужное напряжение, в этом случае надо собрать цепочку последовательно соединенных стабилитронов так, чтобы при протекании через них рабочего тока выполнялось равенство:

Uст1 + Uст2 + … + Uстn = Uст,

где Uст — требуемое напряжение стабилизации.

Так как напряжение стабилизации однотипных стабилитронов имеет значительный разброс, то для подбора стабилитронов надо собрать схему из последовательно соединенных источника постоянного напряжения с напряжением, превышающим напряжение стабилизации на 25…50 %, переменного резистора 500…1000 Ом, проверяемого стабилитрона и миллиамперметра. Для измерения напряжения стабилизации на стабилитроне надо иметь вольтметр с входным сопротивлением не менее 1 кОм/В (входное сопротивление универсального вольтметра не менее 45 кОм/В). С помощью переменного резистора устанавливают силу тока в цепи, равную рабочей силе тока стабилитрона, и измеряют напряжение стабилизации.

Для увеличения мощности рассеивания стабилитронов применяют радиаторы. В простейшем виде теплоотвод (радиатор) представляет собой две алюминиевые пластинки толщиной 2 мм и площадью 200…220 см2.

Для эффективного отвода тепла пластины хорошо прижимают к корпусу стабилитрона. Чтобы улучшить тепловой контакт, надо со стабилитрона в местах соприкосновения его с пластинами удалить краску и смазать невысыхающей смазкой, например, силиконовой. Это позволяет увеличить силу тока стабилизации стабилитронов, например, типа Д808…Д813 в десятки раз.

Для проверки исправности стабилитронов Д808…Д813, Д815 и др. можно воспользоваться любым авометром. Если при измерении прямого сопротивления авометр покажет сопротивление 100… 150 Ом, а при измерении обратного сопротивления стрелка прибора не сдвинется с места (на шкале «Ω∙10»), то стабилитрон считается исправным.

Если у вас нет нужных стабилитронов, можно использовать регулируемый аналог на транзисторах (рис. 4.13, б). Он имеет такую же ВАХ, как и стабилитрон, причем напряжение стабилизации можно регулировать в пределах 3…20 В резистором R1. Аналог представляет собой двухкаскадный усилитель постоянного тока (УПТ), охваченный отрицательной обратной связью (ООС) через делитель напряжения R1, R2, R3. Напряжение стабилизации определяется соотношением сопротивлений резисторов делителя, который устанавливают таким, чтобы напряжение на эмиттерном переходе транзистора VT1 было равно 0,7 В. При увеличении, например, напряжения на аналоге напряжение на базе транзистора VTI тоже увеличится, что приведет к увеличению тока через транзистор VT2, а следовательно, к компенсации повышения выходного напряжения. При указанных на схеме номиналах элементов регулируемый аналог имеет следующие характеристики:



Для установки напряжения стабилизации аналог подключают к источнику с напряжением 20…30 В через балластный резистор Rб сопротивлением 5…10 кОм и подстроечным резистором R1 устанавливают необходимое напряжение на выводах аналога.

Допускается последовательное соединение любого числа стабилитронов. Это в ряде случаев оказывается конструктивно и экономически выгоднее, чем использование одного более мощного и высоковольтного стабилитрона. В целях резервирования (повышения надежности бесперебойной работы) стабилитроны одного типа могут быть включены параллельно. При этом суммарная мощность, рассеиваемая на всех стабилитронах, не должна превышать максимально допустимую мощность рассеивания одного стабилитрона данного типа. Стабилитроны средней и большой мощности при работе должны устанавливаться на радиаторах.

Для повышения надежности работы стабилитронов целесообразно их эксплуатировать на 20…30 % ниже предельных значений по мощности рассеивания.


4.3. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

4.3.1. Общие сведения

«Транзистор» в переводе с английского означает «преобразователь сопротивления». Это полупроводниковый прибор, который служит для усиления и переключения сигналов.

Транзисторы, в которых прохождение тока через кристалл полупроводника обусловлено движением двух различных типов носителей заряда (электронов и дырок), называют биполярными. Особую группу составляют полевые, или униполярные транзисторы, которые работают с носителями заряда лишь одного знака (электронами или дырками), а также однопереходные транзисторы (двухбазовые диоды). Пока что мы будем вести речь о биполярных транзисторах, называя их просто транзисторами.

Выпускаются германиевые и кремниевые транзисторы. Они бывают р-n-р (читается «П-Н-П») и n-р-n (читается «Н-П-Н») структуры. УГО этих транзисторов и их диодные эквивалентные схемы приведены на рис. 4.14.



Рис. 4.14. УГО и эквивалентные схемы биполярных транзисторов


В настоящее время большинство транзисторов, в том числе транзисторы интегральных схем, выпускают на основе кремния, и они имеют, как правило, структуру n-р-n типа.

Транзистор состоит из двух противоположно включенных диодов, которые обладают одним общим n- или p-слоем. Электрод, связанный с ним, называется базой Б, а два других электрода называются эмиттером Э и коллектором К.

Диодные эквивалентные схемы поясняют структуру включения переходов транзистора. Хотя эта схема не характеризует полностью функции транзистора, она дает возможность представить действующие в нем обратные и прямые напряжения. Кроме того, диодные эквивалентные схемы позволяют определить практически структуру и электроды неизвестного транзистора, о чем разговор пойдет ниже.

На рис. 4.15 показаны условные графические обозначения транзисторов n-р-n и р-n-р структуры, выполненные на основе германия и кремния, и типовые напряжения на их электродах.



Рис. 4.15. УГО транзисторов на основе германия и кремния и типовые напряжения на их электродах


А на рис. 1П показаны цоколевки и упрощенные изображения корпуса со стороны выводов наиболее широко применяемых в любительской практике биполярных транзисторов мощности, а на рис. 2П — цоколевка полевых транзисторов малой мощности (буквенные индексы транзисторов на рис. 1П и 2П опущены).


4.3.2. Схемы включения транзисторов

В рабочем режиме к электродам транзисторов подключают постоянное напряжение внешних источников питания. Помимо постоянных напряжений, к электродам подводят сигналы, подлежащие, например, усилению. В связи с этим различают входную цепь, в которую подводят сигнал, и выходную, в которой с нагрузки снимают сигнал. В зависимости от того, какой из электродов при включении транзистора является общим для входной и выходной цепей, различают схемы с общей базой ОБ, общим эмиттером ОЭ и общим коллектором ОК. В схеме с общей базой (рис. 4.16, а) входной цепью является цепь эмиттера, выходной — цепь коллектора. В схеме с ОЭ (рис. 4.16, б,) входной является цепь базы, а выходной — цепь коллектора. В схеме с ОК (рис. 4.16, в) входной является цепь базы, а выходной — цепь эмиттера.



Рис. 4.16. Схема включения транзистора: а) с ОБ; б) с ОЭ; в) с ОК


Потенциал общего электрода схемы принимают равным нулю, а напряжения на других отсчитывают относительно потенциала общего электрода. Обозначения напряжений в цепях транзистора снабжают буквенными индексами, указывающими на электроды, между которыми оно включено, причем второй индекс относится к общему электроду схемы, например, Uбэ, Uкэ, Uбк и т. д.

Физические процессы, протекающие в транзисторах со структурой n-р-n и р-n-р, одинаковы. В транзисторах р-n-р, в отличие от транзисторов n-р-n, подается напряжение обратной полярности, а токи имеют противоположное направление.

В таблице 4.5 дается качественная оценка основных параметров схем с ОЭ, ОК и ОБ. Схема с ОЭ имеет наибольшее усиление по мощности и средние значения входного и выходного сопротивлений, поэтому она чаще других используется в усилителях.



4.3.3. Основные параметры транзисторов

Система параметров транзисторов насчитывает более пятидесяти параметров и характеристик. Как и для диодов, параметры транзисторов подразделяются на параметры, имеющие предельно допустимые значения (максимально и(или) минимально допустимые значения) и параметры, значения которых характеризуют свойства приборов.

Система предельно допустимых параметров включает в себя предельно допустимые значения напряжений коллектор-эмиттер, коллектор-база и база-эмиттер, предельно допустимые значения токов коллектора и базы и т. д. Предельно допустимые значения тока и напряжения обычно задаются для стационарных условий (например, постоянный ток коллектора), но могут приводиться и для импульсного режима работы. В этом случае оговаривается длительность импульса tn и частота f.

Система основных параметров, как правило, зависит от функционального назначения транзистора, его мощности и частотного диапазона работы, а также от рабочего режима и температуры, причем с увеличением температуры зависимость параметров от режима сказывается более сильно. В справочниках приводятся, как правило, типовые (усредненные) зависимости параметров транзисторов от силы тока, напряжения, температуры, частоты и т. д. Эти зависимости должны использоваться при выборе типа транзистора и сравнительных расчетах, так как значения параметров транзисторов одного типа не одинаковы, а лежат в некотором интервале. Этот интервал ограничивается минимальным или максимальным значением, указанным в справочнике.

В конце книги некоторых справочников помещен алфавитно-цифровой указатель транзисторов и указаны страницы. Поэтому данные о любом транзисторе можно найти быстро.

Перечень основных предельных эксплуатационных параметров (исключая СВЧ-транзисторы и силовые транзисторы) приведен в таблице 4.6.







*(при Uкб, В; Iк, А)


4.3.4. Статические ВАХ транзистора

ВАХ содержит информацию о свойствах транзистора во всех режимах работы, в том числе о связях между параметрами. По ВАХ можно определить ряд параметров, не приводимых в справочниках, а также рассчитать цепи смещения, стабилизации режима, оценить работу транзистора в широком диапазоне импульсных и постоянных токов, мощностей и напряжений. В основном используются два семейства статических ВАХ: входные и выходные.

Входные характеристики устанавливают зависимость входного тока (тока базы в схеме с общим эмиттером) от напряжения между базой и эмиттером при определенном напряжении на коллекторе. Входная характеристика германиевого транзистора структуры р-n-р МП40 приведена на рис. 4.17, а; на рис. 4.17, б изображена такая же характеристика кремниевого транзистора КТ361 такой же структуры.



Рис. 4.17. Входная характеристика: а) германиевого транзистора МП40; б) кремниевого транзистора КТ361


При нулевом напряжении на коллекторе (относительно эмиттера) ход кривой обеих характеристик весьма схож, за исключением значений базовых напряжений, при которых начинают открываться транзисторы (у кремниевых транзисторов оно несколько больше). Из рисунков видно, что это, по сути дела, характеристики полупроводниковых диодов. При подаче на коллектор транзистора постоянного напряжения «диод» (т. е. эмиттерный переход) начинает работать в несколько измененном режиме, что отразится на его входной характеристике на рис. 4.17, а при U = 5 В).

Выходные характеристики устанавливают зависимость тока коллектора от напряжения на нем при определенном токе базы (в схеме с ОЭ). На рис. 4.18 приведена выходная характеристика транзистора МП40.



Рис. 4.18. Выходные характеристики транзистора МП40


Если нанести на эту характеристику предельно допустимые значения тока коллектора, напряжений на коллекторе и рассеиваемую мощность, то получим область допустимой работы транзистора. Достаточно теперь в конкретном каскаде проанализировать режим транзистора (ток коллектора, напряжение на коллекторе, ток базы) и перенести измеренные параметры на характеристику, чтобы узнать, насколько близок режим работы транзистора к критическому режиму.

При изменении температуры входные и выходные характеристики смещаются. На рис. 4.19 в качестве примера показаны выходные характеристики транзистора при различных температурах.



Рис. 4.19. Выходные характеристики транзистора при различных температурах


Из рисунка видно, что с повышением температуры не только увеличивается коллекторный ток Iк, но и увеличивается наклон (крутизна) выходных характеристик. Для температурной стабилизации режима работы транзисторов вводят цепи обратной связи, а также применяют алюминиевые или медные радиаторы с большой поверхностью охлаждения.


4.3.5. Анализ усилительных каскадов

По схеме усилителя к электронной сирене (рис. 3.31) проанализируем основные параметры первого каскада — простейшего усилителя, собранного по схеме с общим эмиттером. Так, в цепи эмиттера у него отсутствует резистор для стабилизации режима работы, такой каскад вносил бы большие искажения. Здесь задача стабилизации режима работы каскада решена путем использования обратной отрицательной связи (ООС) по постоянному и переменному току.

В усилительных каскадах без стабилизирующего резистора в цепи эмиттера параметры усилителя можно определить по формулам:

1. Коэффициент усиления по напряжению:

К = IкRк/Uт,

где Uт — термический потенциал. При комнатной температуре Uт = 25,5 мВ.

Входное сопротивление:

Rвx = Rбэ = h21эUт/Iк,

где Rбэ — сопротивление участка база-эмиттер транзистора; h21э — статический коэффициент передачи тока транзистора.

3. Выходное сопротивление:

Rвx RкRкэ/(Rк + Rкэ),

где Rкэ — сопротивление участка коллектор-эмиттер транзистора.

Обычно Rкэ >> Rк. Taк, при токе коллектора в 1 мА типовое значение Rкэ примерно равно 100 кОм, а при токе 200 мкА оно равно примерно 500 кОм.

Необходимо помнить, что внутреннее сопротивление источника сигнала r и входное сопротивление транзистора Rвx  образуют делитель напряжения и напряжение источника сигнала будет распределяться между этими сопротивлениями. Надо учитывать и то, что сопротивление нагрузки усилителя (например, входное сопротивление следующего каскада) подключено по переменному току (сигналу) параллельно с Rк и Rкэ.

Значительно чаще находит применение схема с общим эмиттером и ООС по току (в цепи эмиттера имеется резистор Rэ). Так, второй и третий каскады усилителя «электронного уха» выполнены именно по этой схеме.

1. Коэффициент усиления такого каскада:


где S = Iк/Uт — крутизна передаточной характеристики.

При увеличении сопротивления резистора Rэ увеличивается глубина ООС и К —> Rк/Rэ, а при уменьшении К —> IкRк/Uт.

Если вычислить коэффициент усиления второго каскада усилителя по приближенной формуле, то получим 4,7 и 3,3 соответственно.

2. Входное сопротивление

Rвx = Rбэ + h21эRэ =h21э∙(1/S + Rэ)

Из этого выражения видно, что входное сопротивление легко определить, зная сопротивление резистора Rэ и коэффициент передачи транзистора по току h21э.

3. Выходное сопротивление:

Rвых ~= Rк

Следует остановиться на выборе рабочей точки на характеристике транзистора. В усилителе «электронного уха» установка рабочей точки осуществляется с помощью гасящего резистора. Если требуется стабильный режим работы, то обязательно надо использовать ООС по току, т. е. в цепь эмиттера включить резистор что и сделано в этом усилителе.

Теперь рассмотрим интересный пример. Транзистор имеет параметр — обратный ток коллектора Iкб0, который зависит от температуры: при повышении температуры на каждые 10 °C ток Iкб0 кремниевых транзисторов изменяется в 2,5 раза. Сам по себе ток незначителен: у маломощных транзисторов он составляет микроамперы, но от него зависит ток коллектора: IкIкб0∙(h21э + 1). Например, если Iкб0 = 5 мкА при 20 °C, то при 40 °C, а это обычная температура внутри работающего транзистора, он возрастает до 20 мкА, что приводит к увеличению тока коллектора на ΔIк = ΔIкб0∙(h21э + 1) = 15∙(25 + 1) = 390 мкА, т. е. почти на 0,4 мА, а это уже заметно, т. к. рабочий ток коллектора составляет 1 мА. А если h21э составляет сотни единиц, то ток коллектора увеличится в несколько раз.

Увеличение тока коллектора приводит к уменьшению тока базы, поскольку ток базы Iб = IэIк. Изменение же тока базы приводит к изменению напряжения на базе, а даже незначительное изменение напряжения Uбэ приводит к значительному изменению тока коллектора транзистора. Поэтому очень важно обеспечить температурную стабилизацию режима работы транзистора.

Следует также отметить, что схема с ОЭ при больших токах базы и больших сопротивлениях резистора Rб чувствительна к пробою, поэтому, чтобы исключить работу транзисторного каскада с обрывом базы (т. е. при Rб = ), первым следует подключать (подпаивать) к схеме вывод базы, а отключать (отпаивать) последним.

Применение индуктивности в цепи базы транзистора при работе с короткими импульсами или импульсами с крутыми фронтами так же недопустимо, как и использование больших сопротивлений в цепи базы.

Схема с общим коллектором (эмиттерный повторитель) тоже ча<;то находит применение, т. к. имеет большое входное и малое выходное сопротивления. Его коэффициент усиления К ~= 1 (К < 1), входное сопротивление Rвх ~= h21эRэ и почти не отличается от входного сопротивления схемы с общим эмиттером и ООС по току.

Выходное сопротивление:


где Rвн — внутреннее сопротивление входного источника сигнала.

Схема с общей базой редко используется, поэтому мы не будем приводить ее параметры.

Предельные параметры учитываются и при замене одного типа транзистора другим. Не рекомендуется, например, использовать высокочастотный транзистор там, где может работать низкочастотный. Высокочастотные транзисторы, как правило, очень чувствительны к перегрузкам, усилительные схемы на них подвержены самовозбуждению.

Для маломощных схем, работающих при малых коллекторных токах, необходимо выбирать маломощные транзисторы. Применение мощного транзистора в этом случае приведет к неустойчивой работе схемы. Кроме того, в первом каскаде высокочувствительных усилителей рекомендуется применять транзисторы с малым уровнем шумов.

При замене одного типа транзистора другим в УЗЧ целесообразно применять транзисторы со значением h21э, не ниже, чем у заменяемого. При недостаточных методах стабилизации рабочей точки может потребоваться индивидуальный подбор сопротивления резистора в цепи базы для установки необходимого тока коллектора. При этом может оказаться, что заменяемый транзистор уже давно снят с производства или отсутствует в вашей «кладовке». В этом случае можно подобрать транзистор другого типа той же структуры с аналогичными или близкими параметрами. Для подбора таких транзисторов следует использовать справочник по транзисторам. Кроме того, в этом случае можно воспользоваться табл. 4.7, в которой транзисторы размещены по своему основному назначению, а последовательность размещения в группах такова, что все последующие транзисторы заменяют предыдущие. Возможна и обратная замена, когда предыдущий транзистор заменяет последующий из той же группы, но в этом случае качество работы каскада может ухудшиться. В скобках указаны транзисторы, снятые с производства.




Низкочастотные транзисторы в группах расположены с учетом возрастания гарантированного значения коэффициента h21э. Высокочастотные транзисторы расположены в группах в порядке возрастания предельной частоты. Это связано с тем, что на высоких частотах усиление транзистора тем больше, чем выше его предельная частота.

Может оказаться, что транзисторов, пригодных к замене, у вас не оказалось. Тогда можно взять транзистор той же структуры и из того же полупроводникового материала, но более высокой частоты или мощности. Возможны и другие замены, например, германиевого транзистора кремниевым, и, наоборот. Но при этом почти всегда возникает необходимость скорректировать режим работы ступени усиления.

В тех случаях, когда необходимо произвести замену транзисторов, работающих в портативных радиовещательных приемниках, можно воспользоваться табл. 4.8. В ней обобщены сведения о транзисторах, применяемых в каскадах приемников различной ступени сложности с учетом их возможной взаимозаменяемости.



В табл. 4.9 и 4.10 даны рекомендации по замене транзисторов малой и большой мощности соответственно. Использование приведенных аналогов потребует, как правило, подбора деталей.









В некоторых случаях, особенно при использовании эмиттерных повторителей, усиление по току одного транзистора оказывается недостаточным. В этом случае можно применять составные транзисторы. Они применяются в случаях, когда требуется большой коэффициент усиления по току, т. е. применяются в схемах, работающих с большими токами (например, в стабилизаторах напряжения или выходных каскадах усилителей мощности, если необходимо обеспечить большое входное сопротивление).

Полученную схему составного транзистора можно представить как некоторый транзистор с выводами Э, Б, К (рис. 4.20).



Рис. 4.20. Схема составного транзистора


Его параметры можно определить по формулам:

1. Коэффициент усиления по току К = К1К2.

2. Входное сопротивление Rвх = 2К∙(Uт/Iк')

3. Крутизна S = Iк/2Uт.

4. Выходное сопротивления Rвых = 2/3Rкэ2

Чтобы транзистор VT2 (рис. 4.20, а) быстрее закрывался, часто параллельно его переходу эмиттер-база включают резистор R1.

Для получения составного транзистора можно также соединить параллельно два комплиментарных транзистора (рис. 4.20, б). При этом функции схемы определяются транзистором VT1, тогда как транзистор VT2 служит лишь для усиления тока. Его параметры можно определить по формулам:

1. Коэффициент усиления по току К = К1К2.

2. Входное сопротивление Rвх = К∙(Uт/Iк')

3. Крутизна S = Iк/Uт.

4. Выходное сопротивления Rвых = 1/2Rкэ2

Между базой и эмиттером транзистора VT2 также рекомендуется включать резистор R1. Обычно сопротивление R1 составляет несколько сотен ом в мощном составном транзисторе и несколько тысяч ом в маломощном составном транзисторе.


4.4. ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Полевой транзистор (ПТ) — это полупроводниковый прибор, усилительные свойства которого обусловлены потоком основных носителей (электронов или дырок, протекающим через проводящий канал). В отличие от биполярных транзисторов работа ПТ основана на использовании основных носителей заряда в полупроводнике. На рис. 4.21 показаны УГО полевых транзисторов.



Рис. 4.21. УГО полевых транзисторов


По конструктивному исполнению и технологии изготовления ПТ можно разделить на две группы: ПТ с управляющим р-n-переходом и ПТ с изолированным затвором.

Электрод, из которого в канал входят основные носители заряда, называют истоком; электрод, через который в канал уходят носители заряда, — стоком; электрод, служащий для регулирования поперечного сечения канала, — затвором. При подключении к истоку отрицательного (для n-канала), а к стоку положительного напряжения в канале возникает электрический ток, создаваемый движением электронов от истока к стоку, т. е. основными носителями заряда. В этом заключается существенное отличие ПТ от биполярного транзистора. Движение носителей заряда вдоль электронно-дырочного перехода (а не через переходы, как в биполярном транзисторе) является второй характерной особенностью ПТ.

ПТ с изолированным затвором имеют структуру, состоящую из металла, диэлектрика и полупроводника, поэтому их часто называют МДП-транзисторами, или МОП-транзисторами (металл — оксид — полупроводник). Существуют две разновидности МДП-транзисторов: с индуцированным и со встроенным каналами.

В МДП-транзисторах с индуцированным каналом заметный ток стока появляется только при определенной полярности и при определенном значении напряжения на затворе относительно истока — отрицательного при p-канале и положительного при n-канале. Это напряжение называют пороговым (Uпор).

В МДП — транзисторах со встроенным каналом проводящий канал образуется при напряжении на затворе, равном нулю. Током стока можно управлять, изменяя значение и полярность напряжения между затвором и истоком. При некотором положительном напряжении затвор-исток транзистора с p-каналом или отрицательном напряжении транзистора с n-каналом ток в цепи стока прекращается. Это напряжение называют напряжением отсечки (U3И. отс).

ПТ в качестве элемента схемы представляет собой активный несимметричный четырехполюсник, у которого один из зажимов является общим для цепей входа и выхода. В зависимости от того, какой из электродов ПТ подключен к общему выводу, различают схемы: с общим истоком и входом на затвор (рис. 4.22, а); с общим стоком и входом на затвор (рис. 4.22, б); с общим затвором и входом на исток (рис. 4.22, в). По аналогии с ламповой электроникой, где за типовую принята схема с общим катодом, для ПТ типовой является схема с общим истоком.



Рис. 4.22. Схемы включения ПТ


4.4.1. Основные параметры полевых транзисторов

1. Начальный ток стока IС. нач, — ток стока при напряжении между затвором и истоком, равном нулю, и напряжении на стоке, равном или превышающем напряжение насыщения.

2. Остаточный ток стока IС. ост — ток стока при напряжении между затвором и истоком, превышающем напряжение отсечки.

3. Ток утечки затвора I3.ут — ток затвора при заданном напряжении между затвором и остальными выводами, замкнутыми между собой.

4. Напряжение отсечки U3И. отс — напряжение между затвором и истоком транзистора с р-n-переходом или изолированным затвором, работающего в режиме обеднения, при котором ток стока достигает заданного низкого значения (обычно 10 мкА).

5. Пороговое напряжение U3И. пор — напряжение между затвором и истоком транзистора с изолированным затвором, работающего в режиме обогащения, при котором ток стока достигает заданного низкого значения (обычно 10 мкА).

6. Крутизна характеристик S — отношение изменения тока стока к изменению напряжения на затворе при коротком замыкании по переменному току на выходе транзистора в схеме с общим истоком. Значение S зависит от рабочей точки транзистора. Измеряют S на низкой частоте (обычно 50… 1500 Гц).

В таблице 4.11 приведены основные параметры некоторых наиболее распространенных ПТ.




Частотные свойства ПТ определяются постоянной времени RC-цепи затвора. Поскольку входная емкость у транзистора с р-n-переходом велика (десятки пикофарад), их применение в усилительных каскадах с большим входным сопротивлением возможно в диапазоне частот, не превышающих сотен килогерц — единиц мегагерц. У ПТ с изолированным затвором входная емкость значительно меньше, поэтому их частотные свойства намного лучше, чем у ПТ с р-n-переходом.

Тепловые параметры ПТ характеризуют его устойчивость при работе в диапазоне температур. В отличие от биполярных транзисторов, у которых при повышении температуры ток коллектора возрастает, ток стока ПТ в зависимости от выбранного режима может увеличиваться, уменьшаться или оставаться постоянным. На рис. 4.23 приведены стоко-затворные характеристики при различных температурах окружающей среды и указано положение термостабильной точки.



Рис. 4.23. Стоко-затворные характеристики ПТ при температурах:

1) +85 °C; 2) +25 °C; 3) -60 °C


Зависимость крутизны характеристики от температуры у полевых транзисторов такая же, как и у тока стока. С ростом температуры ток утечки затвора увеличивается. Хотя абсолютное изменение тока незначительно, его надо учитывать при больших сопротивлениях в цепи затвора. В этом случае изменение тока утечки затвора может вызвать существенное изменение напряжения на затворе ПТ и режима его работы.

В ПТ с изолированным затвором ток затвора практически не зависит от температуры.

При конструировании устройств на ПТ следует учитывать, что с увеличением напряжения отсечки термостабильная точка смещается в область малых токов стока, где относительная крутизна характеристики невелика. Поэтому в устройствах, которые должны иметь минимальную температурную нестабильность, необходимо применять транзисторы с индексом Е (Ж), у которых напряжение отсечки мало, а термостабильная точка находится в средней части стоко-затворной характеристики с относительно большой крутизной. У транзисторов же последних групп (КП102К, КП102Л) термостабильная точка находится в самом начале характеристики, где ее крутизна и ток стока относительно невелики, хотя и больше, чем у транзисторов КП102Е.


4.4.2. Максимально допустимые параметры

Они определяют значения конкретных режимов ПТ, которые не должны превышаться при любых условиях эксплуатации, при которых обеспечивается заданная надежность. К максимально допустимым параметрам относятся: максимально допустимое напряжение затвор — исток U3И. max, затвор — сток U3C.max, сток — исток UCИ. max, максимально допустимое напряжение сток — подложка UСП. max, исток — подложка UИП. max, затвор — подложка U3П. max. Максимально допустимый постоянный ток стока IС. max максимально допустимый прямой ток затвора, IЗ(пр). max — максимально допустимая постоянная рассеиваемая мощность Рmax.

Все основные и максимально допустимые параметры ПТ можно найти в справочниках по транзисторам.


4.4.3. Вольт-амперные характеристики ПТ

Они устанавливают зависимость тока стока Iс от одного из напряжений Uси или Uзи при фиксированной величине второго.

Статические стоковые характеристики ПТ с управляющим р-n-переходом представляют собой выраженную графически зависимость Iс = φ(Uси) при Uзи = const. При Uзи = 0 и малых значениях Uси ток стока изменяется прямо пропорционально напряжению (начало участка АБ, рис. 4.24, а). В точке Б из-за заметного сужения стокового участка канала и уменьшения его общей проводимости намечается некоторое отклонение характеристики от прямой линии.



Рис. 4.24. ВАХ ПТ с р-n переходом и n-каналом:

а) стоковые; б) стоко-затворные


На участке БВ существенное сужение стокового участка канала и значительное уменьшение его общей проводимости замедляют рост тока Iс с увеличением Uси. В точке В при UCИ. нас = |U3И. отс| ток стока достигает значения насыщения и при дальнейшем увеличении Uси остается почти неизменным. Этот ток называется начальным током стока IС. нач. При UCИ. проб возникает электрический пробой стокового участка управляющего р-n-перехода и ток стока резко возрастает. При подаче некоторого отрицательного напряжения на затвор (Uзи < 0) управляющий р-n-переход расширяется, сужая токопроводящий канал, что приводит к уменьшению исходной проводимости канала и более пологому ходу начального участка данной статической стоковой характеристики. При этом значения UCИ. нас и ICИ. нас уменьшаются. Несколько меньшим оказывается и напряжение электрического пробоя, так как обратное напряжение на стоковом участке управляющего р-n-перехода представляет собой сумму Uси + |Uзи|. Аналогичный вид имеют и все остальные характеристики семейства. Геометрическое место точек, соответствующих перекрытию токопроводящего канала и наступлению режима насыщения на графике (рис. 4.24, а), показано штриховой линией.

Статическая стоко-затворная характеристика (характеристика управления) Iс = φ(Uзи) приведена на рис. 4.24, б. Так как ПТ обычно работает в режиме насыщения, то, как правило, рассматривают стоко-затворную характеристику для этого режима работы. Начальный участок при U3И. отс соответствует установлению в транзисторе остаточного тока IС. ост, имеющего значение несколько микроампер. При Uзи = 0 значение тока стока достигает максимальной величины IC.max.

Статические стоковые характеристики МДП-транзисторов с индуцированным каналом имеют аналогичный характер (рис. 4.25).



Рис. 4.25. ВАХ ПТ с индукционным каналом р-типа: а) стоковые; б) стоко-затворные


При определенном напряжении |UЗИ| < |UЗИ. пор| канал находится практически в закрытом состоянии (IС = IС. ост). При увеличении напряжения UЗИUЗИ. пор происходит смещение тока насыщения в сторону увеличения. Начальный участок стоко-затворной характеристики при UЗИ. пор соответствует IС = IС. ост, аналогично ПТ с р-n-переходом.

В МДП-транзисторе с индуцированным каналом с подложкой p-типа при Uзи = 0 канал n — типа может находиться в проводящем состоянии. При некотором пороговом напряжении UЗИ. пор < 0 проводимость канала значительно уменьшается. Статические стоковые характеристики в этом случае будут иметь вид, изображенный на рис. 4.26, а, а стоко-затворная характеристика пересекает ось ординат в точке со значением тока IС. нач (рис. 4.26, б).



Рис. 4.26. ВАХ ПТ со встроенным каналом n-типа: а) стоковые; б) стоко-затворные


Особенностью МДП-транзистора с индуцированным каналом n-типа является возможность работы без постоянного напряжения смещения (Uзи = 0) в режиме как обеднения, так и обогащения канала основными носителями заряда. МДП-транзистор со встроенным каналом имеет вольт-амперные характеристики, аналогичные изображенным на рис. 4.26.

Токи утечки затвора ПТ очень малы, но они резко возрастают при загрязнении изолятора вывода затвора и при увеличении влажности. Поэтому для обеспечения малых токов затвора рекомендуется перед монтажом промыть изолирующую часть корпуса ПТ в спирте, затем высушить и покрыть влагостойким лаком (например, УР-231 или Э-4100).

ПТ чувствительны к перегрузкам на затворе, даже если напряжение вызвано маломощным источником.

Некоторые трудности взаимной замены ПТ заключаются в разнообразии технологии их изготовления, в результате чего наблюдается несовместимость свойств транзисторов разных групп.

В таблице 4.12 приведены группы замены, причем при замене транзистором внутри группы может потребоваться лишь коррекция режима работы. Замена транзисторов между различными группами уже обусловливает либо изменение полярности напряжения питания, либо пересчета (подбора) деталей цепей смещения и изменение полярности напряжения питания.



При замене ПТ необходимо в первую очередь исходить из того, что заменяющий транзистор должен иметь возможно близкие значения двух параметров: тока стока при напряжении смещения между затвором и истоком, равном нулю, и напряжения отсечки — напряжения между затвором и истоком, при котором ПТ закрывается и ток не превышает 10 мкА. Это позволяет практически исключить необходимость коррекции режима работы по постоянному току. Усилительные свойства каскада будут зависеть уже только от крутизны характеристики и предельной частоты ПТ.


4.4.4. Рекомендации по применению ПТ

ПТ имеют ВАХ, подобные ламповым, и обладают всеми преимуществами транзисторов. Это позволяет применять их в схемах, где в большинстве случаев использовались электронные лампы, например, в усилителях постоянного тока с высокоомным входом, в истоковых повторителях с особо высокоомным входом, в электрометрических усилителях, различных реле времени, RC-генераторах синусоидальных колебаний низких и инфранизких частот, в генераторах пилообразных колебаний, УНЧ, работающих от источников с большим внутренним сопротивлением, в активных RC-фильтрах низких частот. ПТ с изолированным затвором используют в высокочастотных усилителях, смесителях, ключевых устройствах.

Кроме того, следует учитывать, что:

1. На затвор ПТ с р-n-переходом не рекомендуется подавать напряжение, смещающее переход в прямом направлении (отрицательное для транзисторов с р — каналом и положительное для транзисторов с n-каналом).

2. ПТ с изолированным затвором следует хранить с закороченными выводами. При включении транзисторов в схему должны быть приняты все меры для снятия зарядов статического электричества. Необходимо пайку производить на заземленном металлическом листе, заземлить жало паяльника, а также руки монтажника при помощи специального металлического браслета. Не следует применять одежду из синтетических тканей. Целесообразно подсоединять ПТ к схеме, предварительно закоротив его выводы.


4.5. ТИРИСТОРЫ

Тиристоры — это полупроводниковые приборы с четырехслойной р-n-р-n структурой, которые могут находиться в одном из двух состояний: «закрыто» или «открыто». Эта особенность приборов отражена в их названии: «тира» — по-гречески означает «дверь».

Их используют для включения и выключения тока через реле, электродвигатели, лампы накаливания, для создания мощных импульсов тока вследствие разряда конденсаторов, а также для управления током через другие силовые нагрузки. Тиристор является ключевым элементом. Через тиристор, находящийся в выключенном состоянии, проходит незначительный ток утечки. Если тиристор включен и находится в проводящем состоянии, то при протекании значительного тока (достигающего иногда десятков и сотен ампер) остаточное напряжение на нем мало и не превышает десятых долей единиц вольт.

Тиристор, имеющий выводы только от крайних слоев, называется диодным тиристором или динистором; при дополнительном выводе от одного из средних слоев он называется триодным тиристором или тринистором. Тиристоры также бывают запираемые и симметричные (семисторы).

Условное графическое изображение тиристоров приведено на рис. 4.27; на анод подается положительное напряжение источника питания, а на катод. — отрицательное.



Рис. 4.27. УГО динистора и тринистора


Вольт-амперная характеристика динистора представлена на рис. 4.28.



Рис. 4.28. ВАХ динистора


Участок ОА соответствует выключенному (закрытому) состоянию динистора. На этом участке через динистор протекает ток утечки Iзс и его сопротивление очень велико (порядка нескольких мегаом). При превышении напряжения до определенного значения UПРК (точка А характеристики) ток через динистор резко возрастает. Дифференциальное сопротивление динистора (т. е. сопротивление переменному току) в точке А равно нулю. На участке АБ дифференциальное сопротивление динистора отрицательное, этот участок соответствует неустойчивому состоянию динистора. При включении последовательно с динистором небольшого сопротивления нагрузки рабочая точка перемещается на участок БВ, соответствующий включенному состоянию динистора. На этом участке дифференциальное сопротивление динистора положительное. Для поддержания динистора в открытом состоянии через него должен протекать ток не менее Iуд. Снижая напряжение на динисторе, можно уменьшить ток до значения меньшего, чем Iуд, и перевести динистор в выключенное состояние.

Вольт-амперная характеристика тиристора (рис. 4.29), снятая при нулевом токе управляющего электрода, подобна характеристике динистора. Рост тока управляющего электрода (от Iу =0 до Iуз) приводит к смещению ВАХ в сторону меньшего напряжения включения (от UПРК0 до UПРК3). При достаточно большом токе управляющего электрода, называемом током спрямления, ВАХ тринистора вырождается в характеристику обычного диода, теряя участок отрицательного сопротивления. Для выключения тринистора необходимо, снижая напряжение на нем, уменьшить ток через тринистор до значения, меньшего, чем Iуд.



Рис. 4.29. ВАХ тринистора


Запираемые триодные тиристоры в отличие от обычных триодных тиристоров способны переключаться из отпертого состояния в запертое не только при уменьшении анодного тока, но и при подаче сигнала отрицательной полярности на управляющий электрод. Структура запираемого тринистора аналогична структуре обычного тринистора.

Симметричные тиристоры (семисторы) имеют пятислойную структуру и обладают отрицательным сопротивлением на прямой и обратной ветвях ВАХ. Обратная ветвь ВАХ симметричного тиристора расположена в третьем квадранте и аналогична прямой ветви. Они включаются при подаче управляющего импульса не только при прямом, но и обратном напряжении на аноде, поэтому такие тиристоры могут работать в цепях управления переменным током. Отпирание семисторов производится посредством сигналов управления, запирание — снятием разности потенциалов между силовыми электродами (анодом и катодом).


4.5.1. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ТИРИСТОРОВ

1. Максимально допустимое постоянное обратное напряжение UОБР. max — предельно допустимое обратное напряжение на тиристоре (на аноде отрицательное напряжение). Для тиристоров некоторых типов это значение не оговорено и подача обратного напряжения на эти тиристоры не допускается.

2. Максимально допустимое постоянное прямое напряжение в закрытом состоянии UЗ. max — максимальное постоянное прямое напряжение, при котором тиристор находится в закрытом состоянии.

3. Постоянный отпирающий ток управляющего электрода IУ. min — минимальный постоянный ток управляющего электрода, который обеспечивает переключение тиристора из закрытого состояния в открытое.

4. Напряжение в открытом состоянии UОТКР — основное напряжение на тиристоре при определенном токе в открытом состоянии.

5. Постоянный прямой ток управляющего электрода IУ. max — максимальное значение силы тока управляющего электрода.

6. Удерживающий ток Iуд — минимальный основной ток, который необходим для поддержания тиристора в открытом состоянии.

7. Ток выключения IВЫКЛ — ток анода, при котором тиристор выключается.

8. Время включения Твкл и время выключения Твыкл — характеризуют быстродействие тиристора.

Основные параметры тиристоров приведены в табл. 4.13 и 4.14.






Важной особенностью тиристоров является их способность работать в импульсных режимах с токами, значительно превышающими допустимые постоянные токи в открытом состоянии. Например, динисторы КН102 при постоянном токе не более 0,2 А допускают импульсный ток до 10 А (при длительности импульса не более 10 мкс).

В ряде устройств, в которых напряжение источника питания превышает наибольшее постоянное прямое напряжение в закрытом состоянии одного динистора, используется последовательное соединение нескольких (обычно однотипных) динисторов (рис. 4.30).



Рис. 4.30. Последовательное включение динисторов


Для выравнивания напряжения на динисторах применяют резисторы Rш. Сопротивление шунтируемых резисторов рассчитывают по формуле:


где U3.C.max — наибольшее постоянное прямое напряжение динистора в закрытом состоянии; Uпит — напряжение источника питания; IЗ.С. — ток в закрытом состоянии; m — число последовательно соединенных динисторов.

В крайнем случае нужный динистор можно заменить регулируемым аналогом (рис. 4.31, а). Он позволяет регулировать напряжение включения в больших пределах. Зависимость напряжения включения от сопротивления резистора R1 показана на рис. 4.31, б.




Рис. 4.31. Регулируемый аналог динистора


Аналог тринистора КУ101 показан на рис. 4.32, а аналог запираемого тринистора показан на рис. 4.33.



Рис. 4.32. Аналог тиристора КУ101.



Рис. 4.33. Аналог запираемого тиристора


4.6. ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ

4.6.1. Испытатель тиристоров

Прибор позволяет проверить тиристор на работоспособность.

Он состоит (рис. 4.34) из понижающего трансформатора Т1 с напряжением на вторичной обмотке 6,3 В, рассчитанный на ток примерно 0,5 А, однополупериодного выпрямителя на диоде VD1 и фильтра на конденсаторе С1. Электроды тринистора подключаются к прибору с помощью зажимов, например типа «крокодил». Индикатором исправности тринистора служит лампа накаливания HL1 6,3 В х 0,28 А.



Рис. 4.34. Схема испытателя тиристоров


Вначале тринистор проверяют на постоянном токе. Для этого переключатель рода испытаний SA1 устанавливают в нижнее по схеме положение. Если кнопка SB1 не нажата, то при исправном тринисторе лампа HL1 гореть не должна. При нажатии на кнопку SB1 на управляющий электрод тринистора через резистор R1 поступает управляющее напряжение и он переходит в открытое состояние. По цепи потечет ток, загорится индикаторная лампа HL1. После отпускания кнопки лампа продолжает гореть. Чтобы ее выключить, надо разомкнуть цепь питания тринистора, т. е. перевести переключатель SA1 в среднее положение «Выкл».

Для проведения испытаний тринистора на переменном токе переключатель SA1 ставят в верхнее по схеме положение. Теперь индикаторная лампа HL1 будет гореть только при нажатой кнопке SB1, так как при разомкнутых контактах кнопки первая же отрицательная полуволна переменного тока отключит тринистор.

Если тринистор пробит, то индикаторная лампа будет гореть при не нажатой кнопке как на постоянном, так и на переменном токе. Если же в тринисторе обрыв, то лампа не загорится при нажатой кнопке.

Выпрямительный диод VD1 может быть любым на ток 300…500 мА, например, Д202, Д205, Д226, Д229. Резистор R1 выбирают из расчета, чтобы ток управляющего электрода не превышал максимально допустимое значение для данного типа тринистора.


4.6.2. Универсальный вольтметр

Прибор позволяет измерять напряжение постоянного тока от 0 до 1000 В, напряжение звуковой частоты от 0,1 В до 25 В и высокой частоты до 100 кГц. Входное сопротивление его составляет 2 МОм на пределе измерения напряжения постоянного тока 1 В и 4,5 МОм на остальных пределах (10, 100, 1000 В).

Принципиальная схема вольтметра приведена на рис. 4.35.



Рис. 4.35. Схема универсального вольтметра


Транзисторы VT1 и VT2 образуют парафазный истоковый повторитель. Затворы полевых транзисторов VT1 и VT2 соединены с делителем напряжения R5, R14, средняя точка которого подключена к истокам транзисторов.

Таким образом, между затвором и истоком каждого транзистора действует половина измеряемого напряжения, но с разной полярностью. Это приводит к тому, что в одном плече ток стока уменьшается, в другом — увеличивается, и между точками а и б появляется разность потенциалов, отклоняющая стрелку амперметра РА1 пропорционально приложенному напряжению.

Элементы C1, VD1, R7, С7, образующие выпрямитель переменного напряжения звуковой частоты с ФНЧ, обеспечивают измерение звуковой частоты.

Напряжение высокой частоты измеряют с помощью выносной головки, схема которой показана на рис. 4.36.



Рис. 4.36. Схема выносной головки для измерения высокой частоты


Питают прибор от батареи с напряжением 9 В. Транзисторы для вольтметра должны быть подобраны близкими по параметрам, т. е. могут быть использованы подобранные в пары транзисторы КП103КР, КП103ЛР или же КП302А, КП303В, КП303Д, но в последнем случае следует изменить полярность включения батареи. Можно также использовать сборки сильноточных согласованных пар полевых транзисторов типа КР504НТЗ, КР504НТ4.

При налаживании прибора на пределе 1 В подбирают сопротивления резисторов R8, R12, R11 так, чтобы при подаче на вход напряжения 1 В отклонение стрелки микроамперметра соответствовало 100 мкА. Если необходимо, производят регулировку резистором R9. Затем проверяют линейность шкалы, для чего напряжение на входе изменяют ступенями через 0,1 В в пределах от 0 до 1 В. Если линейность нарушена, восстанавливают ее регулировкой резисторов R8, R12, R9. Заменять шкалу микроамперметра не нужно.


4.6.3. Индикатор радиоактивности

Схема индикатора очень простая, имеет минимум деталей и не сложна в наладке (рис. 4.37).



Рис. 4.37. Схема индикатора радиоактивности


При всей простоте прибор имеет звуковую и оптическую индикацию — из телефонного капсюля типа ТМ-2 слышны щелчки, их интенсивность указывает на относительный уровень радиоактивного фона; одновременно со щелчками видны вспышки неоновой лампы типа МН-3. Настройка прибора сводится к правильному подключению выводов трансформатора к другим элементам схемы. Трансформатор преобразователя напряжения намотан на ферритовом кольце типономинала К18 с магнитной проницаемостью М2000. Первая обмотка содержит 4 витка провода ПЭЛ 0,1 мм, вторая 4 витка провода ПЭЛ 0,5 мм, третья — 900 витков провода ПЭЛШО 0,1 мм. В качестве высоковольтного диода можно применить диод МД218М или кремниевый диодный столб 2Ц102А.


4.6.4. Пробник для проверки однопереходных транзисторов

Многие радиолюбители, не имея специального прибора для измерения параметров однопереходных транзисторов, сравнивают измеренные авометром сопротивления р-n-перехода транзистора с паспортными значениями. Однако этот метод не всегда дает объективные результаты. Более полное представление о работоспособности однопереходного транзистора может дать пробник (рис. 4.38).



Рис. 4.38. Схема пробника для поверки однопереходных транзисторов


Испытуемый транзистор после подключения его к пробнику совместно с элементами схемы R1, R2, R3, C1 образует релаксационный генератор, настроенный на частоту около 830 Гц. Если транзистор VT1 исправен, то переменное напряжение, усиленное по мощности эмиттерным повторителем на транзисторе VT2, поступает на диод VD1 и светодиод VD2 и после выпрямления вызовет свечение светодиода.

Если после подключения испытуемого транзистора светодиод VD2 не излучает, то это укажет на неисправность однопереходного транзистора.


4.7. ПОЛЕЗНЫЕ СОВЕТЫ. ПРОСТЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ С ДИОДАМИ И СТАБИЛИТРОНАМИ

4.7.1. Как снять ВАХ диода? (рис. 4.39)



Рис. 4.39. Как снять ВАХ диода


Основная характеристика диода — вольт-амперная, показывает зависимость прямого тока через диод от прямого напряжения на нем. Поэтому для снятия этой характеристики нужно собрать установку по приведенной схеме, использовав в ней гальванический элемент на напряжение 1,5 В, вольтметр и миллиамперметр. Изменяя переменным резистором напряжение на диоде и измеряя его вольтметром, определяют для каждого значения напряжения соответствующий ему ток. В итоге получится набор координат точек, которые нужно перенести на график и вычертить по ней линию — характеристику данного диода. Чтобы характеристика была более точной, нужно учитывать падение напряжения на миллиамперметре, вычитая его из показаний вольтметра.

Для примера на рисунке приведены сравнительные характеристики германиевого диода Д9Б и кремниевого КД103А.

На графике не приведена обратная ветвь характеристики, т. е. зависимость тока через диод, включённый в обратном направлении (катодом к плюсовому выводу вольтметра) от напряжения на нем. При желании ее не трудно построить, поменяв местами выводы диода и включив вместо миллиамперметра РА микроамперметр. Убедитесь сами, что обратный ток для кремниевого диода ничтожно мал по сравнению с германиевым.


4.7.2. Регулятор мощности на одном диоде (рис. 4.40)



Рис. 4.40. Регулятор мощности на одном диоде


Если выключатель SA1 замкнут, лампа накаливания светится на полную яркость. Ели выключатель разомкнуть, то яркость свечения лампы уменьшится. Вместо лампы накаливания можно подключить паяльник, для чего диод с выключателем следует вмонтировать в подставку для паяльника. Когда паяльником не пользуются, выключатель SA1 размыкают и паяльник работает в режиме «недокала». Во время пайки выключатель замыкают и паяльник нагревается до заданной температуры. Такой режим позволяет продлить срок службы жала паяльника.

На практике обычно паяльник выключают из сети, когда есть перерыв в пайке (чтобы жало паяльника не покрылось окалиной при перегревании паяльника), а при необходимости пайки его снова включают в сеть. Преимущества предложенного способа в том, что время разогрева паяльника значительно уменьшается.


4.7.3. Управление люстрой по двум проводам (рис. 4.41)



Рис. 4.41. Управление люстрой по двум проводам


Люстра может работать в трех режимах:

а) горит лампа EL1 (включен выключатель SA2);

б) горит лампа EL2 (включен выключатель SA1;

в) горят обе лампы (включены оба выключателя).

Лампы EL1 и EL2 разной мощности, либо вместо EL2 можно включить две лампы одинаковой мощности. Следует учитывать, что лампы в люстре работают в режиме «недокала», поэтому для увеличения яркости свечения необходимо брать лампы большей мощности. Но режим «недокала» имеет и положительную сторону — значительно повышается срок службы ламп.


4.7.4. Простейший генератор шума (рис. 4.42)



Рис. 4.42. Простейший генератор шума


Помимо генераторов сигналов синусоидальной, импульсной, треугольной и других форм, в измерительной технике пользуются и генераторами шума. Особенность сигнала генератора шума в его хаотической форме и сравнительно широкой полосе частот — от сотен герц до десятков мегагерц.

Чтобы собрать его, понадобятся три батареи 3336, соединенные последовательно, переменный резистор R1 сопротивлением 10, 15 или 22 кОм, стабилитрон VD1 типа Д808 или Д809, резистор нагрузки R2 сопротивлением от 120 до 180 Ом и фильтрующий конденсатор С1 емкостью 4700…10000 пФ — он предотвращает попадание высокочастотных шумовых сигналов в цепь источника питания (рис. 4.42, а).

Установив сначала движок переменного резистора в крайнее правое по схеме положение, подсоедините к генератору источник питания и подключите к резистору нагрузки R2 входные щупы осциллографа. Входным аттенюатором или регулятором усиления осциллографа подберите наибольшую чувствительность осциллографа. На экране должна появиться несколько размытая (утолщенная) линия развертки. Плавно перемещая движок переменного резистора в сторону левого по схеме вывода, понаблюдайте за увеличением «размытости» — она может стать наибольшей примерно в среднем положении движка. Это и есть максимальный сигнал шума на выходе генератора, его амплитуда может составлять от десятков микровольт до единиц милливольт (рис. 4.42, б).

Попробуйте включить вместо VD1 другой экземпляр стабилитрона Д808 или Д809 и заметьте амплитуду шумового сигнала. Уверенно найдется стабилитрон, «генерирующий» наибольший сигнал. Вообще, «шумят» практически все стабилитроны серий Д808-Д813, Д814А-Д814В. А вот стабилитроны КС133А, КС147А и многие другие непригодны для работы в схеме генератора шума.

Следует также помнить, что напряжение батареи GB1 зависит от используемого стабилитрона, оно должно превышать напряжение стабилизации хотя бы на 2 В.

Если вы теперь соедините нижний по схеме вывод резистора R2 с общим проводом («заземлением») лампового или транзисторного радиоприемника, а верхний вывод резистора подключите к антенному гнезду, то на всех диапазонах (ДВ, СВ, КВ, УКВ) услышите в динамической головке приемника шум.

Если установить в генераторе вместо резистора R2 переменный и подавать сигнал на антенный вход приемника с его движка, то громкость шума удастся изменять перемещением движка резистора. А если бы удалось измерить амплитуду выходного шумового сигнала в разных положениях движка, можно было бы либо сравнивать приемники по чувствительности, либо просто определять чувствительность того или иного приемника. Кроме того, с помощью генератора шума нетрудно отыскивать неисправность во входных цепях приемника и даже телевизора.


4.7.5. Получение прямоугольных импульсов из синусоидального напряжения (рис. 4.43)



Рис. 4.43. Получение прямоугольных импульсов из синусоидального напряжения


Схема представляет собой ограничитель синусоидального сигнала, выполненный на базе стабилитрона.

В качестве понижающего трансформатора можно использовать унифицированный трансформатор кадровой развертки телевизоров TBK-110ЛM. На его обмотке имеется напряжение амплитудой около 20 В. Во время положительного полупериода напряжения на вторичной обмотке трансформатора стабилитрон выполняет свою основную функцию, в результате чего на его выводах можно наблюдать с помощью осциллографа ограниченную сверху полуволну синусоиды.

Амплитуда прямоугольного импульса зависит от напряжения стабилизации стабилитрона. Во время отрицательного полупериода синусоидального напряжения на вторичной обмотке трансформатора стабилитрон работает как обычный диод, падение напряжения на нем будет составлять доли вольта. В итоге на выходе схемы будет сигнал прямоугольной формы, «основание» которого немного (доли вольта) смещено вниз относительно линии развертки (осциллограф работает в режиме открытого входа).

Балластный резистор R1 выбирается из условия, чтобы максимальный ток через стабилитрон был больше Iмин и меньше Iмакс.


4.7.6. Стабилитрон — ограничитель постоянного напряжения (рис. 4.44)



Рис. 4.44. Стабилитрон — ограничитель постоянного напряжения


Представьте ситуацию, когда вашему транзисторному приемнику требуется питание, скажем, 9 В, а в распоряжении есть блок питания с фиксированным напряжением 15 В. Как быть?

Конечно, первая мысль — включить в цепь питания постоянный резистор, гасящий излишек напряжения. Но такой способ неприемлем из-за того, что в зависимости от громкости звука будет изменяться потребляемый приемником ток, а значит, и напряжение на нем.

Если же вместо гасящего резистора включить в цепь питания стабилитрон (см. рисунок), проблема будет решена. Теперь напряжение на нагрузке (приемнике) станет равным разности напряжений блока питания и стабилизации стабилитрона. В этом легко убедиться с помощью вольтметра постоянного тока.

Поскольку у разных экземпляров стабилитронов может отличаться напряжение стабилизации, более точно (если это нужно) выходное напряжение можно подобрать включением диода VD2 последовательно со стабилитроном. Тогда общее «гасящее» напряжение составит сумму напряжений стабилизации и прямого для данного диода. В свою очередь диод ставят либо германиевый (у него прямое напряжение может быть около 0,5 В), либо кремниевый (до 1,2 В), либо два-три последовательно соединенных диода.

Можно также соединять последовательно несколько стабилитронов (даже с разными напряжениями стабилизации) для получения нужного «гасящего» напряжения.

При выборе диодов и стабилитронов следует учитывать, чтобы ток нагрузки не превышал максимального значения выпрямленного тока для каждого диода и максимальный ток стабилизации для каждого стабилитрона. И еще следует помнить, что стабилитрон следует включать в обратном направлении, а диод — в прямом.


4.7.7. Как «растянуть» шкалу вольтметра (рис. 4.45)



Рис. 4.45. Как «растянуть» шкалу вольтметра


Контролируя какое-то напряжение, иногда бывает нужно либо следить за его колебаниями, либо более точно измерять. Скажем, при эксплуатации автомобильной аккумуляторной батареи важно следить за изменениями ее напряжения в диапазоне 12…15 В. Именно этот диапазон желательно было бы разместить на всей шкале стрелочного индикатора вольтметра. Но, как вы знаете, отсчет на любом из диапазонов практически всех измерительных приборов идет от нулевого значения и добиться более высокой точности отсчета на интересующем участке невозможно.

И тем не менее существует способ «растяжки» практически любого участка шкалы (начало, середина, конец) вольтметра постоянного тока. Для этого нужно воспользоваться свойством стабилитрона открываться при определенном напряжении, равном напряжению стабилизации. К примеру, для растяжки конца шкалы диапазона 0…15 В достаточно использовать стабилитрон в такой же роли, что и в предыдущем эксперименте.

Стабилитрон VD1 включен последовательно с однопредельным вольтметром, составленным из стрелочного индикатора РА1 и добавочного резистора R2. Как и в предыдущем эксперименте, на стабилитроне падает часть измеряемого напряжения, равного напряжению стабилизации стабилитрона. В результате на вольтметр будет поступать напряжение, превышающее напряжение стабилизации. Это напряжение и станет своеобразным нулем отсчета, а значит, на шкале «растянется» лишь разница между наибольшим измеряемым напряжением и напряжением стабилизации стабилитрона.

Показанное на рисунке устройство рассчитано на контроль напряжения аккумуляторной батареи в диапазоне от 10 до 15 В, но этот диапазон можно изменять по желанию соответствующим подбором стабилитрона и резистора R2.

Резистор R2 в принципе не обязателен. Но без него, пока стабилитрон закрыт, стрелка индикатора остается на нулевой отметке. Введение резистора позволяет наблюдать напряжение до 10 В на начальном участке шкалы, но этот участок будет сильно «сжат».

Собрав показанные на схеме детали и соединив их со стрелочным индикатором РА1 (микроамперметр М2003 с током полного отклонения стрелки 100 мкА и внутренним сопротивлением 450 Ом), подключите щупы ХР1 и ХР2 к блоку питания с регулируемым выходным напряжением. Плавно увеличивая напряжение до 9…9,5 В, вы заметите небольшое отклонение стрелки индикатора — всего на несколько делений в начале шкалы. Как только при дальнейшем увеличении напряжения оно превысит напряжение стабилизации, угол отклонения стрелки будет резко возрастать. Примерно с напряжения 10,5 до 15 В стрелка пройдет почти всю шкалу. Чтобы убедиться в роли резистора R1, отключите его и повторите эксперимент. До определенного входного напряжения стрелка индикатора останется на нулевой отметке.


4.7.8. Подключение кассетного магнитофона или приемника к автомобильной сети (рис. 4.46)



Рис. 4.46. Подключение кассетного магнитофона или приемника к автомобильной сети


Отправляясь в автомобильное путешествие, вы наверняка возьмете с собой транзисторный приемник или кассетный магнитофон. Чтобы можно было питать в пути приемник от аккумуляторной батареи, изготовьте простейшую приставку-стабилизатор. Ее можно включать с помощью специальной вилки ХР1 в гнездо «прикуривателя» или подключать проводами с зажимами «крокодил» на конце непосредственно к выводам аккумуляторной батареи. Проводники же питания приемника соединяют (с соблюдением полярности) с гнездами (или розеткой) XS1.

Мощность такого стабилизатора небольшая, поэтому подключать к нему можно лишь нагрузку с максимально потребляемым током до 12 мА. В случае же питания магнитофона, потребляющего ток до 150 мА, придется установить вместо Д814Б более мощный стабилитрон Д815В и дополнительно включить между его катодом и выводом резистора любой кремниевый выпрямительный диод (анодом к резистору), рассчитанный на ток более 150 мА. Кроме того, придется заменить и балластный резистор — теперь он должен быть сопротивлением около 12 Ом и мощностью не менее 4 Вт (резистор ПЭВ-7,5 либо два резистора MЛT-2 сопротивлением по 24 Ома, соединенные параллельно).


4.7.9. Транзистор — переменный резистор (рис. 4.47)



Рис. 4.47. Транзистор — переменный резистор


Для проведения этого эксперимента понадобятся маломощный транзистор, например, любой из серии МП39, постоянный и переменный резисторы, гальванический элемент и омметр. Соединив детали по схеме рисунка, установите движок переменного резистора R2 в нижнее по схеме положение. Поскольку транзистор закрыт, омметр PI зафиксирует сравнительно большое сопротивление между выводом коллектора и эмиттера — оно зависит от того, какой транзистор использован — кремниевый или германиевый.

Начинайте медленно перемещать движок переменного резистора вверх по схеме. Почти сразу стрелка омметра начнет отклоняться в сторону меньших сопротивлений. Когда движок резистора окажется вблизи верхнего вывода или соединится с ним, сопротивление между выводами коллектора и эмиттера может упасть до единиц ом. Происходит так потому, что при изменении напряжения между базой и эмиттером транзистора изменяется и его внутреннее сопротивление. Таким образом, с помощью транзистора и резистора сопротивлением 1,5 кОм удалось получить переменный резистор с пределами изменения сопротивления от нескольких ом до сотен килоом. Иначе говоря, из резистора малого сопротивления (1,5 кОм) удалось получить такой же переменный резистор большого сопротивления (к тому же мощный).

Такой вариант может быть использован в тех случаях, когда требуется переменный резистор мощностью, скажем, 5 или 10 Вт, найти который не так-то просто. Вот тут-то и придет на помощь способность транзистора быть и мощным переменным резистором. Правда, транзистор придется применить тоже мощный, например, серий ГТ402, ГТ404, П213—П216.

В любом варианте включать транзистор в цепь регулирования, например, последовательно с электродвигателем постоянного тока для детских игрушек, нужно в соответствии с полярностью, показанной у выводов коллектора и эмиттера на рисунке.

Если используется транзистор структуры n-р-n, то следует изменить не только полярность его подключения, но и полярность источника, питающего базовую цепь.

Для ограничения допустимой мощности, выделяющейся на «транзисторном» переменном резисторе, в цепь коллектора включают резистор Rд соответствующего сопротивления. Кроме того, при режимах транзистора, близких к предельно допустимым, желательно установить транзистор на теплоотвод. А если вы задались целью обеспечить вполне определенные пределы изменения сопротивления транзистора, придется точнее подобрать резисторы R1 и R2.


4.7.10. Транзистор в качестве стабилитрона (рис. 4.48)



Рис. 4.48. Транзистор в качестве стабилитрона


Эмиттерный переход транзистора подобен диоду, пропуская постоянный ток в одном направлении — от эмиттера к базе, если транзистор структуры р-n-р, либо от базы к эмиттеру в случае транзистора структуры n-р-n. Если же этот переход включить в цепь постоянного тока «наоборот», он начнет выполнять функции уже известного вам стабилитрона (рис. 4.48, а).

Чтобы убедиться в сказанном, подберите маломощный низкочастотный транзистор, например, любой из серий МП39—МП42, либо высокочастотный, скажем, П416А, и соедините его выводы эмиттера и базы с другими деталями, показанными на рисунке.

Вольтметр PV1, контролирующий напряжение на эмиттерном переходе, — со шкалой на 5 или на 10 В. Движок переменного резистора должен находиться в исходном положении — нижнем по схеме. Начав перемещать движок резистора вверх по схеме, наблюдайте за показаниями вольтметра.

Вначале напряжение будет расти пропорционально перемещению движка, а затем отклонение стрелки вольтметра резко замедлится, что укажет на вхождение эмиттерного перехода в режим стабилизации. Даже когда движок окажется в крайнем верхнем по схеме положении, т. е. когда на цепь из резистора R2 (его можно считать балластным) и эмиттерного перехода транзистора будет подано полное напряжение батареи GB1 (12…14 В), измеряемое вольтметром напряжение не превысит нескольких вольт.

Чтобы еще более убедиться в стабилизирующем действии эмиттерного перехода, нужно контролировать одновременно напряжение до резистора R2 и после него. Если второго вольтметра нет, можно при каждом фиксированном положении движка резистора подключать вольтметр PV1 попеременно то к эмиттерному переходу, то к переменному резистору.

А если в цепь эмиттерного перехода включить еще и миллиамперметр (на схеме показано крестиком), то можно следить не только за изменениями напряжения, но и за током, протекающим через стабилитрон, и в итоге снять вольт-амперную характеристику «стабилитрона». Ее вид может соответствовать одной из показанных на рис. 4.48, б для транзистора П416А или П422. Вообще же семейство ВАХ свидетельствует о том, что эмиттерный переход каждого экземпляра даже одного типа транзистора обладает своим напряжением стабилизации. Поэтому из набора транзисторов всегда можно выбрать то, что удовлетворяет заданному напряжению стабилизации.

И еще. Если у обычного стабилитрона минимальный ток стабилизации составляет 3 мА, то у нашего стабилитрона он равен 1 мА. Номинальный ток стабилизации составляет примерно 5 мА. Кроме указанных германиевых транзисторов в подобном режиме способны работать и кремниевые — серий КТ301, КТ306, КТ312, КТ315, КТ316. Напряжение стабилизации их лежит в пределах 7…12 В.


4.7.11. Транзистор как выпрямительный диод (рис. 4.49)



Рис. 4.49. Транзистор как выпрямительный диод


Возьмите любой мощный транзистор, скажем, серии П213, оксидный конденсатор емкостью 50…100 мкФ на напряжение не ниже 25 В и понижающий трансформатор с напряжением на вторичной обмотке 8…12 В. Соедините эти детали в соответствии со схемой и включите трансформатор в сеть, а к выводам конденсатора прикоснитесь щупами вольтметра постоянного тока. Стрелка вольтметра зафиксирует значение постоянного напряжения, которое, конечно, будет превышать значение переменного напряжения на вторичной обмотке трансформатора.

Как видите, в данном случае в качестве выпрямительного диода работает коллекторный переход транзистора. Подключая к выходу выпрямителя различную нагрузку, нетрудно убедиться, что «транзисторный» диод способен выдерживать токи в сотни миллиампер без ощутимого нагрева корпуса транзистора.

Конечно, роль диода может выполнять и эмиттерный переход, но допустимый ток через него значительно ниже. Хотя на практике в подобных выпрямителях используются мощные диоды, «транзисторный» вариант все же следует взять на вооружение. Ведь нередко в радиоаппаратуре, в том числе и самодельной, мощные транзисторы выходят из строя вследствие пробоя — короткого замыкания между коллектором и эмиттером.

Не выбрасывайте такой транзистор, приберегите его на случай использования в выпрямителе. Для германиевых транзисторов коллектор будет выполнять роль анода диода, а база — катода, для кремниевых — наоборот. Предельно допустимое обратное напряжение транзисторов-диодов может достигать 30…40 В, а ток — 1…6 А.

Транзисторы старых выпусков П201—П203 допускают ток 1 А, транзисторы серий П213—П217 — 3 А, П210 — 6 А. Конечно, эти цифры справедливы при использовании транзистора с теплоотводом.

Интересно, что площадь теплоотвода может быть меньше, чем в случае использования транзистора по своему прямому назначению при таких же токах. Объясняется это тем, что в «диодном» режиме на транзисторе рассеивается меньшая мощность: при прямом токе мало падение напряжения на открытом переходе коллектор-база, при обратной полярности мал ток через закрытый переход. Так, для транзистора П210 теплоотвод можно составить из пяти сложенных вместе свинцовых шайб диаметром 45…50 мм.


4.7.12. Устройство для термоиспытаний транзисторов (рис. 4.50)



Рис. 4.50. Устройство для термоиспытаний транзисторов


Для проверки влияния температуры на параметры транзисторов (например, при подборе идентичных транзисторов) в любительских условиях удобно использовать в качестве нагревателя постоянные проволочные эмалированные резисторы ПЭВ-20. Сопротивление резисторов выбирают в зависимости от напряжения источника питания и требуемой температуры нагрева. Испытываемый транзистор вставляют в отверстие в трубчатом каркасе резистора, как показано на рисунке. При необходимости диаметр этого отверстия можно несколько увеличить, обработав его наждачной бумагой, намотанной на круглую оправку.

Изменяя ток в цепи резистора-нагревателя (с помощью автотрансформатора, реостата или другим способом), температуру нагрева можно изменять в широких пределах. Градуируют устройство с помощью термометра, помещенного внутрь резистора.


4.7.13. Определение цоколевки транзистора (рис. 4.51)



Рис. 4.51. Определение цоколевки транзистора


Если обозначение транзистора, нанесенное на его корпусе, стерлось или нет под рукой справочника по полупроводниковым приборам, то для определения цоколевки транзистора и структуры его проводимости можно воспользоваться авометром (тестером).

Сначала определяют базовый вывод транзистора. Для этого плюсовый щуп прибора (в режиме измерения малых сопротивлений) подключают к одному из выводов транзистора, а минусовый — поочередно к двум остальным.

Внимание: минусовым щупом здесь и далее назван тот щуп, который подключен к так называемой общей клемме прибора, иногда маркируемой знаком «-» (применительно к режимам измерений токов и напряжений). В режиме измерения сопротивлений полярность напряжения на зажимах авометра обратная. Это следует иметь ввиду.

Так как полярность напряжения между электродами транзистора может меняться, то таких пар, очевидно, будет шесть: Э+-, Э+-, Б+-, Э-+, Э-+, Б-+, где знаки «+» и «-» низкое, а в другом высокое, то его плюсовый щуп нужно подключить к другому выводу и снова измерить сопротивление между ним и остальными двумя выводами, пока не удастся найти вывод, имеющий малое сопротивление относительно двух других выводов. Найденный таким образом вывод является базовым, а транзистор имеет структуру n-р-n.

Если приведенным выше способом найти базовый вывод не удается, необходимо изменить полярность подключения авометра, т. е. к одному из выводов подключить минусовый щуп авометра, а затем найти базовый вывод р-n-р-транзистора.

Определение базового вывода большинства широко распространенных низкочастотных транзисторов упрощается, если помнить, что они выполнены с выводом базы на корпус.

С помощью авометра можно определить и выводы эмиттера и коллектора маломощных транзисторов. Для этого между предполагаемым выводом коллектора и базовым выводом подключают резистор сопротивлением в 1 кОм. Затем плюсовый щуп авометра подключают к предполагаемому выводу коллектора, а минусовый — к предполагаемому выводу эмиттера n-р-n-транзистора и определяют сопротивление по прибору. После этого предполагаем иное расположение выводов коллектора и эмиттера и снова измеряем сопротивление. Плюсовый щуп авометра будет соединен с коллектором в том случае, когда сопротивление между выводами окажется минимальным.

У р-n-р-транзисторов коллекторный и эмиттерный выводы можно определить таким же способом, но сопротивление между эмиттером и коллектором окажется меньшим, когда с коллектором будет соединен минусовый щуп авометра. При этом нужно помнить, что у всех мощных транзисторов, предназначенных для крепления на радиаторах, коллектор выведен на корпус. Следует, однако, иметь в виду, что подвергать такому испытанию высокочастотные транзисторы нежелательно, чтобы не повредить эмиттерный переход.

Следует иметь в виду также, что любой из омметров можно представить в виде источника э.д.с. Е с внутренним сопротивлением Rвн (рис. 4.51, а). Если присоединить к такому источнику один из р-n-переходов транзистора, например, эмиттерный, то через переход потечет ток I, равный приблизительно E/Rвн. Очевидно, при малом значении внутреннего сопротивления омметра ток I может превысить максимальный прямой ток через переход и повредить испытываемый транзистор. Если же присоединить к омметру эмиттерный переход так, как показано на рис. 4.51, б, то испытываемый транзистор можно повредить напряжением. Действительно, при Rм >> Rпр это напряжение, равное приблизительно Е, может превысить максимальное обратное напряжение на эмиттерном переходе. Поэтому, прежде чем проверять транзистор омметром, необходимо выяснить, чему равны э.д.с. Е и внутреннее сопротивление Rвн омметра, сравнить ток I и напряжение U с предельными для данного типа транзистора значениями прямого тока и обратного напряжения. После такой проверки можно считать, что транзистор является исправным. Но этого недостаточно, чтобы сделать заключение о его пригодности для данной конструкции, — он еще должен иметь заданный статический коэффициент передачи тока базы. Значит, нужно измерить этот параметр, прежде чем впаивать этот транзистор в собираемое устройство.


4.7. ЗАДАЧИ

1. Определите крутизну S характеристики полупроводникового диода, если при увеличении прямого напряжения от 0,4 до 0,6 В ток через диод возрос на 5 мА.

2. На входе схемы, составленной из последовательно соединенных диода и резистора R, действует источник синусоидального напряжения с амплитудой Еm = 2,4 В. Определите максимальное и минимальное значения напряжения на резисторе, если прямое и обратное сопротивления диода по переменному току соответственно равны 20 Ом и 300 кОм. Влиянием емкости диода и внутренним сопротивлением источника сигнала можно пренебречь.

Задачу решите для случаев: a) R = 100 Ом; б) R = 300 кОм. Сравнить влияние сопротивления резистора R на величину выходного напряжения (UR).

3. Определите ток базы, если ток эмиттера IЭ = 5 мА, а ток коллектора IК = 4,7 мА; током IКБ0 пренебречь.

4. Определите ток базы и коэффициент передачи тока базы у биполярного транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, если приращение тока коллектора равно 17 мА, а тока эмиттера — 18 мА.

5. Определите коэффициент передачи биполярного транзистора по току в схеме с общим эмиттером, если коэффициент передачи по току в схеме с общей базой равен 0,95.

Глава 5 Питание радиоэлектронных устройств от сети переменного тока

5.1. ОДНОФАЗНЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ

Структура однофазного выпрямительного устройства изображена на рис. 5.1.



Рис. 5.1. Структурная схема однофазного выпрямительного устройства


На вход выпрямителя подается переменное напряжение U1, которое с помощью трансформатора Тр изменяется до требуемого значения U2. Кроме того, трансформатор осуществляет электрическую развязку источника выпрямляемого напряжения и нагрузочного устройства, что позволяет получать с помощью нескольких вторичных обмоток различные значения напряжений U2, гальванически не связанных друг с другом. После трансформатора переменное напряжение U2 вентильной группы ВГ (или одним вентилем) преобразуется в пульсирующее напряжение U01. Количество вентилей зависит от схемы выпрямителя.

В выпрямленном напряжении U01, помимо постоянной составляющей, присутствует переменная составляющая, которая с помощью сглаживающего фильтра СФ снижается до требуемого уровня, так что напряжение U02 на выходе фильтра имеет очень малые пульсации. Установленный после фильтра стабилизатор постоянного напряжения Ст поддерживает неизменным напряжение Uн на нагрузочном устройстве Rн при изменении значений выпрямленного напряжения или сопротивления Rн.

Для выпрямления однофазного переменного напряжения широко применяют три типа выпрямителей: однополупериодный и два двухполупериодных. Схема однополупериодного выпрямителя прицелена на рис. 5.2, а. Выпрямитель состоит из трансформатора, к вторичной обмотке которого последовательно подсоединены диод VD и нагрузочный резистор Rн.


Работу выпрямителя удобно рассматривать с помощью временных диаграмм рис. 5.2, б.



Рис. 5.2. Схема (а) и временные диаграммы напряжений и токов (б) однополупериодного выпрямителя


В первый полупериод, т. е. в интервале времени 0 — Т/2, диод открыт, так как потенциал точки а выше потенциала точки б, и под действием напряжения в цепи вторичной обмотки трансформатора возникает ток iн. В интервале времени Т/2—Т диод закрыт, ток в нагрузочном резисторе отсутствует, а к запертому диоду прикладывается обратное напряжение u2.

Основными электрическими параметрами однополупериодного выпрямителя и всех выпрямителей являются:

• средние значения выпрямленных тока и напряжения Iн. ср и Uн. ср;

• мощность нагрузочного устройства Рн.ср = Uн. срIн. ср;

• амплитуда основной гармоники выпрямленного напряжения Uосн m;

• коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения рUосн m/Uн. ср,

• действующее значение тока и напряжения первичной и вторичной обмоток трансформатора I1, U1 и I2, U2.

В однополупериодном выпрямителе (рис. 5.2):


Ток Iн. ср является прямым током диода, т. е.

Iпр. ср = Iн. ср =0,45∙U2/Rн. (5.1, а)

Ток Iн является током вторичной обмотки трансформатора: Iн = I2. Тогда с учетом (5.1) действующее значение этого тока


Принимая во внимание, что коэффициент пульсаций р есть отношение амплитуды основной (первой) гармоники, частота которой в данном случае равна ω1, к выпрямленному напряжению Uн. ср, получим

p ~= 1,57.

Основное преимущество однополупериодного выпрямителя его простота; недостатки — большой коэффициент пульсаций, малые значения выпрямленного тока и напряжения. Однополупериодный выпрямитель применяют обычно для питания высокоомных нагрузочных устройств мощностью не более 10…15 Вт (например, электронно-лучевых трубок), допускающих повышенную пульсацию.

Диод в выпрямителях является основным элементом. Поэтому диоды должны соответствовать основным электрическим параметрам выпрямителей. Иначе говоря, диоды во многом определяют основные показатели выпрямителей. Для надежной работы диодов в выпрямителях требуется выполнение условий: Iпр. ср > Iн. ср и Uобp.max > √(2U2m) примерно с превышением в 30 %.

Двухполупериодные выпрямители бывают двух типов: мостовые и с выводами средней точки вторичной обмотки трансформатора. Эти выпрямители являются более мощными, чем однополупериодные, так как с их помощью нагрузочные устройства используют для своего питания оба полупериода напряжения сети. Наибольшее распространение получил двухполупериодный мостовой выпрямитель (рис. 5.3, а). Он состоит из трансформатора и четырех диодов, подключенных к вторичной обмотке трансформатора по мостовой схеме. К одной из диагоналей моста присоединяется вторичная обмотка трансформатора, а к другой — нагрузочный резистор Rн. Каждая пара диодов (VD1, VD3 и VD2, VD4) работает поочередно.

Диоды VD1, VD3 открыты в первый полупериод напряжения вторичной обмотки трансформатора u2 (интервал времени 0 — Т/2), когда потенциал точки а выше потенциала точки б. При этом в нагрузочном резисторе Rн появляется ток Iн (рис. 5.3, б). В этом интервале диоды VD2, VD4 закрыты. В следующий полупериод напряжения вторичной обмотки (интервал времени Т/2 — Т) потенциал точки б выше потенциала точки а, диоды VD2, VD4 открыты, а диоды VD1, VD3 закрыты. В оба полупериода, как видно из рис. 5.3, а ток через нагрузочный резистор Rн имеет одно и то же направление.



Рис. 5.3. Схема (а) и временные диаграммы напряжений и токов (б) мостового выпрямителя


Основные параметры мостового выпрямителя:


Анализ приведённых соотношений показывает, что при одинаковых значениях параметров трансформаторов и сопротивления Rн мостовой выпрямитель по сравнению с однополупериодным имеет следующие преимущества: средние значения выпрямленных тока Iн. ср и напряжения Uн. ср в два раза больше, а пульсации значительно меньше. Амплитуда основной гармоники частотой 2ω1 равна (2/3)∙Uн. ср. Следовательно, р ~= 0,67.

В то же время максимальное обратное напряжение на каждом из закрытых диодов, которые по отношению к зажимам вторичной обмотки включены параллельно, имеет такое же значение, что и в однополупериодном выпрямителе, т. е. U2m = √(2U2). Все эти преимущества достигнуты за счет увеличения количества диодов в четыре раза, что является основным недостатком мостового выпрямителя.

Двухполупериодный выпрямитель с выводом средней точки вторичной обмотки трансформатора (рис. 5.4, а) можно рассматривать как сочетание двух однополупериодных выпрямителей, включённых на один и тот же нагрузочный резистор Rн.

Действительно, в каждый из полупериодов напряжения uab работает либо верхняя, либо нижняя часть выпрямителя. Когда потенциал точки а выше потенциала средней точки 0 (интервал времени 0 — Т/2), диод VD1 открыт, диод VD2 закрыт, так как потенциал точки b ниже потенциала точки 0.

В этот период времени в нагрузочном резисторе Rн появляется ток iн (рис. 5.4, б). В следующий полупериод напряжения uab, (интервал времени Т/2 — Т) потенциал точки b выше, а потенциал точки а ниже потенциала точки 0. Диод VD2 открыт, а диод VD1 закрыт. При этом ток в нагрузочном резисторе Rн имеет то же направление, что и в предыдущий полупериод. При одинаковых значениях напряжений U2a и U2b эти токи будут равны.



Рис. 5.4. Схема (а) и временные диаграммы напряжений и токов (б) выпрямителя с выводом средней точки вторичной обмотки трансформатора


Данный тип выпрямителя имеет те же преимущества перед однополупериодным выпрямителем, что и мостовой выпрямитель, за исключением напряжения Uобр. max которое определяется напряжением uab. При Uab = 2U2 и одинаковых значениях сопротивлений нагрузочных резисторов Rн

Uобр. max ~= 3,14∙Uн. ср.

Все остальные соотношения для токов и напряжений определяются по формулам (5.5–5.7, 5.9), полученным для мостового выпрямителя, а коэффициент пульсаций р ~= 0,67.

Помимо указанного недостатка, в рассматриваемом двухполупериодном выпрямителе габариты, масса и стоимость трансформатора больше, чем в однополупериодном и мостовом выпрямителях, поскольку вторичная обмотка имеет вдвое больше число витков и требуется вывод от средней точки обмотки.

Достоинства этого выпрямителя — вдвое меньше количество диодов.

Двухполупериодные выпрямители применяют для питания нагрузочных устройств малой и средней мощностей.


5.2. СГЛАЖИВАЮЩИЕ ФИЛЬТРЫ

Сглаживающим фильтром называют устройство, предназначенное для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения.

Как отмечалось выше, выпрямленное напряжение является пульсирующим, в котором можно выделить постоянную и переменную составляющие. Коэффициент пульсации для однополупериодного однофазного выпрямителя равен 1,57, а для двухполупериодного выпрямителя — 0,67.

С такими коэффициентами пульсаций выпрямленное напряжение в подавляющем большинстве случаев использовать нельзя, так как при этом работа электронных блоков и устройств резко ухудшается или вообще недопустима. В зависимости от назначения того или иного электронного блока (усилителя, генератора и т. д.), его места в электронном устройстве или системе (на входе, выходе и т. д.) коэффициент пульсаций напряжения питания не должен превышать определённых значений. Так, для основных каскадов автоматических систем он не должен превышать 10-2…10-3, для выходных усилительных каскадов — 10-4…10-5, для автогенераторов — 10-5…10-6, а для входных каскадов электронных измерительных устройств — 10-6…10-7. Основными элементами сглаживающих фильтров являются конденсаторы, катушки индуктивности и транзисторы, сопротивления которых различны для постоянного и переменного токов.

Для постоянного тока сопротивление конденсатора равно бесконечности, а сопротивление катушки индуктивности очень мало.

Сопротивление транзистора постоянному току (статическое сопротивление) на два-три порядка меньше сопротивления переменному току (динамическое сопротивление). Основным параметром, характеризующим эффективность действия сглаживающего фильтра является коэффициент сглаживания q, равный отношению коэффициентов пульсаций на входе и выходе фильтра:

q = Рвх/Рвых.

Кроме выполнения требования к коэффициенту сглаживания фильтры должны иметь минимальное падение постоянного напряжения на элементах, минимальные габариты, массу и стоимость.

В зависимости от типа фильтрующего элемента различают емкостные, индуктивные и электронные фильтры. По количеству фильтрующих звеньев фильтры делятся на однозвенные и многозвенные. Здесь будем рассматривать самые простые фильтры.


5.2.1. Емкостные фильтры

Этот тип фильтров относится к однозвенным фильтрам. Его включают параллельно нагрузочному резистору Rн (рис. 5.5, а). Работу емкостного фильтра удобно рассматривать с помощью временных диаграмм, изображённых на рис. 5.5, б. В интервал времени t2 t3 конденсатор через открытый диод VD заряжается до амплитудного значения напряжения u2, так как в этот период напряжение u2 > uC. В это время ток ia = iC + iн. В интервале времени t1 t2, когда напряжение u2 становится меньше напряжения на конденсаторе uС, конденсатор разряжается через нагрузочный резистор Rн, заполняя разрядным током паузу в нагрузочном токе iн, которая имеется в однополупериодном выпрямителе в отсутствие фильтра. В этот интервал времени напряжение на резисторе Rн снижается до некоторого значения, соответствующего времени t3, при котором напряжение u2 в положительный полупериод становится равным напряжению на конденсаторе uC. После этого диод вновь открывается, конденсатор Сф начинает заряжаться и процессы зарядки и разрядки конденсатора повторяются.

Временные диаграммы тока и напряжений двухполупериодного мостового выпрямителя с емкостным фильтром (рис. 5.5, в) приведены на рис. 5.5, г.



Рис. 5.5. Схемы ёмкостных фильтров с однололупериодным (а) и мостовым (в) выпрямителями, временные диаграммы напряжений и токов однополупериодного (б) и мостового (г) выпрямителей с ёмкостным фильтром


Анализ временных диаграмм показывает, что с изменением емкости конденсатора Сф или сопротивления нагрузочного резистора RH будет изменяться значение коэффициента пульсаций выпрямленного напряжения. При этом чем меньше разрядится конденсатор, тем меньше будут пульсации в выпрямленном токе iн. Разряд конденсатора Сф определяется постоянной времени разрядки τразр = СфRн. При постоянной времени τразр >= 10Т коэффициент пульсаций определяется по формуле


где foсн — частота основной гармоники, не превышает 102.

Работа выпрямителя с емкостным фильтром существенно зависит от изменения нагрузочного тока. Действительно, при увеличении тока iн, что происходит при уменьшении сопротивления Rн, постоянная времени τразр уменьшается, уменьшается и среднее значение выпрямленного напряжения Uн. сp, а пульсации возрастают.

При использовании емкостного фильтра следует учитывать, что максимальное значение тока диода ia определяется лишь сопротивлениями диода Rпр и вторичной обмотки трансформатора, поэтому оно может достигать значений, больших Iпр. max. Такой большой ток может вывести из строя диод. Для предотвращения этого последовательно с диодом необходимо включать добавочный резистор. Кроме того, следует учитывать, что напряжение Uобр. max, прикладываемое к диоду, в два раза превышает U2m, так как в момент времени, когда диод заперт, напряжения на конденсаторе и на вторичной обмотке трансформатора складываются.

Емкостный фильтр целесообразно применять с высокоомным нагрузочным резистором Rн при мощности Рн не более нескольких десятков ватт.


5.2.2. Г-образные фильтры

Г-образные фильтры являются простейшими многозвенными фильтрами. Этот фильтр может быть LC-типа (рис. 5.6, а) или RC-типа (рис. 5.6, б). Их применяют тогда, когда с помощью однозвенных фильтров не выполняется предъявляемое к ним требование с точки зрения получения необходимых коэффициентов сглаживания. Эти фильтры, являясь более сложными по сравнению с однозвенными, обеспечивают значительно большее уменьшение коэффициента пульсаций. Снижение пульсаций LC-фильтром объясняется совместными действиями катушки индуктивности и конденсатора. Снижение переменных составляющих выпрямленного напряжения обусловлено как сглаживающим действием конденсатора Сф, так и значительным падением переменных составляющих напряжения на дросселе Lф.



Рис. 5.6. Схема Г-образных LC-фильтра (а) и RC-фильтра (б)


В то же время постоянная составляющая напряжения на нагрузочном резисторе не уменьшается, так как отсутствует сколько-нибудь значительное падение напряжения этой составляющей на очень малом активном сопротивлении дросселя. С учетом рекомендаций по выбору значений Сф и Lф, выражение для коэффициента сглаживания LC-фильтра можно записать в виде:

q = ω2оснLфCф — 1 (5.10)

Оно позволяет рассчитать параметры этого фильтра по заданному значению коэффициента сглаживания:

LфCф = (q + 1)/ω2осн (5.10, a)

В расчетах по формуле (5.10, а) одним из параметров (индуктивностью или емкостью) элементов фильтра задаются исходя из габаритов, массы и стоимости элементов.

В маломощных выпрямителях, у которых сопротивление нагрузочного резистора составляет несколько килоом, вместо дросселя Lф включают резистор Rф (рис. 5.6, б), что существенно уменьшает массу, габариты и стоимость фильтра. При выборе Х << Rф на резисторе Rф создается значительно большее падение напряжения от переменных составляющих выпрямленного тока, чем на резисторе Rн. Если выбрать значение Rф из соотношения Rн/(Rн + Rф) = 0,5…0,9, то падение постоянной составляющей напряжения на резисторе Rф будет минимальным. В итоге доля переменной составляющей в выпрямленном напряжении по отношению к постоянной составляющей на нагрузочном резисторе Rн значительно уменьшается. Коэффициент сглаживания для Г-образного RC-фильтра определяется из выражения:

q = (0,5…0,9)∙ωоснRфСф.

Следует отметить, что коэффициент сглаживания RC-фильтра меньше, чем у LC-фильтра.


5.3. ВНЕШНИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ

Внешней характеристикой выпрямителя называют зависимость напряжения на нагрузочном устройстве от тока в нем: Uн = f(Iн).

Наличие такой зависимости обусловлено тем, что в реальном выпрямителе сопротивления диодов и обмоток трансформаторов не равны нулю, а имеют конечные значения. На этих сопротивлениях от выпрямленного тока Iн создаётся падение напряжения, приводящее к уменьшению напряжения Uн.

В выпрямителе без фильтра напряжение Uн и нагрузочный ток связаны между собой соотношением:

Uн = Uн. х - (Rпр — Rтр)/Iн

где Uн. х  — напряжение на нагрузочном устройстве при Iн = 0.

На рис. 5.7 изображена зависимость Uн = f(Iн) выпрямителя без фильтра (кривая 1). Как видно, кривая 1 нелинейная, что объясняется нелинейным характером вольт-амперной характеристики диода, т. е. зависимостью Rпр от тока.

Кривая 2 на рис. 5.7 соответствует выпрямителю с емкостным фильтром. При Iн = 0 кривая берет свое начало из точки на оси ординат, соответствующей напряжению U2m = √(2U2), так как в отсутствие тока Iн конденсатор Сф заряжается до амплитудного значения напряжения вторичной обмотки u2.

С ростом тока Iн кривая 2 спадает быстрее, чем кривая 1, что объясняется не только увеличением падения напряжения на вторичной обмотке трансформатора и прямом сопротивлении диода, но и уменьшением постоянной времени разряда τразр = RнСф, обусловливающим дополнительное снижение среднего значения выпрямленного напряжения Uн. Можно легко показать, что при дальнейшем уменьшении Rн кривая 2 будет асимптотически стремиться к кривой 1 и при Rн = 0 они придут волну точку на оси абсцисс.

Внешняя характеристика выпрямителя с Г-образным RC-фильтром (кривая 3) на рис. 5.7 имеет еще более крутой наклон, чем кривая 2. Это вызвано дополнительным падением напряжения на последовательно включенном резисторе Rф.



Рис. 5.7. Внешние характеристики выпрямителей


5.4. СТАБИЛИЗАТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ

Стабилизатором напряжения называют устройство, автоматически обеспечивающее поддержание напряжения нагрузочного устройства с заданной степенью точности.

Напряжение нагрузочного устройства может сильно изменяться не только при изменении нагрузочного тока Iн, но и за счет воздействия ряда дестабилизирующих факторов. Одним из них является изменение напряжения промышленных сетей переменного тока.

В соответствии с ГОСТ это напряжение может отличаться от номинального значения в пределах от + 10 до —15 %. Другими дестабилизирующими факторами являются изменение температуры окружающей среды, колебание частоты тока и т. д. Применение стабилизаторов диктуется тем, что современная электронная аппаратура может нормально функционировать при нестабильности питающего напряжения 0…3 %, а для отдельных функциональных узлов электронных устройств нестабильность должна быть еще меньше. Так, для УПТ и некоторых измерительных электронных приборов нестабильность питающего напряжения не должна превышать 10-4%.

Стабилизаторы квалифицируют по ряду признаков:

• по роду стабилизируемой величины — стабилизаторы напряжения или тока;

• по способу стабилизации — параметрические и компенсационные стабилизаторы.

В настоящее время широкое применение получили компенсационные стабилизаторы, которые подразделяют на стабилизаторы непрерывного и импульсного регулирования. При параметрическом способе стабилизации используются некоторые приборы с нелинейной вольт-амперной характеристикой, имеющей пологий участок, где напряжение (ток) мало зависит от дестабилизирующих факторов. К таким приборам относятся стабилитроны, бареттеры, лампы накаливания и др.

При компенсационном способе стабилизации постоянство напряжения (тока) обеспечивается за счет автоматического регулирования выходного напряжения (тока) источника питания. Это достигается за счет введения отрицательной обратной связи между выходом и регулирующим элементом, который изменяет свое сопротивление так, что компенсирует возникшее отклонение выходной величины.

Основным параметром, характеризующим качество работы всех стабилизаторов, является коэффициент стабилизации. Как отмечалось, определяющими дестабилизирующими факторами, из-за которых изменяются выходные величины стабилизатора, являются входное напряжение стабилизатора Uвх и нагрузочный ток Iн.

Для стабилизатора напряжения коэффициент стабилизации по напряжению:


где ΔUвх и ΔUвыx — приращения входного и выходного напряжений, a Uвх и Uвых — номинальные значения входного и выходного напряжений.

Помимо коэффициента стабилизации стабилизаторы характеризуются такими параметрами, как внутреннее сопротивление Ri.ст и коэффициент полезного действия hст. Значениевнутреннего сопротивления стабилизатора Ri.ст позволяет определить падение напряжения на стабилизаторе, а следовательно, и напряжение на нагрузочном устройстве Uн при изменениях нагрузочного тока.

Коэффициент полезного действия стабилизатора характеризует мощность потерь в нем и является основным энергетическим показателем стабилизатора:

ηст = Рн/(Рн + Рп),

где Рн — полезная мощность в нагрузочном устройстве; Рп — мощность потерь.

В ряде случаев необходимо учитывать массу, габариты и срок службы используемых стабилизаторов.


5.4.1. Параметрические стабилизаторы напряжения

Схема простейшего параметрического стабилизатора напряжения изображена на рис. 5.8, а. С помощью такого стабилизатора, в котором применяется полупроводниковый стабилитрон VD, можно получать стабилизированное напряжение от нескольких вольт до нескольких сотен вольт при токах от единиц миллиампер до единиц ампер. Если необходимо стабилизировать напряжение менее 3 В, то вместо стабилитронов используют стабисторы (см. гл. 4).

Стабилитрон в параметрическом стабилизаторе включают параллельно нагрузочному резистору Rн. Последовательно со стабилитроном для создания требуемого режима работы включают балластный резистор Rб. Принцип действия параметрического стабилизатора постоянного напряжения удобно объяснить с помощью графика на рис. 5.8, б, на котором изображены вольт-амперная характеристика полупроводникового стабилитрона и «опрокинутая» вольт-амперная характеристика резистора Rб. Такое построение вольт-амперных характеристик позволяет графически решить уравнение электрического состояния стабилизатора напряжения: Uвх1 = Uст1 + RбIст1. При увеличении напряжения Uвх1 на ΔUвх, например, из-за повышения напряжения сети, вольт-амперная характеристика резистора переместится параллельно самой себе и займет положение 2. Из рис. 5.8, б видно, что напряжение Uст2 мало отличается от напряжения Uст1 т. е. практически напряжение на стабилитроне и на нагрузочном резисторе Rн останется неизменным. Напряжение на нагрузочном устройстве останется неизменным также при снижении входного напряжения и изменениях нагрузочного тока Iн.



Рис. 5.8. Схема параметрического стабилизатора напряжения на полупроводниковом стабилитроне (а) и пояснение принципа действия параметрического стабилизатора (б)


Для нормальной работы параметрического стабилизатора сопротивление резистора Rб должно быть таким, чтобы его вольт-амперная характеристика пересекала вольт-амперную характеристику стабилитрона в точке А, соответствующей номинальному току стабилитрона Iст. ном, значение которого указано в паспортных данных стабилитрона. Коэффициент стабилизации параметрического стабилизатора на полупроводниковом стабилитроне может достигать 30…50.

Основными достоинствами параметрических стабилизаторов напряжения являются простота конструкции и надежность работы.

К недостаткам следует отнести небольшой коэффициент полезного действия, не превышающий 0,3, большое внутреннее сопротивление стабилизатора (5…20 Ом), а также узкий регулируемый диапазон стабилизируемого напряжения.

Работа компенсационного стабилизатора напряжения будет рассмотрена в этой главе на примере конкретного стабилизатора, рекомендуемого для изготовления.


5.5. ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ

5.5.1. Приставка-автомат к блоку питания [4]

Когда радиоаппаратура питается от выносного блока, приходится постоянно помнить о необходимости вынуть из розетки вилку сетевого шнура, после того как нагрузка выключена. Единственный выход в этом случае — дополнить блок питания автоматом (рис. 5.9), который отключит блок от сети, если контакты выключателя нагрузки будут разомкнуты.



Рис. 5.9. Приставка-автомат к блоку питания


Рассмотрим работу автомата. При нажатии кнопки SB2 на выходе блока питания (БП) и нагрузке (ее выключатель SB2 должен находиться во включенном состоянии) появляется постоянное напряжение. Протекающий через диод VD1 ток нагрузки создает на нем падение напряжения, открывающее транзисторы VT1, VT3. Одновременно через резистор R2 подается открывающее напряжение на составной транзистор VT2—VT4. При этом транзистор VT2 шунтирует резистор R1, подавая на обмотку реле К1 практически полное питающее напряжение.

Реле срабатывает и контактами К1.2 шунтирует контакты кнопки SB2 (теперь кнопку можно отпустить), а контактами К1.1 закрывает составной транзистор. С этого момента через обмотку реле протекает ток удержания, ограниченный резистором R1. Если необходимо выключить нагрузку, достаточно нажать кнопку SB1. Реле отпустит и разомкнувшимися контактами К1.2 отключит блок питания от сети. В случае ошибочного отключения нагрузки ее встроенным выключателем ток через диод VD1 перестанет протекать, транзисторы VT1, VT3 закроются, реле отпустит, контакты К1.2 разомкнутся.

Параллельное включение транзисторов VT1, VT3 позволяет снизить токовую нагрузку на них до безопасного значения. Конечно, на их месте может работать один более мощный транзистор. Диод VD2 защищает транзисторы от токов, возникающих при коммутации обмотки реле.

Кроме указанных на схеме, в автомате могут быть использованы другие германиевые транзисторы соответствующей структуры. Следует лишь помнить, что транзисторы VT1, VT3 должны быть рассчитаны на работу при коллекторном токе, необходимом для срабатывания и удержания реле, их можно заменить одним из серий КТ814, КТ816 с исключением диода VD1, a VT2 должен кратковременно (25 мс) выдерживать ток срабатывания реле (можно использовать любой транзистор серий КТ815, КТ817). Диод VD1 — любой выпрямительный кремниевый, способный пропустить максимальный ток нагрузки, VD2 — практически любой кремниевый маломощный, скажем, серий КД102, КД103. При выходном напряжении блока питания 12 В реле может быть РЭН32, паспорт РФ4.519.021-02 (старое обозначение РФ4.519.025П2), а при 9 В — такое же, но паспорт РФ4.519.021-03 (РФ4.519.026П2). Конечно, подойдут и другие реле, срабатывающие при возможно меньшем токе и с контактами К1.2, рассчитанными на работу при сетевом напряжении 220 В.

Часть деталей автомата монтируют на печатной плате (рис. 5.10) из одностороннего фольгированного стеклотекстолита, которую вместе с реле устанавливают внутри блока питания.



Рис. 5.10. Печатная плата для приставки-автомата


Кнопки укрепляют на стенке блока. Если же габариты блока питания не позволяют осуществить такой монтаж, автомат выполняют в виде отдельной приставки с собственным корпусом (кнопки теперь будут на нем) и объединяют его с блоком на общем основании.

Налаживание автомата сводится к подбору резисторов: R1 должен быть такого максимального сопротивления, при котором реле удерживается после срабатывания, a R2 должен обеспечивать насыщение транзистора VT2, в этом режиме падение напряжения между эмиттером и коллектором транзистора не превышает нескольких десятых долей вольта.


5.5.2. Стабилизатор в адаптере [5]

Большинство малогабаритных сетевых блоков питания зарубежного производства, называемых адаптерами, содержат три основных компонента: понижающий трансформатор, выпрямитель и оксидный конденсатор фильтра. Габариты корпуса адаптера позволяют легко переделать его в стабилизированный блок питания.

Здесь рассматривается вариант переделки адаптера (рис. 5.11), рассчитанного на ток нагрузки 300 мА, в стабилизированный источник питания с защитой от короткого замыкания. Узел сравнения выходного напряжения с образцовым собран на транзисторе VT2.



Рис. 5.11. Стабилизатор для адаптера


Если напряжение на выходе стабилизатора снизится, коллекторный ток транзистора VT2 и, следовательно, транзистора VT1 увеличится. Выходное напряжение стабилизатора останется на прежнем уровне. При коротком замыкании транзистор VT2 открыт. Значение тока его коллектора и соответственно тока базы транзистора VT1 определяется сопротивлением резистора R3. Следовательно, ток регулирующего транзистора также будет ограничен.

Детали стабилизатора смонтированы на плате адаптера, с которой удален переключатель. Транзисторы устройства выбирают с возможно большим коэффициентом передачи тока. Выпрямительные диоды используются те же, а оксидный конденсатор необходимо подобрать с возможно меньшими габаритами. Транзистор VT1 установлен на теплоотвод из дюралюминия толщиной 2 мм и размерами 40х10 мм (продиктовано размерами корпуса адаптера). Кроме того, для улучшения теплового режима в корпусе адаптера необходимо сделать отверстия.

Для уменьшения пульсации выходного напряжения между базой транзистора VT2 и нижним по схеме выводом резистора R2 целесообразно включить оксидный конденсатор емкостью 20…22 мкФ на напряжение не менее 15 В плюсовым выводом к базе VT2.


5.5.3. Электрошоковое средство защиты [6]

Основу прибора составляет преобразователь постоянного напряжения (рис. 5.12, а). На выходе прибора применен умножитель напряжения на диодах КЦ-106 и конденсаторах 220 пФ х 10 кВ. Питанием служат 10 аккумуляторов Д-0,55. С меньшими — результат чуть хуже. Можно применять и батареи «Крона» или «Корунд». Важно иметь 9—12 вольт. Аккумуляторы удобны только тем, что их можно заряжать.

Очень важным элементом является трансформатор, который изготовлен из ферритового сердечника (ферритовый стержень от радиоприемника диаметром 8 мм), но эффективнее работал трансформатор из феррита от ТВС — из «П»-образного изготовлен брусок.

Правила намотки высоковольтной обмотки взяты из журнала «Радио» № 1 за 1992 год («Электрическая спичка») — через каждую тысячу витков прокладывается изоляция. Для межвитковой изоляции применяется лента ФУМ (фторопласт). Другие материалы менее надежны. Экспериментально опробованы изолента, слюда, применен провод ПЭЛШО. Трансформатор служил недолго — обмотки «прошивало».

Корпус изготовлен из пластмассовой коробки подходящих размеров — пластмассовая упаковка от электропаяльника. Размеры оригинала: 190х50х40 мм (рис. 5.12, б).




Рис. 5.12, а. Электрошоковое средство зашиты

I — 2х14 диам. 0,5–0,8; II — 2х6 диам. 0,5–0,8; III — 5–8 тыс. диам. 0,15—0,25



Рис. 5.12, б. Корпус прибора


В корпусе сделаны перегородки из пластмассы между трансформатором и умножителем, а также между электродами со стороны пайки — меры предосторожности во избежание прохождения искры внутри схемы (корпуса), что также предохраняет трансформатор. С наружной части под электродами расположены небольшие «усики» из латуни для уменьшения расстояния между электродами — разряд образуется между ними. В данной конструкции расстояние между электродами — 30 мм, а длина короны — 20 мм. Искра образуется и без «усов» — между электродами, но есть опасность пробоя трансформатора, образования ее внутри корпуса. Идея «усов» взята из фирменных моделей.

Во избежание самовключения при ношении целесообразнее применять выключатель движкового типа.

Хочется предупредить радиолюбителей о необходимости осторожного обращения с изделием как в период конструирования и наладки, так и с готовым аппаратом. Помните, что он направлен против хулигана, преступника, но в то же время против человека. Превышение пределов необходимой обороны наказывается по закону.


5.5.4. Формирователь биполярных напряжений [7]

Приведенная на рис. 5.13 схема может быть очень полезной, требуется получить от одного источника два напряжения разной полярности, например для питания операционного усилителя.

В бестрансформаторном преобразователе элемент DD1.1 служит генератором прямоугольных импульсов, при указанных значениях R1 и С1 его частота примерно равна 100 кГц и сигнал имеет TTЛ-уровни. DD1.2 и DD1.3 «буферируют» отдельно два канала. К выходам обоих буферов подключены двухполупериодные выпрямители, элементы которых по отношению друг к другу включены в противоположных полярностях, таким образом на выходах преобразователя имеются симметричные напряжения ±8,5 В с допустимым током нагрузки 10 мА.

Учитывая сравнительно высокую частоту работы преобразователя, для С2…С5 необходимо использовать по возможности танталовые конденсаторы.



Рис. 5.13. Формирователь биполярных напряжений


5.5.5. Источники питания с конденсаторным делителем напряжения

Маломощные сетевые блоки питания с гасящим конденсатором в силу своей предельной простоты получили в последние годы большое распространение, несмотря на ряд присущих им серьезных недостатков (таких, например, как гальваническая связь цепи нагрузки с сетью переменного тока). Конечно, их приходится так или иначе преодолевать. Если нагрузочный ток такого источника меняется в широких пределах, параллельно нагрузке необходимо включать стабилитрон, что существенно снижает КПД устройства.

Сетевой источник питания с гасящим конденсатором (рис. 5.14), по сути, есть делитель напряжения, у которого верхнее плечо — конденсатор, а нижнее представляет собой сложную нелинейную диодно-резисторно-конденсаторную цепь. Этим и определены недостатки (и достоинства, конечно) таких устройств.



Рис. 5.14. Сетевой источник питания с гасящим конденсатором


Для того чтобы источник мог работать в широком интервале тока нагрузки с высоким КПД, достаточно входной делитель напряжения выполнить чисто реактивным, например конденсаторным (рис. 5.15). Он позволяет дополнительно стабилизировать выходное напряжение источника последовательно включенным компенсационным или импульсным стабилизатором, чего нельзя делать в обычном источнике с гасящим конденсатором.



Рис. 5.15. Источник питания с конденсаторным делителем напряжения


Источник с конденсаторным делителем напряжения целесообразно использовать для совместной работы с импульсными стабилизаторами. Идеально подходит он для устройства, длительно потребляющего малый ток, но требующего в определенный момент резкого его увеличения. Пример — квартирное сторожевое устройство на микросхемах КМОП с исполнительным узлом на реле и звуковом сигнализаторе.

Ток, потребляемый конденсаторным делителем, будет иметь фазовый сдвиг в 90° относительно напряжения сети, поэтому делитель напряжения на реактивных элементах не требует охлаждения.

Исходя из вышесказанного ток через делитель вроде бы можно выбрать сколь угодно большим. Однако неоправданное увеличение тока делителя приведет к активным потерям в проводах и к увеличению массы и объема устройства. Поэтому целесообразно принять ток через делитель напряжения в пределах 0,5…3 от максимального тока нагрузки.

Расчет источника с емкостным делителем несложен. Выходное напряжение Uвых и полный выходной ток (стабилитрона и нагрузки Iвых) источника по схеме рис. 5.14, а связаны следующим образом: (Iвых = 4∙fC1(2UcUвых).

Эта формула пригодна и для расчета источника с конденсаторным делителем, в ней просто надо заменить С1 на суммарную емкость параллельно соединенных конденсаторов С1 и С2, показанных на рис. 5.15, a Uc — на Uc21 (напряжение на конденсаторе С2 при Rн = 1), т. е. Uc21 ч = UcС1/(С1 + С2). Тогда Iвых = 4∙f∙(C1C2)∙[UcC1∙√2/(C1 + С2) — Uвых или после очевидных преобразований Iвых = 4fC1[Uc∙√2 — Uвых(1 + С2/С1)].

Поскольку падение напряжения на диодах моста Uд при малых значениях Uвых становится заметным, получим окончательно Iвых = 4∙fC1[Uc∙√2 — (Uвых + 2Uд)(1 + С2/С1)].

Из формулы видно, что при Rн = 0 (т. е. при Uвых = 0) ток Iвых, если пренебречь падением напряжения на диодах, остается таким же, как у источника питания, собранного по схеме рис. 5.14, а. Напряжение же на выходе без нагрузки уменьшается: Uвых = [UcC1∙√2/(C1 + С2] — 2Uд.

Емкость и рабочее напряжение конденсатора С2 выбирают исходя из необходимого выходного напряжения — соотношение значений емкости С1/С2 обратно пропорционально значениям падающего на С1 и С2 напряжения. Например, если C1 = 1 мкФ, а С2 = 4 мкФ, то напряжение Uc, будет равно 4/5 напряжения сети, a Uc2 = Uc/5, что при напряжении сети Uc = 220 В соответствует 176 и 44 В. Необходимо учесть, что амплитудное значение напряжения почти в 1,5 раза превышает действующее, и надо выбрать конденсаторы на соответствующее номинальное напряжение.

Несмотря на то, что теоретически конденсаторы в цепи переменного тока мощности не потребляют, реально в них из-за наличия потерь может выделяться некоторое количество тепла. Проверить заранее пригодность конденсатора для использования в источнике можно, просто подключив его к электросети и оценив температуру корпуса через полчаса. Если конденсатор С1 успевает заметно разогреться, его следует счесть непригодным для использования в источнике.

Практически не нагреваются специальные конденсаторы для промышленных электроустановок — они рассчитаны на большую реактивную мощность. Такие конденсаторы используют в люминесцентных светильниках, в пускорегулирующих устройствах асинхронных электродвигателей и т. п.

Ниже представлены две практические схемы источников питания с конденсаторным делителем: пятивольтный общего назначения (рис. 5.16) на ток нагрузки до 0,3 А и источник бесперебойного питания для кварцевых электронно-механических часов (рис. 5.17).



Рис. 5.16. Схема пятивольтного источника питания общего назначения с конденсаторным делителем напряжения



Рис. 5.17. Схема источника бесперебойного питания для кварцевых электронно-механических часов с конденсаторным делителем напряжения


Делитель напряжения пятивольтного источника состоит из бумажного конденсатора С1 и двух оксидных С2 и С3, образующих нижнее по схеме неполярное плечо емкостью 100 мкФ. Поляризующими диодами для оксидной пары служат левые по схеме диоды моста. При номиналах элементов, указанных на схеме, ток замыкания (при Rн = 0) равен 600 мА, напряжение на конденсаторе С4 в отсутствие нагрузки — 27 В.

Электронно-механические часы обычно питают от одного гальванического элемента напряжением 1,5 В. Предлагаемый источник вырабатывает напряжение 1,4 В при среднем токе нагрузки 1 мА. Напряжение, снятое с делителя С1С2, выпрямляет узел на элементах VD1, VD2, С3. Без нагрузки напряжение на конденсаторе С3 не превышает 12В.


5.5.6. Блок питания с регулируемым выходным напряжением

Это устройство может применяться как переносной источник стабилизированного напряжения при налаживании и испытании различных устройств на транзисторах. Блок питания обеспечивает получение стабилизированного постоянного напряжения до 12 В при силе тока через нагрузку до 250…300 мА. Принципиальная схема блока питания приведена на рис. 5.18, а.



Рис. 5.18, а) схема блока питания с регулируемым стабилизированным напряжением


Он состоит из сетевого трансформатора TV1, двухполупериодного мостового выпрямителя на диодах VD1—VD4 и конденсатора С1, сглаживающего пульсации выпрямленного напряжения, стабилизатора напряжения на стабилитроне и транзисторах VT1, VT2. Выходное напряжение плавно регулируется переменным резистором R2 от долей вольта до 12 В. При увеличении силы тока нагрузки до 250…300 мА величина выходного напряжения остается практически постоянной. Трансформатор TV1 понижает напряжение сети до 12… 14 В, после выпрямления напряжение на конденсаторе С1 равно 16…18 В. Особенность двухполупериодного мостового выпрямителя с конденсатором на выходе состоит в том, что с изменением емкости конденсатора С1 или сопротивления нагрузки Rн изменяется значение коэффициента пульсаций выпрямленного напряжения, т. е. изменяется переменное напряжение с удвоенной частотой основной гармоники. При τразр >= 10Т коэффициент пульсаций равен:


Где τразр = C1R1н; R1н — в данном случае сопротивление цепи разряда конденсатора С1, состоящей из последовательно соединенных стабилитрона VD5 и резистора R1:

fосн = 100 Гц.

При уменьшении емкости конденсатора С1 (или сопротивления нагрузки) пульсации возрастают, а среднее значение выпрямленного напряжения уменьшается. При большой емкости конденсатора С1 максимальное значение силы тока диода в момент включения выпрямителя определяется лишь сопротивлениями диода в прямом направлении и вторичной обмотки трансформатора; поэтому сила тока может достигать значений, больших Iпр. макс. Такой большой ток может вывести из строя диод, поэтому для предотвращения этого при больших емкостях конденсатора С1 следует последовательно с диодами включать добавочные резисторы. Напряжение Uобр. макс, прикладываемое к диоду, в два раза превышает напряжение на вторичной обмотке трансформатора U2m, так как в момент времени, когда диод заперт, напряжения на конденсаторе и на вторичной обмотке трансформатора складываются. Стабилизированное напряжение с резистора R2 подается на базу транзистора VT1, включенного по схеме эмиттерного повторителя, который является управляющим элементом.

Напряжение с его нагрузки подается на базу регулирующего транзистора VT2, который также включен по схеме с ОК. Когда движок резистора R2 находится в крайнем нижнем (по схеме) положении, напряжение на базе управляющего транзистора равно нулю, оба транзистора закрыты и напряжение на выходе стабилизатора также равно (или близко) нулю. При перемещении движка резистора вверх открывается транзистор VT1, а также транзистор VT2, сила тока через нагрузку увеличивается. Напряжение на выходных гнездах XS1 стабилизатора на 0,3…0,4 В меньше, чем на базе управляющего транзистора VT1 (в эмиттерных повторителях на германиевых транзисторах выходное напряжение всегда меньше входного на величину, равную примерно 0,2 В). Монтажная плата блока показана на рис. 5.18,6, а конструкция блока — на рис. 5.18, в.



Рис. 5.18. б) монтажная плата блока питания; в) конструкция блока питания


5.5.7. Блок питания со стабилизатором компенсационного типа

Этот блок питания служит для питания микросхем и имеет выходное напряжение, равное 5 В. В нем используется стабилизатор компенсационного типа, в котором благодаря наличию отрицательной обратной связи обеспечивается постоянство напряжения на нагрузке (рис. 5.19).



Рис. 5.19. Схема блока питания со стабилизатором компенсационного типа


Напряжение на вторичной обмотке трансформатора TV1 примерно 3,5 В, выпрямленное напряжение на конденсаторе С1 равно 5,5…6 В. Выходное напряжение с делителя напряжения R2R3 подается на инвертирующий вход (вывод 9) операционного усилителя, а образцовое напряжение, снимаемое со стабилитрона VD5, подается на неинвертирующий вход (вывод 10). Изменение напряжения между инвертирующим и неинвертирующим входами на несколько сотен микровольт вызывает изменение выходного напряжения в пределах его полного диапазона, определяемого ЭДС источника питания ОУ. Обычно схема включения ОУ такова, что с помощью внешней отрицательной обратной связи напряжение подается с выхода на вход, в результате чего разность напряжений между входами становится равной почти нулю. Поэтому при изменении (например, увеличении) напряжения на выходе стабилизатора изменится (увеличится) напряжение на инвертирующем входе ОУ, а это в свою очередь приведет к уменьшению выходного напряжения, и наоборот. Сопротивление транзистора VT1 увеличится (так как на его базе уменьшится положительное напряжение), напряжение на нагрузке уменьшится. Это приведет к тому, что напряжение между выводами 9 и 10 станет практически равно нулю. Этот переходный процесс длится несколько микросекунд. Напряжение на выходе блока питания можно определить по упрощенной формуле:

Uвых = Uст∙(R2 + R3)/R3

где Uст — напряжение на стабилитроне VD5.

Изменяя в небольших пределах сопротивления резисторов R2, R3, можно изменять выходное напряжение источника. При этом, как видно из формулы, выходное напряжение не может быть меньше напряжения стабилизации стабилитрона VD5. Резистор R4 ограничивает выходной ток, конденсатор С2 предотвращает возбуждение операционного усилителя. Коэффициент стабилизации стабилизатора составляет 200…400, а выходное сопротивление — несколько миллиом. Сила максимального выходного тока равна произведению предельно допустимой силы выходного тока ОУ на коэффициент h21э транзистора VT1 и составляет примерно 150 мА.

Трансформатор выполнен на магнитопроводе Ш16х35, первичная обмотка содержит 3000 витков провода ПЭВ-2 0,1, а вторичная — 55 витков провода ПЭВ-2 0,47. Конструкция блока питания произвольная. Детали выпрямителя и стабилизатора напряжения можно смонтировать на печатной плате или навесным методом.

Выводы деталей пропускают через отверстия в плате и соединяют между собой (по принципиальной схеме) непосредственно или отрезками монтажного провода с другой стороны платы.


5.6. ПОЛЕЗНЫЕ СОВЕТЫ

5.6.1. Номограммы для расчета RC- и LC- фильтров нижних частот

Конструирование различной аппаратуры почти всегда сопряжено с расчетом сглаживающих фильтров, которые применяются для уменьшения амплитуды пульсаций напряжения, используемого для питания электронных устройств и в цепях развязки по низкой частоте. Наибольшее распространение получили Г-образные RC-и LC-фильтры. Способность фильтра уменьшать пульсации характеризуется коэффициентом сглаживания:

Кc = рвх/рвых

где рвх и рвых — коэффициенты пульсаций на входе и выходе фильтра.

Величина рвх определяется режимом работы выпрямителя. Коэффициент пульсаций на выходе фильтра рвых зависит от характера нагрузки и находится в пределах от 0,00001 до 0,2.

Для расчета Г-образных фильтров используются формулы:

RC = 1,5∙105Kc/m2f2

LC = 2,5∙104∙(Kc + 1)/m2f2

где R, L и С — элементы сглаживающих фильтров, измеряемые соответственно в Ом, Гн, мкФ; Кс — коэффициент сглаживания; m — число фаз выпрямления (для однополупериодной схемы m = 1; для двухполупериодной, мостовой и параллельной схемы удвоения m = 2); f — частота выпрямляемого тока, Гц.

Расчет фильтров значительно упрощается при использовании номограмм, приведенных на рис. 5.20, а и рис. 5.20, б. На номограмме для расчета RC-фильтров (рис. 5.20, а) по оси I отложена в логарифмическом масштабе частота питающей сети, по оси II — величина Кс, тоже в логарифмическом масштабе с модулем в два раза меньшим, чем модуль оси I. По осям III и IV отложены соответственно величины емкости в микрофарадах и сопротивления в омах. Модуль осей III и IV равен модулю оси I. Пользоваться номограммой следует так: через точки, соответствующие заданной частоте и требуемой величине Кс, проводится прямая до пересечения с осью III. Точка встречи прямой с осью III определяет линию равных произведений RC (наклонные прямые линии, расположенные между осями III и IV), представляющую собой геометрическое место точек, у которых произведение R и С есть постоянная величина. Обычно при расчете оказывается заданным значение какого-либо одного элемента фильтра — R или С.



Рис. 5.20, а. Номограммы для расчёта RC-фильтров нижних частот



Рис. 5.20, б. Номограммы для расчёта LC-фильтров нижних частот


Определение величины другого элемента заключается в отыскании на выбранной линии равных произведений такой точки, у которой проекция на координатную ось соответствует заданной величине.

Проекция найденной точки на другую ось определит искомую величину. На рисунке приведен пример пользования номограммой для следующих условий: f = 750 Гц, m = 1, Кс = 100. Если задано R = 200 Ом, то необходимая величина емкости С = 100 мкФ; если задано С = 25 мкф, то R = 800 Ом. Если оказывается, что одно звено фильтра не обеспечивает необходимую величину Кс, можно использовать два или более последовательно включенных звена. В этом случае общий коэффициент сглаживания равен произведению коэффициентов сглаживания каждого звена.

Номограмма для расчета LC-фильтров (рис. 5.22, б) аналогична рассмотренной выше. Отличие заключается лишь в том, что модуль оси II в четыре раза, а модуль осей III и IV в пять раз меньше модуля оси I. На рис. 5.20, б приведен пример расчета LC-фильтра для следующих условий: f = 250 Гц, m = 2, Кс = 400. Если С = 20 мкф, то L = 2 Гн, если L = 4 Гн, то С = 10 мкФ.


5.6.2. Питание радиоаппаратуры от бортовой сети автомобиля

При использовании в поездках переносной радиоаппаратуры — магнитофонов, радиоприемников — целесообразно питать ее от бортовой сети автомобиля. Однако многие из этих устройств рассчитаны на напряжение не более 69 В. В этом случае их питание в автомобиле можно осуществить через цепочку диодов, как показало на рис. 5.21.



Рис. 5.21. Питание радиоаппаратуры от бортовой сети автомобиля


Диоды должны выдерживать силу тока, потребляемую аппаратурой. При этом надо учитывать, что на кремниевых диодах «падает» 0,7 В, а на германиевых — 0,4 В. Немаловажно и то, что диоды защитят аппаратуру в случае ее неправильного подключения к полюсам автомобильного аккумулятора.


5.7. ЗАДАЧИ

1. Построить осциллограмму тока нагрузки (рис. 5.22, а), используя вольт-амперные характеристики диода (рис. 5.22, б, в), если напряжение Uвх = 160 В; сопротивление нагрузки Rн = 5 кОм.



Рис. 5.22.


2. Чему равен ток через нагрузочный резистор сопротивлением Rн = 120 Ом мостового выпрямителя, если на вход трансформатора поступает напряжение U1m = 140 В, коэффициент трансформации nтр = 0,1, а сопротивление каждого полупроводникового диода в схеме равно 10 Ом?

3. Определить напряжение Uн на нагрузочном резисторе Rн = 980 Ом и коэффициент передачи по напряжению, если на входе действует источник напряжения, содержащий постоянную составляющую Uвх = 20 В и переменную составляющую U~ = 20 В с частотой f = 50 Гц, R = 20 Ом, С = 200 мкФ (рис. 5.23).

Оценить, на сколько отличаются коэффициенты передачи по постоянной и переменной составляющим.

Указание. Расчет провести отдельно для постоянной и переменной составляющей.



4. Зависимость напряжения нагрузки стабилизатора от входного напряжения может быть записана в следующем виде: Uн = 0,01∙Uвх + 10. Определить коэффициент стабилизации при напряжениях Uвх = 10; 50; 100 В.

5. Чему равно относительное изменение напряжения на выходе параметрического стабилизатора, если Uст = 8 В, ток стабилизатора изменился на DIст = 1 мА, а динамическое сопротивление Rд = 16 Ом?

Глава 6 Усилители звуковой частоты

6.1. ПАРАМЕТРЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ УСИЛИТЕЛЕЙ ЗВУКОВОЙ ЧАСТОТЫ (УЗЧ)

Усилитель, как и колебательный контур, является обязательным устройством любого радиоприемника. В каждом радиоприемнике есть несколько усилителей, называемых также усилительными каскадами.

Все УЗЧ увеличивают мощность сигнала, но если при этом значительно повышается напряжение сигнала, то такие усилители называют усилителями напряжения. Мощность сигнала в усилителях повышается за счет энергии источника питания.

Усилители мощности при работе с полной отдачей потребляют ток в десятки и даже сотни миллиампер.

Основными параметрами усилительного каскада являются:

• Коэффициент усиления по напряжению:

КU = Uвых/Uвх

• Коэффициент усиления по току:

IU = Iвых/Iвх

и коэффициент усиления по мощности:

Kp = Pвых/Pвх = UвыхIвых/UвхIвх  = KUKI

Обычно в усилительных каскадах все три коэффициента усиления значительно больше единицы. Однако в некоторых усилительных каскадах один из двух коэффициентов усиления может быть меньше единицы, т. е. KU < 1 или KI < 1. Но в любом случае коэффициент усиления по мощности Кр > 1, а чаще всего Кр >> 1.

В зависимости от того, какой параметр входного сигнала (напряжение, сила тока или мощность) требуется увеличить с помощью усилительного каскада, различают усилительные каскады напряжения, тока и мощности. Усилительный каскад напряжения имеет коэффициент усиления KU, как правило, равный нескольким десяткам. В инженерной практике очень часто необходимо получить значительно больший коэффициент усиления по напряжению, достигающий многих тысяч и даже миллионов. Для решения такой задачи используют многокаскадные усилители, в которых каждый последующий каскад подключен к выходу предыдущего.

Коэффициент усиления многокаскадного усилителя:

КU = Uвых. n/Uвх1  ~= К1К2∙…∙Кn

где n — номер каскада усиления.

• Выходная мощность — это мощность на выходе усилителя, при которой уровень искажений не превышает некоторого установленного значения. Для нормальной работы громкоговорителя требуется выходная мощность не менее 30 мВт; для озвучивания комнаты средних размеров — 100…200 мВт; для громкоговорящего воспроизведения звука на открытом воздухе — 0,6…0,8 Вт. Максимальной для УЗЧ с питанием от батареи элементов можно считать мощность 2…4 Вт.

• Сопротивление нагрузки усилителя — это сопротивление громкоговорителя, на которое рассчитан усилитель. Нагрузкой маломощных усилителей, применяемых в портативных приемниках, служат динамические головки прямого излучения с сопротивлением звуковой катушки 4…10 Ом, реже 16 Ом. В переносных приемниках находят применение головки с номинальной мощностью до 2 Вт и сопротивлением 4 Ом. Обычно УЗЧ хорошо работает с динамической головкой, сопротивление которой не ниже выходного сопротивления усилителя. При уменьшении сопротивления нагрузки увеличиваются искажения, при увеличении сопротивления — уменьшается выходная мощность усилителя обратно пропорционально сопротивлению нагрузки.

• Чувствительность — это напряжение сигнала на входе УЗЧ, требуемое для получения на его выходе номинальной выходной мощности. Простейшие УЗЧ имеют чувствительность 10…20 мВ.

• Степень нелинейных искажений сигнала, которую можно оценить через коэффициент гармоник.

Большое применение нашли УЗЧ на операционных усилителях (ОУ), которые характеризуются широким диапазоном рабочих частот, высокой стабильностью, малыми габаритными размерами и массой.

В любом приемнике, магнитофоне, телевизоре и в других бытовых радиоприборах имеются усилители мощности. Мощным каскадом принято считать каскад, в котором транзисторы отдают в нагрузку мощность, близкую к максимально возможной. Основными требованиями, предъявляемыми к мощным выходным каскадам, являются получение необходимой мощности в нагрузке и максимальный КПД при допустимых искажениях сигнала. Требование максимального КПД имеет наибольшее значение для усилителей с питанием от автономных источников. Максимальное усиление мощности — второстепенное требование, поскольку необходимое усиление может быть получено в других каскадах. Чем выше КПД каскада, тем менее мощный транзистор нужен для получения требуемой мощности. Максимальный КПД достигается при оптимальной нагрузке. Однако сопротивление нагрузки, как правило, бывает задано. Если оно значительно отличается от оптимального, то для получения высокого КПД нагрузку включают через согласующий трансформатор. Использование согласующего трансформатора на входе мощного выходного каскада позволяет получить максимальный коэффициент усиления мощности предвыходным каскадом и минимальный уровень искажений при заданной мощности в нагрузке усилителя. Применение согласующих трансформаторов в малогабаритных усилителях приводит к снижению КПД, поскольку малогабаритные недорогие трансформаторы имеют сравнительно малый КПД.

Усилители мощности (выходные каскады) бывают однотактные и двухтактные. Двухтактные усилители бывают трансформаторные и бестрансформаторные. Однотактные выходные каскады применяются иногда в усилителях с малой выходной мощностью, поскольку их КПД не превышает 40 %.

Трансформаторные двухтактные выходные каскады в основном используются в режиме класса АВ, при котором КПД превышает 50 %. Бестрансформаторные выходные каскады характеризуются более широким диапазоном рабочих частот, чем трансформаторные, меньшими габаритными размерами и массой. Они могут иметь непосредственную связь с предыдущим каскадом, что позволяет охватывать их цепями ООС по постоянному току, решая таким образом задачу стабилизации режима работы.

В двухкаскадных усилителях на биполярных транзисторах (БТ) используются различные комбинации включения транзисторов.

Если выходное сопротивление источника сигнала и сопротивление нагрузки усилителя примерно равны и составляют единицы или десятки килоом, следует применять каскады с ОЭ; при малых сопротивлениях (менее 100 Ом) — первый каскад с ОЭ или ОБ и второй каскад с ОК, а при больших сопротивлениях (более 100 кОм) — первый каскад с ОК и второй с ОЭ. Если сопротивление нагрузки усилителя значительно превышает сопротивление источника сигнала, следует использовать оба каскада с ОЭ. При сопротивлении нагрузки усилителя меньшем, чем выходное сопротивление источника сигнала, рекомендуется использовать оба каскада с ОЭ или первый каскад с ОЭ, а второй — с ОК. Для многокаскадных усилителей приведенные выше рекомендации относятся к первому и последнему каскадам. Промежуточные каскады выполняются с ОЭ. Гибридные усилители, содержащие полевые транзисторы (ПТ) и БТ, имеют существенные преимущества по сравнению с усилителями, в которых используются транзисторы какого-либо одного вида. Например, в усилителях, в которых чередуются каскады на ПТ и БТ, достигается значительно больший коэффициент усиления мощности, поскольку ПТ, включенные с ОИ или ОС, позволяют получить очень большой коэффициент усиления тока, а БТ — большое усиление напряжения (при нагрузке высоким входным сопротивлением ПТ). Входное сопротивление таких усилителей легко сделать высоким, а выходное — низким.

Правила монтажа усилителей мощности. Монтаж усилителя мощности должен быть тщательно продуман. При этом следует обращать внимание на взаимное расположение проводников, соединяющих усилитель мощности с источником сигнала и источником питания. Паразитная индуктивная связь между проводами питания и входными цепями может привести к наводке во входной цепи паразитной э.д.с., частотный спектр которой при работе выходного каскада в режиме класса АВ состоит из гармоник усиливаемого сигнала. Для устранения паразитной связи необходимо разнести провода питания и входной цепи. В питающие цепи усилителя мощности нужно включать развязывающие RC-фильтры, размещая их непосредственно на монтажной плате усилителя. Во избежание помех, проникающих на вход усилителя по общему проводу, нужно увеличивать сечение шин общего провода и соединять все идущие к ним провода в одной точке. Наиболее эффективным способом защиты является гальваническая развязка общего провода входного каскада от шины питания, что возможно в усилителе мощности с дифференциальным входным каскадом.

С общим проводом источника сигнала соединены лишь выводы резисторов, непосредственно подключенные к инвертирующему и неинвертирующему входам. Все остальные проводники, идущие к общему проводу, подключены к мощной шине источника питания. Обе «корпусные» шины соединяют резистором, его сопротивление должно быть не слишком малым, чтобы помехи от мощной шины не проникали на вход усилителя, но и не слишком большим, чтобы не было заметного влияния на глубину ООС. Обычно сопротивление резистора выбирают в пределах от единиц до десятков ом.

Обратите внимание, что обычно общая клемма источника питания соединяется с шасси (корпусом) прибора (устройства).

Рассмотрим работу двухтактного усилителя мощности на конкретном примере, на примере УЗЧ для радиоприемника, который будет изготовлен на практических занятиях в этой главе. Кроме того, работу двухтактного усилителя мощности можно рассмотреть по схеме УЗЧ к электронной сирене. На примере этих же схем рассмотрим действие ООС по постоянному и переменному току, а на примере двустороннего телефона, который предлагается для изготовления при изучении этой темы, рассмотрим действие ПОС.

УЗЧ для радиоприемника (рис. 6.1) содержит три каскада усиления: первый каскад — дифференциальный усилитель, второй — каскад усиления с общим эмиттером, третий — двухтактный усилитель мощности на комплиментарных транзисторах, который работает в режиме В.

Изучение этого усилителя лучше всего начать со второго каскада, который имеет некоторые особенности. Во-первых, хотя этот каскад выполнен по схеме с ОЭ, но нагрузка у него заземлена, и, во-вторых, в качестве нагрузки используется источник тока на ПТ. Транзисторный каскад на VT6 здесь работает как управляемый источник тока, который имеет малое сопротивление постоянному току, но большое дифференциальное сопротивление, т. е. сопротивление переменному току. Его внутреннее (дифференциальное) сопротивление можно определить по формуле:

Rвн = Rси∙(1 + SRи)

Сопротивление Rси ПТ КП303Д можно определить по выходной характеристике, оно примерно равно 20…30 кОм.

Приведем здесь основные параметры КТ303Д:

Начальный ток стока Iс. нач, мА… 3…9

Крутизна характеристики S, мА/В… >= 2,6

Напряжение отсечки Uзи. отс., В… =< 8

Тогда Rзи = Rси(1 + SR10) = 20…30 (1 + 3∙1) = 80…120 кОм.

Выходной каскад работает в режиме В, поэтому схема имеет более высокий коэффициент полезного действия (78,5 %) по сравнению с обычным эмиттерным повторителем (класс А) — (6,25 %), что особенно важно для УЗЧ, работающих от батарей. Коэффициент усиления каскада по напряжению КU ~= 1, а по току КI = h21э. Максимальная мощность на выходе ограничивается лишь предельным током (Iн. макс= Еи. ст/2Rн) и максимальной мощностью рассеивания используемых транзисторов (РVT4 ~ РVТ5 ~ 0,2∙Рн. макс).

Следует заметить, что если на входе каскада имеются частоты, превышающие граничную частоту для данных типов транзисторов, то могут быть моменты времени, когда одновременно будут открыты оба транзистора, т. е. второй транзистор не успеет быстро закрыться, и через транзисторы потечет ток выше допустимого.

Кроме искажений типа «ступеньки», в УЗЧ могут возникать также искажения, связанные с неодинаковым усилением отрицательных и положительных полуволн. Они, как правило, возникают, когда к входу усилителя подключен высокоомный источник сигнала и транзисторы имеют различные коэффициенты передачи тока.

Из главы 4 известно, что выходное сопротивление каскада без эмиттерного резистора температурной стабилизации равно:

Rвых = (RкRкэ)/(Rк + Rкэ) = (RвнRкэ)/(Rвн + Rкэ)

а сопротивление участка коллектор-эмиттер транзистора при токе Iк ~= 1 мА равно: Rкэ = 100 кОм. Тогда Rвых = (80…120∙100)/(80…120 + 100) = 44…60 кОм, т. е. выход каскада усиления на транзисторе VT3 является высокоомным.

Для компенсации этих искажений, забегая вперед, можно сказать, в схеме УЗЧ для радиоприемника, так же, как и в УЗЧ к электронной сирене, применяют глубокую ООС. При отсутствии ООС надо тщательнее подбирать выходные транзисторы с как можно более близкими коэффициентами передачи тока.

Рассмотренная схема каскада имеет и еще один недостаток — она не обладает температурной стабильностью. Применение ООС между каскадами повышает также и температурную стабильность.

Для большей температурной стабилизации каскада в цепи эмиттеров можно включить резисторы сопротивлением несколько ом. И наконец, можно приступить к изучению каскада дифференциального усиления (рис. 6.1).




Рис. 6.1. Схема УЗЧ для радиоприемника


К достоинствам дифференциальных усилителей можно отнести большую полосу пропускания частот, высокую стабильность работы (с учетом этих качеств и применен дифференциальный усилитель в УЗЧ для радиоприемника). Если на вход такого усилителя поступают такие помехи, как пульсация напряжения источника питания, сигналы наводки, обусловленные влиянием паразитных связей, излучения и т. д., то для усилителя они являются синфазным сигналом. Коэффициент усиления синфазного сигнала для данной схемы дифференциального усилителя определяется из выражения:

Ксинф = Rк/(2Rэ + rэ) = R6/(2R7 + Rэ) = 2∙103/(2∙1,5∙103 + 60..80) ~= 0,65

где rэ = UT/IK (мА) ~= 25/0,3…0,4 = 83…62 Ом — сопротивление транзистора VT1 со стороны эмиттера. Определение Iк будет дано ниже.

Изменение напряжения база-эмиттер, происходящее под воздействием температуры, действует так же, как синфазный сигнал, и, следовательно, слабо влияет на работу схемы.

Коэффициент усиления дифференциального сигнала:

КдифUвых/(U1U2) = Rк/2rэ = 2∙103/2∙(80…60) = 12,5…16,6

Коэффициент ослабления синфазного сигнала:

КОСС ~= Rэ/rэ  = 1,5∙103/80…60 = 19…25

Резистор R6 выбирают таким образом, чтобы падение напряжения на нем в режиме покоя было равно падению напряжения на участке база-эмиттер транзистора VT3, т. е. равно примерно 0,65 В. Благодаря этому поддерживается в открытом состоянии транзистор VT3. Это состояние постоянно поддерживается цепью обратной связи.

Зная падение напряжения на резисторе R6, можем вычислить ток Iк через транзистор VT1:

Iк = 0,65/2∙103 = 0,33 мА

Зададимся его значениями: Iк = 0,3…0,4 мА.

Резистор R7 выбран с таким расчетом, чтобы суммарный эмиттерный ток был равен удвоенному току эмиттера транзистора VT1. Выходное напряжение УЗЧ для радиоприемника поступает в цепь обратной связи, которая состоит из делителя напряжения, образованного резисторами R9, R8 и конденсатором С3, благодаря которой коэффициент усиления усилителя с ООС по постоянному току уменьшается до величины, близкой к единице, коллекторные токи транзисторов в режиме покоя все время равны между собой.

По переменному напряжению сигнал на второй вход дифференциального усилителя снимается с R8C3 делителя напряжения R9R8C3. Такой делитель является частнозависимым, на низкой частоте ООС более глубокая, чем на высокой частоте. За счет действия этой ООС уменьшаются переходные искажения типа «ступеньки», влияние температуры и других дестабилизирующих факторов на работу всего УЗЧ, увеличивается входное сопротивление, уменьшается выходное, хотя и уменьшается общий коэффициент усиления.

На примере двустороннего телефона показано, что применение положительной обратной связи приводит к самовозбуждению усилителя и превращению его в генератор.

После изучения схем УЗЧ задайте себе вопросы: Каково назначение УЗЧ? В каком диапазоне частот они работают? Какой порядок анализа работы схемы можно предложить? После этого попробуйте ответить еще на несколько вопросов: Сколько каскадов имеет данный усилитель и каково их назначение? От какого источника подается напряжение сигнала на вход усилителя? На какую нагрузку работает усилитель? Каковы способы включения транзисторов в схему усиления? Какие межкаскадные связи, схемы входа и выхода используются в данном усилителе? Покажите цепи питания транзисторов. Какие схемы температурной стабилизации режима их работы применяют? Каковы режимы работы транзисторов в каждом каскаде? Какие элементы входят в состав усилителя, каковы их данные и назначение?


6.2. ОТЫСКАНИЕ НЕИСПРАВНОСТЕЙ В УЗЧ

Статистикой установлено, что на выявление наличия неисправностей в среднем затрачивается около 3 % от общего времени на ремонт, на выявление характера неисправности — 15 % и на проверку параметров после ремонта — 22 %.

В транзисторных усилительных каскадах прежде всего необходимо убедиться в исправности транзистора, выпаяв его из схемы для проверки омметром. Однако это требует значительных затрат времени. Существуют специальные приборы для проверки транзисторов без выпайки их из схемы. Кроме того, можно использовать следующий метод. Параллельно резистору R1 (рис. 6.2) подключить другой резистор Rш с сопротивлением того же порядка. Если при этом вольтметр, подключенный к коллектору относительно корпуса прибора, покажет уменьшение напряжения, то транзистор исправен. В противном случае транзистор следует заменить.



Рис. 6.2. Проверка исправности усилительного каскада


В практике встречаются следующие неисправности такого каскада:

• Напряжение на коллекторе равно нулю, что может произойти вследствие обрыва одного из выводов резистора R3.

• Напряжение на коллекторе больше номинального, что может произойти из-за увеличения сопротивления резистора R1 или в результате его обрыва.

• Увеличение напряжения на эмиттере может появиться в результате обрыва эмиттерного резистора R4.

• Напряжение на коллекторе меньше номинального может быть по причине пробоя эмиттерного конденсатора.

• Изменение усиления каскада и возникновение сильных нелинейных искажений выходного сигнала может произойти из-за обрыва цепи резистора R2.

В инструкциях по ремонту информацию о режимах работы по постоянному току транзисторов дают в виде таблиц (например, таблица 6.1) или приводят на принципиальных схемах. В таблице обычно приводят данные о напряжениях на выводах транзисторов, измеренные относительно общего провода (как правило, это шасси устройства). Кроме постоянных напряжений приводят значения сопротивлений относительно шасси, измеренные омметром в отключенном состоянии устройства.



Постоянные напряжения на выводах транзисторов проверяют авометром или вольтметром постоянного тока. Необходимо помнить, что входное сопротивление вольтметра должно быть в 5…10 раз больше сопротивления измеряемой цепи.

Таблица сопротивлений позволяет выявить причины нарушения указанных значений сопротивлений участков схемы и быстрее отыскать неисправность. Если режимы работы по постоянному току и сопротивления цепей соответствуют таблице, а устройство по-прежнему не функционирует, необходимо перейти к проверке прохождения сигнала от каскада к каскаду. При этом следует использовать данные таблицы 6.1, где указаны переменные напряжения в отдельных точках схемы, а также осциллограммы.

Исправность УЗЧ можно также проверить, подавая на его вход прямоугольные импульсы определенной последовательности. Осциллограмма (рис. 6.3) показывает, как изменяется форма импульсов при прохождении их через УЗЧ с различной АЧХ: а) без искажений; б) подъем нижних частот; в) быстрый спад АЧХ; г) спад низких частот; д) возбуждение усилителя.



Рис. 6.3. Проверка исправности УЗЧ с помощью осциллограмм


6.3. ПОЗНАКОМЬТЕСЬ С ДЕЦИБЕЛАМИ

В радиолюбительской практике часто приходится вычислять соотношения двух мощностей, токов или напряжений в логарифмических единицах — децибелах. Децибел — это специфическая единица, не схожая ни с одной из тех, с которыми приходится встречаться в повседневной практике. Децибел не физическая величина, а математическое понятие. В этом отношении у этих единиц есть некоторое сходство с процентами. Как и проценты, децибелы безразмерны и служат для сравнения двух одинаковых величин, в принципе самых различных, независимо от природы. Но если проценты выражают численно какую-то величину сравнительно с целым, принятым за единицу (100 %), то в основе децибела лежит более широкое понятие, характеризующее в общем случае отношение двух независимых, но, конечно, одноименных величин. Термин «децибел» всегда связывают только с энергетическими величинами, чаще всего с мощностью и, с некоторыми оговорками, с ее составляющими — напряжением и током.

Децибел (русское обозначение дБ, международное dB) составляет десятую часть другой более крупной единицы — бел (русское обозначение Б, международное В). Бел — это десятичный логарифм отношения двух мощностей:

NБ = lg(P2/P1)

Эта единица измерения названа в честь изобретателя телефона — А. Г. Белла.

Если отношение мощностей в децибелах вычисляется по формуле:

NP = 10∙lg(P2/P1)

то отношение токов и напряжений по другой формуле:

NI = 20∙lg(I2/I1); NU = 20∙lg(U2/U1);

Следует иметь ввиду, что сумма двух чисел в децибелах эквивалентна произведению тех величин, которым она соответствует, а разность в децибелах характеризует отношение этих величин.

Необходимо помнить, что децибелы могут отсчитываться только относительно условного, не равного нулю уровня, абсолютный нуль, например, нуль ватт, нуль вольт децибелами не выражаются.

Необходимо также предостеречь от ошибки, когда вышеуказанными формулами неправильно пользуются для определения децибел, пренебрегая различиями в величинах сопротивлений, на которых измеряются напряжения U1 и U2 (или токи I1 и I2).

Общая формула для вычисления коэффициента усиления в децибелах запишется так:

К0 = 20∙lg(U2/U1) + 10∙lg(R2/R1)

где R2 и R1 — соответственно выходное и входное сопротивлении усилителя.

Если R2 = R1, то 10∙lg(R2/R1) = 0 и К0 = 20∙lg(U2/U1). Если же R2 не равно R1,то необходимо их учитывать. Так, если выходное сопротивление усилителя неизвестно, но несколько больше входного сопротивления, то округлять коэффициент усиления усилителя в децибелах необходимо в сторону его увеличения. И, наконец, если R2 < R1, округлять надо в сторону уменьшения.

В децибелах можно выражать не только превышение одного напряжения (тока) над другим, но и ослабления напряжений (или токов).

Вычислять децибелы можно, пользуясь формулами логарифмирования и таблицами логарифмов. Но, учитывая, что изучение логарифмов начинается только с десятого класса, для практических расчетов предлагается номограмма (таблица 6.2).


Таблица 6.2. Таблица для вычисления децибелл



При пользовании номограммой на нее перпендикулярно шкалам накладывают обыкновенную чертежную линейку (желательно из органического стекла или другого прозрачного материала) и устанавливают ее на нужном делении соответствующей шкалы, а на другой шкале читают ответ.

При переводе арифметического отношения мощностей, напряжений или токов в децибелы необходимыми являются две крайние (равномерные) шкалы, обозначенные буквой N, а искомый результат читают на одной из восьми других вертикальных логарифмических шкал в зависимости от величины этого отношения N и от того, что оно собой представляет: отношение мощностей N = P2/P1 (первые слева четыре логарифмические шкалы) или напряжений N = U2/U1 и токов N = I2/I (крайние правые четыре логарифмические шкалы).

Так, например, если отношение двух мощностей N = 460, то горизонтальный край линейки устанавливают на отметке 4,6 левой и правой крайних шкал, а ответ 26,6 дБ читают на третьей слева вертикальной логарифмической шкале N∙100. Если же известно, что логарифмическое соотношение двух напряжений составляет, например КU = 55,4 дБ, то горизонтальный край линейки устанавливают на эту отметку (вторая справа логарифмическая шкала), а полученный по крайним левой и правой шкалам результат N = 5,75 умножают на 100, таким образом определяют отношение этих двух напряжений — 575.

Если заданное отношение мощностей, напряжений или токов меньше единицы, например, если:

Р2 < Р1 при N = P2/P1; U2 < U1 при N = U2/U или I2 < I1 при N = I2/I

вычисление децибел по отношениям производят с помощью номограммы описанным выше способом, но для обратных величин

(P1/P2; U1/U или I1/I2), а перед полученным результатом ставят знак минус.

Например, выраженное в децибелах отношение мощностей

N = P2/P = 0,25 вычисляют по номограмме как 1/NP1/P2 = 1/0,25 = 4, получая в результате Кр = -6 дБ.

В тех случаях, когда надо узнать отношение мощностей, напряжений или токов по известным отрицательным значениям децибел, вычисления производят без учета отрицательного знака методом, описанным выше, а за результат берут величину, обратную прочитанной на шкалах N (выраженное, например, в децибелах отношение напряжений КU = —35 дБ оказывается равным в отвлеченных числах:

N = U2/U = 1/56 = 0,0178 = 178∙10-5.

Если заданное в отвлеченных числах отношение мощностей, напряжений или токов превышает 105, то в ней отделяют запятой справа такое количество знаков (разрядов), чтобы стало возможно вычислить уровень нового отношения в децибелах по данной номограмме, а затем к полученному результату добавляют по 10 децибел на каждый знак (разряд), ранее отделенный запятой, при вычислении отношений мощностей и по 20 дБ — при вычислении отношений напряжений или токов. Так, если нужно определить в децибелах отношения напряжений N = U2/U = 56000, вычисления производят для отношения N' = 5600, а к прочитанному по соответствующей шкале результату 75 дБ добавляют 20 дБ, получая в итоге 95 дБ.


6.4. ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ

6.4.1. Мощный УЗЧ

Он состоит из трех каскадов (рис. 6.4). На транзисторе VT1 собран предварительный усилитель, на входе которого имеется сигнал 0,5 В. С коллектора этого транзистора сигнал подается на базу транзистора VT2, который обеспечивает дополнительное усиление и стабилизацию рабочей точки выходных каскадов VT4—VT7 по постоянному току посредством эквивалента стабилитрона на транзисторе VT3. С помощью потенциометра R10 добиваются уменьшения порога открывания транзисторов выходного каскада.



Рис. 6.4. Схема мощного УЗЧ


Усилитель имеет полосу частот от 20 Гц до 20 кГц при неравномерности АЧХ не более 0,2 дБ. Усилитель может работать на различную выходную мощность, при этом он имеет параметры, приведенные в таблице 6.3.



6.4.2. Простой усилитель мощности

Он имеет очень простую структуру (рис. 6.5). На входе стоит дифференциальный каскад на транзисторах VT1 и VT2, которые питаются от генератора тока VT3. Каскад на транзисторах VT4 и VT6 выполняет функции согласователей уровней. Транзистор VT5 совместно с резистором R6 образует эквивалент стабилитрона с регулируемым опорным напряжением для устранения порога открывания транзисторов выходного каскада VT7—VT10. Усиление устройства определяется резисторами R10 и R11. Усилитель имеет равномерную полосу частот от 40 Гц до 20 кГц при максимальной выходной мощности 20 Вт.



Рис. 6.5. Схема простого усилителя мощности


6.4.3. УЗЧ с отрицательной обратной связью

Усилитель (рис. 6.6) имеет входное сопротивление 5 МОм при полосе пропускания от 2 Гц до 100 кГц. Коэффициент усиления не менее 103. Максимальная амплитуда неискаженного выходного сигнала 5 В. Усилитель устойчиво работает в диапазоне температур от —20 до +60 °C. Стабильность параметров усилителя достигнута полной ООС до постоянному току. Полоса пропускания может быть уменьшена изменением параметров цепочки R6, С2. Транзисторы VT1 и VT2 могут быть заменены на интегральную микросхему К504НТ4, в которой транзисторы незначительно отличаются между собой по параметрам. Это позволит значительно улучшить параметры усилителя. Кроме того, транзисторы VT3—VT5 можно заменить микросхемой К198НТ4. При замене транзисторов микросхемой необходимо уменьшить напряжение питания.



Рис. 6.6. Схема усилителя мощности с ООС


6.4.4. Двухсторонний телефон

Такой телефон можно использовать для местной связи в летнем оздоровительном лагере, школе и т. д. Принципиальная схема телефона приведена на рисунке 6.7, а.



Рис. 6.7. а) Двухсторонний телефон


Оба телефонных аппарата соединены между собой двухпроводной линией связи (на схеме обозначена штриховыми линиями), длина которой может достигать 40…50 м, через разъемы X1, Х2 и X1', Х2'. Разъем X1 — первого аппарата должен соединяться с разъемом Х2' второго, а разъем Х2 — с разъемом X1'. Телефонные аппараты идентичны, поэтому рассмотрим работу лишь одного из них, например первого. Он включает в себя двухкаскадный УЗЧ на кремниевых транзисторах структуры n-р-n. Оба транзистора включены по схеме с ОЭ. Усилитель питается от батареи GB1 с э.д.с. 4, 5 В (батарея 3336Л или составленная из трех элементов — 332 или 343). Разомкнутое положение контактов выключателя питания SA соответствует дежурному режиму работы аппарата. Нагрузкой усилителя первого аппарата служит телефон BF1' второго аппарата, который преобразует в звук низкочастотный сигнал, усиленный УЗЧ первого аппарата. Рассмотрим прохождение сигнала по схеме. При включении питания выключателем SA1 положительное напряжение источника питания GB1 подается на коллектор транзистора VT2 через линейный провод, соединяющий разъемы Х1', Х2', телефон BF1', открытый (включенный в прямом направлении) диод VD1' и далее — через второй линейный провод, соединяющий разъемы X1, Х2. Диод VDI' остается открытым все время, пока контакты выключателя SA1 замкнуты. Конденсатор С3', шунтирующий диод VD1, обеспечивает прохождение сигнала без затухания. Без конденсатора С3' сигнал будет очень сильно искажен.

Диод VDI первого аппарата в это время закрыт положительным напряжением источника питания, и через него, а значит, и через телефон BF1 коллекторный ток транзистора VT2 не протекает. Конденсатор C1 шунтирует вход УЗЧ по наиболее высоким частотам звукового диапазона и тем самым предотвращает его самовозбуждение на этих частотах. Одновременно конденсатор обеспечивает завал АЧХ УЗЧ на этих частотах.

Точно так же работает и второй телефонный аппарат, но его нагрузкой является цепь, состоящая из телефона BF1, диода VD1 и конденсатора С3. Чтобы пригласить абонента для телефонного разговора, подают ему сигнал. Для этого включают питание усилителя и нажимают на кнопку SB1 «Вызов». При этом выход усилителя через конденсатор С4 соединяется со входом, образуя положительную обратную связь, которая приведет УЗЧ к возбуждению, т. е. УЗЧ превращается в генератор прямоугольных сигналов звуковой частоты. Это так называемый несимметричный мультивибратор. При этом телефон BF1' второго аппарата издаст достаточно громкий звук средней тональности, приглашающий абонента к телефону. Услышав этот сигнал, абонент должен включить питание своего аппарата и нажать кнопку SB1' — в телефоне первого аппарата появится ответный сигнал, после чего можно начинать разговор.

Возможная конструкция микротелефонной трубки и плата усилителя аппарата показаны на рисунке 6.7, б, в.



Рис. 6.7. б, в) Двухсторонний телефон


В качестве микрофонов и телефонов можно использовать капсюли высокоомных телефонов ТОН-1. ТОН-2. Транзисторы, кроме КТ315, могут быть серий МП35—МП38, МП111—МП113 со статическим коэффициентом передачи тока не менее 50 или маломощные высокочастотные серий КТ301, ГТ311. Диоды — любые из серий Д9 или Д2. Резисторы типа МЛТ-0,25 или MJIT-0,5. Конденсаторы могут быть любого типа — БМ, КБМ, КПС. Монтаж может быть печатным или навесным. Корпус трубки склеивают клеем БФ-2 из нескольких слоев плотной бумаги или тонкого картона шириной 140…145 мм на деревянной болванке Ж40 мм. После того как корпус хорошо просохнет и станет жестким, зачищают его мелкой шкуркой, а затем пропитывают каким-либо лаком или расплавленным парафином, делающим его водонепроницаемым. От той же болванки отпиливают два кружка толщиной по 20…25 мм и с помощью отрезков толстой проволоки укрепляют на них микрофонный ВМ1 и телефонный BFI капсюли. Кружки должны плотно входить в трубку и надежно удерживаться в ней.

Плату усилителя (и батарею питания GB1) обертывают полоской поролона или пористой резины и вставляют в трубку. Батарею размещают в небольшой пластмассовой коробке и укрепляют на ее стенках выключатель питания SA1, а также гнездовую и штырьковую части разъемов для подключения линии связи. Прежде чем поместить плату в трубку, усилитель проверяют и налаживают.

Для этого выводы диода VD1 временно замыкают проволочной перемычкой, включают питание и слегка постукивают пальцем по микрофонному капсюлю — в телефоне должны прослушиваться звуки, напоминающие щелчки по барабану. Затем подбором сопротивления резистора R3 устанавливают на коллекторе транзистора VT2 напряжение около 2 В, а резистора R1 — напряжение на коллекторе транзистора VT1, равное примерно 3 В.

При нажатии кнопки «Вызов» в телефоне будет слышен звук средней тональности (частотой около 1000 Гц), свидетельствующий о возбуждении усилителя. Тональность звучания можно установить подбором емкости конденсатора С4. С увеличением емкости этого конденсатора тон звука будет понижаться, и наоборот.

Каскады УЗЧ не содержат элементов температурной стабилизации, поэтому налаживание их требует тщательного подбора резисторов R1, R3. Лучше всего в этом случае использовать осциллограф и генератор звуковой частоты (либо вызывной сигнал второго аппарата). Так же проверяют и налаживают УЗЧ второго аппарата. После этого удаляют перемычки, замыкающие диоды, вставляют платы усилителей в трубки и, соединив телефонные аппараты между собой, проверяют их при совместной работе.


6.4.5. УЗЧ для радиоприемника

Этот усилитель (рис. 6.1, а) может быть использован в переносном транзисторном приемнике. Параметры УЗЧ:

1. Выходная мощность — 100 мВт на нагрузке сопротивлением 8…10 Ом.

2. Полоса пропускания — 100… 1000 Гц.

3. Коэффициент гармоник — не более 5 %.

На входе усилителя стоит дифференциальный каскад (несимметричный) на транзисторах VT1, VT2. Напряжение смещения на базе транзистора VT1 обеспечивается делителем напряжения R3R4 через фильтр нижних частот R5C2, предотвращающий самовозбуждение усилителя (отфильтровывает переменное напряжение на входе первого каскада УЗЧ, попадающее через источник питания).

С резистора нагрузки R6 сигнал поступает на усилитель напряжения, собранный на транзисторе VT3. В коллекторной цепи транзистора включен источник тока на полевом транзисторе VT6 (нагрузка транзистора VT3). Следующий каскад — выходной двухтактный усилитель мощности: он выполнен на транзисторах разной структуры. Динамическая головка ВА1 подключена к выходному каскаду через конденсатор С4. Между выходным и дифференциальным каскадами усилителя введены две цепи отрицательной обратной связи — по постоянному напряжению (через резистор R9) и по переменному напряжению (через резисторы R9, R8 и конденсатор С3). Эти обратные связи стабилизируют режим работы усилителя и его коэффициент усиления. В качестве VT1, VT2 могут быть использованы любые транзисторы серии КТ315 или транзисторная сборка К159НТ1, VT3 — KT203, КТ361, УТ4 — МП35-МП37, VT5 — МП39-МП41, УТ6 — КПЗОЗ с любым буквенным индексом. Транзисторы VT4, VT5 желательно использовать с коэффициентом передачи тока не менее 50. Постоянные резисторы МЛТ-0,125, переменные — любого типа, конденсаторы К50-6, динамическая головка типа 0,25ГД-10, 0,5ГД-30, 0,5ГД-31 или аналогичная.

Детали усилителя смонтированы на плате (рис. 6.1, б, в) из одностороннего фольгированного стеклотекстолита. Резисторы устанавливают вертикально. Налаживание усилителя сводится к подбору сопротивления резистора R10 — оно должно быть таким, чтобы сила тока покоя усилителя составляла 3…4 мА. При необходимости снизить коэффициент гармоник достаточно удалить перемычку между базами транзисторов VT4, VT5 и включить вместо нее любой диод серии Д9 анодом к базе транзистора VT4. Более точно можно настроить УЗЧ, используя осциллограф и генератор звуковых частот.


6.5. ПОЛЕЗНЫЕ СОВЕТЫ

6.5.1. Фильтры громкоговорителей

Для частотной коррекции излучения динамической головкой громкоговорителя применяют различные фильтры (рис. 6.8).



Рис. 6.8. Схемы фильтров для частотной коррекции излучения динамической головки


В таблице 6.4 указаны основные выражения, по которым можно рассчитать частотную характеристику этих фильтров (R — сопротивление динамической головки, Ом; f0 — граничная частота, Гц).



6.5.2. Выходной фильтр

Он позволяет разделить звуковой сигнал на две составляющие. Для разделения полос используются фильтры нижних и верхних частот (рис. 6.9, а). Частота среза фильтров равна 600 Гц. В фильтре используются низкочастотные динамические головки с внутренним сопротивлением 4 Ом (две параллельных 6ГД-2) и высокочастотные (две параллельных 1ГД-36). Частотная характеристика фильтра определяется по уровню 0,8 максимальной мощности динамиков (рис. 6.9, б).



6.5.3. Измерение входного сопротивления транзисторного УЗЧ

Данные о входном и выходном сопротивлении УЗЧ имеют большое значение при налаживании и испытании усилителей, поэтому многие радиолюбители интересуются способами измерения этих величин.

Наиболее простым и доступным из них является способ, основанный на сравнении измеряемой величины (Rвх) с известным активным сопротивлением (R).

Чтобы измерить входное сопротивление, прежде всего собирают схему, изображенную на рис 6.10, а. Затем включают звуковой генератор и устанавливают частоту, на которой желательно измерить входное сопротивление усилителя и напряжение на выходе генератора. Последнее выбирают в пределах 0,12 В.

Так как измерительная цепь, т. е. микроамперметр и диод, обладают относительно малым сопротивлением, то перевод ползунка переключателя из одного положения в другое изменяет напряжение не только на том элементе схемы, к которому присоединена в данный момент измерительная цепь (например, на резисторе R), но и на другом последовательно включенном элементе, т. е. на входном сопротивлении усилителя. Это обстоятельство усложняет процесс измерения. Однако, если воспользоваться описанным ниже приемом, то определение входного сопротивления не представит труда. Уяснить рекомендуемый способ легче всего на примере.

Предположим, что в положении ползунка переключателя 1–2 стрелка микроамперметра отклоняется до отметки «38» шкалы, а при переводе ползунка в положение 1–3 — до отметки «98». Разность показаний составит 60 (98–38). Разделив ее на два, сравниваем полученное число 30 с первым показанием прибора, т. е. с 38. После этого снова переводим ползунок переключателя в положение 1–2 и медленно увеличиваем сопротивление R до тех пор, пока стрелка прибора не совместится с отметкой 68 шкалы (68 = 30 + 38).

Если после увеличения сопротивления R показания микроамперметра в обоих положениях ползунка переключателя станут одинаковыми, то процесс уравнивания сопротивлений R и Rвх заканчивают. Если же отклонение стрелки микроамперметра в положении ползунка 1–3 окажется несколько меньше или больше первого отклонения (до отметки «68»), то сопротивление R снова изменяют. Следя за постоянством выходного напряжения генератора, выбирают такое значение сопротивления R, при котором стрелка микроамперметра отклонится на один и тот же угол в обоих положениях ползунка переключателя. После этого измеряют сопротивление R. Последнее и будет равно входному сопротивлению усилителя.

При наличии звукового генератора и вольтметра переменного тока можно воспользоваться еще одним способом измерения полного входного сопротивления усилителя.

Выполняют это так.

Собирают схему, приведенную на рис. 6.10, б.



Рис. 6.10. Схема для измерения входного сопротивления УЗЧ


После этого включают звуковой генератор и устанавливают на его выходе напряжение 13 В. Затем переводят ползунок переключателя SA в положение 1–2 и замечают первое показание (U1) милливольтметра и величину Uвых выходного напряжения генератора. Следя за постоянством Uвых, переводят ползунок переключателя в положение 1–3 и замечают второе показание (U2) миливольтметра. В заключение вычисляют полное входное сопротивление ступени усилителя на частоте генератора по формуле:

Zвх = (U2/U1)∙R


Пример.

• К выходу звукового генератора подключены последовательно резистор сопротивлением 3,9 кОм и вход усилительной ступени. В положениях ползунка переключателя 1–2 и 1–3 стрелка милливольтметра отклоняется соответственно до отметок 250 и 600 мВ шкалы. Чему равно входное сопротивление ступени УЗЧ?

Решение. В соответствии с приведенной формулой искомая величина равна:

Zвх = (600/250)∙3,9 ~= 9,4 кОм


6.5.4. Измерение выходного сопротивления транзисторного УЗЧ

Измерение проводят по схеме (рис. 6.11). Необходимо иметь звуковой генератор и электронный вольтметр.

Устанавливают частоту звукового генератора, равную 1000 Гц, а напряжение на выходе звукового генератора такое, чтобы не было перегрузки УЗЧ. Замеряют напряжение на выходе звукового генератора и УЗЧ, затем замыкают перемычку XS1—XS2, подрегулировывают, если необходимо, напряжение на выходе звукового генератора (оно не должно меняться) и перемещают ползунок переменного резистора R до тех пор, пока электронный вольтметр не покажет напряжение УЗЧ, равное половине первоначального значения.

Подобранное таким образом сопротивление резистора R (которое замеряется омметром) и считается равным выходному сопротивлению УЗЧ на частоте 1000 Гц. Резистор R выбирают сопротивлением, примерно равным ожидаемому выходному сопротивлению УЗЧ.

Формулы для расчета выходного сопротивления усилителя можно найти в главе 4.



Рис. 6.11. Схема для измерения выходного сопротивления УЗЧ


6.5.5. Измерение сопротивления катушки электродинамического громкоговорителя

Полное сопротивление катушки на заданной звуковой частоте чаще всего определяют с помощью звукового генератора (ЗГ) и электронного вольтметра (V). Измерительные приборы присоединяют к громкоговорителю так, как показано на рис. 6.12.



Рис. 6.12. Схема для измерения сопротивления катушки электродинамического громкоговорителя


Сопротивление резистора R, выбираемое в пределах 10–20 Ом, должно быть известно. Определение полного сопротивления катушки (Zк) заключается в измерении двух напряжений.

Сначала измеряют падение напряжения на катушке Uк. Затем переносят верхний (по схеме рис. 6.12) проводник вольтметра и точки В в точку А, измеряя таким образом падение напряжения Uвых на последовательно соединенных резисторе R и звуковой катушке.

Так как падения напряжений на последовательно соединенных элементах пропорциональны их сопротивлениям, то можно написать:

Uвых/Uк = (R + Zк)/Zк

откуда полное сопротивление катушки:

Zк = R/[(Uвых/Uк) - 1]

Пример.

• Определите сопротивление катушки громкоговорителя, если при включении последовательно с ней резистора сопротивлением 15 Ом стрелка вольтметра отклонилась в первый раз до отметки шкалы «0,85», а во второй раз, то есть при измерении напряжения на выходе генератора, — до отметки шкалы «3».

Решение. В соответствии с формулой полное сопротивление звуковой катушки:

Zк = 15/[(3/0,85) — 1] ~= 5.9 Ом


6.5.6. Измерение выходной мощности УЗЧ

Под выходной мощностью УЗЧ понимают наибольшую мощность, отдаваемую усилителем нагрузке при линейных искажениях, не превышающих заданной для данного усилителя величины.

В любительских условиях выходную мощность определяют косвенным путем.

Сначала измеряют сопротивление нагрузки и переменное напряжение на ней, а затем вычисляют мощность по формуле:

Pвых = U2н/Rн Вт

где Uн — действующее напряжение на нагрузке, В; Rн — сопротивление нагрузки, Ом;

Напряжение Uн определяют с помощью высокоомного вольтметра. С этой целью устанавливают ручку регулятора громкости усилителя в положение, соответствующее максимальному усилению, и присоединяют к нагрузке вольтметр. Затем подают на вход каскад звуковой частоты от звукового генератора напряжение такой величины, при которой громкоговоритель не перегружается и громко, без искажений, воспроизводит звук, соответствующий установленной частоте генератора. При достижении максимального неискаженного звучания записывают показания вольтметра, которое и принимают равным максимально допустимому напряжению (Uн) на нагрузке.

Пример.

• При измерении Rн и Uн оказалось, что:

1) сопротивление нагрузки равно Rн = 5,1 Ом;

2) Действующее значение напряжения на нагрузке Uн = 2,3 В;

3) Просматриваемая на экране осциллографа синусоидальная кривая выходного напряжения начинает искажаться при Uн = 2,35 В.

Чему равна выходная мощность усилителя?

Решение. Полагая, что при напряжении на нагрузке Uн = 2,35 В нелинейные искажения будут отсутствовать и пользуясь приведенной выше формулой, находим, что выходная мощность

P = 2,352/5,1 ~= 1 Вт


6.5.7. Практические советы

1. Тепловой режим маломощных транзисторов можно облегчить, надев на металлический корпус транзистора тор («баранку») из спирали, выполненной из медной, латунной или бронзовой проволоки диаметром 0,5… 1,0 мм.

2. Радиатор для транзисторов серий КТ315, КТ361 можно изготовить из полоски меди, алюминия или жести шириной на 2…3 мм большей ширины корпуса транзистора (широкой его части). Транзистор вклеивают между изогнутыми краями пластины эпоксидным или другим клеем с хорошей теплопроводностью.

Для лучшего теплового контакта корпуса транзистора с радиатором необходимо сошлифовать с корпуса лакокрасочное покрытие в местах контакта, а установку в радиатор и склеивание производить с возможным минимальным зазором. Устанавливают транзистор с радиатором на плату, как и обычно, при этом нижние концы радиатора (концы буквы «П») должны упираться в плату. Если ширина полоски 7 мм, а высота радиатора (высота буквы «П»), изготовленного из луженой жести, толщиной 0,35…2,2 мм, то при мощности рассеивания 500 мВт температура радиатора в месте приклеивания транзистора не превышает 55 °C.

3. Ровность контактной площадки проверяют, смазав ее каким-либо красителем и приложив основание транзистора, который будут крепить. Выступающие участки площадки окрасят донышко корпуса транзистора.

4. Зажимы для выводов батареи 3336Л позволяют быстро и надежно подключать ее к схеме. Контактную пластину вырезают из латунной ленты толщиной 0,1…0,2 мм, сгибают пополам, к месту сгиба припаивают проводник и надевают отрезок полихлорвиниловой трубки подходящего диаметра. Выступающие концы пластины отгибают в разные стороны (на хлорвиниловую трубку). Если диаметр трубки подобран правильно, зажим обеспечивает надежный контакт с выводом батареи достаточно прочно удерживается на нем.


6.6. ЗАДАЧИ

1. Определить коэффициент усиления усилителя по току и по мощности в децибелах, если оба коэффициента усиления равны 100.

2. Определить коэффициент усиления по напряжению двухкаскадного усилителя, если выходное напряжение первого и второго каскадов соответственно равны 0,2 и 4 В, а напряжение источника входного сигнала — 0,01 В.

3. Объяснить назначение элементов двухкаскадного усилителя (рис. 6.13). Какие элементы можно использовать для регулировки коэффициентов усиления первого и второго каскадов, коэффициента частотных искажений, коэффициента обратной связи?



Рис. 6.13. Схема двухкаскадного УЗЧ


4. В полосе пропускания допустимые изменения коэффициента усиления Кдб не должны превышать 13 дБ. Каким процентным изменениям коэффициента усиления К соответствуют эти изменения?

5. В схеме каскада (рис 6.14) произошел обрыв шунтирующего конденсатора Сэ. Останутся ли при этом неизменными коэффициент усиления по напряжению и входное сопротивление?



Рис. 6.14. Схема однокаскадного УЗЧ


6. На вход усилителя мощности (рис 6.15), работающего на нагрузку Rн = 9,2 Ом, поступает гармонический сигнал Uвх = 10 В. Определить мощность, отдаваемую усилителем в нагрузку, приняв максимальное напряжение на эмиттерном переходе открытого транзистора UБЭ mах = 0,8 В.



Рис. 6.15. Схема двухтактного усилителя мощности


7. Какой операционный усилитель (ОУ) называется идеальным? Почему в схеме ОУ предусматривают два источника питания: с положительным (+Еп) и отрицательным (-Еп) постоянными напряжениями относительно нулевой общей точки схемы, которая заземляется? (рис. 6.16).



Рис. 6.16. Схема УЗЧ на операционном усилителе


8. На рис. 6.17 показано подключение к УЗЧ с выходным сопротивлением = 8 Ом восьми четырехомных динамических головок. Правильно ли соединены между собой динамические головки?



Рис. 6.17. Правильно ли соединены между собой динамические головки?


9. При частоте подводимого напряжения f = 1000 Гц мембрана головного телефона колеблется также с частотой 1000 Гц (рис. 6.18). С какой частотой будет колебаться мембрана при той же частоте подводимого напряжения, если вместо постоянного магнита поставить сердечник из мягкого железа?



Рис. 6.18. Схема капсуля головного телефона

Глава 7 Основные сведения об интегральных микросхемах

7.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

По технологии изготовления интегральные микросхемы (ИМС) делят на гибридные, пленочные и полупроводниковые.

У полупроводниковых микросхем все активные и пассивные элементы выполнены в объеме и на поверхности кристалла полупроводника. В пленочной ИМС все элементы и межэлементные соединения выполнены только в виде пленок проводящих и диэлектрических материалов на поверхности диэлектрической подложки. В гибридных микросхемах токонесущие проводники, резисторы, обкладки конденсаторов представляют собой пленки определенных размеров и электрических свойств, нанесенных на диэлектрическую подложку, на которую устанавливают диоды, транзисторы (как правило кремниевые структуры n-p-n), но без корпусов.

По функциональному назначению микросхемы делят на аналоговые (или линейно-импульсные) и логические (или цифровые). Аналоговые микросхемы используются для усиления, генерирования, преобразования электрических сигналов в приемниках, телевизорах и т. д. Логические (цифровые) микросхемы используются в ЭВМ, различных цифровых приборах и т. д.

Изучение лучше начать с аналоговой полупроводниковой микросхемы широкого применения К118УН1Б (серия К122 отличается только конструктивным оформлением). Принципиальная схема этой микросхемы изображена на рис. 7.1, а, вид корпуса — на рис. 7.1, б, принципиальная схема УЗЧ на этой микросхеме — на рис. 7.2.



Рис. 7.1, а Принципиальная схема микросхемы К118УН1Б




Рис. 7.1, б) Тип корпуса микросхемы К118УН1Б (201.14-1)



Рис. 7.2. УЗЧ на микросхеме К118УН1Б:

а) принципиальная схема; б) монтажная плата


Из рис 7.1 видно, что микросхема К118УН1Б представляет собой двухкаскадный усилитель постоянного тока (УПТ), выполненный на кремниевых транзисторах структуры n-р-n с непосредственными связями. Каскад на транзисторе VT1 выполнен по схеме с ОЭ, а на транзисторе VT2 может быть использован как в схеме с ОЭ, так и в схеме ОК в зависимости от схемы включения транзистора VT2.

Роль нагрузки могут выполнять резисторы R7 (в схеме с ОК) или R5 (в схеме с ОЭ), а также внешние элементы. Через резисторы R4 и R6 транзисторы охвачены ООС, определяющей и стабилизирующей режим работы по постоянному току. Коэффициент усиления усилителя на микросхеме не менее 400 на частоте 12 кГц и не мене 30 на частоте 5 МГц, так что эта микросхема может быть использована и как усилитель напряжения радиочастоты в радиоприемнике.

Очень широкое применение в радиоэлектронике находят операционные усилители (ОУ). Операционным усилителем называют усилитель с большим коэффициентом усиления, имеющий два высокоомных входа, один низкоомный выход и предназначенный для построения разнообразных узлов электронной аппаратуры. Впервые они были использованы в аналоговых ЭВМ, в узлах, реализующих различные математические операции — суммирование, вычитание, дифференцирование, интегрирование и др. В настоящее время ОУ выполняют функции более 200 функциональных узлов электронной аппаратуры.

На рис. 7.3, а приведены типовые схемы включения ОУ К140УД1 и 140УД5.



Рис. 7.3. Типовые схемы включения ОУ 140УД1 (а) и К140УД5 (б)


Основными характеристиками ОУ являются характеристика прямой передачи, как ее принято называть — амплитудная характеристика (рис. 7.3, б), и амплитудно-частотная характеристика (рис. 7.3, в). При подаче сигнала на неинвертирующий вход амплитудная характеристика имеет вид кривой АВ (рис. 7.3, б), а при подаче сигнала на инвертирующий вход — вид кривой CD. Линейный участок амплитудной характеристики сверху и снизу практически ограничен напряжениями источников питания положительной и отрицательной полярности. Коэффициент усиления постоянного тока и очень низких частот современных ОУ достигает 104-106, а частота единичного усиления — 15∙106 Гц. Наличие у ОУ инвертирующего входа позволяет охватывать его цепями ООС и реализовывать требуемые амплитудные и амплитудно-частотные характеристики.

Основные параметры ОУ и их общепринятая размерность:

• Коэффициент усиления напряжения Ки, (103106);

• Коэффициент ослабления синфазного сигнала Kосл. сф, дБ;

• Частота единичного усиления (при которой Ku = 1) f1, МГц;

• Входное сопротивление Rвх, кОм;

• Напряжение смещения нуля Uсм, мВ;

• Максимальное входное дифференциальное напряжение Uвх. диф. max, В

• Максимальное входное синфазное напряжение Uвх. сф. max, В;

• Максимальное выходное напряжение Uвых. max, В;

• Скорость нарастания выходного напряжения V, В/мкс;

• Количество ОУ в одном корпусе ИМС, шт.

Чтобы знать, как работает ЭВМ и другие цифровые устройства, необходимо знать алгебру логики или Булеву алгебру (по имени ее основоположника Д. Буля). Цифровая (двоичная) логика различает только два состояния, которые в классической логике соответствуют понятиям «истина» и «ложь», а в применении к электронике — понятиям «1» и «0», соответствующие двум состояниям вентиля. Использование этого термина («вентиль») удобно для понимания физики процесса и можно объяснить так, что схемы с вентилями могут задерживать или пропускать цифровую информацию по принципу обычного вентиля, предназначенного для управления потоком жидкости. Такое объяснение особенно удобно для начинающих радиолюбителей.

Логические преобразования двоичных сигналов включают три элементарные операции:

• логическое умножение, или операцию И;

• логическое сложение, или операцию ИЛИ;

• логическое отрицание, или операцию НЕ.

Все возможные логические функции n переменных можно образовать с помощью этих трех операций. В таблице 7.1 приведены математические записи основных аксиом и законов Булевой алгебры. Применение данных аксиом и законов позволяет производить упрощение логических функций, которые могут иметь различные формы представления: словесное, табличное, алгебраическое, графическое. Наиболее широко используют представление функций в виде таблиц истинности, которые содержат все возможные наборы значений логических переменных и значения функций, соответствующих каждому из наборов.


Элементы, выполняющие логические операции И, ИЛИ, НЕ, называются логическими элементами И, ИЛИ, НЕ соответственно.

УГО логического элемента И показано на рис. 7.4, а. Его условным символом служит знак «&», стоящий внутри прямоугольника; этот знак заменяет союз «и» в английском языке. Слева — два (может быть и больше) логических входа — X1 и Х2, справа — один выход Y. Логика действия элемента такова: напряжение высокого уровня появляется на выходе элемента лишь тогда, когда сигналы такого же уровня будут поданы на все его входы.



Рис. 7.4. Логический элемент И:

а) условное графическое обозначение; б) его электрический аналог; в) временные диаграммы электрических процессов; г) таблица состояний (истинности) элемента


Разобраться в логике действия логического элемента И поможет его электрический аналог (рис. 7.4, б), составленный из последовательно соединенных источника питания GB1 (например, батареи 3336), кнопочных переключателей SB1, SB2 любой конструкции и лампы накаливания HL1 (МН3,5–0,26). Переключатели имитируют электрические сигналы на входе аналога, а нить лампы индицирует уровень сигнала на выходе. Разомкнутое состояние контактов переключателей соответствует напряжению низкого уровня, замкнутое — высокого уровня. Пока контакты кнопок не замкнуты (на обоих входах элемента напряжение низкого уровня), электрическая цепь аналога разомкнута и лампа, естественно, не светит.

На рис. 7.4, в изображены временные диаграммы электрических процессов, дающих достоверное представление о работе логического элемента И. На входе X1 сигнал появляется первым. Как только такой же сигнал появляется и на входе Х2, тут же появляется и сигнал на выходе Y, который существует до тех пор, пока на обоих входах имеются сигналы, соответствующие напряжению высокого уровня.

О состоянии и логической связи между входными и выходными сигналами элемента И дает представление так называемая таблица состояний (истинности) (рис. 7.4, г), напоминающая таблицу умножения. Глядя на нее, можно сказать, что сигнал высокого уровня на выходе элемента будет лишь тогда, когда сигналы такого же уровня появятся на обоих его входах. Во всех других случаях на выходе элемента будет напряжение низкого уровня, т. е. соответствующее логическому нулю.

Для микросхем серии К155 и других микросхем напряжение от 0 до 0,4 В, т. е. соответствующее уровню логического 0, называют напряжением низкого уровня, а напряжение более 2,4 В, соответствующее уровню логической 1, — напряжением высокого уровня.

Условный символ логического элемента ИЛИ — цифра 1 внутри прямоугольника (рис. 7.5, а). У этого элемента, как и у элемента И, могут быть два и больше входов. Сигнал на выходе Y, соответствующий напряжению высокого уровня, появляется при подаче такого же сигнала на вход X1 или на вход Х2, или одновременно на оба входа. Чтобы убедиться в этом, проведите опыт с его электрическим аналогом (рис. 7.5, б).

Лампа накаливания HL1 на выходе аналога будет светить всякий раз, когда окажутся замкнутыми контакты кнопки SB1 или SB2, или одновременно обеих (всех) кнопок. Лучше понять работу элемента ИЛИ помогут временная диаграмма его работы (рис. 7.5, в) и таблица состояний (истинности) (рис. 7.5, г).



Рис. 7.5. Логический элемент ИЛИ:

 а) условное графическое обозначение; б) его электрический аналог; в) временные диаграммы электрических процессов; г) таблица состояний (истинности) элемента.


Условный символ логического элемента НЕ — тоже цифра 1 в прямоугольнике (рис. 7.6, а). Но у него один вход и один выход. Небольшой кружок на пересечении прямоугольника и линии выходного сигнала символизирует логическое отрицание на выходе элемента. Физически элемент НЕ представляет собой инвертор — электронное устройство, выходной сигнал которого противоположен входному. Т. е. если на входе элемента действует сигнал низкого уровня, то на его выходе имеется сигнал высокого уровня, и наоборот. Электрический аналог элемента НЕ можно собрать по схеме, представленной на рис. 7.6, б. При наличии на входе сигнала высокого уровня (кнопка SB1 нажата, срабатывает реле К1, размыкаются его контакты К1.1) на выходе элемента имеется сигнал низкого уровня (лампочка не светит). Лучше понять работу элемента НЕ помогут временная диаграмма его работы (рис. 7.6, в) и таблица состояний (рис. 7.6, г).



Рис. 7.6. Логический элемент НЕ:

 а) условное графическое обозначение; б) его электрический аналог; в) временные диаграммы электрических процессов; г) таблица состояний (истинности) элемента


Любая сколь угодно сложная логическая функция может быть реализована на наборе логических элементов И, ИЛИ, НЕ.

Помимо рассмотренных логических элементов на практике широко применяют комбинированные элементы, реализующие две (и более) логические операции, например, элементы И-НЕ, ИЛИ-НЕ.

Рассмотрим более подробно логический элемент И-НЕ. Он представляет собой комбинацию элементов И и НЕ, поэтому на его графическом обозначении (рис. 7.7, а) есть знак «(«и кружок на линии выходного сигнала, символизирующий логическое отрицание. Выход один, а входов два или больше. Его электрический аналог изображен на рис. 7.7, б. Когда на входе элемента имеется сигнал высокого уровня — логическая единица (обе кнопки нажаты, реле К1 срабатывает, его контакты К1.1 размыкаются), то на выходе имеется сигнал низкого уровня, — логический ноль (лампочка не светит). Если на входе элемента имеется лишь один сигнал высокого уровня (нажата лишь одна какая-либо кнопка, реле не срабатывает и его контакты К1.1 замкнуты), то на выходе имеется сигнал высокого уровня (лампа светит). Такой вывод подтверждается временной диаграммой и таблицей состояния, показанными на рис. 7.7, в, г.



Рис. 7.7. Логический элемент И-НЕ:

а) условное графическое обозначение; б) его электрический аналог; в) временные диаграммы электрических процессов; г) таблица состояний (истинности) элемента


Если входы элемента И-НЕ соединить вместе и подать на них сигнал высокого уровня (на электрическом аналоге — обе кнопки заменить одной), на выходе элемента будет сигнал низкого уровня. И наоборот, при подаче на объединенный вход сигнала низкого уровня, на выходе элемента будет сигнал высокого уровня.

В этом случае элемент И-НЕ становится инвертором, т. е. логическим элементом НЕ.

Это свойство элемента И-НЕ очень широко используется в приборах и устройствах цифровой техники.

Аналогично можно рассмотреть работу и логического элемента ИЛИ-НЕ.

Однако в составе серий цифровых микросхем имеют более широкое распространение элементы И-НЕ и ИЛИ-HE (нежели элементы И, ИЛИ, НЕ), а также более сложные логические элементы И-ИЛИ-НЕ. На основе любого из этих элементов можно реализовать любую элементарную функцию И, ИЛИ, НЕ. На рис. 7.8 показана реализация функций И, ИЛИ, НЕ с помощью логических элементов И-НЕ и ИЛИ-НЕ.



Рис. 7.8. Реализация функций И, ИЛИ, НЕ с помощью логических элементов И-НЕ и ИЛИ-НЕ


7.2. ЭКСПЕРИМЕНТЫ С МИКРОСХЕМОЙ К155ЛАЗ

Микросхема K155ЛA3 находит широкое применение в практике радиолюбителя. С нее и начнем знакомство.

Внешний вид и УГО этой микросхемы показаны на рис. 7.9.



Рис. 7.9. Внешний вид и УГО микросхемы K155ЛA3


Конструктивно она представляет собой пластмассовый корпус прямоугольной формы с 14 пластинчатыми выводами (некоторые микросхемы этой серии имеют по 16 и даже 24 вывода), расположенными вдоль обеих длинных сторон корпуса. Сверху на корпусе есть условный ключ — небольшая круглая метка, означающая местоположение вывода 1. От него ведут отсчет остальных выводов. Если смотреть на микросхему сверху — со стороны маркировки, — то отсчитывать выводы нужно против движения часовой стрелки, а если снизу — по часовой стрелке. Такое правило распространено на все микросхемы.

Микросхема К155ЛАЗ состоит из 4 логических элементов 2И-НЕ (цифра 2 указывает число входов каждого элемента), питающихся от общего внешнего источника напряжения постоянного тока. Каждый ее логический элемент работает самостоятельно.

Выделить элементы нетрудно по номерам выводов, проставленным на графическом схемном обозначении микросхемы. Так, входные выводы 1, 2 и выходной вывод 3 относятся к одному из ее элементов, например, первому, входные 4, 5 и выходной 6 — ко второму элементу и т. д. Необозначенные на рис. 7.9, б выводы 7 и 14 микросхемы служат для подачи питания на все элементы. Эти выводы не принято изображать на схеме, чтобы ее не загромождать линиями питания, а также потому, что элементы обычно располагают на принципиальной электрической схеме устройства не слитно, как на рис. 7.9, б, а раздельно в разных участках. Цепи же питания элементов остаются общими. Причем для микросхемы K155ЛA3 вывод 14 должен быть соединен с плюсовым, а вывод 7 — с минусовым полюсами источника питания.

Микросхема K155ЛA3, как и все другие микросхемы этой серии, рассчитана на питание от источника постоянного тока напряжением 5 В ±5 %. Можно использовать и батарею гальванических элементов, например, 3336, но в процессе опытов ее напряжение будет уменьшаться, что, естественно, скажется на режиме работы микросхемы, а при определенной разрядке батареи микросхема вообще перестанет нормально работать. Поэтому желательно использовать блок питания, обеспечивающий стабильное напряжение 5 В.

Макетную панель, необходимую для проведения опытов, можно сделать из стеклотекстолита, гетинакса или другого листового изоляционного материала толщиной 1,52 мм — это будет линия питания. По всей оставшейся площади через каждые 10 мм насверлите отверстия диаметром 0,81 мм, в которые по мере надобности будете вставлять отрезки луженого провода. Снизу по углам панели прикрепите невысокие ножки-подставки и приступайте к опытам.

Микросхему разместите в любом месте макетной панели выводами вниз, предварительно отогнув их узкие концы так, чтобы они плотно прилегали к панели. Отрезками монтажного провода вывод 14 микросхемы соедините с плюсовой, а вывод 7 — с минусовой (общей) линиями питания. Чтобы при пайке не перегреть микросхему, мощность паяльника не должна превышать 40 Вт, а продолжительность пайки выводов — 2–3 с.

Подключите источник питания. Вольтметром постоянного тока с относительным входным сопротивлением не менее 5 кОм/В (авометром) измерьте напряжение на всех логических выводах элементов. Для этого минусовый щуп вольтметра соедините с общей линией, а плюсовым поочередно коснитесь входных выводов 1, 2, 4, 5, 9, 10, 12, 13, а затем выходных выводов 3, 6, 8, 11. При напряжении источника питания 5 В вольтметр должен показать на входных выводах элементов около 1,4 В, а на выходных — около 0,3 В. Если это не так, значит микросхема неисправна.

Опытную проверку логики действия элементов 2И-НЕ микросхемы можно начать с любого из них, предположим, с первого — DD1.1 с выводами 1–3 (рис. 7.10).



Рис. 7.10, а, б, в. Опытная проверка логики действия элемента 2И-НЕ (К155ЛАЗ)


Сначала один из входных выводов, например вывод 2, соедините с общей минусовой линией, а вывод 1 — с плюсовой, но через резистор сопротивлением 11,5 кОм (на рис. 7.10, а — R1). К выходному выводу 3 элемента DD1.1 подключите вольтметр PV1. Вольтметр покажет напряжение, равное примерно 3,54 В, т. е. соответствующее высокому уровню.

Затем измерьте вольтметром напряжение на входном выводе 1, он также покажет высокий уровень напряжения. Отсюда вывод: когда на одном из входов элемента 2И-НЕ высокий уровень напряжения, а на другом низкий, на выходе будет высокий уровень напряжения.

Теперь и входной вывод 2 элемента соедините через резистор сопротивлением 11,5 кОм с плюсовой линией и одновременно проволочной перемычкой — с общей (рис. 7.10, б). Измерьте напряжение на выходном выводе. На нем, как и в предыдущем случае, будет высокий уровень напряжения. Следя за стрелкой авометра, удалите проволочную перемычку, чтобы и на втором входе элемента появился высокий уровень напряжения. На выходе элемента будет напряжение около 0,3 В, соответствующее низкому уровню. Следовательно, элемент из единичного состояния переключился в нулевое.

Той же проволочной перемычкой замкните первый вход на общую линию. На выходе при этом сразу появится высокий уровень напряжения. А если любой из входных выводов периодически замыкать на общую линию, как бы имитируя подачу на него напряжения низкого уровня, с такой же частотой следования на выходе элемента будут появляться электрические импульсы и будет колебаться стрелка вольтметра.

О чем говорят проведенные опыты? Они подтверждают логику действия элемента 2И-НЕ, проверенную ранее на его электрическом аналоге: при подаче напряжения высокого уровня на оба входа на выходе элемента появляется напряжение низкого уровня.

Еще один опыт: отключите оба входных вывода элемента от других деталей и проводников. На выходе будет низкий уровень напряжения. Так и должно быть, потому что неподключение входных выводов равнозначно подаче на них высокого уровня напряжения и, следовательно, установке элемента в нулевое состояние.

Не забывайте в будущем об этой особенности логических элементов ТТЛ микросхем!

Следующий опыт — проверка действия того же логического элемента 2И-НЕ при включении его инвертором, т. е. как элемент НЕ. Замкните между собой оба входных вывода и через резистор сопротивлением 11,5 кОм соедините их с плюсовой линией питания (рис. 7.10, в). Вольтметр покажет низкий уровень напряжения. Не отключая резистора от этой линии, замкните объединенный вход на минусовую линию (показано штриховыми стрелками) и одновременно проследите за реакцией вольтметра. Он покажет высокий уровень напряжения. Таким образом, вы убедитесь, что сигнал на выходе инвертора всегда противоположен входному.

Теперь давайте рассмотрим принципиальную электрическую схему логического элемента 2И-НЕ. Он состоит из четырех транзисторов структуры n-р-n, трех диодов и пяти резисторов (рис. 7.11).



Рис. 7.11. Принципиальная схема логического элемента 2И-НЕ


Связь между транзисторами непосредственная. Резистор Rн, показанный штриховыми линиями, символизирует нагрузку, подключенную к выходу элемента. Подобные электронные устройства цифровой техники называют микросхемами транзисторно-транзисторной логики, или сокращенно ТТЛ. В этом отражен тот факт, что входные логические операции (или, как часто говорят — входную логику) выполняет многоэмиттерный транзистор (первая буква Т), усиление и инверсию сигнала — тоже транзисторы (вторая буква Т).

Входной транзистор VT1, включенный по схеме с общей базой, — двухэмиттерный. Причем эмиттеры соединены с общим проводом питания через диоды VD1, VD2 — они защищают транзистор от случайного попадания на эмиттеры напряжения отрицательной полярности. Транзистор VT2 образует усилитель с двумя нагрузками: эмиттерной (резистор R3) и коллекторной (резистор R2). Снимаемые с них противофазные сигналы (противоположные по уровню: если на коллекторе высокий уровень напряжения, на эмиттере — низкий) поступают на базы выходных транзисторов VT3 и VT4. Таким образом, выходные транзисторы во время работы всегда находятся в противоположных состояниях — один закрыт, а второй в это время открыт. Этому способствует и диод VD3.

При наличии на одном или обоих входах элемента напряжения низкого уровня (например, при соединении их с общим проводом) транзистор VTI будет открыт и насыщен, транзисторы VT2 и VT4 закрыты, а транзистор VT3 открыт и через него, диод VD3 и нагрузку Rн течет ток — элемент в единичном состоянии. В том же случае, когда на оба входа будет подан высокий уровень напряжения, транзистор VT1 закроется, а транзисторы VT2 и VT4 откроются и тем самым закроют транзистор VT3. При этом ток через нагрузку практически прекратится, так как элемент примет нулевое состояние.

Низкий уровень напряжения на выходе логического элемента равен напряжению на коллекторе открытого транзистора VT4 и не превышает 0,4 В. Высокий же уровень напряжения на выходе логического элемента (когда транзистор VT4 закрыт) меньше напряжения источника питания на значение падения напряжения на транзисторе VT3 и диоде VD3 — не менее 2,4 В. Фактически же напряжение логических уровней низкого и высокого на выходе элемента зависит от сопротивления нагрузки и может несколько отличаться от указанного выше.

Переход элемента из единичного состояния в нулевое происходит скачкообразно при переходе его входного напряжения через значение около 1,2 В, называемое пороговым.

При монтаже аппаратуры для повышения устойчивости работы микросхем их свободные входы должны быть подключены к источнику питания микросхемы через резистор с сопротивлением 1 кОм. К одному резистору допускается подключение не более 20 свободных входов. Для защиты от низкочастотных помех — необходимо предусмотреть установку и подключение к шинам питания на плате оксидных конденсаторов (из расчета не менее 0,1 мкФ на один корпус микросхемы). Для защиты от высокочастотных помех — керамические конденсаторы (емкость не менее 2000 пФ на один корпус микросхемы). Рекомендуется размещать на площади печатной платы из расчета один конденсатор на группу не более десяти микросхем.

Следует запомнить несколько полезных советов:

• в тех случаях, когда требуется развязка между элементами схемы, то есть требуется обеспечить, чтобы одна часть схемы не влияла на работу другой части схемы, применяют развязывающий элемент (буфер). В качестве развязывающего элемента можно использовать логические элементы И или ИЛИ, объединив (закоротив) их входы;

• в тех случаях, когда логические элементы И-НЕ, ИЛИ-НЕ в схеме не все использовались, их можно применить в качестве инверторов. Такой способ более удобен, нежели установка дополнительных интегральных микросхем с инверторами; иногда в схеме необходима всего одна операция инвертирования, тогда проще использовать в качестве инвертора транзистор.


7.3. КРАТКО О МИКРОСХЕМАХ СЕРИИ КМОП

Очень широко в радиолюбительской практике применяются микросхемы серии МОП и КМОП — К176, К561 и 564. Микросхемы К176 по принципу работы и конструктивному оформлению аналогичны микросхемам серии К155. Так, например, микросхема K176ЛA7, как и микросхема K155ЛA3, содержит в своем корпусе четыре логических элемента 2И-НЕ. Но всегда следует помнить: аналогичные по функциональному назначению микросхемы серий К176 и К155 не взаимозаменяемы! Дело в том, что микросхемы серии К176 рассчитаны на номинальное напряжение питания 9 В ±5 %, хотя и сохраняют работоспособность при напряжении в пределах 4,512 В. И напряжение логических уровней у них неодинаково.

При напряжении питания 9 В напряжение низкого уровня, соответствующее логическому 0, не более 0,3 В (для микросхемы серии К155 — не более 0,4 В), а высокого уровня — не менее 8,2 В (для микросхемы К155 — не менее 2,4 В). Все это и некоторое другое не позволяют непосредственно подключать микросхемы серии К176 к микросхемам серии К155 и, следовательно, использовать их для совместной работы в одной конструкции.

Основное достоинство микросхем серии К176 — их экономичность. По сравнению с микросхемами серии К155 они потребляют от источника питания энергии во много раз меньше. Например, микросхема К176ИЕ2 — счетчик импульсов — потребляет от источника питания ток около 100 мкА, а ток, потребляемый микросхемой К155ИЕ2 (тоже счетчиком импульсов), достигает 50 мА. Объясняется это тем, что основой микросхемы серии K176 служат полевые транзисторы структуры МОП (металл-окисел-полупроводник), а не биполярные транзисторы, как в микросхемах ТТЛ.

В связи с этим изменяется и уровень сигналов, подаваемых на управляющие входы микросхем.

Не следует забывать еще одну особенность микросхем серии К176: на них губительно действуют электростатические заряды!

Вот несколько советов, предупреждающих эти неприятности.

1. При хранении выводы микросхемы должны быть обернуты фольгой.

2. Чтобы исключить случайный пробой полевых транзисторов микросхемы статическим электричеством во время монтажа, статические потенциалы электропаяльника, паяемой детали и тела самого монтажника должны быть уравнены и сведены к минимуму.

3. Целесообразно паяльник подключать к сети через разделительный трансформатор, а металлическую пластину, закрепленную на ручке паяльника голым проводом, соединить с заземлением (металлическими трубами) через резистор сопротивлением 1 МОм. Мощность паяльника должна быть в пределах 25…40 Вт. Время пайки каждого вывода не должно превышать 3 с.

4. Пайку микросхем серии К176 следует начинать с выводов питания, временно включив между проводами питания на плате резистор сопротивлением 1…2 кОм.

5. И еще одно предупреждение: напряжение питания устройства на микросхемах серии К176 необходимо включать до подачи на его вход управляющих сигналов.

УГО микросхемы K176ЛA7 показано на рис. 7.12. Оно отличается от микросхемы К155ЛА3 только нумерацией выводов двух средних (по схеме) логических элементов 2И-НЕ. Плюсовой провод источника питания соединяют с выводом 14, а минусовой — с выводом 7.



Рис. 7.12. УГО микросхемы К176ЛА7


7.4. ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ

7.4.1. Автомат «бегущий огонь»

Предлагаемая на рис. 7.13 схема автомата «бегущий огонь» отличается от других ранее опубликованных схем простотой настройки и изготовления. В ней микросхема DD1 служит генератором, a DD2 — счетчиком с встроенным Дешифратором. Скорость переключения светодиодов меняется при помощи переменного резистора R2. Для автомата «бегущий огонь» можно использовать любые светодиоды, например типа AЛ307. Резистор R3 можно не ставить, если используется питание меньше 12 В. Микросхема К561ИЕ8 это выдерживает.



Рис. 7.13. Схема автомата «Бегущий огонь»


Из автомата «бегущий огонь» можно получить игрушку «Казино», если пронумеровать светодиоды, расположить их по кругу и поставить тумблер S1. Для разделения на сектора можно использовать разноцветные светодиоды. Для дальнейшего упрощения схемы игрушки можно вместо генератора на микросхеме DD1 использовать антенну — кусок любого провода длиной 10…50 см (рис. 7.14). Игрушка работоспособна вблизи электропроводки, но при достаточной длине провода антенны функционирует практически везде в квартире.



Рис. 7.14. Игрушка «Казино»


Для маленьких детей, любящих играть с игрушечными автомобилями, неплохим подарком станет светофор, реализованный на хорошо известной микросхеме К561ЛА7 (рис. 7.15).



Рис. 7.15. Схема игрушки «Светофор» на микросхеме K561ЛA7


Помимо, прочего, эта игрушка несет в себе полезную воспитательную нагрузку — учит малышей обращать внимание на светофор в реальной жизни. Времязадающая цепь R2, С2 определяет частоту переключения зеленого и красного светодиодов, а цепь C1, R1 определяет время горения желтого светодиода.

Попытка реализовать такой светофор на микросхеме К561ЛП2 не принесла успеха вследствие малой мощности выходных каскадов этой микросхемы. Зато на более современной микросхеме К1554ЛП5 светофор можно сделать с большим количеством светодиодов и, следовательно, более ярким, как показано на рис. 7.16.



Рис. 7.16. Схема игрушки «Светофор» на микросхеме К1554ЛП5


7.4.2 Электронный мини-кегельбан [8]

Электронный вариант мини-кегельбана в одинаковой мере интересен как начинающим радиолюбителям, так и опытным. Устройство несложно в изготовлении и может быть выполнено в виде компактной конструкции, удобной для пользования в домашних условиях, при поездках за город. Не лишне будет предупредить юных радиолюбителей, чтобы они не приносили игру в школьные классы. Название игры выбрано условно, но оно отражает ее основные моменты. При бросании шара в настоящем кегельбане можно сбить все кегли или только часть их. В электронном варианте мини-кегельбана при нажатии и отпускании кнопки, имитирующем бросание «шара», будет высвечиваться различное число светодиодов, указывающее на число сбитых «кеглей».

Принципиальная схема устройства приведена на рис. 7.17. Ее реализация в практическую конструкцию не требует особых познаний и дефицитных радиоэлементов — необходимы три широко распространенные цифровые микросхемы, по девять транзисторов и светодиодов, да еще несколько резисторов.



Рис. 7.17. Схема игрушки «Электронный миникегельбан»


Четыре логических элемента микросхемы DD2 образуют генератор прямоугольных импульсов с частотой, определяемой элементами R1 и С1. С вывода 8 элемента DD1.4 сигнал через кнопку SB1 подают на микросхему DD2 — двоичный счетчик с выходом в коде 1-2-4-8. При отпускании кнопки SB1 счетчик запоминает состояние, которое было при приходе последнего импульса от генератора.

Микросхема DD3 (в своей основе дешифратор семисегментного светодиодного индикатора) управляет работой дискретных светодиодных индикаторов HL1— HL9 через буферные транзисторы VTI–VT9. На выходе микросхемы DD3 к выводам 10 и 11 подключены по паре цепей индикации. Таким образом возможны 16 состояний элементов индикации, которые отображают различные варианты попаданий при бросании шара в кегельбане.

На игровом поле корпуса устройства располагают кнопку SB1, нажатие на которую имитирует бросание шара, и девять светодиодов (кегли), размещенных в соответствии с рисунком в левой части.

Питание устройства осуществляется от стабилизированного источника тока с напряжением 5 В, но устройство сохраняет работоспособность и при питании от батареи с напряжением 4,5 В.

Примечание: в устройстве можно применить отечественные микросхемы K155ЛA3 (DD1), К155ИЕ5 (DD2), К514ИД1 (DD3), транзисторы КТ342А и светодиоды AЛ307A. При выполнении конструкции с автономным питанием следует применить батарею типа 3336.


7.4.3. Ультразвук против грызунов [9]

Различные устройства, излучающие ультразвук, уже пытались применять для отпугивания комаров, москитов, мокрецов и других кровососущих насекомых. К сожалению, они не всегда оказывались действенными. Об этом, в частности, уже сообщалось. И дело, вероятно, вовсе не в том, что ультразвук в принципе не эффективен, а в том, что известные звукоизлучающие устройства обычно работают лишь на одной, строго фиксированной частоте.

Поясним это. Представьте себе, что вместо ультразвука устройство излучает звуковые колебания, а объект «отпугивания» — сам человек. Тогда постоянно звучащий тон, хотя и надоедлив, но вполне терпим. Иное дело, если тон переменный, например, звук двух- или трехтональной сирены либо сирены с периодически изменяющейся частотой. Воздействие таких источников звука на животных, не говоря уже о человеке, неизмеримо сильнее. Эффективность возрастает, если частота модуляции звуковых колебаний совпадает с частотой некоторых жизненно важных биоритмов. Подобные сирены способны вызвать даже у диких животных чувство тревоги, испуга и страха. Вероятно, ультразвуковые излучатели отпугивающих устройств тоже должны воспроизводить колебания не постоянной, а каким-то образов промодулированной частоты. Поскольку на человека сильнее воздействует звук переменной высоты, то, видимо, на животных более эффективно будет влиять именно частотная модуляция ультразвука. По такому принципу, кстати, работает появившееся в продаже устройство «Сирена», предназначенное для отпугивания мышей, крыс, полевок и других грызунов. Предлагаемое устройство (рис. 7.18) представляет собой ультразвуковой генератор, частота колебаний которого промодулирована инфразвуковыми колебаниями частотой 6…9 Гц.



Рис. 7.18. Схема устройства против грызунов


Генератор инфразвуковой частоты образуют элементы DD1.1, DD1.2, резисторы R1, R2 и конденсатор С1. Цепочка из резисторов R3, R4, R6, конденсатора С2, диодов VD1, VD2 и транзистора VT1 предназначена для периодического «увода» частоты ультразвукового генератора — симметричного мультивибратора, собранного на элементах DD1.3, DD1.4, резисторах R5, R7 и конденсаторах С5, С6. Его частота периодически, с частотой 6…9 Гц, изменяется от 25 до 50 кГц. Транзисторы VT2—VT5, каждый из которых включен эмиттерным повторителем, образуют двухтактный мостовой усилитель, нагрузкой которого служит динамическая головка ВА1 — она излучает ультразвук с частотной модуляцией. Диод VD3 и конденсаторы С3, С4 — это фильтр в цепи питания микросхемы DD1. Диод VD3, кроме того, предохраняет микросхему от выхода из строя в случае ошибочной полярности включения источника питания всего устройства.

Каков принцип работы ультразвуковой сирены? Если, допустим, эмиттерный переход транзистора VT1 замкнуть проволочной перемычкой, он будет постоянно закрыт, поэтому диоды VD1 и VD2 тоже будут закрыты, а ультразвуковой генератор станет работать с постоянной частотой около 25 кГц. Поскольку номиналы резисторов R5, R7 и конденсаторов С5, С6, входящих в мультивибратор, равны между собой, этот генератор формирует строго симметричные прямоугольные импульсы, обеспечивающие головке ВА1 работу без «перекоса». Это — низшая частота работы устройства. Если теперь верхний (по схеме) вывод резистора R3 переключить на плюсовый проводник источника питания, а перемычку с эмиттерного перехода транзистора VT1 удалить, то транзистор постоянно будет в открытом состоянии. В этом случае диоды VD1 и VD2 станут поочередно открываться с частотой 50 кГц — удвоенной частотой ультразвукового генератора, являющейся высшей частотой устройства.

В целом же устройство работает следующим образом. Когда сигнал низкого уровня на выходе элемента DD1.2 скачком сменяется высоким, примерно в течение 30 мс частота ультразвукового генератора изменяется (за счет плавного открывания транзистора VT1) с 25 до 50 кГц, после чего в течение 35 мс остается равной 50 кГц. Затем, когда сигнал высокого уровня на том же выходе элемента DD1.2 снова сменяется низким, генератор в течение 30 мс уменьшает свою частоту (из-за плавного закрывания транзистора VT1) с 50 до 25 кГц, после чего 35 мс формирует импульсную последовательность низшей частоты. Далее работа устройства циклически повторяется. Частоту инфразвукового генератора можно изменять подборкой резистора R2, время нарастания и спада частоты ультразвукового генератора — подборкой резистора R3, а значение высшей частоты устройства — резистора R6. При необходимости изменения низшей частоты (обычно в сторону ее уменьшения вплоть до 20 кГц) одновременно подбирают резисторы R5 и R7. соблюдая при этом равенство их номиналов. Чтобы оценить на слух работу такого «беззвучного» устройства, частоту ультразвукового генератора придется уменьшить.


7.4.4. Комбинированный бета-гамма радиометр [10]

Радиометры предназначены, как правило, для регистрации гамма-излучения — несомненно опасного, но далеко не единственного спутника радиоактивного загрязнения местности. К числу биологически опасных видов излучений и частиц можно отнести рентгеновские, гамма-излучения, бета-частицы (электроны, позитроны), протоны, нейтроны, альфа-частицы, продукты деления, «горячие» частицы и т. д.

Радиометр (рис. 7.19) позволяет одновременно контролировать гамма- и бета-излучения и состоит из управляемых ключей DA1.1—DA1.4, звукового генератора DD1.1, DD1.2 и выходного каскада (схема ИЛИ-НЕ) на DD1.3.



Рис. 7.19. Схема комбинированного бета-гамма радиометра


Индикация импульсов от бета- и гамма-счетчиков (BD1 и BD2) осуществляется раздельно — светодиодами VD1 и VD4, а также звуковым сигналом (580 и 830 Гц) через телефонный капсюль ТК-67 или пьезокерамический излучатель BF1. Чувствительность радиометра (порог срабатывания управляемых ключей, выполненных на микросхеме К561КТЗ) можно плавно регулировать потенциометром R5.

Стабилитроны VD2, VD3 предназначены для защиты входных цепей ключевых элементов. Постоянная времени входных цепей (C6R6; C7R7) определяет длительность импульсов звука и вспышек света. Потребляемый устройством ток не превышает единиц мА. Микросхемы DD1, DA1 можно заменить их аналогами из серий К164, К176, К564.

В качестве бета-счетчика, например BD1, можно использовать счетчики СТС-5, СТС-6, СБМ-10, СИ-9БГ; гамма-счетчика (BD2) — счетчики СИ-xx1, где хх — 11, 13, 19…22, 24, 25 и другие.

Величина сопротивления резисторов R8 и R9 определяется по паспорту выбранного счетчика (обычно 1…20 МОм). При наладке устройства для имитации импульса от счетчика допускается подавать +9 В на катоды стабилитронов VD2, VD3. Высокое напряжение (390 В) для питания счетчиков можно получить от преобразователя напряжения для фотовспышек (с домотанной высоковольтной обмоткой), либо собрав преобразователь напряжения по одной из многочисленных известных схем соответствующего назначения. При использовании в качестве BD1, BD2 двух бета- или двух гамма-счетчиков, закрепленных на штанге на некотором удалении друг от друга, можно одновременно контролировать уровень радиации на поверхности почвы и на заданном удалении от нее. Число каналов регистрации можно увеличить. В этом случае при использовании поглощающих экранов различной толщины возможна оценка спектра излучения по энергиям. Поскольку бета-счетчики, как правило, чувствительны и к гамма-излучению, при измерениях необходимо делать соответствующую поправку.

Калибровку радиометра желательно производить по эталонным бета- и гамма-источникам, либо промышленным радиометром.


7.4.5. Индикатор радиации

Измерить уровень радиационного излучения можно не только дорогостоящим прибором заводского изготовления. Простейшее устройство (рис. 7.20) по силам сделать и своими руками, если у вас есть счетчик (датчик излучения) типа СБМ-20. Питается оно от сети 220 В. На диодах VD1, VD2 и конденсаторах C1, С2 выполнен однополупериодный выпрямитель, собранный по схеме удвоения напряжения. Поскольку на конденсаторах C1, С2 формируется постоянное напряжение, примерно равное 310 В на каждом, общее напряжение выпрямителя составляет приблизительно 620 В. Однако фактически используются далеко не все 620 В. Дело в том, что резисторы R5 и R3 образуют делитель напряжения, сформированного на конденсаторе C1, а резисторы R6 и R4 — на конденсаторе С2. Именно поэтому на резисторах R3 и R4 создается напряжение по 200 В. Таким образом, счетчик Гейгера-Мюллера BD1 (датчик излучения) питается напряжением 400 В, в то время как неоновая лампа HL1 (индикатор излучения) — всего 200 В.



Рис. 7.20. Схема индикатора радиации


Последняя зажигается лишь при открытом транзисторе VT1, а открывается она, когда радиационное излучение ионизирует газ внутри датчика BD1. Резистор R1 способствует надежному закрыванию транзистора VT1 при отсутствии радиационного излучения, а резистор R2 ограничивает базовый ток этого транзистора при наличии излучения.

Когда источника радиации поблизости нет, естественный радиационный фон вызывает в счетчике Гейгера-Мюллера в течение одной минуты 20…30 электрических импульсов. Следовательно, транзистор VT1 должен на короткое время открываться — индикаторная лампа HL1 вспыхивает через 2…3 секунды, правда, без строгой периодичности. При повышении уровня радиации вспышки лампы HL1 учащаются, это можно проверить, поднося к счетчику обычную елочную игрушку, покрытую фосфором. Когда же уровень радиации очень высок, лампа HL1 горит непрерывно.

Чтобы не только видеть показания, но и слышать, последовательно с лампочкой HL1 включают электромагнитный капсюль (телефон). Его громкость вполне удовлетворительна, если сопротивление обмотки превышает 1 кОм.

Вместо счетчика типа СБМ-20 допустимы и другие, например СБМ-11, СБМ-21, СТС-20, СТС-5. Высоковольтный транзистор КТ618А взаимозаменяем с КТ605Б, КТ605БМ, КТ604Б или КТ940А, а диоды КД105Б — с КД105В, КД105Г, КД209А, КД209Б, КД209В. В качестве неоновой лампы взамен ТН-0,2 можно применить, скажем, ТН-0,3, ИНС-1, МН-5 или даже стартерную лампу от люминесцентного светильника. Все резисторы здесь типа МЛТ-0,5 или ОМЛТ-0,5. Конденсаторы должны иметь номинальное напряжение не менее 400 В. Датчик излучения — счетчик Гейгера-Мюллера — следует прикрыть лишь тонкой пластинкой из пластмассы или пластиковой пленкой.


7.4.6. Звучащий брелок [11]

Сравнительно высокая чувствительность брелка достигается благодаря использованию в микрофонном усилителе транзистора с большим статическим коэффициентом передачи тока базы (КТ3102Е), а повышенная громкость «отклика» — применением пьезокерамического излучателя ЗП-1. В режиме «ожидания» работает лишь одна половина ЗП-1, а на «отклик» — обе (в это время на вторую половину излучателя подается напряжение с размахом, равным удвоенному напряжению источника питания). Недостатком же такого варианта исполнения устройства является менее красивый однотональный звук «отклика» (вместо прерывистого).

Источник питания — три аккумулятора Д-0,06, соединенные последовательно; ток потребления в режиме «ожидания» не превышает 115 мкА, в режиме «отклика» — 195 мкА. Брелок (рис. 7.21) состоит из трех основных узлов: микрофонного усилителя на транзисторе VT1, одновибратора, собранного на элементах DD1.1, DD1.2 микросхемы К564ЛА7 (DD1), и генератора колебаний звуковой частоты на элементах DD1.3 и DD1.4 той же микросхемы. Функции микрофона и звукового излучателя выполняет пьезокерамический излучатель НА1.

В режиме ожидания на вход элемента DD1.1 через резистор R3 подается положительное напряжение источника питания GB1. На выходе элемента DD1.2 будет напряжение высокого уровня, которое через резистор R2 поступает на коллектор транзистора VT1 («включает» микрофонный усилитель). В это время конденсатор С1 практически разряжен (напряжение на нем близко к 0), а одновибратор находится в ждущем режиме. Напряжение низкого уровня, поступающее на вывод 13 элемента DD1.3 с выхода элемента DD1.1, запрещает работу звукового генератора. При этом на выходе элемента DD1.4 возникает сигнал низкого уровня, в результате чего излучатель верхней (по схеме) половиной оказывается подключенным к «общему» приводу.

Громкий хлопок в ладоши или свист излучатель ЗП-1 преобразует в напряжение звуковой частоты, первый же положительный полупериод которого открывает транзистор VT1. Появляющийся при этом спад напряжения на коллекторе транзистора воздействует через конденсатор С1 на входной элемент DD1.1 одновибратора. Срабатывая, одновибратор выходным (вывод 4 элемента DD1.2) напряжением низкого уровня отключает микрофонный усилитель, а сигналом высокого уровня, поступающим на вывод 13 элемента DD1.3 с выхода элемента DD1.1, разрешает paботу звукового генератора — брелок переходит в режим отклика. Работа на отклик длится до тех пор, пока напряжение на правой (по схеме) обкладке конденсатора С1 относительно минусового провода источника питания не достигнет высокого уровня В этот момент элементы одновибратора переключаются в исходное состояние, и брелок снова переходит в режим ожидания. А так как нижняя (вторая) половина излучателя включена между входом и выходом элемента DD1.4, то и амплитуда колебаний звуковом частоты на ней в два раза больше, чем на первой. Следовательно, и громкость звучания этой половины больше.

Диод VD1 нужен для снятия постоянной составляющей с обкладок излучателя НА1. Все детали устройства можно смонтировать на печатной плате диаметром 50 мм (рис. 7.22), выполненной из фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5 мм.



Рис. 7.21. Схема звучащего брелка


Аккумуляторы Д-0,06, вставленные в отверстия диаметром 13,5 мм, прижимаются к плате с помощью винтов М3 пластинами из жести, которые одновременно соединяют аккумуляторы последовательно в батарею. Корпус транзистора углубляют в отверстие диаметром 5 мм, а микросхему размещают и монтируют на плате со стороны печатных проводников. Брелок можно поместить как в металлический, так и в пластмассовый корпус. В данном варианте, например, корпусом служит пластмассовая «кастрюлька» и «конфорка газовой плиты» из «отработавших» свое детских игрушек. Вместо транзистора КТ3102Е можно применить аналогичные другие с коэффициентом передачи тока более 500, например, КТ3102Г.

КТ342В, КТ373В. Микросхема DD1 может быть серии К561 или К176, если, конечно, позволяют габариты корпуса. Резисторы и конденсаторы — малогабаритные. Диод КД102А заменим любым из серий КД220, КД221, КД222. Налаживание сводится в основном к подбору резистора R2 таким образом, чтобы напряжение на коллекторе VT1 было равно примерно половине напряжения источника питания и брелок не самозапускался. Если это все же происходит, необходимо подобрать резистор R2 меньшего сопротивления. Иногда для устранения самозапуска бывает достаточно поменять местами подключение проволочных выводов излучателя ЗП-1. Но лучше, если каемка, идущая по его периметру, будет закреплена в корпусе жестко или через эластичную прокладку. Подбором конденсатора С1 и резистора R3 можно установить желаемую длительность звучания отклика, а подбором конденсатора С2 и резистора R5 — его тональность.




Рис. 7.22. Печатная плата звучащего брелка


7.4.7. Переключатель гирлянд на светодиодах [12]

Простейшая гирлянда к небольшой елочке настольного типа может быть составлена из пар разноцветных светодиодов и подключена к автомату, собранному на двух микросхемах (рис. 7.23).



Рис. 7.23. Схема переключателя гирлянд на светодиодах.


На элементах DD1.1—DD1.3 выполнен задающий генератор, частота следования импульсов которого зависит от емкости конденсатора С1 и сопротивления резистора R1 и при указанных на схеме номиналах этих деталей составляет 5 Гц. С выхода генератора (вывод 8 микросхемы DD1) импульсы поступают на счетный вход счетчика DD2. С выходов счетчика сигналы в двоичном коде поступают на светодиоды HL1—HL16, заставляя их загораться и гаснуть в соответствии с последовательностью двоичного кода. По сути дела светодиоды являются индикаторами состояния счетчика. Светодиоды HL1, HL2 и HL9, HL10 работают в противофазе, т. е. когда на выходе 1 счетчика (вывод 3) уровень логического 0, горит вторая пара светодиодов, а когда появляется уровень логической 1, вспыхивает первая пара светодиодов, а вторая гаснет. Аналогично работают остальные пары светодиодов, создавая впечатление хаотичного мерцания.

На месте DD1 может быть использована, кроме К155ЛАЗ, микросхема K155ЛH1 или К155ЛА4 при внесении соответствующих изменений в монтаж. Счетчик DD2 — К155ИЕ7 или К155ИЕ6, резисторы — МЛТ-0,125, оксидный конденсатор — К50-6. Светодиоды HL1-HL4, HL9-HL12 — АЛ307БМ (красные); HL5, HL6, HL13, HL14—АЛ307В (зеленые); HL7, HL8, HL15, HL16 — АЛ307ЕМ (желтые). Возможны и другие сочетания светодиодов в зависимости от ваших запасов. Под используемые светодиоды подбирают резисторы R2—R5, учитывая, что прямой ток для АЛ307БМ и АЛ307ЕМ составляет 10 мА, а для АЛ307В — 20 мА.

Питают автомат от любого источника постоянного тока (в том числе и сетевого блока питания) напряжением не ниже 4,5 В, рассчитанного на нагрузку током не менее 100 мА.


7.4.8. Светодинамическое устройство «бегущий огонь» [13]

Предлагаемое светодинамическое устройство (рис. 7.24) предназначено для установки в салон автомобиля, либо в звуковоспроизводящую аппаратуру. Возможны и другие варианты реализации устройства. Схемы подобных устройств известны давно, но благодаря применению реверсивного счетчика удалось реализовать режим, обеспечивающий попеременное изменение направления переключения светодиодов. При этом режимы однонаправленного переключения светодиодов сохранены, что расширяет функциональные возможности устройства.



Рис. 7.24. Схема светодинамического устройства «Бегущий огонь»


Выбор одного из трех режимов работы устройства осуществляется последовательными нажатиями кнопки SB1. При включении устройства триггеры DD2.2 и DD3.2 устанавливаются в случайное состояние. Уровни с их прямых выходов определяют режим работы устройства. Генератор на элементах DD1.1, DD1.2 возбуждается на рабочей частоте порядка 10…20 Гц, которую при указанном номинале резистора R3 можно изменять, начиная от 5 Гц. При использовании микросхемы К555ЛАЗ резистор R1 из схемы устройства можно исключить.

Особенностью данного генератора, многократно описанного в литературе, является сохранение сравнительно большого периода колебании при небольшой емкости конденсатора С1. Частоту колебаний можно изменять от 1 Гц, если установить резистор R3 номиналом 82 кОм. Рассмотрим работу устройства в режиме двунаправленного переключения светодиодов.

В этом случае триггеры DD2.2 и DD3.2 находятся в нулевом состоянии, а триггер DD3.1 — в случайном. Предположим, триггер DD3.1 при подаче напряжения питания установился в нулевое состояние, тогда элемент DD1.4 «пропускает» импульсы на суммирующий вход счетчика DD5, состояния которого дешифруются микросхемой DD6 и отображаются светодиодами HL1…HL16. Так как счетчик DD5 работает в режиме сложения, при переполнении на его выходе переноса (вывод 12) возникает уровень логического нуля, который поступает на вход элемента ИЛИ DD4.1, а с его выхода воздействует на вход «S» триггера DD3.1, переводя его в единичное состояние. Теперь высокий уровень с прямого выхода триггера воздействует на вход элемента DD1.3, обеспечивая тем самым работу счетчика в режиме вычитания. При достижении нулевого состояния на 13-ом выводе счетчика. DD5 формируется уровень логического нуля, который воздействует на вход элемента DD4.2, а с его выхода — на вход «R» триггера. Описанный процесс повторяется до момента нажатия кнопки SB1. При нажатии кнопки SB 1 триггер DD2.2 устанавливается ж единичное состояние, триггер DD3.2 состояние не меняет. В таком состоянии первый же импульс с выхода переполнения — вывода 13 счетчика, «пройдя» через элемент DD4.2, устанавливает триггер DD3.1 в нулевое состояние, которое сохраняется до следующего нажатия кнопки SB 1.

Светодиоды переключаются в одном направлении. При третьем нажатии кнопки SB1 триггеры DD2.2 и DD3.2 устанавливаются в единичное состояние. При этом уровни логического нуля с их инверсных выходов воздействуют на входы элемента DD4.3, уровень логического нуля с выхода которого устанавливает триггеры DD2.2.H DD3.2 в нулевое состояние, воздействуя на входы «R».

Работоспособность устройства сохраняется при снижении напряжения источника питания до 4 В, что немаловажно при питании устройства от аккумуляторов. При желании можно установить не 16, а 10 светодиодов, заменив счетчик К1533ИЕ7 на К1533ИЕ6, а дешифратор К1533ИДЗ — на КК155ИД1.


7.4.9. Радиоприемник без катушек индуктивности [14]

Известно, что на входе радиоприемника ставят резонансный контур, служащий для выделения сигнала требуемой частоты и подавления сигналов других частот, мешающих радиоприему. Основной элемент такого контура — катушка индуктивности, с намоткой которой у начинающего радиолюбителя нередко возникают проблемы.

Однако можно вообще обойтись без катушки индуктивности, если использовать во входных цепях приемника активные фильтры на операционном усилителе (ОУ) и RC-цепи. Но в этом случае вместо магнитной антенны приходится применять простейшую электрическую антенну — отрезок провода длиной 0,7…1,5 м. Пользоваться же таким приемником можно только для приема наиболее мощных отдаленных и местных радиостанций СВ и ДВ диапазонов.

Схему радиочастотного тракта такого варианта приемника — без катушек индуктивности — вы видите на рис. 7.25.



Рис. 7.25. Схема радиоприёмника без катушек индуктивности


Он представляет собой усилительный каскад на операционном усилителе, охваченный отрицательной и положительной обратной связью. Цепь отрицательной обратной связи (ООС) образуют делитель напряжения R3R2R1, а цепь положительной обратной связи (ПОС) — так называемый мост Вина, в который входят резисторы R7, R6 и блок конденсаторов переменной емкости (КПЕ) С4. Если глубина обратной связи через мост Вина больше, чем через делитель напряжения R3R2R1, то каскад возбуждается и становится генератором электрических колебаний. А если наоборот, то каскад станет работать как селективный (избирательный) усилитель и обеспечивать максимальное усиление на частоте, определяемой параметрами моста Вина. Чем ближе режим работы каскада к порогу генерации, тем больше его усиление и уже частотная полоса пропускания.

На сигналы радиостанций приемник настраивают блоком КП1-С4. Усиленный радиочастотный сигнал, снимаемый с выхода операционного усилителя (вывод 6), детектируется диодами VD1 и VD2, включенными по схеме удвоения напряжения, фильтруется конденсатором С7 и далее подается на вход УЗЧ для последующего усиления и преобразования в звук. Полосу пропускания радиочастотного тракта регулируют резистором R2, а чувствительность — резистором R1.

Такое устройство, смонтированное на плате размерами 60x50 мм (рис. 7.26), можно использовать в виде приставки к радиоаппарату, в котором есть УЗЧ, например, к магнитофону, электрофону.



Рис. 7.26. Печатная плата приёмника без катушек индуктивности


Операционный усилитель DA1 может быть К544УД2А, К544УД2Б, К140УД11, К574УД1, блок КПЕ С4 — любой малогабаритный с максимальной емкостью секций 200300 пФ. Конденсаторы постоянной емкости — KЛC, КМ; диоды VD1 и VD2 — любые детекторные или импульсные, лучше германиевые. Резисторы R1 и R2 — СПЗ-З, СПО, остальные — ВС, MЛT.

Налаживание проводят в такой последовательности: к выходу детекторного каскада подключить головные телефоны. Движок резистора R1 установить в среднее положение, резистора R2 — в крайнее левое (по схеме) положение и подключить антенну. Изменяя емкость секций блока КПЕ, настройте приставку на радиостанцию, прием которой возможен в вашей местности. Если сигнал не прослушивается, то понемногу уменьшайте сопротивление резистора R2, смещая движок вправо, и повторно добивайтесь настройки до необходимого качества радиоприема.

Если при максимальной емкости блока КПЕ каскад возбуждается при любом сопротивлении резистора R2, следует увеличить его сопротивление в два раза, а если и это не помогает, то попробуйте подобрать емкость конденсатора С3 в пределах 10…30 пФ.

Какие изменения можно внести в приставку? Если подходящего блока КПЕ нет, замените его сдвоенным переменным резистором, например СП-III. В этом случае цепь положительной обратной связи монтируйте по схеме на рис. 7.27.

…  показана схема с рис. 7.28… :(


Рис. 7.27. Вариант схемы приёмника без катушек индуктивности


При номиналах резисторов и конденсаторов, указанных на схеме, приемник будет перестраиваться и работать устойчиво только в диапазоне ДВ.

Приставку можно использовать для приема 2-й и 3-й программ проводного вещания. Для этого ее подключают к радиотрансляционной сети через дополнительную приставку-переходник, схема которой приведена на рис. 7.28, одновременно увеличив сопротивление резисторов моста Вина (R4 и R7 — на рис. 7.25) до 10 кОм или емкость конденсаторов С4 и С9 (рис. 7.28) до 300 пФ.



Рис. 7.28. Использование приемника для приёма 2-й и 3-й программ проводного вещания


Приставка может быть с фиксированной настройкой на одну радиовещательную станцию. В этом случае конденсаторы переменной емкости и переменные резисторы заменяют постоянными. Номиналы элементов моста Вина R (R4, R7) и С (С4.1, С4.2) можно определить по формуле:

f = 1/2πRC,

где f — частота настройки. Номиналы резисторов выбирайте в пределах 5,1…15 кОм.


7.4.10. УКВ-приемник на два диапазона [17]

Приемник содержит (рис. 7.29) всего-навсего один настраиваемый контур. Тем не менее обеспечивается уверенный прием сигналов УКВ-радиостанций в двух диапазонах: 64…73 МГц и 87,5…108 МГц. Предлагаемая конструкция проста в изготовлении и налаживании. А малые габариты в сочетании с довольно высокими эксплуатационными качествами и техническими характеристиками делают ее поистине незаменимой для приема передач не только на территории России, стран СНГ, но и во время туристических поездок за границу.



Рис. 7.29. Схема УКВ приёмника на два диапазона


Питание приемника универсальное: от трех элементов А316 (аккумуляторов ЦНК-045) или от сети (например, через блок «Электроника Д2-10М» от микрокалькулятора). Подойдет и любой самодельный источник питания, имеющий на выходе стабилизированное напряжение 3,5…7,5 В при токе нагрузки не менее 50 мА. Работоспособность приемника сохраняется при разрядке батарей до 3 В. В приемнике предусмотрена возможность подключения головных телефонов «Электроника ТДС 13-2» или аналогичного типа. При этом отсоединяется динамик и улучшается качество звучания. Основу конструкции составляет микросхема K174XA34. Разработанная специально для миниатюрной радиоаппаратуры, она представляет собой однокристальный УКВ-приемник, который имеет в своем составе апериодический усилитель высокой частоты, смеситель, гетеродин, УПЧ и усилитель-ограничитель, фазоинвертор, ЧМ-демодулятор, предварительный УНЧ, систему шумопонижения и систему сжатия девиации. Сигнал, принятый антенной WA1, поступает на вход микросхемы через разделительный конденсатор С9. Элементы С4, L1, VD1 определяют частоту гетеродина, который работает на первой гармонике. Переключением секции катушки при помощи переключателя SA1 производится смена диапазона. Настройка на ту или иную радиостанцию осуществляется изменением частоты гетеродина при помощи варикапа VD1 и переменного резистора R2. Последний служит для корректировки нижней границы диапазона.

Преобразованный сигнал поступает на вход УПЧ, промежуточная частота которого около 70 кГц. Столь низкая промежуточная частота позволяет отказаться от контуров за счет использования активных фильтров, которые имеют достаточно высокую добротность. Фазоинвертор и ЧМ-демодулятор также собраны с помощью операционных усилителей и RC-цепей. При этом внешними элементами являются только конденсаторы С3, С7, С8, С10, С12, С14, а резисторы и операционные усилители имеются в составе микросхемы. Благодаря интегральной технологии и отсутствию катушек индуктивности уменьшены размеры приемника. Существенно упростилась и его наладка. А выбор относительно низкой промежуточной частоты позволил к тому же выигрышно использовать микросхему К174ХА34 с током потребления, не превышающим 7 мА, в то время как, скажем, у микросхемы К174ХА5 этот параметр менее экономичен. Закономерен вопрос: как же при fпр = 70 кГц и девиации частоты ±50 кГц удается получить коэффициент нелинейных искажений (КНИ)? 3 %? А дело все в том, что в микросхеме К174ХА34 имеется специальная система сжатия девиации примерно в 10 раз. Это и позволяет снизить КНИ при столь небольшой промежуточной частоте. Напряжение, подаваемое на варикап, поддерживается на требуемом уровне с помощью параметрического стабилизатора, собранного на элементах R4, VD2, С11. Это необходимо для того, чтобы при разрядке батарей не смещалась частота настройки приемника.

Хотя внутри микросхемы имеется свой стабилизатор, тем не менее ее приходится питать от параметрического. И все потому, что сетевой блок питания «Электроника Д2-10М» при токе менее 50 мА обеспечивает напряжение более 7 В. А это больше, чем максимально допустимое напряжение питания микросхемы К174ХА34. Но вернемся к описанию работы приемника. Продетектированный и усиленный сигнал НЧ поступает через разделительный конденсатор С15 на регулятор громкости. А затем — на выходной УНЧ, в качестве которого используется низкочастотный усилитель микросхемы К174ХА10. Схема включения УНЧ типовая и пояснений не требует. Что касается «нерационального» на первый взгляд использования микросхемы К174ХА10, то здесь иной расклад. Главное — получить достаточно хорошие параметры при минимальных размерах и низком напряжении питания. И цель эта достигнута. Конечно, совсем не обязательно собирать усилитель низкой частоты по предлагаемой схеме. В конструкции приемника можно использовать и любой УНЧ на транзисторах, способный работать при напряжении питания от 3,5 до 7,5 В. Этот усилитель должен иметь к тому же чувствительность не хуже 100 мВ, входное сопротивление более 10 кОм, коэффициент нелинейных искажений менее 3 % и заданный диапазон воспроизводимых частот. Выключатель SA3 служит для отсоединения динамика при прослушивании приемника на головные телефоны или внешнюю акустическую систему с сопротивлением не менее 4 Ом, При подключении внешнего источника питания (через разъем ХР1) происходит отсоединение батарей. Если в качестве источника питания взяты не элементы А316, а аккумуляторы ЦНК-045, то желательно предусмотреть их подзарядку от блока питания через дополнительный гасящий резистор сопротивлением 20 Ом (на схеме не показан).

Практически весь приемник собран на печатной плате из двустороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 1 мм.

Чертеж ее приведен на рис. 7.30, а расположение элементов дано на рис. 7.31. Корпус приемника изготовлен из того же материала, что и печатная плата. На левую боковую стенку выведен разъем ХР1 для подключения внешнего источника питания. Отверстия под XS для подключения внешних головных телефонов, переключатели SA1, SA3 и телескопическая антенна WA расположены на верхней стенке корпуса. В передней стенке сделаны щелевые пропилы под ручки регулятора громкости и настройки.

Необходимо учесть, что все элементы, определяющие частоту гетеродина, должны располагаться как можно ближе к выводу 5 микросхемы К174ХА34. А печатные проводники, соединяющие их, — иметь минимальную длину. В противном случае приемник будет работать неустойчиво.



Рис. 7.30, а. Печатная плата УКВ приёмника



Рис. 7.30, б. Печатная плата УКВ приёмника



Рис. 7.31. Расположение элементов на печатной плате приёмника УКВ


7.4.11. Микроприемник на К174ХА36 [15]

ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ K174XA36

Напряжение питания, В — 3,0;

Потребляемый ток (покоя), мА — 3;

Реальная чувствительность при отношении сигнал/шум 20 дБ на частоте 1 МГц, мкВ — 1;

Отношение сигнал/шум при входном напряжении 1 мВ, глубине модуляции 80 %, дБ — 5;

Напряжение звуковой частоты на выходе детектора, мВ — 300;

Коэффициент усиления предварительного ПУЗЧ — 5;

Максимальное напряжение входного сигнала при напряжении питания, мВ:

3 В — 220,

6 В — 500;

Масса микросхемы, г — 1,5.

Данная микросхема 174-й серии предназначена для малогабаритных экономичных радиоприемников с ДВ, СВ и КВ-диапазонами и с низким напряжением питания (2,1…9,0 В). Представляем собой однокристальный AM тракт с детектором и предварительным усилителем звуковой частоты (ПУЗЧ).

Микросхема состоит из регулируемого усилителя радиочастоты, двойного балансного смесителя, регулируемого усилителя ПЧ узлов системы АРУ, детектора AM сигнала, стабилизаторов режимных токов, цепи управления светодиодным индикатором настройки и отключаемого ПУЗЧ с дифференциальным входом. Функциональная схема микросхемы, расположение выводов и типовое включение представлены на рис. 7.32.



Рис. 7.32. Функциональная схема БИС К174ХА36


В предлагаемой самодельной конструкции (рис. 7.33) использованы следующие детали.



Рис. 7.33. Схема УКВ приёмника


Постоянные резисторы — МЛТ-0,125, переменные — типа СПЗ-З. Конденсаторы — КТ, КД-1 (С4), К50-16 или К50-35 (С11, С15-С18), КМ5, КМ6. Динамик типа 0,1ГД-70; переключатели SA1, SA3 типа ПД9-5. Вместо стабилитрона КС133В более предпочтительным является использование 2С130Д-1. При этом можно добиться значительного снижения потребляемого тока. Несколько худшие результаты получаются при установке стабилитрона КС133Г — ток потребления в этом случае возрастает. Телескопическая антенна самодельная. Изготавливают ее из шариковой ручки-указки, у которой предварительно удаляют самое толстое звено. Конечно, вполне приемлемо использование и готовой телескопической антенны подходящего размера.

Катушка L1 — бескаркасная. Ее наматывают на винт М3х20 проводом ПЭВ2-0,35. Всего здесь 57 витков (считая от точки). Последний затем аккуратно вывинчивается.

Внимание! Катушку изготовлять строго по приведенному описанию. Любые отклонения здесь могут привести к тому, что принимаемый диапазон сместится в нерабочую область. Настроить в таком случае приемник можно будет только с помощью ЧМ-генератора (например, Г4-116 или аналогичного ему типа). Вместо микросхемы К174ХА34 можно пользоваться микросхемой КХА060. При этом придется изменить разводку печатной платы. В крайнем случае подойдет и гибридная микросхема КХА058, которая представляет собой кристалл УКВ-приемника. Надо иметь в виду: микросхемы-заменители при напряжении питания менее 4,5 В работают хуже, чем К174ХА34. А посему может возникнуть необходимость увеличить напряжение питания хотя бы до 6 В. (Лучше — до 9 В, заменив 3 элемента АЗ16 одной батареей «Корунд».) Правда, при этом время непрерывной работы приемника от одного комплекта батарей заметно снизится. Поскольку максимальное Uпит вышеназванных микросхем не более 10 В, то их необходимо питать непосредственно от батарей, минуя стабилитрон VD2. Естественно, что при такой замене придется полностью переработать печатную плату. А возможно — и весь приемник. Самое главное заключается в том, что микросхема К174ХА34, работая в паре с низковольтным стереодекодером К174ХА35, позволяет осуществлять прием в режиме «стерео» (правда, только и системе CCIR). У других микросхем такой возможности не имеется. К сожалению, достать микросхему К174ХА35 сложно. Поэтому предлагается широкому кругу радиолюбителей упрощенный вариант приемника.

Перед началом наладки убедитесь, что в вашей местности возможен уверенный прием в обоих УКВ-диапазонах. Правильно собранный приемник из заведомо исправных деталей начинает работать сразу после включения. Желательно тут же проконтролировать ток покоя. Отклонение этого параметра более чем в 1,5 раза от того, что приведен в технических характеристиках, указывает на ошибки в монтаже или на неисправность элементов схемы. После включения приемника в динамике должен прослушиваться слабый шум, связанный с работой частотного детектора. Затем, подключив вольтметр к варикапу и плавно вращая ручку настройки, убедитесь, что напряжение на варикапе изменяется от 0,2 В до 3…3.5 В. Отключите вольтметр и осуществите настройку на УКВ-радиостанции. Если приемник принимает не все радиостанции, то, сжимая или растягивая витки катушки, сместите границы диапазона в нужную область. Указанную операцию необходимо проводить с двумя УКВ-приемниками, один из которых работает в верхнем диапазоне, а другой в нижнем. Причем начинать наладку надо с верхнего УКВ-диапазона. А затем, уже переключив приемник на нижний диапазон, повторять наладку, растягивая или разжимая при этом другую секцию катушки. Поскольку мощности у передатчиков, рассчитанных на диапазон 87,5—108 МГц, ниже, чем у тех, которые работают на 64–73 МГц, то для повышения дальности приема может возникнуть необходимость в увеличении длины антенны. Или потребуется даже наружная антенна, например, телевизионная. Для улучшения чувствительности приемника можно включить резистор сопротивлением 10 кОм между выводами 2 и 4 микросхемы К174ХА34 (резистор на схеме не указан). При этом, правда, будет отключена система бесшумной настройки приемника, но зато чувствительность возрастет примерно в 2 раза. Однако место для этого резистора на плате не предусмотрено, его придется припаять непосредственно к печатным проводникам.

Какие еще доработки целесообразно здесь выполнить? Во-первых, используя типовую схему включения микросхемы К174ХА10, можно изготовить всеволновый миниатюрный приемник с низковольтным питанием. Во-вторых, каждый из указанных выше вариантов самоделки легко устанавливается практически в любой магнитофон, превращая последний в магнитолу.

Назначение катушек индуктивности: L1 — преддетекторный контур, частота настройки которого 465 кГц; L2 — катушка связи; L3 — индуктивность фильтра ПЧ, частота настройки контура 465 кГц; L4 — катушка гетеродина, частота настройки зависит от принимаемого диапазона и отличается от него на величину fпр = 465 кГц; L5 — катушка связи; L6, L7 — трансформатор связи.

Вместо дефицитного и дорогостоящего пьезофильтра ФП1П-023 в схеме конкретной радиолюбительской конструкции можно установить конденсатор КМ емкостью С = 0,6–1,0 мкФ. При этом несколько ухудшится отношение сигнал/шум. Микросхема выполнена в пластмассовом 16-выводном корпусе типа 238.16—1, общий вид и габариты которого представлены на рис. 7.34.



Рис. 7.34. Общий вид и габариты БИС К174ХА36


7.4.12. Пробник для проверки годности операционных усилителей [35]

ОУ широко используются радиолюбителями в конструкциях различных радиотехнических устройств. Причем в условиях растущей дороговизны на радиоэлементы приходится порой применять микросхемы, которые уже использовались ранее в работе. Чтобы быть уверенным в пригодности такого ОУ, его следует проверить, например, с помощью пробника.

Принципиальная схема пробника показана на рис. 7.35.



Рис. 7.35. Схема пробника для проверки годности операционных усилителей


Тестируемый ОУ подключают к гнездам разъема X1 (в качестве примера показано подключение ОУ К140УД2). Такое включение образует релаксационный генератор, вырабатывающий прямоугольные импульсы (меандр) с частотой 1…2 Гц. Напряжение питания поступает на генератор с параметрического стабилизатора R1VD1. Если ОУ окажется годным, генератор начнет работать, а светодиод HL1 — вспыхивать в такт с частотой генерируемых импульсов. В случае, если проверяемый ОУ окажется неисправным, генератор работать не будет, а светодиод, в зависимости от причины неисправности усилителя, будет либо гореть непрерывно, либо вовсе не вспыхнет.

В пробнике можно применить, кроме указанных на схеме, транзисторы КТ312А-КТ312В, КТ315А, КТ315В-КТ315И, КТ503А-КТ503Е, диоды КД521А-КД521Г, КД103А, КД103С, стабилитрон Д814Г. Разъем X2 — монтажная панель для микросхем, тип корпуса которых 2103.16. Детали устройства размещают на печатной плате (рис. 7.36), выполненной из одностороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 11,5 мм.

Правильно собранный пробник не нуждается в наладке. С помощью пробника можно проверить практически все наиболее используемые в практике ОУ, кроме тех, выходное сопротивление которых сравнимо или превышает сопротивление резистора R7, например, микромощные ОУ К140УД12, К153УД4.



Рис. 7.36. Печатная плата пробника


7.4.13. Пробник для операционных усилителей [36]

В предлагаемом устройстве можно оперативно проверить работоспособность операционных усилителей (ОУ). Само устройство имеет всего шесть пассивных элементов (рис. 7.37) и при отключенной микросхеме совершенно не потребляет тока. Проверка происходит в режиме генерации звуковых колебаний. Подключение исправной микросхемы образует низкочастотный генератор прямоугольных импульсов с звуковым излучателем. В качестве последнего использованы головные телефоны с сопротивлением не менее 50 Ом. Делитель напряжения на резисторах R3 и R4 формирует напряжение на неинвертирующем входе, а на элементах R1 и С1 — линейно изменяющееся напряжение на инвертирующем входе. Генератор начинает работать как регенеративный компаратор напряжений при вполне определенном их соотношении на входах.



Рис. 7.37. Схема пробника для операционных усилителей


Конденсатор С1 заряжается через резистор R1 до тех пор, пока напряжение на нем не достигнет положительного значения, определяемого соотношением резисторов R3 и R4. Когда полярность напряжения на выходе микросхемы изменится на противоположную, конденсатор С1 начинает разряжаться через резистор R1 до тех пор, пока не станет отрицательным. В этот момент компаратор переключится, и процесс повторяется. Резистор R2 ограничивает ток через звуковой излучатель при неисправном ОУ. Питание устройства производят от двух батарей с напряжением 9 В.

Некоторые современные ОУ могут работать с минимальным напряжением ± 1,53 В, но они, как правило, допускают работу и с напряжением ±9 В. Именно в таком режиме и проверяются эти ОУ в данном пробнике. Однако, если важна проверка работы микросхемы при пониженном напряжении питания, то необходимо будет предусмотреть включение такого источника тока или создать блок питания с различными значениями выходных напряжений. В настоящее время ОУ выпускают с различными конструкциями корпусов (пластмассовые прямоугольные, металлостеклянные, цилиндрические), числом и расположением выводов. Чтобы устройство пробника стало более универсальным, целесообразно на передней панели расположить несколько панелей включения соответственно тем микросхемам, которые радиолюбитель предполагает проверять. И учтите, что некоторые ОУ даже при одинаковой конструкции корпуса могут иметь отличающуюся нумерацию функционально однозначных выводов, — это потребует применения нескольких панелей включения с обязательным указанием возле них типономинала проверяемой микросхемы. Все панели электрически могут быть соединены параллельно соответствующими контактами.


7.4.14. Логический ТТЛ-пробник [16]

Предлагается описание конструкции несложного пробника, определяющего четыре статических состояния цифрового устройства. Наличие встроенного генератора расширяет его функциональные возможности.

Логический пробник — неотъемлемая часть лаборатории специалиста по цифровой технике. Во многих случаях пользоваться им удобнее, чем вольтметром или даже осциллографом. Пробник не даст избыточной информации, малые размеры и удобное расположение индикаторов уменьшают вероятность промаха при подключении щупа прибора к различным точкам проверяемого устройства. Пробник способен зафиксировать одиночный импульс, что с помощью другой универсальной аппаратуры сделать почти невозможно.

Обычно пробники позволяют определять два статических состояния выходов логических микросхем — «0» (0…0,4 В) или «1» (2,4…5 В) и наличие импульсов. Некоторые пробники способны выделять промежуточный уровень напряжения 0,4…2,4 В и постоянно индицируют его как неопределенный или используют для гашения индикации основных логических уровней.

В отличие от известных, предлагаемый пробник, схема которого приведена на рис. 7.38, выделяет четыре статических состояния исследуемой цепи: обрыв, низкий уровень (лог. 0), свободный (неприсоединенный) вход и высокий уровень (лог. 1). С помощью такого устройства можно также фиксировать одиночные импульсы и импульсные последовательности, оценивать скважность и крутизну фронтов импульсов, а также благодаря наличию встроенного генератора проводить проверку работы триггеров, счетчиков, последовательных и параллельных регистров. Для этого не потребуются какие-либо дополнительные приборы.



Рис. 7.38. Схема логического ТТЛ-пробника


Выделение логических уровней проводится входными транзисторами VT1—VT3. При подаче на вход устройства напряжения лог. 0 открывается транзистор VT1, на выходе элемента DD2.2 устанавливается низкий уровень и загорается светодиод HL1 («0»).

Для определения состояния обрыва цепи и гашения логических индикаторов используется зона входных напряжений, где появление сигнала при проверке исправных микросхем наименее вероятно: 0,6…1,0 В. Если щуп пробника никуда не присоединен, что соответствует состоянию «обрыв цепи», входное напряжение составляет около 0,7 В, все транзисторы закрыты, все индикаторы статических состояний погашены.

Если входное напряжение превысит уровень 1,0 В, откроется транзистор VT2 и включится индикатор промежуточного состояния HL4 («0»). Это позволяет надежно фиксировать свободный вход ТТЛ-микросхемы, напряжение на котором составляет около 1,5 В. Как только напряжение в исследуемой цепи достигнет уровня 2,4 В, открываются диоды VD3—VD5 и транзистор VT3, на выходе элемента DD1.3 устанавливается низкий логический уровень, меняет свое состояние элемент DD1.4, гаснет светодиод HL4 и загорается светодиод HL5 («1»).

Наличие защитной входной цепи, состоящей из резистора R1 и диодов VD1, VD2, позволяет без ущерба для пробника контролировать состояние выходов микросхем с открытым коллектором, нагрузка которых питается напряжением до 24 В, или состояние выхода операционных усилителей, если они используются в качестве преобразователей входных сигналов для цифровых микросхем.

Положительные стороны данного схемного решения: нет отвлекающей индикации при фактически отключенном входе пробника, возможность более полно оценить состояние исследуемой микросхемы, а также отсутствие необходимости настройки входных цепей (так как выделение уровней переключения в основном связано с материалом кристаллов, характеристиками транзисторов VT1—VT3 и диодов VD3—VD5, имеющими малый разброс).

К недостаткам устройства можно отнести уровень фиксируемого лог. 0, несколько не соответствующий техническим условиям.

Существует и вероятность принять перегруженный выход или «притянутый» через резистор к обшей шине вход микросхемы за обрыв цепи, если напряжения на них попадут в интервал 0,6…1,0 В. Но даже при такой ошибке индикация обрыва при подключении входа пробника к выводу работающей микросхемы должна насторожить и заставить проверить состояние подозрительной цепи другими средствами, например вольтметром или осциллографом.

Пробник способен фиксировать как одиночные импульсы, так и непрерывные серии импульсов. Традиционно для фиксации одиночного импульса используется RS-триггер, на один вход которого подается исследуемый сигнал, а на другой — импульс сброса. Серии импульсов обычно фиксируют с помощью одновибратора, запускаемого по фронту или спаду сигнала и растягивающего входной импульс для облегчения визуального восприятия индикации.

В предлагаемом устройстве применено другое решение. При превышении входным напряжением уровня 1,0 В открывается транзистор VT2, а сигнал на выходе элемента DD1.1 переходит из состояния лог. 0 в состояние лог. 1. Это приводит к изменению состояния выходов триггера DD3.1, включенного в счетном режиме. К прямому и инверсному выходам триггера DD3.1 подключены светодиоды HL2, HL3. Один из них постоянно светится, индицируя подключение пробника к цепям питания. При приходе одиночного импульса этот светодиод гаснет и загорается другой. Серия импульсов на входе пробника заставляет светодиоды поочередно мигать.

Достоинства такого устройства — простота и универсальность. Нет нужды в отдельной кнопке и операции сброса RS-триггера фиксации одиночного импульса. Кроме того, отпадает необходимость в отдельном индикаторе включения питания. Правда, имеются и недостатки. Самый существенный из них — невозможность выделить приход последовательности коротких импульсов, если их число четно. Глаз не в состоянии зафиксировать быструю смену состояния индикаторов, а их статическое состояние до и после прихода четного числа импульсов одинаково.

Существенно расширяет функциональные возможности пробника встроенный генератор импульсов. Он собран на элементах DD2.3, DD2.4. На триггере DD3.2, включенном в счетном режиме, выполнен формирователь импульсов, обеспечивающий на своих выходах меандр с крутыми фронтами и частотой около 150 Гц.

Диод VD6 защищает микросхемы пробника от ошибочной полярности при подключении питания, а конденсатор C1 снижает уровень высокочастотных помех.

Конструктивно пробник выполнен на двусторонней печатной плате. В качестве разъемов X1—Х3 можно использовать одиночные гнезда от разъемов типа 2РМ или подобных. Щуп изготовлен из ручной швейной иглы подходящего диаметра с удаленным ушком и подогнанным по размеру разъема X1 хвостовиком. Подгонку хвостовика выполняют с помощью мелкозернистого шлифовального камня или шлифовальной бумаги. Для удобства пользования на иглу одевается отрезок поливинилхлоридной изоляции от провода подходящего диаметра. Использование в качестве щупа иглы позволяет легко прокалывать лаковое покрытие при проверке плат промышленного назначения, а наличие разъема X1 — быстро заменять щуп на клипсу и освобождать руки при сохранении контроля над выбранной точкой проверяемой схемы. К корпусу пробника никаких специфических требований не предъявляется: он может быть изготовлен из подходящего по размеру футляра (для зубной щетки или авторучки). Разъемный корпус позволит хранить в нем щуп-иглу.

Схемное решение пробника разрабатывалось с учетом использования минимального количества деталей и максимальной простоты печатной платы при сохранении всех функциональных возможностей. Если при этом нет каких-либо ограничений, для повышения устойчивости работы устройства рекомендуется объединить свободные входы микросхемы DD3 и через резистор 1…2 кОм соединить их с линией питания.

В некоторых случаях при использовании вместо короткого щупа клипсы с проводом длиной более 10…15 см может наблюдаться склонность к возбуждению элемента DD2.1. Устраняют ее установкой резистора сопротивлением около 5 кОм между входами элемента и линией питания. То же полезно сделать и для входов элементов DD1.1 и DD1.2.

Если при повторении пробника будут использованы микросхемы TTЛ-серий с малым потреблением мощности, для нормальной работы встроенного генератора может потребоваться увеличение сопротивления резисторов R8, R9.

Теперь коротко о приемах работы с пробником. Допустим, цоколевка и функции проверяемой логической ТТЛ-микросхемы не известны. В этом случае поступают следующим образом. Подав на микросхему питание (для логических микросхем практически всегда +5 В подают на вывод с максимальным номером, а с общим проводом соединяют вывод с вдвое меньшим номером), с помощью пробника сразу отделите свободные входы от выходов. Если выходы будут в состоянии лог. 0 — это, скорее всего, микросхема с базовой функцией «И-НЕ», если лог. 1, то «ИЛИ-НЕ».

Для простых микросхем не трудно установить принадлежность входов и выходов каждому элементу. Подключив вход пробника к определенному выходу исследуемой микросхемы, подавайте сигнал от встроенного генератора на входы, фиксируя прохождение серии импульсов по одновременному свечению светодиодов HL2, HL3, Если при этом одинаково ярко светятся светодиоды «0» и «1», то у проверяемой микросхемы классический выходной каскад, а когда светится только «0» — открытый коллектор. При более сложной логической функции микросхемы можно восстановить ее таблицу истинности, но для этого придется затратить больше труда на коммутацию входов.

Полная проверка работоспособности D-триггеров, например распространенных ТМ2, проводится так: сигнал с выхода встроенного генератора подают на вход С триггера. Замыкая на общую шину вход D, проследите за изменениями сигналов на прямом и обратном выходах. На прямом выходе он должен совпадать с сигналом на входе D, на обратном — быть ему инверсным. Следующий шаг — проверка работы установочных входов триггера. Подключите установочные входы к разным выходам встроенного генератора.

При нормальном функционировании микросхемы на обоих выходах триггера будет наблюдаться прохождение последовательности импульсов. При отключении одного из установочных входов выходы триггера должны принять статическое состояние, соответствующее оставшемуся подключенным к генератору входу установки.

Аналогичным образом проверяется работа параллельных регистров и регистров сдвига. Сигнал с генератора подается на вход С, а затем меняется состояние входов данных микросхемы с одновременной регистрацией изменения состояния ее выходов. Для проверки работоспособности счетчиков сигнал с выхода генератора подают на счетный вход, контролируя его прохождение на выходах. В некоторых случаях, если переключение светодиодов HL2, HL3 становится заметно на глаз, удается проверить правильность работы каскадов многоразрядных счетчиков.

При проверке работы генераторов, собранных на цифровых микросхемах, с помощью предлагаемого пробника можно оценить крутизну фронтов и скважность сигнала. Скважность сигнала определяют, сравнивая яркость свечения индикаторов «0» и «1», крутизну — по интенсивности свечения индикатора «“». Чем яркость меньше, тем крутизна больше. Удостовериться в этом можно, анализируя сигналы в разных точках встроенного генератора. На входе элемента DD2.3 напряжение имеет форму треугольных импульсов с крутым фронтом и почти линейным спадом. При подключении входа пробника к этой точке индикаторы «0», «1» и «=» будут светиться практически с одинаковой интенсивностью. На выходе элемента DD2.4 импульсы имеют заметное время нарастания, и яркость свечения индикатора «=» здесь меньше. При подсоединении входа пробника к любому из выходов триггера DD3.2 индикатор «—» гаснет совсем, а индикаторы «0» и «1» светятся с одинаковой интенсивностью.


7.5. ПОЛЕЗНЫЕ СОВЕТЫ

7.5.1. Подключение динамической головки к элементам ТТЛ [18]

В последнее время для звуковой сигнализации в логических схемах используются чаще всего пьезоизлучатели. Однако они не всегда имеются под рукой, а в то же время у многих валяются в ящиках среди разного хлама небольшие динамики от карманных приемников или же «целые куски» от неисправных наушников «Walk-man» — их можно использовать!

На рис. 7.39 приведена двухтактная схема подключения динамической головки, которая, несмотря на свою простоту, обеспечивает достаточно большую силу звука. В ней лучше всего использовать микросхему, содержащую в корпусе инвертирующие элементы (И-НЕ, ИЛИ-НЕ). Сигнал звуковой частоты можно получить от простейшего генератора прямоугольных импульсов.



Рис. 7.39. Схема подключения динамической головки к элементам ТТЛ


7.5.2. В заключение несколько практических советов по изготовлению самодельных печатных плат

1. Нанесение рисунка контактных площадок для выводов микросхемы в корпусах 401.14-3 или 401.14-4 (например, серий 133 или 134) является трудоемкой операцией. Значительно облегчит эту работу приспособление, которое легко изготовить из корпуса вышедшей из строя микросхемы соответствующей серии. К корпусу припаивают ручку из отрезка медной проволоки, а выводы микросхемы формуют, как для монтажа на плате. Если теперь выводы окунать в лак и приложить к фольгированной стороне заготовки платы, можно получить оттиск, соответствующий расположению выводов. Таким образом можно легко и быстро «отпечатать» на заготовке платы необходимое число контактных площадок под выводы микросхемы. Разводку выводов на плате выполняют как обычно — рейсфедером или пером.

2. В качестве защитного слоя при травлении печатной платы можно использовать полихлорвиниловую изоляционную ленту. Кусок ленты 10–12 см накладывают липкой стороной на чистое органическое стекло, скальпелем по линейке отрезают полоски требуемой ширины, а затем переносят их пинцетом на подготовленную пластину фольгированного материала и приклеивают в соответствии с рисунком платы.

3. Удобный скребок для ретуширования нанесенного тушью или нитрокраской рисунка печатной платы получится, если в зажим цангового карандаша вставить кусочек лезвия безопасной бритвы. Если необходимо работать прогнутым лезвием, надо выбрать цангу с нечетным числом губок.

4. Если при разработке рисунка печатной платы трудно обойтись без пересечения проводников, то один из проводников разрывают, а на концах разрыва предусматривают контактные площадки с отверстиями в плате. После изготовления печатной платы в отверстия контактных площадок впаивают проволочную перемычку.

5. Травление печатных плат в домашних условиях можно производить в полиэтиленовом пакете. Для этого помещают плату в пакет и заливают раствором хлорного железа. Края платы закругляют, чтобы их острыми углами не повредить пакет. Покачивая в процессе травления, перемешивают раствор. Если необходимо травить при повышенной температуре раствора, пакет помещают в сосуд с горячей водой, удерживая за края.

6. Очистить кювету, в которой многократно проводилось травление, можно с помощью электролита из щелочных аккумуляторов: кювету на несколько часов заливают раствором, после чего промывают в проточной воде.


7.6. ЗАДАЧИ

1. Логический элемент ИЛИ можно преобразовать для выполнения логической функции И-НЕ, если к его входам добавить…

2. Добавляя инверторы ко входам логических элементов И, можно реализовать логическую функцию…

3. Добавляя инверторы ко всем входам и выходу логического элемента И, можно реализовать логическую функцию…

4. Составьте логические схемы с использованием логических элементов И, ИЛИ и НЕ для следующих булевых выражений:

а) А‾∙В∙В‾ + А∙В = Y;

б) A‾∙C‾ + A∙B∙C = Y.

5. Используя логические элементы И, ИЛИ и НЕ, составьте логические схемы для следующих булевых выражений:

а) (А + В)∙(А‾ + В‾) = Y;

б) (А‾ + В)∙С‾ = Y.

Глава 8 Автогенераторы

Автогенераторами называют электронные цепи, формирующие напряжение (ток) требуемой формы. В данной главе рассмотрены автогенераторы гармонических (синусоидальных) и прямоугольных колебаний.


8.1. УСЛОВИЯ САМОВОЗБУЖДЕНИЯ АВТОГЕНЕРАТОРОВ

На рис. 8.1 приведена структурная схема автогенератора, которая состоит из усилителя с коэффициентом усиления К и звена положительной обратной связи с коэффициентом обратной связи b. В качестве усилителя в автогенераторах могут применяться различные усилители: на транзисторах, интегральных микросхемах и др.



Рис. 8.1. Структурная схема автогенератора


Звеном обратной связи являются частотно-зависимые цепи: RL-контуры и RC-четырехполюсники.

Если считать, что напряжения uвх и uвых близки к синусоидальным, то стационарный устойчивый режим в автогенераторе, при котором амплитуды Um.max и Um.min имеют неизменные значения, будет возможен только при выполнении условия, называемого условием самовозбуждения:

Kβ = 1; (8.1)

φ + ψ = 0; 2π (8.2)

где К и β — модули коэффициентов усиления и передачи соответственно усилителя и звена обратной связи, а φ и ψ — сдвиг фаз между выходными и входными напряжениями усилителя и звена обратной связи.

Равенство (8.1) называется условием баланса амплитуд, а равенство (8.2) — условием баланса фаз. Условие баланса фаз означает, что в стационарном режиме сумма фазовых сдвигов выходных напряжений усилителя и звена обратной связи в автогенераторе равна нулю или целому числу 2π, что свидетельствует о наличии в рассматриваемом устройстве положительной обратной связи.

Условие баланса амплитуд соответствует тому, что потери энергии в автогенераторе восполняются звеном положительной обратной связи от источника питания автогенератора. Для получения стационарных устойчивых колебаний в автогенераторе условие (8.1) должно удовлетворять соотношению

Kβ >= 1; (8.3)

Процесс возникновения колебаний в автогенераторе рассмотрим на примере генератора синусоидальных колебаний, схема которого изображена на рис. 8.2, а. В этом автогенераторе усилитель собран на полевом транзисторе и включен по схеме с общим истоком. Звеном обратной связи является катушка Lc, включенная и стоковую цепь транзистора и индуктивно связанная с катушкой Lk резонансного контура LkСк. Первоначально колебания в автогенераторе возникают и