Химические источники тока

Сколько ХИТу лет?

Поиск ответа на этот вопрос, как это ни странно, переносит нас в Иракский музей, находящийся в Багдаде. Там, по крайней мере до недавнего американского вторжения, можно было увидеть небольшой (около 18 см высотой) незамысловатый глиняный кувшин овальной формы, найденный в древнем захоронении в окрестности Багдада. Содержимое кувшина вызвало в свое время (1936 г.) большой переполох в мире археологов и привлекло внимание физиков. Уолтер Уинстон (физик-консультант Британского музея), увидевший внутри кувшина медную трубу с одним закрытым концом, железный прут в ней и кусочки осыпавшегося битума, воскликнул: «Добавьте немного кислоты или даже уксуса в медный сосуд, и вы получите простой элемент, генерирующий электрический ток». Для того чтобы убедиться, что этот «хит» того сезона и вправду ХИТ, Уинстону недоставало еще кувшинов вокруг и проводов, соединяющих их в батарею. Не помешало бы обнаружить рядом и какие-либо другие изделия, подтверждающие электротехническое назначение сосуда. Позже подобные и не одиночные кувшины были обнаружены в парфянском городе Ктесинофоне, недалеко от Багдада. Однако проводов и тут не оказалось, а жаль!

Загадочный кувшин, названный «багдадской батарейкой», по мнению одних исследователей использовался вавилонскими врачами для местной анестезии (при отсутствии под руками обычно применяемого ими электрического ската), а по мнению других — для гальванизации металлов. Последнее применение косвенно подтверждается тем, что примитивные методы гальванического покрытия серебром медных ювелирных изделий до сих пор используются местными умельцами. Наследована ли эта «технология» со времен Парфянского царства или нет, в настоящее время может быть, на наш взгляд, проверено путем детального металлографического анализа структуры покрытий изделий, датируемых от 250 г. до н. э. — 250 г. н. э. Возможно в будущем, может быть удастся подтвердить и электрофизиологические использования «багдадской батарейки» путем расшифровки надписей и рисунков на древних табличках (если таковые еще уцелели).

Все же для обеих версий явно маловато напряжение на одном кувшине и их надо бы соединить последовательно, а проводов-то нет! Рискнем, в шутку (в которой, как известно, всегда есть доля истины) предложить, для раздумий читателей, еще несколько (может быть и не слишком-то оригинальных) гипотез применения этого загадочного кувшина.

Одиночный кувшин, в который заливалось вино, служил для гурманов особым яством: при питье непосредственно из него они испытывали дополнительное раздражение вкусовых нервов во рту слабым электрическим током (убедитесь в этом, лизнув небольшую батарейку). По крайней мере, как размеры сосуда, так и его возможное действие этому не противоречат.

Другой возможный вариант использования заправленного вином или уксусом, в который оно рано или поздно превращалось, одиночного кувшина это своеобразная электрохимическая обработка водных растворов. В последнем случае этот небольшой кувшин необходимо было «с головой» погрузить в жидкость, находящуюся в большем сосуде, которая просто замыкала на себя торчащие из горловины электроды. Наконец еще одно предположение будет представлено ниже, в связи с описанием демонстрационных опытов знаменитого Алессандро Вольта.

Спор Гальвани и Вольта

Научная дата рождения ХИТ относится все же не ко временам Парфянского царства двухтысячелетней давности, а к периоду с конца XVIII начала XIX веков н. э. ХИТ был рожден в результате спора двух знаменитых итальянских ученых прошлого: Луиджи Гальвани и Алессандро Вольта.

Гальвани, будучи заведующим кафедрой практической анатомии Болонского университета, в 1786 г. проводил серию опытов по изучению «спокойного» (т. е. в отсутствие грозы) атмосферного электричества на мышцы лягушки. Подвешивая на медном крючке свежепрепарированную лапку лягушки на железной решетке своего балкона, он долго ожидал ее реакции, но лапка не сокращалась ни при какой погоде. И вдруг, в одном из опытов, 26 сентября, лапка резко сократилась. Гальвани, со свойственной ему наблюдательностью экспериментатора, отметил, что причиной сокращения лапки послужило ее касание свисающим концом о балконную решетку, а отнюдь не атмосферные явления (хотя, как знать, может быть, вначале лапку все-таки качнул ветерок, приведя ее в решающее соприкосновение с решеткой).

Гальвани тут же принялся перепроверять полученный результат, поскольку отлично знал, что только строго контролируемые и воспроизводимые результаты могут иметь научную ценность.

Опыты были многократно повторены и на балконе, и на лабораторном столе в помещении. И всегда, как только образовывалась замкнутая цепь (которую мы бы сейчас назвали гальванической), состоящая из железа, меди (или других разнородных металлов) и лапки с нервом, лапка сокращалась. Гальвани стоял перед дилеммой поиска источника электричества: металлы или сама лапка лягушки. Он выбрал второе, более близкое ему по духу как медику, ошибочно истолковав результаты своего знаменитого «балконного опыта», но прозорливо предвосхитив существование биоэлектричества.

Алессандро Вольта, профессор физики университета в Павии и член Лондонского Королевского общества, в 1792 г. принялся тщательно изучать опубликованный Гальвани «Трактат о силах электричества при мышечном движении». Ставя, в отличие от Гальвани, количественные опыты с использованием электрометра собственной конструкции и значительно варьируя условия экспериментов, он приходит к выводу об отсутствии «животного электричества».

Источником электричества Вольта как физик провозгласил контакт разнородных металлов, считая, что лапка в «балконном опыте» Гальвани была всего лишь чувствительным электрометром. Этим он, как бы перечеркивает открытие Гальвани, но одновременно «на его костях», а точнее, лягушачьих лапках, делает новое, свое.

Чтобы продемонстрировать действие найденного источника электричества, Вольта берет две соединенные одними концами проволочки из олова и серебра и другими концами касается языка на кончике и чуть подальше. Когда кончика языка касаются серебром, то ощущается щелочной вкус, когда оловом — кислотный.

Вольта тут же интерпретирует это как изменение знака заряда с «плюса» на «минус» подводимого от пары металлов к кончику языка, являющегося неизменным индикатором. Поскольку все же электричество проходит через язык и вызывает разные реакции, то он задумывается над вопросом: не связана ли работа и других органов с электричеством, словно возвращаясь к «животному электричеству» Гальвани, но этот вопрос для него остается риторическим.

Для более эффектной демонстрации проявлений электричества Вольта устраивал настоящее шоу. Четыре человека образовывали друг с другом цепь так, что первый касался пальцем кончика языка соседа, следующий мокрым пальцем — глазного яблока своего другого соседа, двое остальных держались мокрыми пальцами один за спинку, а другой за лапку свежепрепарированной лягушки. Кроме этого, первый держал в другой мокрой руке цинковую, а последний — серебряную пластинку. После того как пластинки приводились в соприкосновение, у человека, кончика языка которого касались пальцем, возникало ощущение кислого вкуса, в глазу того, которого касались мокрым пальцем, возникало ощущение вспышки света и тут же сокращались лягушачьи лапки.

Эти опыты, проводимые с людьми-проводниками, позволяют предположить, что подобные «игры» могли происходить и в окрестностях Багдада 2000 лет тому назад: в «живую цепь» могла включаться описанная выше «багдадская батарейка» и не обязательно одна.

Несмотря на ясность сегодня многих проблем, связанных с природой электричества и его взаимодействием с живыми организмами, и в наши дни можно столкнуться с фактами явной профанации, рассчитанной разве что на полных невежд. Особенно это заметно по распространению «чудодейственных» электронных приборов для врачевания «от всего и вся».

Однако эта область использования электричества требует специального обсуждения, поэтому ограничимся простыми примерами. Талантами в области биоэлектричества журналисты в основном наделяют женщин.

В статье с безграмотным заголовком «Поцелуй напряжением в миллион киловатт», путая киловатты с киловольтами, рассказывалось о многих подобных «героинях». Одна из них без каких бы то ни было усилий пережигала любую электробытовую технику, попадавшую ей в руки и не включенную в сеть. А уж ее объятьям и поцелуям, которыми она одаривала мужа, позавидовал бы сам маркиз де Сад.

Летом 2003 г. в зарубежной прессе появилось сообщение о том, что в персинг на языке молодой девушки, отдыхавшей на о. Корфу, ударила молния (!), и она быстро пришла в себя. После этого друзья «пострадавшей» подшучивали над ней: «Она основательно подзарядила свой аккумулятор во время отпуска».

Интересная мысль… Жаль, что Э. Распэ, красочно описавший приключения знаменитого барона Мюнхгаузена, очевидно, не был знаком с электричеством, а то мы бы наверняка сейчас потешались над рассказом о том, как барон, восседая на туче во время летней грозы, визжал от удовольствия, полизывая сверкающие вокруг него молнии. Особое удовольствие ему доставляли те из них, которые влетали прямо в рот на его вытянутый язык. В гастрономических изысках барон тогда далеко бы превзошел французских гурманов: в конце обеда его гостям подавали бы в специальных вазочках замороженные шаровые молнии.

Рецепт приготовления этого фантастического блюда исчез вместе с загадочным бароном, и бедные физики до сих пор не могут его восстановить.

Вернемся, однако, к спору ученых XVIII в.

После ошеломительной критики со стороны Вольта, Гальвани ставит опыты, используя только один металл для замыкания цепи. На это Вольта замечает, что все равно условия на концах этого металла разные, так как там имеются различные части лапки лягушки, две части меди могут иметь разные примеси, может различаться температура этих концов и т. д.

В своей критике Вольта зашел слишком далеко, не заметив, что в новой серии опытов Гальвани все же имел дело именно с «животным электричеством». Однако реабилитация Гальвани, которого теперь по праву считают основателем электробиологии, последовала с запозданием на 100 лет после его исторического «балконного опыта». Вольта же на основе истолкования этого опыта и последующих экспериментов изобрел свой знаменитый «Вольтов столб», называемый до сих пор гальванической батареей. Вот уж поистине «невообразимы судьбы человеческие».

Современные ХИТ со всех сторон и изнутри

Пора в магазин или на поток за покупками…

Хотим купить «Крону», нам предлагают батарею на 9 V, на которой написано: 0 % Mercury, 0 % Cadmium, Jan 2000 (use before), MadeinE.U.

Р.Г. Варламов . Современные источники питания

Сотни миллионов разнообразных ХИТ с самыми различными характеристиками, фирменных и «левых» ежегодно обрушиваются на покупателя. Как не потонуть в этом море обозначений и красочных (но далеко не всегда достоверных) сведений? Проблема выбора здесь очень остра: цены отличаются в несколько раз, а при неверном выборе в лучшем случае устройство не заработает как надо, в худшем — может быть испорчено. За подробной информацией надо обратиться к справочникам или специалистам по конкретным устройствам. Здесь мы приведем лишь некоторые общие сведения.

Сосредоточимся на герметичных ХИТ для портативной аппаратуры, не рассматривая проточные топливные элементы и силовые источники большой мощности. Характеристики ХИТ и применяемую терминологию по возможности упростим до пользовательского уровня.

В простейшем случае ХИТ представляет собой два электрода различной природы, ионная проводимость между которыми обеспечивается электролитом, жидким или твердым. Один из электродов содержит окислитель, а другой — восстановитель. На отрицательном электроде при работе ХИТ восстановитель окисляется, и свободные электроны по внешней цепи переходят к положительному электроду, где участвуют в реакции восстановления окислителя.

Напомним, что за положительное (расчетное) направление тока во внешней цепи принимают движение условного положительного заряда. Этот заряд будет двигаться противоположно электронному току, т. е. от плюса к минусу во внешней цепи источника при его разрядке (работе).

Наиболее простыми и дешевыми являются первичные источники тока как бы однократного действия, в которых при работе (прерывистой или непрерывной) протекают необратимые (или частично обратимые) окислительно-восстановительные реакции. Эти источники — гальванические элементы, после исчерпания токообразующих реагентов подлежат замене. По поводу этих источников радиолюбители шутят: «Купил. Поставил. Поработал. Сели — выбрасывай и беги за новыми».

В гальванических элементах используют следующие электрохимические системы, аббревиатуры (или химические символы) которых используются при маркировке: Л (Li) — литиевые; МЦ (MnZn) — марганцево-цинковые; РЦ (HgZn) — ртутно-цинковые; СЦ (AgZn) — серябрено-цинковые.

Некоторые из гальванических элементов допускают относительно небольшое число циклов перезаряда. Примером могут служить алкалиновые (от англ. alkaline — щелочной) элементы. Их можно подзарядить, если корпус не имеет механических дефектов (выделяется газ!) и емкость снизилась не более чем наполовину.

Более сложными являются вторичные источники, которые создаются с обратимо работающими электродами. Это перезаряжаемые ХИТ, или аккумуляторы. Они допускают до тысячи циклов перезаряда (от дополнительного источника постоянного тока), восстанавливающих их работоспособность. В аккумуляторах используют следующие электрохимические системы: никель-кадмиевые (NiCd) и никель-металлогидридные (NiMH); свинцово-кислотные (Sealed Lead Acid, SLA); литий-ионные (Li-Ion) и литий-полимерные (Li-Polimer).

Основными электрическими характеристиками ХИТ являются: напряжение на его зажимах, внутреннее (омическое) сопротивление и емкость. Напряжение на зажимах ХИТ зависит от типа и состояния его электрохимической системы и характера нагрузки.

При холостом ходе (разомкнутый источник) напряжение на нем равно его электродвижущей сипе (ЭДС); последняя характеризует работу, производимую химическими реакциями по разделению зарядов на электродах.

Внутреннее сопротивление характеризует потери в самом источнике при его работе. Емкость ХИТ — количество электричества (заряд) в ампер-часах (А·ч) или миллиампер-часах (мА·ч), которое отдается при его разряде до заданного напряжения. Обратите внимание на то, что размерность «емкости ХИТ» кулон, а не кулон/Вольт = Фарад, как у «электрической емкости конденсатора», ибо это разные физические понятия.

Соединяя отдельные гальванические или аккумуляторные элементы в группы, последовательно для увеличения напряжения, параллельно для увеличения тока или смешанным образом, образуют соответствующие батареи. На радиожаргоне или в быту зачастую любой ХИТ называют просто батарейкой.

Конструктивно, гальванические элементы и аккумуляторы выпускают в трех видах исполнения: дисковые (так называемые «пуговичные» или «кнопочные»), цилиндрические («пальчиковые» или «стаканчиковые») и призматические («галетные», и т. п.). Корпуса батарей из них, как правило, имеют вид параллелепипеда, зачастую со скругленными гранями, например плоские батареи (рис. 1, а).

На УГО (условно-графических обозначениях) ХИТ, как правило, показывают полярность выводов (см. рис. 1, б, в). На конкретных схемах в программе EWB указывают рядом с ним позиционное обозначение компонента и величину ЭДС, например Е1 = 9 В (см. рис. 1, г).

Рис. 1. Химические источники тока:

а — внешний вид; б , в — УГО на принципиальных схемах; г — модельный компонент EWB

Общие сравнительные характеристики ХИТ таковы.

Солевые МЦ элементы наиболее дешевы, но их энергетические характеристики сильно зависят от скорости разряда, а напряжение существенно меняется за время разряда; срок их годности не превышает 5 лет с момента выпуска.

Щелочные МЦ элементы более стабильны и работоспособны; срок их сохранности (не работы) доходит до 10 лет.

Литиевые элементы имеют еще более высокие показатели по всем перечисленным параметрам.

Щелочные аккумуляторы в отличие от щелочных элементов обладают большей стабильностью рабочего напряжения. «Перезарядка» этих аккумуляторов может быть проведена за время от 16 ч до 1 ч (а для некоторых за 15 мин.). При хранении в разряженном состоянии они длительное время не теряют работоспособности: никель-металлогидридные — до 1 года, а никель-кадмиевые аккумуляторы (НКА) — до 10 лет. Последние пользуются большой популярностью у любителей портативных радиостанций, так как они переносят «ударные» нагрузки при работе в режиме передатчика. Радиолюбители ласково прозывают их «НКАшками». К основным недостаткам НКА относится «эффект памяти», заключающийся в уменьшении его полезной емкости при неполной разрядке. НКА необходимо периодически полностью разряжать.

Никель-металлогидридные аккумуляторы имеют более высокую емкость и значительно меньший «эффект памяти».

Свинцово-кислотные аккумуляторы имеют более высокое напряжение, чем щелочные, и выпускаются, как правило, в виде батарей из 3 или 6 аккумуляторов, соединенных последовательно и соответственно с напряжением 6 и 12 В. Примером могут служить стартерные батареи для мотоциклов и автомобилей. Жизнь автолюбителей, особенно в зимний период, во многом разнообразится капризами этих батарей, особенно при неряшливой эксплуатации. Эти батареи нашли применение также в источниках бесперебойного питания, системах охраны и сигнализации.

Литий-ионные аккумуляторы имеют самое высокое напряжение среди других ХИТ и наилучшие удельные характеристики. Однако они и дороже, так как обязательно (из-за возможного воспламенения электролита) оснащаются дополнительно устройствами защиты по току и напряжению от перезаряда. Этого недостатка лишены литий-полимерные аккумуляторы, но они имеют повышенное внутреннее сопротивление.

В последние годы появились компоненты, которые являются как бы гибридом ХИТ и конденсатора — ионисторы, они будут рассмотрены далее наряду с другими конденсаторами.

Перспективными являются также так называемые топливные элементы, в которых благодаря каталитической химической реакции генерируется электрическая энергия. Эти элементы для зарядки необходимо доливать, например, метанолом (метиловым спиртом), хотя исследователи с успехом угощали их этанолом, водкой и даже джином…

 

Резисторы и конденсаторы

Резисторы

Слово «резистор» происходит от английского Resistor, которое в свою очередь заимствовано из латыни: Resistere означает сопротивляться. Однако слова «резистор» и «сопротивление» не являются терминологическими синонимами в электронике, так как термин «резистор» определяет тип компонента, тогда как термин «сопротивление» характеризует только его значение как физической величины, измеряемой в омах. Так что во фразе: «используется резистор сопротивлением 1 Ом» тавтология отсутствует, и это отнюдь не «масло масляное».

О «сопротивлении» чашки чая

С понятием сопротивления вообще каким-то действиям и процессам вначале столкнулись в классической механике. Примечательна в этом смысле дискуссия между известными английскими физиками XIX в. Томсоном и Тэтом, с одной стороны, и Максвеллом, с другой.

В своем физическом трактате Томсон и Тэт утверждали, что «материя имеет врожденную способность сопротивляться внешним воздействиям…» На что Максвелл отреагировал так: «Действительно ли материя имеет какую-нибудь, будь то врожденную или благоприобретенную, способность сопротивляться внешним воздействиям? Разве всякая сила, действующая на тело, не производит то изменение в движении тела, которым определяется значение силы, как таковой? Следует ли обвинять чашку чая в обладании врожденной способностью сопротивляться подслащивающему влиянию сахара потому, что она упорно отказывается сделаться сладкой, если сахар действительно в нее не положен?». Казалось бы «инцидент исперчен», как говорил Маяковский, а точнее, для данного случая, засахарен. Однако известный советский ученый в области радиотехники, теории связи и передачи информации академик А. А. Харкевич, согласившись с первой частью замечаний Максвелла, нашел противоречие в ярком примере с чашкой чая. Ход его рассуждений был таков.

Вводя понятие «сопротивление», мы, в сущности, даем количественное выражение о взаимозависимости двух величин какого-либо явления, причем одна из них выступает как его причина, а другая — как следствие.

В электротехнике причиной выступают ЭДС, а следствием служат токи. Деля количественную меру причины на количественную меру следствия, получают количественную меру электрического сопротивления в омах. Для максвелловской чашки чая явление состоит в том, что чай становится сладким, если в него положить сахар. Количественной мерой причины этого является количество внесенного сахара (грамм). Следствие же состоит в получении сладости и его количественной мерой является концентрация сахара в водном растворе (грамм/см3). Деля, согласно определению, меры причины и следствия, получаем, что «сопротивление чашки чая подслащивающему действию сахара определяется ее объемом. Житейский смысл этого результата не требует комментариев» — заключает свои замечания А. А. Харкевич. Согласимся с ним, и в шутку назовем введенное понятие «кондитерским сопротивлением».

Заметим также, что наряду с электрическим сопротивлением, действуя по аналогии, в различных областях уже введены сопротивления: механические, акустические, гидравлические, магнитные и тепловые.

Вредно-полезные резисторы

Итак, основным электрическим параметром резисторов служит их номинальное сопротивление. Это сопротивление называют также «активным», когда резисторы «трудятся» в цепях переменного тока. Их «активность» — это необратимый перевод электрической энергии во внутреннюю с последующей теплоотдачей в окружающее пространство.

Согласно элементарной электронной теории нагрев металла при протекании по нему электрического тока происходит за счет передачи энергии, получаемой свободными электронами от поля, в столкновениях с кристаллической решеткой. Количественно рассеиваемая на резисторе активная мощность определяется законом Джоуля-Ленца: она прямо пропорциональна величине сопротивления резистора и квадрату протекающего через него тока.

Энергия, приводящая к нагреву проводников, поступает из электромагнитного поля распространяющегося вдоль них в окружающем пространстве. Ее часть, заходящая в глубь проводников, вызывает протекание в нем тока и соответствующие потери мощности. В высокочастотных полях эти токи протекают лишь в тонком поверхностном слое («скин-эффект»). Еще более сложные процессы происходят в СВЧ-полях, о чем будет рассказано дальше в разделе «В радиокухонном диапазоне».

Допустимая мощность рассеяния также является паспортной величиной резисторов. Когда это выделяемое тепло используется для пользы дела, например в паяльнике, то это хорошо, но зачем же напаивать кучи резисторов на материнскую плату? Ведь не для ее же украшений их цветовой маркировкой или чтобы потом еще поставить внутри вентилятор и использовать системный блок в качестве интеллектуального ультрамодного фена? Разумеется, нет.

Здесь мы встречаемся с обычным случаем, о котором в народе говорят: «Нет худа без добра». А «добро» вытекает из закона Ома: на резисторе происходит падение напряжения прямо пропорциональное величине сопротивления резистора и протекающему через него току.

На первый взгляд кажется, что это опять один вред, поскольку опять потери не мощности, так напряжения. Ан, нет. Это самый простой способ снизить питающее напряжение на других компонентах до необходимого уровня. Такие резисторы часто называют «гасящими», так как их включают между источником и нагрузкой последовательно. Они автоматически выполняют и ограничение тока в нагрузке (по закону Ома) и поэтому их называют также «токоограничивающими». Если подобный резистор сделать с изменяемой (переменной) величиной, то получится знакомый всем регулятор — реостат.

Перечисленными примерами, разумеется, не исчерпываются возможности использования резисторов, поскольку они гораздо обширнее, но не будем забегать вперед. Что же касается активных потерь мощности, то с этим придется смириться: без трения шин о дорожное покрытие обыкновенный автомобиль не повезет вас по горизонтальной дороге, а домашний холодильник нагревает помещение и зимой и летом (он будет это делать, даже если его дверцы держать открытыми!) — таковы законы природы.

Из чего делают резисторы и как их обозначают

Обычно, когда я громко выясняю, у кого горит резистор, инженер или техник робко отвечает: «Я только что поджарил свою схему…».

Роберт А. Пиз. Практическая электроника аналоговых устройств

Да, «рукописи не горят», но сгорают резисторы, нарушая работу устройств и выделяя удушливый запах гари и фенола. Обоняние не подведет радиолюбителя в критический момент, а уж постфактум черный цвет выдаст виновника: «На воре шапка горит». (Правда, часто резисторы становятся лишь первой жертвой, и истинного виновника неисправностей после этого еще предстоит отыскать.)

По используемым материалам и технологии изготовления различают резисторы постоянные углеродистые и бороуглеродистые, металлопленочные и металлоокисные, композиционные и проволочные. Естественно, что они отличаются своими характеристиками и внешним видом и обозначениями (рис. 2).

Рис. 2. Постоянные резисторы:

а — внешний вид;  б — УГО на принципиальных схемах при разной мощности; в — компонент EWB

При выборе резисторов в ответственных случаях учитывается до 15 различных параметров. Все зависит от конкретных целей.

Номинальное значение сопротивления резистора указывается производителем на корпусе изделия. Там же указывают и ряд других его характеристик. Для маркировки резисторов используют специальные кодировки: буквенно-цифровую, цифровую и цветовую.

При буквенно-цифровой кодировке указывают непосредственно значение сопротивления резистора, иногда ставят букву R, чтобы обозначить омы, или букву К, обозначающую килоомы. Здесь перечисленные буквы, поставленные за числом, являются его десятичными множителями (R = 1, К = 1000), а — перед или между числами, играют роль разделителя целой и дробной части. Например, 15R и 15К означают, что сопротивления этих резисторов равны 15 Ом и 15 кОм = 15 000 Ом соответственно, а для R15 и 1К5, аналогично 0,15 Ом и 1,5 кОм = 1500 Ом. Кроме этого, часто проставляют и допустимую мощность (см. рис. 2, б).

При чисто цифровой маркировке величина сопротивления резистора наносится тремя цифрами, из которых две первые показывают ее мантиссу, а третья служит показателем степени 10 для дополнительного множителя. Например, 150 означает 15 Ом, 151 это 150 Ом, 152 — 1500 Ом и т. д. Соответственно, на резисторе с сопротивлением 15 МОм увидим в этом коде: 156.

К цветовой кодировке прибегли в связи с миниатюризацией изделий. «Хотели как лучше, получилось как всегда». Вот резисторы с двумя видами цветовых колец-поясков: на одних их 4, на других — 5. Всего цветов 12, так что любимой присказки гимназистов про цвета в спектре радуги: «Каждый охотник желает знать, где сидит фазан» (или «Как однажды Жак-звонарь головой разбил фонарь») явно не хватает для запоминания. Эта известная последовательность цветов использована, но перед ней еще цвета: серебристый, золотистый, черный и коричневый, а после нее — серый и белый. Красиво, нет слов, но, поди теперь, ломай голову над этими знаками, напоминающими древние цивилизации (схожая кодировка, но не резисторов, обнаружена у племен майя). Кому охота, пусть лезет в справочник, а проще взять в руки омметр да и измерить. Правда, получим только номинал сопротивления, но этого часто хватает для работы. О многом другом говорит их вид и размер. Ну да ладно, странно только, что в наш интеллектуально-просвещенный век не взяли на вооружение, например, электронные системы обычного штрих-кодирования, применяемые в любом супермаркете, автомобилестроении или на фотокассетах. Как говорится: «Сапожник без сапог».

Помимо постоянных резисторов для регулировок и подстроек используют переменные (рис. 3), в которых имеется подвижный контакт, перемещаемый по дуге окружности или по отрезку прямой.

Рис. 3. Переменные резисторы:

а — внешний вид; б — УГО; в — компонент EWB

Могут встретиться три случая зависимости величины сопротивления от угла поворота: линейная (А), логарифмическая (Б) и антилогарифмическая (В). Указанные буквы входят в маркировку отечественных переменных резисторов наряду с другими параметрами.

При конкретном применении резисторов необходимо обратить внимание на то, что номинальное значение сопротивлений указывается с допуском, выраженным в % от номинала. Для особо точных (прецизионных) резисторов допуск составляет ±0,001, а наиболее грубых ±30.

Кроме того, следует помнить, что для резисторов, выполненных из материалов с электронной проводимостью, их сопротивление будет расти по мере нагрева. Иногда и это надо брать в расчет, поэтому производители указывают соответствующий тепловой коэффициент сопротивления изделий.

Электрофизические характеристики полупроводниковых материалов зависят от внешних условий, сильно изменяющих в основном концентрацию носителей тока (электронов и дырок). Этим и воспользовались, создав специальные полупроводниковые резисторы.

Терморезисторы, называемые также термисторами, значительно уменьшают (в отличие от проводников) свое сопротивление с ростом температуры.

Варисторы также уменьшают свое сопротивление, но под действием приложенного напряжения.

Тензорезисторы изменяются в зависимости от механической деформации.

Магниторезисторы изменяют свое сопротивление под действием магнитного поля.

Это, конечно, все же «редкие птицы» среди большого семейства резисторов, но в нужном случае они могут быть очень полезны: «Хороша ложка к обеду», а здесь для каждого возможного блюда, случая припасена специальная «ложка» или «ложечка».

Конденсаторы

Слово «конденсатор» происходит от латинского condensare, означающего сгущать, уплотнять. История изобретения конденсаторов весьма поучительна и позволяет глубже понять физическую сущность, а, следовательно, и применимость на практике этого компонента электронных устройств.

Из родословной конденсатора

Не вдаваясь особо в туманную, как всегда, историю изобретения конденсаторов, укажем лишь, что рождение произошло в середине XVIII в.

Соборный декан в Померании фон Клейст, держа в одной руке медицинскую склянку с небольшим количеством ртути или винного спирта, вставил в нее гвоздь и наэлектризовывал его свободный конец. Прикосновение к гвоздю вызывало искры и сильные электрические удары. Это устройство назвали бутылкой Клейста.

Голландский физик Мушенбрек из г. Лейден провел аналогичные опыты со стеклянной банкой, заполненной водой и опять-таки гвоздем, один из концов которого был погружен в нее. Удар, полученный им в одном из опытов, он не соглашался повторить даже «ради короны Франции». Это устройство назвали лейденской банкой.

Аббат Нолле, ставший «придворным электриком», в обязанности которого входила организация увеселений двора Людовика XV с помощью электричества, в присутствии короля повторил опыт Мушенброка, но не на себе. Он образовал цепь из 180 гвардейцев, взявшихся за руки, причем первый держал заряженную банку в руке, а последний, замыкая цепь солдат, касался торчащей из нее проволоки, извлекая искру. Реакция бравых гвардейцев была весьма сильной. От этой цепи солдат произошел термин «электрическая цепь». Хорошо, что энергии, накопленной в банке, было не достаточно для печальных последствий. Однако ее хватало, чтобы убить воробья, что впервые и осуществил этот «аббат». Поэтому его смело можно назвать первым в ряду изобретателей «электрического стула» и электрошоковых устройств.

Не трудно видеть, что первые изобретатели исходили из понятий «электрической жидкости», которую привычно разливали по разным сосудам…

Более детальные и продуктивные опыты провел Франклин, исследовавший роль диэлектрика (стекло), разделяющего обкладки: рука-гвоздь в лейденской банке. Вылив воду из заряженного конденсатора, он залил его новой водой и обнаружил, что он опять заряжен. Отсюда он сделал вывод о том, что заряды противоположных знаков «сидят» на двух поверхностях стекла. Ошибка Франклина была обнаружена только в 1922 г. Адденбруком. В специальном разборном конденсаторе он заменил стекло парафином и показал роль адсорбированной пленки воды в опыте Франклина.

Эта ошибка нисколько не умаляет многих других заслуг этого ученого и политического деятеля, и его следы мы видим не только на стодолларовой купюре: знаки «+» и «-» для разноименных электрических зарядов ввел именно Франклин. Однако и он не избежал проведения опытов над животными: «Самым крупным существом, которое нам удалось умертвить электрическим ударом, был довольно крупный цыпленок», — пишет Франклин в своих сочинениях.

Возвращаясь на научную стезю, особо следует отметить работы Фарадея по исследованиям различных диэлектриков, используемых в конденсаторах. Вообще Фарадей сделал много разных замечательных открытий, но вошел в парад знаменитых ученых, именами которых были названы единицы измерения, благодаря исследованиям диэлектриков. Да и сам этот термин ввел в физику Фарадей. Он смастерил специальный сферический конденсатор — два металлических шара — один внутри другого. Это — обкладки, а пространство между ними заполнял различными веществами и проводил измерения электрической емкости конденсатора. Не случайно поэтому, единице электрической емкости дано наименование «фарад».

Плоский конденсатор мы обнаруживаем в электрометре Вольта: его верхний ввод был выполнен из двух горизонтальных пластин, изолированных друг от друга лаком.

Блочно-пакетная конструкция конденсаторов в виде стопки чередующихся полосок металлической фольги, разделенных изоляционными слоями, была предложена русским электротехником П. Н. Яблочковым во второй половине XIX в. Им же были предвосхищены так называемые «электролитические конденсаторы».

Основные типы конденсаторов

Различают конденсаторы постоянной и переменной емкости.

В зависимости от того, какой материал использован в качестве диэлектрика, конденсаторы бывают: воздушными, бумажными, керамическими, пленочными и др. На рис. 4 представлены конденсаторы постоянной емкости.

Рис. 4. Конденсаторы:

а , в — внешний вид керамических и электролитических конденсаторов; б , г — УГО и компоненты EWB

Основными характеристиками конденсаторов являются: номинальная емкость, выражаемая в фарадах (Ф) и дольных единицах (мкФ, нФ, пФ и т. д.); допуск в процентах от номинального значения; максимальное допустимое напряжение. Общее число факторов, учитываемых при выборе конденсаторов, доходит до 18.

Номинальная емкость конденсаторов с указанием допуска, а также рабочее напряжение в основном проставляются на их корпусах. Однако в последние годы, цветовые художества появились и на конденсаторах. Геометрические же формы конденсаторов весьма разнообразны: диски, цилиндры, призмы и т. д. Весьма популярные танталовые сухие оксидные конденсаторы имеют каплеобразную форму, напоминая головастиков с двумя лапками.

Цветовые метки, это и кольца, и полосы, и пятна, и размещаются по-всякому. Так что «Палата № 6» здесь присутствует в полном составе. Хорошо еще, что иногда проставляется величина емкости: ее измерение все-таки сложнее, чем измерение сопротивления, хотя умельцы умудряются измерять небольшие емкости с помощью… радиоприемника (подумайте, как). Одно обнадеживает: электроника не стоит на месте, а бурно развивается.

Особо остановимся на электролитических конденсаторах (см. рис. 4, в, г), которые радиолюбители именуют «электролитами». Это полярные приборы. В них используется жидкий и твердый электролиты. Алюминиевые электролитические конденсаторы изготавливаются в виде цилиндров, внутри которых размещается слоистый рулон из чередующихся лент: анод из алюминия, оксидированный его окисью, первый бумажный разделитель, катод из неоксидированного алюминия, второй бумажный разделитель. Вся конструкция помещается в корпус, в который добавляют электролит и герметизируют.

В конденсаторах с твердым электролитом вместо бумаги используется материя, пропитанная нитратом магния. Если размотать внутренний рулон конденсатора, то получится длинный плоский сэндвич с двумя выводами от анода и катода. Рассматривая этот сэндвич как обыкновенный плоский конденсатор с двумя обкладками, не трудно оценить его емкость по известным геометрическим размерам, приняв относительную диэлектрическую постоянную бумаги равной 2. Выполнив нехитрый расчет и сверившись с величиной емкости, проставленной на корпусе, увидим, что мы ошиблись на очень много порядков. Дело в том, что мы сделали принципиальную ошибку, приняв разделительную бумагу за разделяющий диэлектрик. На самом деле диэлектриком в электролитическом конденсаторе служит пленка оксида алюминия, а она гораздо тоньше, да и диэлектрическая постоянная у нее в десятки раз больше. Так что второй обкладкой служит поверхность электролита, соприкасающаяся с окисной пленкой (в рулоне с двух сторон).

Сам электролит и катод являются электродами (тоководами), как в первых конденсаторах: бутылках, банках. Наличие электролита внутри замкнутой полости приводит к тому, что если включить конденсатор на переменное напряжение, то вследствие обильного газовыделения он взорвется. Так что с «электролитами» надо обращаться осторожно.

Диэлектрик в электролитических конденсаторах выполняют также на основе оксидов тантала или ниобия, или ряда полупроводников. Емкости подобных конденсаторов могут достигать 0,5 Ф — это гигантская величина: Фарадей вряд ли поверил бы, что такие емкости возможны. Однако, как оказалось, это далеко не предел возможного. Вернемся теперь к упомянутой ранее комбинации конденсатор-ХИТ, названной ионистором.

Ионистор (по зарубежной терминологии — supercapacitor — суперконденсатор или ультраконденсатор — ultracapacitor) — это энергонакопительный конденсатор, заряд в котором накапливается на границе раздела двух сред: электрода и электролита. (Здесь полезно поразмышлять над вышеупомянутыми опытами Франклина и Адденбрука.)

В качестве обкладок в ионисторе используются три типа материалов: активированный уголь, оксиды металлов и проводящие полимеры. Активированный уголь имеет большую объемную пористость, что позволяет достигнуть плотности емкости 10 Ф/см3 и выше. Ионисторы на основе активированного угля называют также двухслойными или DLC-конденсаторами (от англ. Double Layer Capacitor), поскольку заряд в них хранится в двойном электрическом слое, образующемся вблизи обкладки.

Ионисторы имеют емкости от единиц до нескольких тысяч фарад! Рабочее напряжение ионисторов разных типов составляет от 2,5 до 6,3 В. Энергия, запасенная в ионисторе при прочих равных условиях составляет 1/10 энергии никель-металлгидридной батареи. Батарея заряжается часами, а ионистор — за секунды. Батарея имеет ограниченное число циклов заряд-разряд, а ионистор — практически неограниченное. Конечно, и у ионисторов есть недостатки (напряжение падает при разряде, высок саморазряд и т. д.) и заменить все ХИТ они не могут, но в некоторых случаях они оказываются вне конкуренции или серьезной альтернативой.

В конденсаторах переменной емкости (рис. 5), служащих для настроек радиоприемников на определенную станцию, как правило, используются сдвоенные секциями подвижных (ротор) и неподвижных пластин (статор), разделенных воздухом.

Рис. 5. Конденсаторы переменной емкости:

а - внешний вид; б — УГО и компонент EWB

При повороте ротора на некоторый угол изменяется эффективная площадь (площадь перекрытия пластинами статора пластин ротора) и, следовательно, суммарная емкость системы. Форму пластин ротора выполняют так, чтобы зависимость емкости от угла поворота была прямо пропорциональной для емкости, длины волны или частоты.

В «подстроенных» конденсаторах («подстроечниках») используют два керамических диска, на противоположные стороны которых, путем «вжигания», нанесены тонкие серебряные обкладки в виде секторов (полукругов). Вращение одной обкладки относительно другой приводит к изменению емкости системы.

Еще один вид конденсаторов, так называемые «варикапы», являются разновидностью полупроводниковых диодов и будут рассмотрены вместе с последними. Аналогично поступим и с конденсаторными и электретными микрофонами, а также с пьезопреобразователями. Всему свое время.

 

Катушки индуктивности и трансформаторы

Катушки индуктивности

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

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

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

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

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

Рис. 6. Катушки индуктивности:

а — внешний вид; б — УГО; в — компоненты EWB

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

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

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

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

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

Магнитные головки

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

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

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

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

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

Рис. 7. Магнитные головки:

а — аудио;  б — видео; в — УГО

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

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

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

Трансформаторы

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

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

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

Рис. 8. Трансформаторы:

а — внешний вид; б — УГО; в — компоненты EWB

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

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

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

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

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

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

 

Электровакуумные приборы

Радиолампы

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

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

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

Рис. 9. Радиолампы:

а — внешний вид;  б — УГО триода и компонент EWB

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Магнетрон

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

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

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

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

Рис. 10. Магнетроны:

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

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

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

Электронно-лучевые приборы

Кинескоп — игрушка дорогая.

М. Гук. Аппаратные средства IBM PC

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

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

Рис. 11. Электронно-лучевая трубка:

а — кинескоп; б — схема ЭЛТ ( 1 — электронная пушка; 2 — отклоняющие катушки; 3 — анод; 4 — электронный луч)

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

 

Полупроводниковые приборы

Диоды

С полупроводников фактически началась эра микроэлектроники, которая сейчас оставила далеко позади электронику вакуумную и газоразрядную. Основным «героем» различных полупроводниковых структур является так называемый р-n переход. Здесь: р — от positive, т. е. положительный, область дырочной проводимости, а n — от negative, т. е. отрицательный, область электронной проводимости. Схемотехническое изображение диода (рис. 12, б), в котором реализован р-n переход, соответствует мнемоническому правилу, согласно которому стрелку тока на схемах показывают во внешней электрической цепи источника от его «плюса» к его «минусу».

Рис. 12. Диоды:

а — внешний вид; б , в — УГО диода и стабилитрона и их модельные компоненты EWB

Таким образом, треугольник (символ стрелки тока) — это как бы р-область «+», а вертикальная черта — это n-область «-». Поскольку подобное устройство является диодом, то по аналогии с электровакуумным диодом, соответствующие выводы часто называют анодом и катодом. Особенность работы диода в цепи отражается в зависимости его тока от напряжения, так называемой вольтамперной характеристике (ВАХ).

Для того чтобы выяснить смысл работы диода, достаточно взять любой выпрямительный диод и омметром (или мультиметром в режиме омметра) измерить его сопротивление для двух случаев его включения: прямом и обратном. В случае резистора получилось бы одно и то же число. Для диода же результаты этого нехитрого эксперимента дадут крайне малое сопротивление, если к его аноду подключен положительный вывод прибора, и очень большое при обратном включении. Этим приемом можно пользоваться для диагностики исправности диодов или определения их выводов. При отсутствии измерительных приборов можно попробовать провести подобный эксперимент с батарейкой и лампочкой от карманного фонарика. Собрав последовательную цепь: «плюс» батарейки-диод-лампочка-«минус» батарейки, проверяют ее работу при двух противоположных по знаку напряжениях на диоде. При подходящих параметрах компонентов цепи в одном случае лампочка будет гореть, а при другом — нет. Итак, проводимость диода сильно зависит от полярности приложенного напряжения. На сленге радиолюбителей «диод в одном направлении пропускает ток, а в другом — нет». А это позволяет производить выпрямление переменного тока, детектировать сигналы и т. п. Кстати, детектирование сигналов в простейшем радиоприемнике и привело к зарождению радиотехники.

Отмеченное выше основное свойство диода для конкретного образца имеет пределы: при очень большом прямом токе диод «сгорит», а при высоком обратном напряжении будет «пробит». Поэтому в паспортных данных на диоды всегда приводят величину допустимого прямого тока и допустимого обратного напряжения.

В этом плане описанным выше простым способом проверки диодов следует пользоваться, только если рабочее напряжение омметра меньше пробойного для диода. Однако это напряжение не должно быть меньше потенциального барьера р-n перехода полупроводникового материала соответствующего диода (0,7 В для кремния и 0,3 В для германия). Это лишний раз показывает, что всеми правилами и рекомендациями надо пользоваться вдумчиво. Так сказать, «семь раз примерь — один измерь», хотя, в другом смысле, для повышения точности требуются многократные измерения.

Диод, включенный на прямое напряжение, называют прямосмещенным, или открытым, а на обратное — обратносмещенным, или запертым.

По назначению различают диоды выпрямительные (для выпрямительных устройств), универсальные (для детекторов различного типа) и импульсные (для импульсных устройств).

В зависимости от использованного полупроводникового материала различают диоды германиевые, кремниевые и арсенид-галиевые. Германиевые диоды применяют в основном для детектирования слабых высокочастотных сигналов, а для выпрямителей используют кремниевые диоды.

«Экзотические» типы диодов

В большом семействе диодов, помимо рассмотренных выше «обычных», с простым р-n переходом, встречаются и своеобразные устройства с более сложными характеристиками. Ряд из них традиционно называют по фамилиям тех ученых, которыми они были разработаны.

Диоды Ганна представляют собой полупроводниковые приборы, имеющие сложную структуру зоны проводимости (из арсенида галлия с электронной электропроводностью), работающие на основе открытого в 1963 г. американским физиком Дж. Б. Ганном эффекта, заключающегося в возникновении автоколебаний тока в подобных системах. Колебания возникают в определенном интервале прямых напряжений на диоде на падающем участке ВАХ, имеющей N-образный характер. Используются в СВЧ-генераторах.

Диоды Есаки, или туннельные диоды, основаны на квантово-механическом туннельном эффекте просачивания носителей заряда сквозь потенциальный барьер. Эффект был открыт японским физиком Есаки в 1958 г. ВАХ диода также имеет N-образный характер, поэтому их используют как генераторные, а также в качестве усилительных и переключательных.

Диоды Зенера, стабилитроны или опорные диоды — кремниевые диоды, работающие на обратной ветви ВАХ. В прямом направлении зенеровские диоды ведут себя как «обычные». Работа же при обратном смещении имеет следующую специфику: до некоторого порогового напряжения диод, как обычно, заперт, а при большем обратном напряжении он пробивается. Но это не беда, как для «обычного» диода, в том и заключается «фокус», что пробой в зенеровском диоде носит обратимый характер. Этот-то участок его ВАХ и используется для стабилизации напряжения и включается он «шиворот-навыворот». Характеристиками данного диода служат напряжение пробоя, составляющее от 2,4 до 91 В, и рабочий ток (от 3,9 до 320 мА).

Диоды Шоттки имеют структуру металл-полупроводник, позволяющую получить высокое быстродействие при переключениях напряжения. Очевидно, на особенность поведения этого контакта впервые обратил внимание еще в 1922 г. сотрудник Нижегородской радиолабаратории О. В. Лосев, систематическое же исследование провел В. Шоттки, именем которого и были названы подобные полупроводниковые приборы. Обычно диоды Шоттки изготавливают на основе кристаллов кремния или арсенида галлия. Они широко используются в СВЧ-технике связи и как составной элемент интегральных логических микросхем.

Пин-диоды, или p-i-n-диоды, выполняют в виде многослойной структуры, в которой между р и n областями полупроводника образуется слой с высокой собственной электропроводностью, называемый i-слоем. В режиме переключения проводимость этого слоя меняется на четыре порядка, что позволяет использовать пин-диоды, например, как быстродействующие, переключательные СВЧ-диоды.

Варикапы (от англ. varyable — переменный и capacity — емкость) — диоды, у которых используется барьерная емкость запертого р-n перехода, зависящая от величины приложенного к диоду обратного напряжения. Если рассматривать диод как своеобразный конденсатор, можно обнаружить, что толщина потенциального барьера р-n перехода будет тем больше, чем больше (по модулю) обратное напряжение. Его увеличение как бы раздвигает обкладки конденсатора, что приводит к естественному уменьшению емкости. Существование барьерной емкости обычно ограничивает быстродействие диодов и их частотные характеристики, в варикапах же «то, что немцу плохо…», наоборот, работает на пользу. При прямых напряжениях эта емкость шунтируется малым сопротивлением и снижается добротность. Основными характеристиками варикапов служат: номинальная, минимальная и максимальная емкости; максимально допустимое напряжение и мощность. Варикапы применяют для электронной настройки колебательных контуров.

Поскольку полупроводниковые материалы и структуры из них весьма разнообразны, то и приборов на их основе создано, помимо перечисленных, и будет еще создаваться очень много. Однако, прервем на этом наш обзор, отнеся лишь рассмотрение фото- и светодиодов, в раздел оптоэлектронных компонентов.

Тиристоры

Развитие силовой полупроводниковой электронной техники шло по пути вытеснения электровакуумных и газоразрядных приборов из выпрямителей и преобразователей.

Тиристоры — это обширный класс полупроводниковых приборов, используемых для выпрямления и электронного переключения. Они являются полупроводниковыми устройствами с двумя устойчивыми состояниями, имеющими три или более р-n переходов. Поскольку в качестве полупроводника в тиристорах используется кремний, то в отечественной литературе их также называют кремниевыми управляемыми вентилями.

Тиристоры широко используются для регулирования мощности постоянного и переменного тока в нагрузке за счет ее включения и выключения. Тиристоры были изобретены примерно через десять пет после изобретения биполярного транзистора, который имеет трехслойную структуру (р-n-р или n-р-n). Простейший тиристор имеет четырехслойную структуру (р-n-р-n). На первый взгляд может показаться, что здесь нет ничего нового: просто два диода (р-n) перехода, соединенных последовательно. Однако это совсем не так.

Соединив два диода последовательно, получим такую цепь: проводник (анод) — р слой — n слой — проводник — р слой — n слой — проводник (катод). Отличие заключается в том, что в такой неправильной модели в средней части структуры область n-р перехода заменяется проводником, и… «вместе с водой выплескивается ребенок». Именно эта обратно смещенная область разделяет всю структуру и играет поэтому роль первой скрипки. При подаче на такую структуру напряжения — плюс к аноду, минус — к катоду, два крайних р-n перехода будут открыты (как прямо включенные диоды), а средний n-р переход будет закрыт (обратно смещенный диод), и вся структура окажется запертой (сквозной ток будет близок к нулю). Если напряжение на этом переходе превысит некоторый предел — напряжения включения — Uвкл, то структура как бы открывается. Можно также дополнительно управлять этим процессом, сделав дополнительный вывод (управляющий электрод) от срединной области р и задавая определенный ток управления Iynp.

Тиристоры, имеющие два вывода, т. е. диодные тиристоры называют динистороми, а триодные — тринисторами. Вообще же, для образования названия этого класса полупроводниковых приборов — тиристоры — был использован смешанный способ аббревиации путем сложения греческого тира (thyra — дверь) и части слова резистор (или транзистор). Роль открытой или запертой «двери» играет вышеупомянутая область n-р перехода, а роль «ключа» к ней — напряжение для диодной структуры и управляющий электрод — для триодной (рис. 13).

Рис. 13. Тиристоры:

а — внешний вид; б — УГО и компоненты EWB

Правда, введение этих красочных метафор в электронику было выполнено ранее для газоразрядных приборов с управляющей сеткой — тиратронов, вытесненных тиристорами.

Основными параметрами тиристоров являются: напряжение и ток включения, удерживающий ток и напряжение в открытом состоянии, отпирающий ток управляющего электрода и максимальное обратное напряжение.

В вышеописанных тиристорах рабочий ток протекал только при положительной полярности приложенного напряжения, т. е. их ВАХ не симметрична, что с успехом используется в управляемых выпрямителях. Потребность в управляемых источниках переменного тока привела вначале к использованию «встречновключенных» пар тиристоров, а затем к созданию приборов с симметричными характеристиками. Эти тиристоры были названы американской фирмой «General Electric» диак (DIAC — Diode AC semiconductor switch) и триак (TRIAC — Triode AC semiconductor switch). В отечественной литературе симметричные тиристоры называют симисторами. Эти приборы имеют многослойную полупроводниковую структуру из чередующихся типов проводимости: n-р-n-р-n, что и приводит к своеобразию их ВАХ.

Транзисторы

Биполярные транзисторы

Еще на заре развития радиоэлектроники для детектирования колебаний использовался контакт тонкой проволочки («кошачьих усов») с полупроводниковым минералом галенитом. В 1921–1922 гг. сотрудник Нижегородской радиолаборатории О. В. Лосев на основе полупроводникового диода создает знаменитый «Кристадин», где впервые используется особый режим усиления высокочастотных колебаний. Однако эти исследования были оставлены без должного внимания и несправедливо забыты. Господство электронных ламп продолжалось.

Перенесемся мысленно на полстолетия назад в лабораторию известной телефонной компании «Белл», где группа физиков возобновила прерванные войной исследования в области полупроводниковых материалов. Руководит группой физик-теоретик Уильям Шокли, вместе с ним работает физик-теоретик Джон Бардин и физик-экспериментатор Уолтер Браттейн.

Изучая полупроводники, Шокли намеривался в соответствии с разработанной им теорией воздействовать на ток, протекающий в них, электрическим полем. Этот эксперимент, как бы повторяющий идею электронно-вакуумного триода, не дал положительных результатов. Тогда Бардин и Браттейн, пытаясь разобраться в причинах постигшей их неудачи, решили провести более детальные исследования с точечными контактами металла и поверхности полупроводника. Пластинка кристалла германия n-типа была припаяна к заземленному металлическому диску-основанию (отсюда впоследствии появилось понятие базы). Сверху к кристаллу на расстоянии долей миллиметра были прижаты кончики двух золотых волосков (те же «кошачьи усы»). Однажды, в конце декабря 1947 г., Бардин и Браттейн подвели к одному из золотых контактов (который играл роль эмиттера) электрический сигнал звуковой частоты с небольшим положительным смещением, а на другой золотой контакт (служивший коллектором) подали значительно большее отрицательное напряжение. Исследователи с изумлением обнаружили, что сигнал на коллекторе оказался в 50 раз больше исходного.

Так был рожден точечный транзистор. Это был своеобразный залп «Авроры», предвещавший начало «транзисторной революции», с неизбежностью несущей на своих богатырских плечах революцию информационную. Шокли тут же разработал совершенную теорию его работы и вдобавок, в развитие своих первоначальных идей, предложил конструкцию плоскостного транзистора. Десять лет спустя все трое за эти работы были удостоены Нобелевской премии.

Вначале, описывая изобретенное устройство как элемент электрической цепи, исследователи назвали его Transresistor от Transfer resistor (передающий резистор), а уж затем сократили до современного Transistor (транзистор).

Рассматриваемые транзисторы имеют трехслойную структуру с чередующимися типами проводимости электронной (n) и дырочной (р), т. е. n-р-n или р-n-р. Наличие двух видов носителей зарядов обусловило их название «биполярные транзисторы». Современные транзисторы изготавливают совсем по другим технологиям, и они совсем не похожи на своих предтечей. Однако условное графическое обозначение биполярных транзисторов несет на себе исторические черты их рождения: средняя поперечная черта — пластинка-основание, символизирует базу, а две косые черточки, контактирующие с ней, два других электрода (бывшие «кошачьи усы») — это коллектор и эмиттер. Для того чтобы отличать транзисторы двух типов эмиттер изображают в виде стрелки, направленной к базе для р-n-р типа и от нее для n-р-n типа.

Таким образом, и здесь, как и в диоде, за основу взято условно-положительное направление тока в цепи: «от плюса к минусу» или, в данном случае, от p-области к n-области. Помня это нехитрое правило, не трудно по графическому изображению транзистора на схеме указать его тип, а это позволяет, по крайней мере, сразу разобраться с включением полярности источников питания (рис. 14).

Рис. 14. Транзисторы:

а — внешний вид; б , в — УГО биполярных транзисторов n-р-n и р-n-р типов и их модельные компоненты EWB; г , д — УГО полевых транзисторов с n- и p- каналами и их модельные компоненты EWB

Как уже указывалось выше, транзистор, представляющий собой электрический трехполюсник, включается в каскады в качестве четырехполюсника, поэтому один вывод с неизбежностью становится общим, что и дает название схеме включения. Наиболее распространенной является схема с общим эмиттером. Схемотехника транзисторных цепей с общим эмиттером аналогична схемотехнике ламповых цепей с триодами: эмиттер — катод, база — сетка, а коллектор — анод.

Полевые транзисторы

История изобретения и создания этого класса полупроводниковых приборов достаточно туманна: в разных источниках скупо упоминаются различные люди и даты. Возможно, что это связано с большой разновидностью подобных устройств. Поэтому, не анализируя, перечислим все известные нам факты в хронологическом порядке. В 1925 г. Юлиус Лилленфельд изобрел полевой транзистор с р-n переходом и полевой транзистор с изолированным затвором. В 1939 г. английский ученый О. Хейл получил патент на устройство, в котором электрическое поле изолированного электрода управляло током, протекающим в тонком слое полупроводника. В 1952 г. упомянутый выше Шокли дал теоретическое описание униполярного полевого транзистора. Такие транзисторы, получившие название полевых с управляемым р-n переходом были впоследствии изготовлены Дейси и Россом, которые в 1955 г. также дали аналитическое описание их характеристик. В 1956 г. С. Тешнер (Франция) изобрел одну из разновидностей полевых транзисторов. В 1960 г. М. Атала и Д. Канг предложили использовать структуру металл-окисел-полупроводник в качестве основы для создания особого вида полевых транзисторов. Очевидно, что именно с этих транзисторов, которые стали широко использоваться в интегральных микросхемах, и по-настоящему началась эра полевых транзисторов. Полевые транзисторы не вытеснили биполярные, а лишь удачно дополнили их, так как обладали рядом уникальных особенностей, с которыми можно легко ознакомиться в виртуальных моделях.

Вначале дадим некоторые пояснения терминов и обозначений. Названия этого класса полупроводниковых приборов связаны с их принципом действия. В некоторой области полупроводника (канале, отсюда одно из названий — канальные) протекает ток основных носителей заряда, одного знака отсюда — униполярные транзисторы. Управление значением тока осуществляется поперечным электрическим полем, отсюда другое название — полевые транзисторы (в английской транслитерации — Field Effect Transistor, сокращенно FET). Все эти названия с разных сторон характеризуют один и тот же прибор и являются общеупотребительными.

Все разновидности полевых транзисторов можно, по существу, разделить на два больших класса: полевые транзисторы с управляющим р-n переходом — Junction (плоскостной) FET, или JFET, и полевые транзисторы с изолированным затвором — Insulated (изолированный) Gate (затвор), т. е. Insulated Gate FET, или сокращенно IJFET. Транзисторы последнего типа содержат в своей структуре Металл-Оксид-Полупроводник, отсюда сокращенно МОП или, на английском, Metall-Oxide-Semiconductor FET (MOSFET). Поскольку используемые оксиды (диоксид кремния SiО2) являются частным случаем диэлектрика, то в русском наименовании слово «оксид» меняют на «диэлектрик» и тогда аббревиатура превращается в МДП (соответственно в английском это Insulator и сокращенно MISFET). Выделяют также полевые транзисторы с каналом n-типа на основе арсенида галлия GaAsFET.

Использование комплементарных структур добавляет в русской аббревиатуре в их названии префикс «К»: КМОП или в английском «С» (от Complementary): CMOS. Именно последний акроним используется для обозначения энергонезависящей памяти компьютера, выполненной в виде интегральной микросхемы по соответствующей технологии. Данная микросхема хранит все начальные установки конфигурации ПК и, обладая малым потреблением энергии, работает годами без выключения, питаясь от миниатюрного аккумулятора.

В символике УГО полевых транзисторов (см. рис. 14 г, д) присутствует все та же направляющая стрелка, обозначающая электрод, называемый затвором (Gate), два других электрода имеют очевидные названия: исток (Source) — аналог эмиттера, сток (Drain) — аналог коллектора.

В полевом транзисторе с каналом p-типа полярности источников обратны. Поскольку входное сопротивление полевого транзистора составляет сотни мегаом. то не трудно сообразить, что ток, протекающий через затвор, очень мал (составляет единицы наноампер, а для МОП транзисторов даже единицы пикоампер). В отсутствие напряжения на затворе ток через него практически равен нулю. В этом, собственно, и заключается основная особенность полевых транзисторов по сравнению с биполярными, обусловившая их широкое распространение в микроэлектронике.

В отличие от виртуальной электроники, в реальной обращение с МОП- и МДП-транзисторами требует большой осторожности. Дело в том, что большая рабочая чувствительность транзисторов связана с использованием тончайших пленок окислов или диэлектрика. Подобные пленки могут быть разрушены даже такими небольшими статическими зарядами, которые возникают на теле человека. Это приносило массу неприятностей при работе с полевыми транзисторами. Для того чтобы избежать повреждения, МОП-транзисторы обычно поставляются с соединенными вместе выводами с использованием специальной упаковки. Особые меры предосторожности принимаются при их монтаже (заземление рабочего инструмента и руки с помощью металлического браслета на запястье и т. п.). К счастью, новейшие МОП-транзисторы теперь частично защищены с помощью стабилитронов, включенных внутри транзистора между затвором и истоком.

Тем не менее, положительные свойства полевых транзисторов таковы, что именно широкое использование МОП-транзисторов в интегральных микросхемах в свое время революционизировало всю цифровую электронику.

 

Оптоэлектронные компоненты

В различных электронных устройствах широко используются физические сигналы в виде света в видимом, инфракрасном и ультрафиолетовом участках спектра. В связи с этим существует два вида первичных оптоэлектронных устройств: приемники и излучатели света. В первых происходит преобразование энергии света в электрическую энергию или световой сигнал преобразуется в электрический сигнал (здесь, конечно, тоже происходит преобразование энергии, но важны временные параметры). Во вторых происходит обратное преобразование энергии. Наконец, существуют компоненты, в которых происходит двойное преобразование сигнала (энергии) по схеме: «электричество->свет->электричество».

Многие из рассмотренных выше полупроводниковых устройств в той или иной степени обладают свойствами подобных преобразователей, и их развитие привело к созданию в виде отдельных компонентов с определенными характеристиками.

Работа оптоэлектронных приборов основана на открытиях физиков: Беккереля, Герца, Столетова, Эйнштейна, Басова, Прохорова, Таунса и др.

Фоторезисторы

Фоторезистор включают в цепь последовательно с источником напряжения и резистором нагрузки. За счет внутреннего фотоэффекта под действием света он уменьшает свое сопротивление: фотоны переводят электроны в зону проводимости, в результате чего возрастает концентрация носителей электричества (электронов и дырок) и сопротивление уменьшается. В качестве светочувствительного материала в фоторезисторах используют сульфид или селенид кадмия, которые наносят на изолирующую подложку.

В отсутствие светового потока в фоторезисторах протекает небольшой темновой ток, обуславливающий их темновое сопротивление от 1 до 100 МОм. С ростом светового потока их сопротивление может уменьшиться в 1000 раз.

Фоторезисторы являются сравнительно инерционными приборами: их постоянная времени составляет 10…100 мс.

Основными параметрами фоторезисторов являются: темновое сопротивление и кратность его изменения, рабочее напряжение и ток.

Фотогальванические (солнечные) элементы

Фотогальванический элемент представляет собой источник тока, выполненный на основе р-n перехода в полупроводниковых материалах (кремний). Принцип их действия также основан на внутреннем фотоэффекте, но наличие р-n перехода приводит к разделению зарядов на электродах и, следовательно, к возникновению фото-ЭДС. Для одного элемента величина ЭДС невелика и при токе 50 мА составляет 0,45 В. Для увеличения тока элементы выполняют с большой плоской поверхностью, а для увеличения напряжения соединяют последовательно в батарею. КПД преобразования энергии света в электрическую энергию у них также не высок (15 %), но зато они являются экологически чистыми возобновляемыми источниками электроэнергии.

Фотодиоды

Устройство фотодиода подобно устройству фотогальванического элемента, а использование аналогично фоторезистору или гальваническому элементу.

Существует два типа фотодиодов с обычным р-n переходом и так называемым p-i-n переходом. В p-i-n фотодиоде, как и в упомянутом выше пин-диоде, между р и n областями, имеется прослойка из нелегированного полупроводника. Это приводит к улучшению ряда их характеристик, например быстродействия. В корпусе фотодиода имеется стеклянное окошко, позволяющее свету попадать на р-n переход (рис. 15, а, б).

Рис. 15. Оптоэлектронные компоненты (внешний вид, УГО и компоненты EWB):

а , б — фото- и светодиоды; в , г — цифровые индикаторы

Основными параметрами фотодиодов являются: темновой ток, рабочее напряжение и чувствительность по отношению к световому потоку.

Фотодиод может работать в двух режимах как фоторезистор и в генераторном режиме, когда внешний источник отсутствует и с его зажимов снимается фото-ЭДС.

Фототранзисторы

Фототранзисторы устроены аналогично обычным транзисторам, но, как и в фотодиоде, в их корпусе имеется светопрозрачное окошко, через которое свет попадает на базу прибора. Благодаря этому в базе генерируются дополнительные носители заряда, что эквивалентно подаваемому на нее сигналу управления.

Фототранзистор может и не иметь электрического вывода от базы (диодное включение). По сравнению с фотодиодами фототранзисторы имеют большие выходные токи из-за своих усилительных свойств, хотя их инерция немного больше.

Основными параметрами фототранзисторов служат: рабочее напряжение и темновой ток при этом напряжении; наибольший ток при освещении прибора и его интегральная чувствительность.

Фототранзисторы выполняют также на основе так называемых однопереходных транзисторов (или двухбазовых диодов).

Фототиристоры

В фототиристоре, как и в обычном тиристоре, используется четырехслойная полупроводниковая структура р-n-р-n; конструктивно он выполняется так, чтобы свет попадал на высокоомную n-базовую область. Таким образом, световой импульс играет роль импульса управляющего тока, отпирающего тиристор. Так же, как и обычный тиристор, он остается включенным после действия импульса и для его выключения надо выключить приложенное к нему внешнее напряжение.

Светоизлучающие диоды

Светоизлучающий диод или сокращенно светодиод представляет собой полупроводниковый диод, преобразующий электрические сигналы в световые. Работа светодиодов основана на физическом явлении, называемом электролюминесценцией. Возбуждение полупроводниковой структуры сопровождается рекомбинацией электронов и дырок с последующим излучением квантов света. Для получения требуемого цвета свечения используются специально подобранные многокомпозитные полупроводники. В результате использования карбида кремния получают красно-оранжевый цвет свечения, антимонида галлия — желтый, а теллурида цинка — зеленый.

Чаще всего светодиоды выпускают в круглых пластмассовых корпусах диаметром 3 или 5 мм (рис. 15, а, б). Для вывода света базовая область светодиода выполняется в виде полусферической линзы (либо имеет аналогичное покрытие).

Светодиоды широко используются в качестве индикаторов общего применения, заменяя лампы накаливания, так как имеют меньшие габариты и меньшее энергопотребление.

Прямые токи светодиодов составляют 5…22 мА, а прямое напряжение около 2…6 В. Максимальное обратное напряжение у отдельных типов светодиодов составляет 5 В.

Комбинируя светодиоды, создают специальные знаковые индикаторы. Примером может служить одноразрядный семисегментный индикатор, позволяющий за счет внешней коммутации сегментов высвечивать цифры от 0 до 9 (рис. 15, г).

Светодиоды могут иметь несколько р-n переходов на одном кристалле — матричные светодиоды. Из подобных структур создают многоразрядные знакосинтезирующие индикаторы (рис 15, в).

Светодиоды имеют низкое напряжение питания, малый ток и высокое быстродействие.

Арсенид-галлиевые светодиоды излучают свет в инфракрасном диапазоне (ИК). Это ИК-диоды. Максимум их излучения лежит в диапазоне 0,87…0,96 мкм, излучаемая мощность 10…500 мВт, максимальный ток 100…2500 мА.

Полупроводниковые лазеры

В отличие от простых светодиодов, дающих некогерентное излучение, в специальных инжекционных лазерах генерируется когерентное излучение света. Помимо определенного выбора активной среды инжекционного лазера, представляющего собой в электрической цепи диод, в нем на основе р-n перехода выполняется еще и специальная резонансная оптическая система. Эта система и вносит основные ограничения на размеры устройства: площадь поперечного сечения р-n перехода — 0,5…2 мкм2, длина излучающей области — 300…500 мкм. Излучение имеет форму иглы с пространственным расхождением луча, составляющим несколько угловых минут.

Полупроводниковый лазер может работать как в непрерывном, так и в импульсном режиме.

Оптроны

Оптроны, или оптопары, состоят из двух рассмотренных выше оптоэлектронных приборов, связанных общим световым каналом так, что один из них является излучателем света, а другой — его приемником. Таким образом, оптрон представляет собой электрический многополюсник, в котором передача сигнала от входа к выходу осуществляется за счет преобразования входного электрического сигнала в световой сигнал, его передаче внутри устройства и последующего преобразования в электрический выходной сигнал.

В оптронах используются некогерентные оптоэлектронные полупроводниковые приборы. Общим требованием ко всем оптронам является согласованность оптических спектральных характеристик излучателя и приемника. Между входом и выходом оптрона обеспечивается высокая электрическая изоляция, и он служит идеальной гальванической развязкой электрических цепей. В этом, собственно, и заключено его основное достоинство и на этом строятся его применения.

Основным видом излучателя в оптронах является светодиод.

В качестве фотоприемников в оптронах применяют: фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы и фототиристоры. Соответственно по названиям этих фотоприемников и называют весь оптрон.

Резисторный оптрон представляет собой входной светодиод и выходной фоторезистор, объединенные в одном корпусе оптически прозрачным клеем с большим сопротивлением изоляции.

В диодном оптроне аналогично объединены свето- и фотодиод, с которого на выходе снимается фото-ЭДС. Используют также и диодное включение фотодиода.

Транзисторный оптрон состоит из ИК-диода на основе арсенида галлия, имеющего максимум излучения в области максимальной чувствительности приемного фототранзистора (длина волны 1 мкм). Сопряжение излучателя и приемника осуществляется, как и в остальных приборах, прозрачным клеем, являющимся одновременно электрическим изолятором.

В тиристорном оптроне, устроенном аналогично транзисторному, в качестве приемника излучения используется кремниевый фототиристор.

Оптосимистор состоит из арсенид-галиевого ИК-светодиода, соединенного оптическим каналом с двунаправленным кремниевым переключателем (симистором). Последний может быть дополнен отпирающей цепью, срабатывающей при переходе питающего напряжения через нуль и размещенной на том же кремниевом кристалле. Это весьма удобная в использовании оптопара, позволяющая вывести управляющий сигнал с логических элементов, имеющих малый уровень напряжения, на нагрузку, питаемую от сети с напряжением до 800 В. Оптосимисторы размещают в малогабаритных DIP-корпусах с шестью выводами.

Помимо простых вышеперечисленных оптронов используются также и более сложные устройства: оптоэлектронные интегральные микросхемы (переключательные, функциональные и др.), а также специальные виды оптронов с открытым оптическим каналом, с гибким световодом и с управляемым оптическим каналом.

Жидкокристаллические индикаторы

Буквенно-цифровые ЖКИ представляют собой печатную плату, на которой расположены выводы подключения и управляющие элементы. Сверху на печатной плате закреплено жидкокристаллическое табло в металлической оправе.

В ЖКИ используется эффект изменения оптических характеристик некоторых органических жидкостей (относящихся к классу жидких кристаллов) под действием электрического поля с напряженностью 2…5 кВ/см. Изменение ориентации молекул в некоторых производных бензола, ряде гетероциклических соединений и других в области электродов, приводит к локальным изменениям коэффициента отражения и преломления. Это и делает их в этих местах непрозрачными. Таким образом, в проходящем или отраженном свете внешнего источника появляется изображение, сформированное электрическим полем. При снятии напряжения прозрачность структуры восстанавливается.

Управление типовым индикатором осуществляется с помощью специализированных микросхем, соединенных с ними 8- или 4-разрядной шиной через 16-контактный разъем.

В отличие от светодиодов и инжекционных лазеров, ЖКИ являются пассивными приборами, не создающими собственного излучения; невелико также и быстродействие ЖКИ. Это ограничивает область их использования в основном в качестве дисплеев микрокалькуляторов, часов и переносных электроизмерительных приборов. В ЖКИ может использоваться дополнительная подсветка (электролюминесцентная, светодиодная и флуоресцентная с холодным катодом).

 

Микросхемы и микроконтроллеры

Аналоговые микросхемы

Операционные усилители

Всего лишь два-три десятка лет тому назад практически на равных существовали два вида электронных вычислительных машин: аналоговые (АВМ) и цифровые (ЦВМ). Для решения особо сложных задач создавались гибридные вычислительные комплексы из АВМ и ЦВМ.

В отличие от цифровой машины в аналоговой для выполнения каждой математической операции существовал свой специализированный операционный блок: сумматор, «перемножитель», интегратор и т. д. Число таких блоков в одной машине доходило до нескольких сотен. Основу операционного блока составлял сначала ламповый, а потом транзисторный усилитель, получивший название операционного. Операционный усилитель (сокращенно — ОУ) на английском языке называется Operational Amplifier (сокращенно — Op Amp), а радиолюбители ласково окрестили его как «операционник». Поскольку в математических операциях встречаются не только переменные величины, но и константы, представляющие на языке сигналов постоянные напряжения и токи, то ОУ принципиально должен быть усилителем постоянного тока. Значит, его АЧХ должна начинаться с нуля и быть равномерной в широкой полосе частот. В теоретических расчетах используют понятие идеального ОУ с бесконечно большим коэффициентом усиления и полосой частот; на расчетных схемах для него используется специальное УГО (рис. 16, а).

Стабильность работы ОУ должна быть очень высокой, иначе неминуемы ошибки и сбои. Существенный прорыв в улучшении характеристик ОУ и других устройств был достигнут в микросхемотехнике при использовании интегральных технологий.

Рис. 16. Микросхемы:

а — идеальный ОУ; б , г — внешний вид аналоговой и цифровой микросхем; в - е — УГО и компоненты EWB; ж — микроконтроллер

Создание интегральной микросхемы

Двухметровый уроженец Канзаса Джек Килби был тихим, замкнутым человеком. В свое время он не добрал на вступительных экзаменах по математике трех баллов и не смог поступить в Массачусетский технологический институт. Позже он поступил в Иллинойский университет и, окончив его, 10 лет проработал в малоизвестной фирме, выпускавшей радио- и телевизионные детали.

В мае 1958 г. ему представилась счастливая возможность перейти в знаменитую фирму «Texas Instruments». Здесь в то время выполнялся военный заказ по миниатюризации электронных схем на основе микромодулей: электронные элементы печатались на тончайших керамических пластинках, которые затем спаивали в виде стопки, получая нужную схему.

В июле сотрудники компании отправились в двухнедельный летний отпуск. Килби же, как новичку, отпуск еще не полагался. Он остался в лаборатории практически один и вынужден был выполнять сам почти все технологические операции. Снуя по лаборатории от резака к вакуумному посту, от него к микроскопу, от микроскопа к рабочему столу, Килби упорно спаивал стопки пластинок, но работа не клеилась: ему явно не хватало навыков по операциям, в которых набили руку его отдыхавшие коллеги. И тогда его буквально осенило: «Ведь резисторы и конденсаторы можно не только делать порознь из того же полупроводникового материала, что и транзисторы, но и изготавливать все компоненты одновременно на одной и той же полупроводниковой пластине». Это был путь к интегральной технологии.

По прошествии нескольких месяцев он убедил в правильности своей идеи скептически настроенного шефа, изготовив первый грубый опытный образец. Первая в мире интегральная схема (от латинского integer — цельный, неразрывно связанный, единый) еще не отличалась особым изяществом. Она представляла собой сантиметровую германиевую пластинку, на которой размещались всего пять компонентов. Отдельные части схемы были изолированы друг от друга благодаря своей форме в виде букв U, L и т. п. Крошечные проволочки, соединяющие компоненты схемы друг с другом и с источником питания, просто припаивались. Вся конструкция скреплялась воском в лучшем духе сургучно-веревочной техники физического эксперимента времен Майкла Фарадея. Тем не менее, схема работала. Фирма сообщила о рождении принципиально нового устройства в январе 1959 г. Для демонстрации потенциальных возможностей новой технологии компания построила на ее основе компьютер для ВВС США.

Прошло более 40 лет, и вот в 2000 г. Джек Килби вместе с Хербертом Кроемером и российским ученым Жоресом Алферовым были номинированы на Нобелевскую премию по физике за работы «по получению полупроводниковых структур, которые могут быть использованы для сверхбыстрых компьютеров».

По функциональному назначению различают интегральные микросхемы, аналоговые и цифровые. Существуют и смешанные микросхемы, такие как аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразователи, таймер серии 555 и др. В классе аналоговых микросхем выделяют микросхемы с линейными характеристиками — линейные микросхемы, к которым и относятся микросхемы ОУ. Широкое распространение интегральных монолитных ОУ началось с выпуска в 1964 г. фирмой «Fairchild» первого крупносерийного ОУ типа μА702; здесь символ μ происходит от микро, А от Amplifier. Аналогом явилась отечественная микросхема — К140УД1.

В 1965 г. появился знаменитый ОУ типа μА709 (аналог — К153УДЭ). Это была настолько удачная микросхема, что ее ежегодный выпуск достиг 30 млн. Все последующие микросхемы ОУ в той или иной степени генетически несут ее черты. Не случайно ее прозвали дедушкой (granddaddy) операционных усилителей! Стандарт следующего поколения определил ОУ типа μА741 (рис. 16, б, в).

Аналоговые микросхемы выпускают, как правило, функционально незавершенными, что открывает широкий простор для радиолюбительского творчества.

Цифровые микросхемы

Цифровые микросхемы работают с логическими сигналами, имеющими два разрешенных уровня напряжения. Каждая микросхема преобразует последовательность входных сигналов в последовательность выходных. В связи с этим микросхема, заключенная в тот или иной корпус, имеет следующие выводы («ножки»): питания (общий — «земля» и напряжения питания (+5 В или +3,3 В), входы внешних цифровых сигналов и выходы. Большинство микросхем заключено в DIP-корпус с двумя рядами, содержащими от 8 до 40 выводов по продольным боковым сторонам (см. рис. 16, г-е).

Наибольшее распространение получили две технологии (серии или «семейства») цифровых микросхем: ТТЛ (TTL) — транзисторно-транзисторная логика на основе биполярных транзисторов и КМОП (CMOS) — комплементарные транзисторы со структурой «металл-окисел-полупроводник».

Маркировка обычных (стандартных) зарубежных ТТЛ-микросхем начинается с цифр 74, например 7400 и 74121. Популярные КМОП-микросхемы образуют часть семейства 4000, и их номера начинаются с цифры 4, например 4001 и 4501. КМОП-микросхемы были разработаны более 30 лет тому назад в знаменитой американской радиокорпорации RCA. Это легендарные серии CD4000A.B и UB. Отечественные микросхемы имеют более сложную буквенно-цифровую идентификацию, поскольку в ней заключено указание на ее функциональное назначение.

Микросхемы различаются по степени интеграции, функциональному назначению, нагрузочной способности и схеме выходного каскада, быстродействию и энергопотреблению. ТТЛ-микросхемы более «прожорливы» и, следовательно, сильнее нагреваются.

Микроконтроллеры

Термин «контроллер» образовался от английского слова to control — управлять. Традиционно эти устройства основывались на различных принципах работы от механических или оптических устройств до электронных аналоговых. Наиболее распространенными на сегодняшний день являются схемы управления, построенные на основе цифровых микросхем — микроконтроллеры.

Микроконтроллеры — разновидность микропроцессорных систем (микроЭВМ), специализированная на реализацию алгоритмов управления техническими устройствами и технологическими процессами. В отличие от микропроцессора МК представляет собой функционально законченное устройство, готовое к выполнению «зашитых» в него программ, и не требует внешних устройств (разумеется, при этом он может управлять различными внешними объектами).

Еще в 1965 г. Гордон Мур (Gordon Moore), один из будущих основателей могущественной корпорации Intel, обратил внимание на интереснейший факт. Представив в виде графика рост производительности запоминающих микросхем, он обнаружил любопытную закономерность: новые модели микросхем появлялись каждые 18–24 месяца, а их емкость при этом возрастала каждый раз примерно вдвое. Если такая тенденция продолжится, предположил Г. Мур, то мощность вычислительных устройств экспоненциально возрастет на протяжении относительно короткого промежутка времени.

Предвидение Г. Мура впоследствии блестяще подтвердилось, а обнаруженная им закономерность, названная «Законом Мура», наблюдается и в наши дни.

В 1976 г. экспоненциальное развитие полупроводниковой технологии привело к созданию фирмой Intel первого микропроцессора — 8048. Помимо центрального процессора, в его состав входила память программ, память данных, восьмибитный таймер и 27 линий ввода/вывода. Конечно, 8048 уже является достоянием истории, а вот следующее изделие — микропроцессор 8051, выпущенный Intel в 1980 г., живет и здравствует поныне.

Сегодня в мире выпускаются тысячи типов микроконтроллеров и микропроцессоров. Основным классификационным признаком микроконтроллеров является разрядность данных, обрабатываемых арифметико-логическим устройством. По этому признаку микроконтроллеры делятся на 4-, 8-, 16-, 32- и 64-разрядные.

В однокристальных микроконтроллерах все аппаратные средства (микропроцессор, память, таймер, периферийные устройства и программное обеспечение) находятся в одном кристалле. Наружу выводятся только линии ввода/вывода (порты). Наиболее ценным качеством микроконтроллеров является наличие многократно программируемой памяти. Программирование выполняется на языке Ассемблер, позволяющем точно спрогнозировать время выполнения им команд (используются также языки СИ и Паскапь).

Наиболее распространенными в настоящее время являются микроконтроллеры семейства MCS-51. Это семейство поддерживается рядом фирм-производителей микросхем. Не менее распространенными в мире, но не в России, являются микроконтроллеры фирмы Motorolla. Это такие семейства, как НС05, НС07, НС11 и многие другие. Пожалуй, не менее популярными микроконтроллерами являются микроконтроллеры семейства AVR фирмы Atmel, например АТ89 с флэш-памятью программ, являющиеся функциональным аналогом семейства 8-разрядных микроконтроллеров фирмы Intel. Представляют интерес также так называемые PIC-контроллеры (Peripheral Interface Controller) фирмы Microchip, также являющиеся 8-разрядными устройствами. Эти микроконтроллеры имеют электрически программируемые пользователем ППЗУ: минимальное энергопотребление, высокую производительность, хорошо развитую RISC-архитектуру (Reduced Instruction Set Code), функциональную законченность и минимальные размеры. Они дают возможность программировать их после установки в изделие.

Впрочем, одно перечисление семейств микроконтроллеров может занять не один том, а как следствие закона Мура, их число и количество публикаций о них также будет расти по экспоненте.

Ограничимся кратким перечнем изделий, построенных на базе микроконтроллеров: микроАТС, автоответчики, АОНы, мобильные телефоны, зарядные устройства, факсы, модемы, пейджеры, таймеры, системы сигнализации, измерительные приборы, счетчики воды, газа и электроэнергии, дозиметры, приборы автосигнализации, системы управления зажиганием и впрыском топлива, приборные панели и радарные детекторы, интеллектуальные датчики, системы управления электродвигателями, промышленные роботы, регуляторы температуры, влажности, давления и т. д., схемы управления принтерами и плоттерами, сетевые контроллеры, сканеры, схемы управления аудиосистемами, системы синтеза речевых сообщений, видеоигры, системы дистанционного управления, кассовые аппараты и т. д.

Безусловно, этот впечатляющий список будет и расширяться, и углубляться, и читателям, после освоения основ электроники — начального старта, безусловно, придется окунуться в эту бурно развиваемую область.

 

Электроакустические и электромеханические компоненты

Электроакустические компоненты

Важно до конца выяснить, какую роль в восприятии звука играет то обстоятельство, что человеку дано именно два, а не одно ухо.

Т. Хаясака . Электроакустика

Электроакустические устройства представляют собой преобразователи электрических колебаний в акустические (излучатели звука: наушники, громкоговорители и т. п.) или, наоборот, акустических колебаний в электрические (приемники звука: микрофоны, гидрофоны и т. п.). Как правило, это выходные или входные компоненты соответствующих аудиоустройств. Электроакустические преобразователи имеют различный принцип действия, конструктивные особенности и технические характеристики.

Микрофоны

История изобретений микрофонов тесно переплетается с историей рождения телефонов (телефонных аппаратов и телефонной связи), так как они являются обязательными компонентами этих систем.

Официальной датой рождения телефона считается 1876 г., когда американец Александр Грэхем Белл получил свой знаменитый патент. Однако первый телефонный разговор, как свидетельствует околонаучный фольклор, произошел за 16 лет до этого. «Лошади не лопают огуречный салат!» — прокричал в раструб своего замысловатого аппарата Филипп Рейс. «Это я и без тебя знаю, старый осел!», — отчетливо прозвучал в ответ голос его друга, говорившего в аппарат, но в другом помещении. Свое устройство Рейс назвал «телефон» от греческих слов tele — вдаль, далеко и phone — звук; правда, аппарат Белла был более совершенным.

В своем изобретении Рейс использовал то, что на современном языке называется бионикой, взяв за основу механизм восприятия звука ухом. Его «одноухий» звукоприемник представлял собой раструб, прикрепленный сбоку к отверстию в деревянной коробке, закрытому упругой диафрагмой из свиной кишки (аналог барабанной перепонки). В центре диафрагмы размещалась платиновая пластинка, соединенная с одним из полюсов батареи. Второй полюс батареи был соединен с другим аппаратом, и далее цепь замыкалась через платиновую иглу (аналог ушного молоточка), касающуюся углубления в центре пластинки. Внутри углубления помещалась капелька ртути. При попадании звука в раструб колебания диафрагмы приводили к изменению площади касания в системе «игла — ртуть — пластинка» и. следовательно, изменению величины контактного сопротивления. Таким образом, ток в цепи модулировался звуковыми колебаниями.

Излучающее устройство второго аппарата состояло из железной вязальной спицы, укрепленной горизонтально на деревянном резонаторном ящике, а вокруг спицы размещалась катушка, соединенная с первым аппаратом. Переменный ток в катушке возбуждал колебания спицы, и из резонатора раздавался звук, отчасти похожий на тот, который был послан в первый аппарат… Возвращаясь к фольклору, отметим, что в продолжение приведенной выше фразы там пишется: «Рейс так обрадовался удаче, что не обратил внимания на не слишком вежливый ответ». А он и не мог его услышать по этому телефону: его звукоприемник не обладал свойством обратимости, им обладал только второй аппарат. Если друг Рейса произнес ответ, то, в принципе, спица в его аппарате пришла в соответствующие колебания и промодулировала ими ток в цепи аппаратов (так работают электромагнитные адаптеры в электрогитарах). Однако у аппарата Рейса колебания тока не привели бы к синхронным колебаниям иглы и диафрагмы и последующему излучению звука. Для дуплексной связи необходимо было бы иметь второй комплект подобной аппаратуры, с обратными функциями. Поэтому друг Рейса, пока они не изготовили два комплекта, мог бы выразиться и более смачно…

Американский изобретатель Д. Юз в 1878 г. усовершенствовал звукоприемное устройство Рейса (и частично некоторые конструкции Эдисона), заменив, по сути, платиновую иглу на угольный стерженек (типа карандашного грифеля), заостренный с двух концов и опирающийся на углубления в угольных опорах, находящихся на деревянной деке. Переходное сопротивление в угольных опорах изменялось здесь гораздо больше, чем у Рейса. Это — «микрофон Юза», хотя приставка «микро» здесь пока и не очень уместна (если только не сравнивать с ушами слона).

Годом позже железнодорожный инженер из г. Львова Маврикий Махальский, «раскрошив» угольный стержень Юза, получает патент на конструкцию микрофона с чувствительным элементом из угольного порошка. Этот микрофон был усовершенствован и впоследствии превратился в капсюльный угольный микрофон. Увы, как всегда, «страна своих героев не помнит», и этот микрофон, доживший до наших дней, сплошь и рядом, называют именем Юза…

Вполне понятно, что чувствительность этого микрофона значительно превышала чувствительность прототипа, благодаря использованию громадного числа изменяемых под действием звукового давления контактных поверхностей и большой подвижности отдельных зерен порошка.

В телефонах конструкции Белла, как для приема, так и для передачи звука, использовались, по сути, электромагниты с железной мембраной. В режиме микрофона звук колебал мембрану, и она вызывала модуляцию тока в цепи катушки электромагнита, подключенного к батарее, либо имевшей подмагничивание постоянным магнитом. Если этот ток протекал по другому аналогичному устройству, соединенному с первым проводами, то его мембрана колебалась в такт с первой, излучая звук в окружающее пространство.

Помимо порошкового угольного микрофона Махальского, который по принципу действия является тензорезистивным, и микрофона Белла, являющегося электромагнитным, известны микрофоны, основанные на иных принципах: электродинамические, конденсаторные, пьезоэлектрические и электретные (рис. 17).

Рис. 17. Микрофоны:

а — внешний вид; б — УГО

В электродинамическом микрофоне катушечного типа, который изобрели американские ученые Э. Венте и А. Терас в 1931 г., применена диафрагма из тонкой полистирольной пленки или алюминиевой фольги, жестко связанная с катушкой из тонкой проволоки, находящейся в кольцевом зазоре магнитной системы. При колебаниях диафрагмы под действием звука витки катушки пересекают магнитные силовые линии и в катушке наводится ЭДС, создающая переменное напряжение на ее зажимах.

В электродинамическом микрофоне ленточного типа, изобретенном немецкими учеными Э. Герлахом и В. Шоттки в 1924 г., вместо катушки в магнитном поле располагается гофрированная ленточка из очень тонкой (около 2 мкм) алюминиевой фольги.

В конденсаторном микрофоне, изобретенном американским ученым Э. Венте в 1917 г., звук действует на тонкую металлическую мембрану, изменяя зазор и, следовательно, электрическую емкость между мембраной и металлическим неподвижным корпусом, представляющими собой пластины конденсатора электрического. При подведении к пластинам постоянного напряжения изменение емкости вызывает появление тока через конденсатор, сила которого изменяется в такт со звуковыми колебаниями.

В пьезоэлектрическом микрофоне, сконструированном советскими учеными С. Н. Ржевкиным и А. И. Яковлевым в 1925 г., звук воздействует на пластинку из вещества, обладающего пьезоэлектрическими свойствами, например из сегнетовой соли, вызывая на ее поверхности появление электрических зарядов. В настоящее время в качестве чувствительного элемента в подобных микрофонах используют специальные пьезокерамические материалы (титанат бария, цирконат-титанат свинца и др.).

В электретном микрофоне, изобретенном японским ученым М. Егучи в начале 1920-х годов, по принципу действия и конструкции схожем с конденсаторным, роль неподвижной обкладки конденсатора и источника постоянного напряжения играет пластина из «электрета». «Электреты» относятся к материалам, способным сохранять постоянную электрическую поляризацию (и противоположные заряды на поверхностях), подобно тому, как постоянные магниты сохраняют свою намагниченность. С электретными микрофонами связана одна курьезная история времен Второй мировой войны, когда к американцам попал целехонький японский эсминец, и они немедленно стали изучать его техническое оснащение. И вот, когда дело дошло до оценки внутренней телефонии, то американские связисты оказались в полном недоумении из-за отсутствия в телефонах электромагнитов и источников питания. Однако связь безупречно работала. Только после весьма продолжительного специального научного исследования они разгадали эту японскую загадку: телефоны были электретными.

Казалось бы, что теперь-то все уже давно придумано: ведь к началу прошлого века патентов в этой сфере было под 10 тысяч, да еще за 100 лет сколько добавилось! Ан, нет. Вот недавнее сообщение: «44-летний врач Еситака Накадзима изобрел микрофон, который улавливает звук по натяжению и движению мускулов лица, а не по вибрации голосовых связок. Микрофон имеет 1 см в диаметре и 0,5 см в толщину и обладает настолько высокой чувствительностью, что с его помощью тихую и невнятную речь можно хорошо расслышать, даже находясь в комнате, в которой стереофоническая аппаратура включена на очень большой уровень громкости». Подобные устройства в принципе известны и называются ларингофонами (от «ларинго» — гортань). Как видим, здесь «микрофон» практически выродился: он воспринимает сигналы не из воздуха, а в процессе их формирования в мышцах лица или шеи, и затем обрабатывает их в компьютере специальной программой (в ней, по-видимому, заключена новизна изобретения).

Возможно, следующий изобретатель добудет сигналы прямо из мозга или нервных каналов, управляющих работой голосового тракта говорящего человека, но это уж точно будет не «микрофон», а, скорее, своеобразный «мозгофон» или «нервофон». Несомненно, одно: нет предела познанию и процесс творчества бесконечен, поэтому открыто поле деятельности и для наших читателей.

К техническим параметрам микрофонов относят: чувствительность (отношение напряжения на выходе микрофона к звуковому давлению на нем) и динамический диапазон; номинальный диапазон частот, в котором чувствительность соответствует номинальному значению; частотная характеристика и ее неравномерность; диаграмма направленности; модуль полного сопротивления и номинальное сопротивление нагрузки. В зависимости от значений, принимаемых этими параметрами, отечественные микрофоны относят к высшему (нулевому) классу и. соответственно, от первого до третьего. В зарубежной аппаратуре принято выделять HiFi (High Fidelity — высокое качество) устройства, примерно соответствующие отечественному высшему классу.

Излучатели звука и ультразвука

Если микрофоны выполняют функции, аналогичные уху человека, то излучатели звука подобны его голосовому аппарату. Поскольку возможности человеческого голоса ограничены, то издавна старались его усилить, например, сконцентрировать рупорами.

Развитие электро- и радиосвязи, а также собственно звуковоспроизведения привело к созданию многих оригинальных устройств.

В электроакустических преобразователях энергия электрических колебаний превращается в энергию излучаемого звука. Типичными излучателями являются громкоговорители и телефоны (здесь под термином «телефон» подразумевается именно излучатель звука, а не телефонный аппарат).

По способу преобразования колебаний громкоговорители и телефоны подразделяются на электродинамические катушечные (подавляющее число типов громкоговорителей), электромагнитные (основное число телефонов), электростатические, пьезоэлектрические и др.; по виду излучения — на громкоговорители непосредственного излучения, диффузорные и рупорные; по воспроизводимому диапазону — на широкополосные, низко-, средне- и высокочастотные; по потребляемой электрической мощности — на мощные и маломощные.

К техническим характеристикам громкоговорителей и телефонов относятся следующие понятия: номинальная мощность; частотная характеристика по звуковому давлению и ее неравномерность; среднее стандартное звуковое давление (отдача); входное сопротивление; характеристика направленности и др.

Из всех известных видов акустических преобразователей массовое применение в любительской практике нашли электродинамические громкоговорители, в просторечии называемые «динамиками», электродинамические головки прямого излучения и пьезокерамические СЧ и ВЧ излучатели.

Электродинамический громкоговоритель был изобретен и запатентован американцами Райсом и Келлогом в 1925 г. За прошедшее время наиболее заметные изменения в его конструкции связаны с появлением новых материалов для изготовления диффузоров и магнитных систем.

В электродинамическом громкоговорителе (рис. 18) для преобразования электрических колебаний звуковых частот в механические используют взаимодействие поля постоянного магнита с током в подвижной катушке, подключенной к источнику электрических колебаний.

Рис. 18. Громкоговорители:

а — внешний вид; б — вид в разрезе ( 1 — диффузородержатель; 2 — подвес; 3 — диффузор; 4 — пылезащитный колпачок; 5 — звуковая катушка: 6 — гибкие выводы; 7 — магнит; 8 — центрирующая шайба); в — УГО; г — компонент EWB

Катушка, располагаемая в кольцевом зазоре магнита, и жестко связанная с ней диафрагма вместе с магнитной системой образуют так называемую головку громкоговорителя. Взаимодействие тока с магнитным полем вызывает механические колебания диафрагмы, сопровождающиеся излучением звуковых волн либо непосредственно (громкоговорители прямого излучения), либо через рупор (в рупорных громкоговорителях). Качество звучания существенно зависит от типа корпуса, в который помещают громкоговоритель.

Характерные значения сопротивления звуковой катушки электродинамических громкоговорителей составляют 4 и 8 Ом. Типичные значения полной электрической мощности лежат в пределах 0,05…100 ВА. Узкополосные громкоговорители обеспечивают воспроизведение в сравнительно узком интервале частот: сабвуфер (сверхнизкочастотный громкоговоритель) — 20…120 Гц; вуфер (низкочастотный громкоговоритель) — 150…250 Гц; мидрендж (среднечастотный громкоговоритель) — 250…2000 Гц; твитер (высокочастотный громкоговоритель) — 3,5 кГц и выше. Широкополосные громкоговорители обеспечивают работу в большом интервале частот, например 40…15 000 Гц.

В пьезокерамических источниках звука используется «обратный пьезоэффект» — механическая деформация пьезоэлектриков (кварц, сегнетова соль, пьезокерамика) в электрическом поле. Очевидно, первой технической конструкцией подобного излучателя следует считать кварцевый излучатель Шиловского-Ланжевена, изобретенный 1916 г. и использованный в гидролокации.

Современные пьезокерамические излучатели звука выполняют двух- и трехэлектродными. В двухэлектродных излучателях пьезокварцевая пластинка, имеющая металлизированное покрытие с двух сторон, одной из них прикрепляется к металлической диафрагме.

Переменное напряжение, подводимое к диафрагме и другой стороне токопроводящего покрытия на пластинке, вызывает переменные деформации системы, приводящие к излучению звука в окружающую среду. Трехэлектродные устройства имеют дополнительный электрод типа язычка, доходящего до центра пластинки. Сигнал, снимаемый с этого электрода, находится в противофазе с основным возбуждающим сигналом, подаваемым на основные электроды и используется для обратной связи в системе управления. Подобные устройства используют как высокочастотные громкоговорители и излучатели ультразвука (рис. 19).

Рис. 19. Пьезоизлучатель МастерКИТ AK076 :

а — внешний вид; б — модельный пьезокварц в EWB

В конце прошлого века британское министерство обороны объявило о разработках результатов исследований звукоизоляции в кабинах военных самолетов активными шумоподавителями в виде плоского панельного громкоговорителя системы NXT(New Transducer Technology — новые технологии преобразования). NXT — это технология плоских панелей, при которой ее возбуждение осуществляется из одной точки с помощью электродинамических, пьезоэлектрических или других возбудителей. Материалом панели могут служить картон, пластмасса, композиты из углеродного волокна и т. д. Основная идея заключается в получении максимально случайного характера движения любых двух соседних точек поверхности панели относительно друг друга.

В отличие от обычных многополосных громкоговорителей, для воспроизведения всего звукового диапазона используется одна панель NXT, возбуждаемая при помощи одного-единственного преобразователя. При площади 0,6 кв. м нижняя граничная частота составляет 100 Гц, а верхняя — 18 кГц, отклонения частотной характеристики при этом сравнимы с обычными громкоговорителями.

При увеличении площади до 1,5 м2 низкочастотная граница уменьшается до 60 Гц. Панели NXT могут работать при размерах от 25 см2 до 100 м2. Самые маленькие могут быть использованы в системах мультимедиа совместно с ноутбуком (в том числе в сопряжении с «антибликовым» экраном), а самые большие — в кинотеатрах, служа одновременно экраном. В автомобильной акустике подобные устройства могут быть выполнены в виде полки под задним стеклом или фрагмента дверной обшивки, а в помещениях — имитировать его архитектурные фрагменты. При воспроизведении Hi-Fi к относительным недостаткам NXT можно отнести некоторое ограничение полосы низких частот, а также утрату точной локализации.

Существует большое количество самых разнообразных телефонов (наушников, головных телефонов), отличающихся как по принципу действия, так и по конструктивному оформлению. Наиболее распространены электромагнитные телефоны, которые берут свое начало от телефона Белла. Их принцип действия заключается в следующем. На постоянный магнитный поток системы, состоящей из постоянного магнита и магнитопровода (полюсных наконечников), накладывается переменный поток звуковой частоты, создаваемый надетыми на магнитопровод катушками, к которым подводится напряжение звуковой частоты. Перед полюсными наконечниками находится ферромагнитная диафрагма (мембрана). Под воздействием постоянного и переменного магнитных потоков, пронизывающих диафрагму, мембрана колеблется в такт с переменным магнитным потоком и излучает звук.

Для прослушивания радиопередач, звукового сопровождения телепередач и звукозаписи применяются стереофонические телефоны в основном электродинамического типа (рис. 20).

В корпусе находится малый электродинамический громкоговоритель с диффузором или полусферической диафрагмой. Пространство между ним и корпусом заполнено звукопоглощающим материалом (поролон). Перед громкоговорителем находится перфорированная решетка.

Специальные типы телефонов могут обеспечить также и квадрофонические эффекты восприятия звука.

Рис. 20. Головные телефоны:

а — внешний вид;  б — УГО наушника

Электромеханические компоненты

Несмотря на интенсивное развитие электроники как таковой, практически любое электронное устройство имеет в своем составе те или иные электромеханические компоненты. Это связано с рядом обстоятельств. Отдельные внутренние функции ряда систем проще выполняются подобными устройствами. Кроме того, человеку как оператору присуще управление системами посредством механических движений, и замещение «механики на электронику» из этих сфер происходит весьма медленно (например, введение «голосового управления»). Наконец там, где ряд входных или выходных функций устройств являются по своей природе механическими (датчики, привод и т. п.) — подобная электромеханика только совершенствуется, а не исчезает.

Коммутационные компоненты

К коммутационным относятся устройства, скачкообразно изменяющие значения своих параметров при определенном воздействии. Примером может служить обычный выключатель лампы бытового освещения, кнопки вызова лифта и т. п.

Различают устройства, в которых усилие оператора направлено перпендикулярно панели, на которой оно размещено (нажимные микропереключатели и кнопки), и параллельно панели (тумблеры, движковые и клавишные переключатели). Распространены также устройства, управляемые вращением. К ним относятся переключатели: поворотные, пакетные, галетные, щеточные, роторные и т. п.

В технических характеристиках учитывают: габариты и способ крепления: количество и тип контактов; усилие привода; диапазон коммутируемых токов и напряжений; допустимое число коммутаций.

В радиолюбительских конструкциях, да и профессиональной аппаратуре широко используются различные переключатели (рис. 21).

Рис. 21. Переключатели:

а — микропереключатель;  б — DIP-переключатель; в — тумблер; г — УГО многополюсного переключателя; д — компонент EWB

Например микропереключатели типа МП1-МП11 с тремя контактными группами («тройки»), позволяющие коммутировать токи от 0,2 до 500 мА при напряжении от 0,2 до 30 В (рис. 21, а). В последнее время появились компактные блоки DIP-переключателей (рис. 21, б). Еще одним популярным типом механических коммутирующих устройств является перекидной переключатель (рис. 21, в), называемый тумблером (от англ. tumbler). Наиболее распространены тумблеры с двумя парами коммутируемых контактов, используемые в аппаратуре обычно в качестве выключателей сетевого питания, и с четырьмя парами контактов.

Реле

Это устройства, в которых при изменении условий в одной электрической цепи замыкаются и (или) размыкаются контакты, которые управляют работой другого устройства в той же или другой электрической цепи. Существуют и бесконтактные (электронные) реле.

Слово «реле» происходит от франц. Relais, означающего в доэлектрическую эпоху, как это не странно, пункт смены почтовых лошадей. Электромагнитное реле с нормально-замкнутым контактом было изобретено американским физиком Дж. Генри в 1837 г.; позже он предложил для телеграфа Морзе использовать цепь дистанционной передачи из подобных релейных станций.

По принципу действия различают реле: электромагнитные, магнитоэлектрические, индукционные, электродинамические, электротепловые и др.

В электромагнитных реле механическая работа, необходимая для замыкания и размыкания контактов, совершается за счет изменения магнитной энергии в рабочем воздушном зазоре электромагнита.

Реле классифицируют по ряду признаков.

По роду управляющего тока: постоянного и переменного; по потребляемой мощности: высокочувствительные (до 10 мВт), чувствительные (до 0,1 Вт) и нормальные (более 0,1 Вт); по виду контактов: с точечными, линейными, плоскостными и ртутными контактами.

По быстродействию: сверхбыстродействующие (время срабатывания и отпускания до 5 мс), быстродействующие (5…50 мс), нормальные (50…150 мс), замедленные (0.15…1 с) и реле времени (> 1 с).

По массогабаритным характеристикам: малогабаритные, миниатюрные и сверхминиатюрные.

Магнитные системы реле могут содержать постоянные магниты — поляризованные реле, или быть нейтральными.

Подвижную часть реле, воздействующую на контакты, называют якорем. Якорь может перемещаться поступательно либо поворачиваться на некоторый угол (рис. 22).

В контактных группах реле различают два типа контактов: замыкающие, которые при отсутствии тока в обмотке реле находятся в разомкнутом состоянии (нормально разомкнутый контакт — HP), и размыкающие, находящиеся при отсутствии тока в обмотке в замкнутом состоянии (нормально замкнутый контакт — НЗ). Кроме этого реле может иметь и переключающие контакты.

Рис. 22. Электромагнитные реле:

а — внешний вид; б — устройство ( 1 — катушка; 2 — сердечник; 3 — ярмо; 4 — Н3; 5 — переключающий контакт; 6 — HP; 7 — толкатель); в — компонент EWB

Основными параметрами реле являются: род тока; величина тока или напряжения срабатывания и соответственно отпускания; тип контактных групп.

К особому типу реле относится магнитоуправляемый контакт или геркон (герметичный контакт). Геркон представляет собой вакуумированную запаянную трубку, в торцы которой, вдоль продольной оси, введены пружинные контактные лепестки из ферромагнитного материала. Величина зазора между пластинками резко зависит от внешнего магнитного поля. Когда сила притяжения между лепестками превышает силу упругости, то лепестки замыкаются, образуя электрический контакт. Геркон, помещенный в катушку, работает как обычное реле. Он может управляться и приближением, либо перемещением постоянного магнита или экрана (подобные устройства использовались в клавиатурах прежних компьютеров и применяются в охранной сигнализации).

Для коммутации силовых цепей (пуск асинхронных двигателей и т. п.) разработаны герметичные силовые контакты — герсиконы, имеющие в области замыкания тугоплавкие наплавки и работающие в среде специального защитного газа.

Магнитоуправляемые контакты выполняют как с замыкающими, так и с размыкающими контактами.

Телеграфный ключ

Телеграфист с передаточной загадал барышне с промежуточной какое-то слово, начинающееся на букву «л«, и такой насмешник — стучит и стучит все одни и те же знаки:

.-…-…-…-..

Но барышня никак не может отгадать этого трудного слова.

А.И. Куприн . Телеграфист

Это устройство (рис. 23) представляет собой специальный выключатель, служащий для быстрого размыкания и замыкания одной из цепей радиопередатчика при телеграфной передаче (манипуляции).

Рис. 23. Телеграфные ключи:

а — классический ключ ( 1 — подставка; 2 — задний контактный винт; 3 — двуплечий рычаг; 4 — рукоятка ключа; 5 — передний контакт; 6 — плоские стальные контактные пружины с серебряными контактными напайками; 7 — пружины); б — телеграфный манипулятор «Альманах-ПРО» Мастер КИТ MK327 ; в — телеграфный манипулятор «Эклипс» MK328 ; г — телеграфный манипулятор «Зеро» MK329

На радиостанциях малой мощности телеграфный манипулятор включается непосредственно в передатчик, а в мощных — управляет их работой через реле.

Простой вертикальный ключ (рис. 23, а) состоит из коромысла, на одном конце которого находится замыкающий контакт и специальная ручка для захвата ключа рукой. На таком ключе оператор длинным нажатием на ключ передает тире, коротким — точку, т. е. формирование телеграфных знаков происходит «вручную». В современном исполнении подобный ключ показан на рис. 23, в. Помимо описанного классического (вертикального) ключа, радиолюбители широко пользуются ключом, манипулятор которого (рис. 23, б, г) выполнен в виде рычага, на который слегка нажимают влево или вправо. Как правило, ключи последнего типа совмещают со специальной электронной частью радиостанций, формирующей последовательность тире при нажиме в одну сторону (влево), и — последовательность точек при манипуляции в другую сторону (вправо).

Возможен также реверс указанных сигналов по отношению к выбору их ориентации. Таким образом, знаки телеграфной азбуки формируются автоматически манипуляцией в разные стороны рычага манипулятора, служащего механической частью электронного ключа радиостанций. Радиолюбители умудряются изготовлять подобный манипулятор из отрезка ножовочного полотна; начинать с работы на подобном «инструменте» не рекомендуется: придется долго переучиваться, чтобы правильно «поставить руку».

В англоязычной литературе классический ключ называется Key, а с горизонтальными манипуляциями — Paddle. Последние выполняются в двух разновидностях: non-iambic и iambic, т. е. «неямбические» и «ямбические» (совмещаемые с электронным ключом).

Это название дано по ассоциации с ямбом — двухсложной стопой стихосложения, имеющей краткий безударный слог (аналог телеграфной точки) и долгий ударный слог (аналог тире).

Изобретение классического телеграфного ключа связано с именем американского профессора живописи и рисования С. Морзе, построившего в первой половине XIX в. после консультаций Дж. Генри вариант электромагнитного телеграфа и предложившего оригинальный способ последовательного кодирования сигналов: знаменитую «азбуку Морзе». В своем телеграфе Морзе, неискушенный в электротехнике (обмотку электромагнита он намотал оголенным проводом), сначала использовал не ключ, а наборное зубчато-штифтовое устройство, из которого позже родились перфораторы, перфоленты и перфокарты. Собственно телеграфный ключ был сконструирован инженерами организованной им фирмы, хотя и назывался «ключом Морзе», да и азбуку его имени, возможно, изобрел его помощник А. Вейл. Безусловно, нельзя отказать С. Морзе в его упорной работе по усовершенствованию аппаратов и продвижению телеграфа в деловую жизнь.

Создание первого практически пригодного электромагнитного телеграфа — заслуга русского электротехника Б. Л. Шиллинга.

Апогеем многочисленных работ в области проводной телеграфии, проведенной исследователями и инженерами во всем мире, явилось установление телеграфной связи между континентами через подводный кабель, пересекший Атлантический океан в 1866 г.

Вот как впоследствии оценивал эти события немецкий писатель Стефан Цвейг: «Мы, более поздние поколения, никогда не сможем понять восхищения тех, кто был свидетелем первых успехов электрического телеграфа, их безмерного и восторженного удивления перед тем, что та же самая, едва ощутимая искра “Лейденской банки”, которая еще вчера преодолевала лишь расстояние в один дюйм до сустава подставленного пальца, превратилась вдруг в могучую силу, способную проложить себе путь через равнины, горы и целые материки…». Безусловно, эти слова могут быть перенесены еще и на более позднее, но и более эпохальное событие — передачу кодом Морзе первой радиограммы А. С. Поповым (см. далее).

При передаче текста кодом Морзе каждая буква передается в виде определенной последовательности длинных и коротких сигналов — «тире» и «точки». В настоящее время, несмотря на широкое развитие голосовой связи, кодовая передача продолжает широко использоваться, так как имеет два больших преимущества.

Первое — это большая помехозащищенность и возможность передачи на большие расстояния, и второе — возможность получения и сохранения копии сообщения на бумаге или другом носителе.

Первые передачи велись ключом, оператор должен был сам посылать и принимать коды. Затем стали использоваться телетайпы, аппараты похожие на пишущую машинку, когда для передачи буквы нужно только нажать соответствующую клавишу, а необходимый код создается телетайпом. С появлением компьютеров они стали широко использоваться для подобных целей.

Телеграфная азбука (система кодировки символов короткими и длинными посылками для передачи их по линиям связи, известная как «код Морзе», или «морзянка»), которую применяют сейчас, существенно отличается от той, что изобрел в 1838 г. С. Морзе. Исходная таблица кода Морзе сильно отличалась от тех кодов, которые сегодня звучат на любительских диапазонах. Во-первых, в ней использовались посылки трех разных длительностей (точка, тире и длинное тире). Во-вторых, некоторые символы имели паузы внутри своих кодов. Кодировки современной и исходной таблиц совпадают примерно для половины букв (А, В, D, Е, G, Н, I, К, М, N, S, Т, U, V и W) и не совпадают ни для одной цифры. Кроме того, при построении кода ряда символов в оригинальной «морзянке» использовались разные принципы: сочетания «двойное тире» (буква L) и даже «тройное тире» (цифра 0); некоторые символы включали в себя паузу. Латинская буква С передавалась тогда как «две точки-пауза-точка», что совпадало с буквами И и Е, переданными друг за другом. Все это заметно осложняло прием радиограмм.

Вариант азбуки Морзе для Европы был разработан австрийцем Фредериком Герке; именно он ввел в код одинаковые пробелы и всего лишь две длительности импульсов — точку и тире и ряд других упрощений. Американский и европейский варианты использовались для отправки сообщений по кабельным линиям, при переходе же к радиотелеграфу потребовался унифицированный код.

Вообще азбука Морзе неминуемо прошла весь путь, который проходила и обычная азбука, применяемая для письма.

Современный вариант международного «кода Морзе» (International Morse), или МТК появился в 1939 г., и имеет в своей основе «код Герке», хотя и не совпадает с ним полностью. Так называемый «континентальный» вариант продолжал еще использоваться кое-где на железных дорогах до середины 1960-х годов.

МТК является универсальным для языков на основе латиницы, но похожие коды были разработаны и для других алфавитов: так в эфире можно услышать своеобразный «японский код».

Для сообщений телетайпом (буквопечатающих телеграфных аппаратов стартстопного типа с клавиатурой) используется специальный код Бодо, унифицированный как Международный телеграфный код (МТК-2). Этот код является равномерным и в нем используется 5 двоичных знаков (точка/тире или ноль/единица) для каждого символа, а кодовая таблица содержит 32 позиции, от 0 до 31. В телетайпе применяется частотная манипуляция с двумя звуковыми сигналами частотой 170 Гц, передаваемым по отдельности, а каждый знак передается пятью битами. В радиоэфире телетайпные сообщения звучат как непрерывная трель и для их приема используются специальные декодеры. Совмещение идеи телетайпа с компьютером привело к созданию цифровой радиосвязи.

В настоящее время, когда происходит активный симбиоз радиолюбительского пакетного радио и сети Интернет, впервые за последние 65 лет в международный радиотелеграфный код Морзе был введен новый символ — «@». Введение в «морзянку» нового символа призвано удовлетворить, прежде всего, радиолюбителей, обменивающихся электронными адресами и почтой. Код символа «@» имеет вид: «точка-тире-тире-точка-тире-точка». Он составлен из кодов двух латинских букв — А («точка-тире») и С («тире-точка-тире-точка»), передаваемых без паузы.

Электродвигатели

Трудно составить такую комбинацию из магнитов, переменного тока и кусков меди, которая не имела бы тенденции к вращению.

У. Томсон

Электрические двигатели — это устройства, в которых происходит преобразование электрической энергии в механическую. Общая классификация предусматривает следующее разделение двигателей. По виду механической энергии на их выходе: на двигатели вращательного или поступательного (линейного) движения. По роду тока — переменного тока (асинхронные и синхронные) или постоянного тока, а также универсальные; по мощности — силовые и микродвигатели (двигатели малой мощности: примерно до 0,6 кВт).

Кроме того, в классификации могут использоваться и другие признаки: назначение, исполнение, вид физического эффекта, лежащего в основе преобразования энергии, способы управления и т. п.

Для радиолюбителей электродвигатели, как компоненты разнообразных устройств, в основном могут представить интерес в приводах орг- и бытовой техники, электроинструменте, в игрушках и моделях. Все это двигатели малой мощности, но самых разнообразных типов.

Создание электродвигателя условно можно отнести к одной из ступеней «очеловечивания» обезьяны по механической линии: палка, колесо, ветро- и гидродвигатели (и движители), тепловые устройства и машины (паровая, пороховая, реактивная, двигатель внутреннего сгорания), электродвигатель.

Первый шаг в этом направлении сделал М. Фарадей, описавший в 1821 г. опыты по вращению проводника в магнитном поле, а один из промежуточных, но результативных — Б. С. Якоби. В 1838 г. по реке Неве двигался бот с 12 пассажирами, приводимый в движение «магнитным двигателем» Якоби. Работа двигателя постоянного тока основана на взаимодействии проводников с током, располагаемых на якоре (вращающаяся часть двигателя) и магнитного поля, создаваемого обмоткой возбуждения, находящейся на магнитных сердечниках (полюсах) статора (рис. 24).

Рис. 24. Двигатель постоянного тока:

а — вид в разрезе ( 1 , 6 — подшипниковые щиты; 2 — щетки; 3 — обмотка возбуждения; 4 — корпус; 5 — статор; 7 — вал; 8 — сердечник якоря; 9 — полюс; 10 — обмотка якоря; 11 — коллектор; 12 — подшипник); б — микродвигатель; в — компонент EWB

Поле возбуждения может также создаваться не обмоткой, а постоянными магнитами. Это взаимодействие приводит к появлению сил Ампера, создающих электромагнитный вращающий момент.

Подключение обмотки якоря к внешней цепи осуществляется через специальный щеточно-коллекторный узел. В последнее время появились бесколлекторные двигатели постоянного тока, имеющие датчики положения якоря и специальный полупроводниковый коммутатор.

В зависимости от способа соединения цепи якоря и обмотки возбуждения различают двигатели: независимого возбуждения, в которых обмотки питаются от разных источников (частный случай — возбуждение от постоянных магнитов); параллельного, последовательного и смешанного возбуждения. Вид механической характеристики (зависимости частоты вращения вала от нагрузки на нем) зависит от типа возбуждения.

В паспортных данных двигателей обычно указывают: напряжение питания, В; мощность (механическая мощность на валу) Вт или кВт; частоту вращения, об/мин; потребляемый ток, А. Реже можно встретить крутящий момент, момент инерции и другие характеристики.

Важной особенностью двигателей постоянного тока является простота регулирования частоты вращения с помощью реостатов, включаемых в цепь возбуждения или якоря, а также тиристорных преобразователей. При этом надо не забывать, что одновременно будет изменяться и момент (мощность) на валу двигателя.

В электродвигателях переменного тока неподвижная обмотка статора так распределена в пазах его внутренней поверхности, что при определенных способах питания ее переменным током, создаваемое ею магнитное поле вращается вокруг оси системы. Наиболее просто вращающееся поле получается в двух случаях.

В двухфазной системе (рис. 25) две обмотки (фазы) статора размещаются взаимно перпендикулярно (пространственный сдвиг) и питаются переменными синусоидальными напряжениями сдвинутыми по фазе также на 90° (временной сдвиг).

Рис. 25. Двухфазный асинхронный двигатель:

а — вид в разрезе ( 1 — обмотки статора; 2 — ротор); б — микродвигатель; в — УГО (РО — рабочая обмотка; УО — управляющая обмотка)

Таким образом, поле одной обмотки относительно ее оси (перпендикулярной оси двигателя) колеблется по синусоидальному закону, а второй — по косинусоидальному. Сложение этих взаимно перпендикулярных колебаний приводит к появлению суммарного магнитного поля, вращающегося вокруг оси статора. Смещение фазы напряжения второй обмотки на 90° в большинстве случаев получают за счет питания этой обмотки через конденсатор.

Принцип двухфазного двигателя был предложен итальянским ученым Г. Феррарисом и американским ученым и инженером, сербом по национальности, Н. Тесла практически одновременно во второй половине XIX в.

Еще более поразительным по своей оригинальности и простоте является второй вариант, предложенный в 1888 г. русским инженером-электриком, работавшим в германской компании АЭГ, М. О. Доливо-Добровольским. В его конструкции на статоре под углом 120° друг к другу размещались три фазные обмотки, питаемые от трехфазной сети переменного тока (напряжения отдельных фаз в этой сети имеют временной сдвиг, равный 1/3 периода). В результате образовывалось вращающееся магнитное поле.

В асинхронных двигателях это поле, пересекая проводники обмотки ротора, индуцирует в них ЭДС, которая создает ток в этих проводниках, если они замкнуты, например, как в короткозамкнутом роторе (по типу беличьей клетки, также предложенной М. О. Доливо-Добровольским). Взаимодействие вращающегося магнитного поля статора и проводников с токами в роторе приводит к появлению сил Ампера и вращающего момента. Ротор вращается вслед за полем статора, но с некоторым скольжением, т. е. асинхронно.

В мощных синхронных двигателях ротор в большинстве случаев представляет собой электромагнит. Для этого на валу размещают два сплошных контактных кольца (не путайте с коллектором) и питают обмотку ротора через щетки постоянным током, например от выпрямителя (двигатель при этом все равно относится к машине переменного тока — по принципу действия и питанию обмотки статора).

В маломощных двигателях ротор и вовсе выполняют как постоянный магнит, и проблемы с его питанием и особенностями классификации исчезают.

В некоторых микродвигателях ротор выполняют из магнитотвердых материалов (гистерезисные двигатели) или придают асимметрию его магнитной системе (реактивные двигатели).

Пуск синхронного двигателя происходит на «асинхронном моменте», для этого в мощных двигателях дополнительно размещают короткозамкнутую обмотку, а в маломощных начальные токи индуцируются просто в металлическом теле ротора. Далее ротор втягивается в синхронизм, продолжая вращаться вслед за полем статора с той же угловой частотой.

Интересной особенностью синхронных двигателей является возможность электрической редукции частоты вращения ротора по отношению к частоте вращения поля статора. Проще всего понижение частоты вращения ротора (субсинхронный режим) достигают выполнением на роторе значительно большего числа зубцов, чем на статоре.

Развитие цифровой техники стимулировало появление специального типа синхронных двигателей — шаговых двигателей. Собственно один из первых лабораторных электродвигателей, предложенный итальянским физиком Сальваторе даль Негро в 1831 г., содержащий электромагнит с храповым колесом, был предтечей шаговых двигателей. Подобные устройства впоследствии широко применялись в телефонии и телеграфии («шаговый искатель», стартстопные аппараты, импульсные механизмы дистанционной связи). Однако к середине прошлого века эта ветвь двигателестроения уже не развивалась. Появление ЭВМ привело к реанимации этого направления и бурному развитию дискретного привода.

Примером современного использования шаговых двигателей является привод перемещения считывающих и печатающих головок в различных устройствах.

В шаговых двигателях (рис. 26), имеющих ротор в виде постоянного магнита, последовательности импульсов в виде команд подаются на группы обмоток статора (имеющих 4, 6 или 8 выводов) так, что максимум суммарного поля поворачивается на определенный угол, ротор также поворачивается, следуя за полем и делая шаг, занимает новое положение.

Рис. 26. Шаговый двигатель:

а — общий вид;  б — схема (А, В — управляющие обмотки; НВ — ротор)

Шаговые двигатели работают в комплекте с электронным коммутатором, переключающим обмотки управления на статоре с последовательностью и частотой, соответствующей заданной команде. Например, ротор может выполнять 48 шагов за один полный оборот, что соответствует угловому перемещению 7,5. Управление двигателями осуществляют от специальных микросхем или микроконтроллеров.

При подключении шаговых двигателей надо обратить внимание на рабочее напряжение, маркировку обмоток и величину вращающего момента.

Среди оригинальных конструкций микродвигателей, появившихся в последнее время, следует упомянуть пьезоэлектрические устройства, в которых колебания пьезокерамической пластинки через специальный упругий элемент приводят во вращение массивный ротор.

 

Антенно-фидерные устройства

С антенн начинается радиоприемник и ими заканчивается радиопередатчик. Слово «антенна» происходит от лат. antenna — мачта, рея. Антенны сопрягают электронные цепи преобразования сигналов с окружающим пространством, в котором распространяются радиоволны. Задача антенны заключается в преобразовании энергии электромагнитных волн, приходящих из окружающего пространства, в энергию электрических колебаний в приемном устройстве с сохранением заключенной в сигнале информации и, соответственно, в обратном преобразовании для передатчика.

Интуитивная догадка о конечной скорости распространения электромагнитных возмущений, наподобие волн иной физической природы, впервые была зафиксирована М. Фарадеем в его особом письме в Королевское общество Англии в 1832 г. Однако Фарадей, будучи по духу экспериментатором, не получив четкого экспериментального подтверждения своей гипотезы не опубликовал эту гипотезу, а лишь изложил ее в письме, которое запечатал и передан для хранения в архив. Когда в 1938 г. письмо вскрыли, то правота Фарадея и его приоритет стали очевидными.

Теорию электромагнитных волн и их родство со светом развил в своих работах Дж. К. Максвелл: он «родил» электромагнитные волны на кончике пера. Правда, как считан сам Максвелл, он лишь придан трудам Фарадея («плебейским», по выражениям других физиков, вследствие отсутствия в них математической «мишуры») строго математический («аристократический») вид.

Знаменитые «уравнения Максвелла» уже давно стали основой классической электродинамики, но вначале они представляли собой лишь не подтвержденную практикой теорию, разбросанную по всему «Трактату» и записанные не так, как приводятся сейчас. Эта работа всколыхнула многих ученых. Немецкий физик Генрих Герц, ученик Гельмгольца, первым ринулся ее ниспровергать, проводя многочисленные оригинальные и кропотливые опыты, но добился прямо противоположного результата: открыл существование электромагнитных волн в свободном пространстве и подтвердил их аналогию со светом.

5 декабря 1886 г. Герц пишет в письме Гельмгольцу (не разделявшему взглядов Максвелла): «Мне удалось совершенно определенно установить индукционное действие одной незамкнутой прямолинейной цепи на другую незамкнутую прямолинейную цепь».

Установка Герца была гениально проста. Источник высокого напряжения (типа автомобильной бобины) возбуждал кратковременный искровой разряд в воздухе между небольшими шариками, от которых горизонтально в две противоположные стороны отходили металлические стержни с большими шарами на концах. Позже это устройство назвали «вибратором Герца».

Индикатор представлял собой плоскую проволочную рамку с малым воздушным разрывом между хорошо зачищенными концами, располагаемыми в плоскости вибратора на удаленном от него конце. Регулировка этого зазора проводилась микрометрическим винтом, а систематические наблюдения за его состоянием — под микроскопом. Это устройство позже назвали «резонатором Герца».

12, 13 ноября 1886 г. Герц отмечает в своем дневнике: «Посчастливилось установить индукционное действие друг на друга двух незамкнутых цепей с током. Длина цепей 3 м, расстояние между ними 1,5 м». Герц обрадовался, увидев маленькую искорку в разряднике резонатора — это была «искра Божья», приведшая его к открытию, вместо предполагаемого «закрытия». А природа продолжала удивлять его: искра проскакивала и тогда, когда он перенес резонатор в другую комнату за дверь, благо она в то время была деревянной. Открытые волны, долгое время называемые «волнами Герца», послушно преломлялись в полуторатонной асфальтовой призме, как свет в стеклянной…

Подтвердив теорию Максвелла, Герц с немецкой пунктуальностью записал систему основных дифференциальных уравнений. Он использовал витиеватый и крайне неудобный готический шрифт (хорошо еще, что эта работа не проходила в стране «восходящего Солнца» или в «Поднебесной»). Современный вид того, что на всех языках теперь принято называть «уравнениями Максвелла», придал замечательный ученый-самоучка, его соотечественник О. Хевисайд.

В 1894 г. безвременно оборвалась жизнь Герца, но рожденные им волны продолжали жить. В этом же году английский физик О. Лодж прочитал в его память лекцию, продемонстрировав систему Герца, но используя в качестве регистратора волн вибратор, дополненный когерером, созданным на основе открытого французским ученым Э. Бранли эффекта уменьшения сопротивления металлических порошков под влиянием электромагнитного излучения. В цепь когерера включалась батарея и гальванометр, уверенно показывающий результат прихода волн большой аудитории.

Работы Герца и доклад Лоджа стали достоянием ученых и инженеров всего мира, и двое из них почти одновременно и, возможно, независимо друг от друга сделали следующие революционные шаги в рождении радиотехники.

7 мая 1895 г. преподаватель Минного офицерского класса в г. Кронштадте А. С. Попов продемонстрировал на заседании Физического общества в Петербурге прием электромагнитных волн от «герцевского вибратора» на изобретенный им прибор. В ознаменование этой даты в нашей стране с 1945 г. 7 мая был установлен как ежегодный День радио.

Приемник Попова, названный «грозоотметчиком» по одной из его функций, в отличие от устройства Лоджа, имел в своем составе ряд дополнительных элементов: реле, позволявшее с помощью принимаемых сигналов проводить их регистрацию (звуковую или запись на ленту); автоматический ударник, приводивший когерер в исходное состояние после приема очередного импульса; экран в виде клетки Фарадея, защищавший когерер от внешних помех, и, наконец, приемную антенну. Позже понятие об антенне, да и сам термин, были впервые употреблены в письме французского физика А. Блонделя к А.С. Попову в связи с изобретением последним антенн. А. Блондель в 1898 г. указал на необходимость учета влияния земли на работу вертикального вибратора и предложил, считая землю идеальным проводником, заменять ее в расчетах зеркальным изображением.

В первой конструкции Попова звонок одновременно выполнял функцию ударника, регенерирующего когерер. Приемник был выполнен в виде отдельного законченного устройства, а не набора, собираемого для проведения физических опытов или лекционных демонстраций (как у Лоджа), кроме того, и дальность приема была уже значительной.

В марте 1896 г. Попов продемонстрировал передачу по «беспроволочному телеграфу» сообщения между химическим и физическим корпусами Петербургского университета. Была использована не только приемная, но и передающая антенна, а текст сообщения — «Heinrich Hertz», напечатанный в коде Морзе на ленте, явился первой в мире радиограммой.

2 июня 1896 г. итальянский инженер-электрик Г. Маркони получил английский патент на «…усовершенствование в передаче электрических импульсов и сигналов на расстояние и в аппаратуре для этого». Его устройство мало чем отличалось от системы Попова, однако Маркони, получив патент, создал коммерческое предприятие и начал интенсивно развивать приемопередающую аппаратуру в мировом масштабе, тогда как работы Попова фактически ограничивались рамками Морского ведомства России и были весьма стеснены в средствах.

В отличие от большинства компонентов, рассмотренных в предыдущих разделах, составляющих различные электрические цепи, в которых распространение электромагнитных волн не имеет существенных задержек во времени прихода сигнала в различные части, в антенно-фидерных устройствах эти явления составляют сущность их функционирования. Если геометрия (размеры и конфигурация) соединения цепей в принципе не имеет большого значения (за исключением взаимных наводок и теплоотвода), то изменение геометрии в антеннах приводит к существенным изменениям их характеристик.

Процессы в антеннах зависят от соотношения между их размером и рабочей длиной волны: для оценок можно принять, что она не должна быть на порядок меньше, иначе ее эффективность будет ничтожно мала. Поскольку в современной радиоэлектронике используются волны с длиной от децимиллиметров до десятков километров, то и конструкции антенн имеют большое разнообразие в зависимости от диапазона и назначения.

По назначению различают антенны для радиовещательных станций, радиосвязи, телевизионные, для радиолокации и радио-телелемеханики, а также для радиоастрономии.

Основными элементами антенн являются, как правило, симметричные или несимметричные вибраторы. Симметричный вибратор (восходящий к Герцу) представляет собой два проводника одинаковой длины (в большинстве случаев в сумме составляющей половину длины волны — полуволновый вибратор), между которыми включается фидер (питающая линия), соединяющая антенну с передатчиком/приемником. Примером такой антенны является простейшая телевизионная антенна, показанная на рис. 27, а.

Рис. 27. Антенны:

а — простейшая телевизионная антенна ( 1 — полуволновой вибратор; 2 — фидер; 3 — подставка; пунктиром показано распределение тока I вдоль вибратора; λ — длина рабочей волны); б — вертикальная КВ-антенна

Вертикальная антенна (рис. 27, б) представляет, по сути, несимметричный вибратор (восходящий к Попову), в ней используется один проводник, подсоединенный к передатчику/приемнику. Один из зажимов последнего соединяется с землей (противовесом).

Важнейшей характеристикой антенн являются их поляризационные параметры. Электромагнитные волны могут иметь различную поляризацию — упорядоченное расположение вектора напряженности электрического поля в пространстве. В линейно поляризованной волне этот вектор при распространении остается параллельным самому себе.

Плоскость, в которой лежит вектор напряженности электрического поля, ориентируют горизонтально по отношению к земле (горизонтальная поляризация) или вертикально (вертикальная поляризация). Например, в системе эфирного телевизионного вещания, принятой в России, используется горизонтальная поляризация, что не трудно увидеть по расположенным горизонтально элементам антенн коллективного пользования, установленным на крышах зданий. Тогда как в США используется вертикальная поляризация, и приемные диполи там, соответственно, ориентированы вертикально.

В качестве фидера в телевизионных антеннах (а также в ряде других случаев) используют коаксиальный кабель. Коаксиальный ВЧ-кабель (рис. 28, а) состоит из центрального многопроволочного медного проводника, окруженного толстой полиэтиленовой оболочкой, одетой в медную оплетку, поверх которой имеется защитная полиэтиленовая оболочка. Внутренний проводник может быть также однопроволочным с изоляцией в виде диэлектрических шайб (рис. 28, б).

Рис. 28. Коаксиальные кабели:

а — с многопроволочным внутренним проводником и сплошной изоляцией; б — с однопроволочным внутренним проводником и изоляцией из диэлектрических шайб; в — ВЧ-разъем; г — компоненты EWB (линии передачи без потерь и с потерями)

Разборное соединение кабеля с отдельными блоками аппаратуры производится с помощью специальных разъемов (рис. 28, в).

Основные характеристики этих кабелей связаны с неискажаемой передачей информации. Кабель должен быть согласован по входу и выходу своим волновым сопротивлением и иметь малое затухание сигнала, а также быть экранированным от внешних электромагнитных наводок. Наиболее распространены кабели с волновыми сопротивлениями 50 и 75 Ом.

Свойства передающих антенн выражают через КПД, сопротивления излучения, волновое и входное, характеристику направленности, коэффициент усиления, частотную характеристику и полосу пропускания.

В зависимости от последних факторов различают широкополосные и диапазонные антенны.

Конструкции приемной и передающей антенн могут отличаться, однако их основные характеристики при использовании в другом режиме сохраняются (свойство взаимности), если схемы включения антенны в передатчике и приемнике соответствуют друг другу. Поэтому по многим вышеперечисленным характеристикам передающих антенн можно судить и об антеннах приемных.

Важной характеристикой приемных антенн является их действующая длина (высота) и согласование ее с фидерной линией.

Действующая высота антенны — коэффициент пропорциональности между ЭДС, наведенной в антенне электромагнитной волной, и напряженностью поля при вертикальной поляризации; сопротивление излучения — величина, пропорциональная произведению квадрата отношения действующей высоты антенны к длине рабочей волны.

Большое влияние на работу антенн оказывает земля. Специальное заземление через грозовой переключатель и разрядник обязательно выполняется для наружных антенн с целью предохранения людей, аппаратуры и зданий от проявлений атмосферного электричества во время грозы. Грозоразрядники являются непременным атрибутом коммерческих радиосистем. Любители коротковолновики и ультракоротковолновики также всегда уделяют внимание проблемам грозозащиты. Однако старое «дедовское» отключение входных цепей и питания при приближении грозы — это самый надежный способ. Все-таки, радио родилось от грозы, не дайте ему от нее и погибнуть.

В отличие от приемных либо передающих радиовещательных и телевизионных антенных устройств, антенны для систем связи являются приемопередающими. Отечественные разработчики классифицируют антенны для систем связи на две большие группы. Базовые антенны, устанавливаемые вблизи базовой приемопередающей станции и обеспечивающие максимально возможную зону покрытия. Абонентские антенны, предназначенные для обеспечения устойчивой связи в зоне покрытия базовой станции. Последние могут быть стационарными и мобильными самых разнообразных конструкций (типа волновой канал, спиральные, параболические и т. п.).

В мобильных устройствах связи (радиотелефон и т. п.) используют специальные приемы для уменьшения их габаритов по сравнению с четвертьволновой штыревой антенной с одновременным обеспечением их эффективности. Это добавление удлинительной катушки, т. е. индуктивной катушки, имеющей высокую добротность и элементы настройки, включаемой последовательно с укороченной штыревой антенной. Используется также CLC-катушка — удлинительная катушка, находящаяся не в корпусе и не в основании антенны, а в середине штыря.

Укорочение антенн ДВ и СВ диапазонов, где радиостанции работают с вертикальной поляризацией, производится включением емкостной нагрузки на верхнем конце приемного вертикального диполя. Роль этой емкости выполняет горизонтальная часть Г-образных и Т-образных антенн, проводники в изоляторе «метелочной» антенны или спицы в «колесе», закрепленные на вертикальном шесте, а также верхние части растяжек в «зонтичной» антенне. Вообще антенны представляют сложные и разнообразные конструкции, например, на рис. 29, а показана ромбическая антенна.

Рис. 29. Антенны:

а — ромбическая ( l — сторона ромба; Ф — фидер, соединяющий антенну с передатчиком или приемником: R — резистор); б — типа «волновой канал» ( 1 — кабель питания; 2 — рефлектор; 3 — директоры; 4 — активные вибраторы). Стрелкой показано направление максимальной интенсивности излучения/приема

Для усиления принимаемого сигнала используются многоэлементные антенны (рис. 29, б).

В электрических («проволочных») антеннах (Г-образных, Т-образных, штыревых и т. п.) принимаемый сигнал формируется электрической составляющей электромагнитного поля, а в магнитных — магнитной компонентой.

Магнитная антенна (рис. 30) представляет собой высокочастотный ферритовый стержень (цилиндрический или плоский), на котором располагаются катушки: приемные и связи. Для ДВ и СВ диапазонов ферритовая антенна, реагирующая на магнитную составляющую, перпендикулярную электрической, располагается горизонтально.

Рис. 30. Магнитные антенны:

а — внешний вид; б — УГО

В портативных радиоприемниках магнитная антенна закрепляется обычно под верхней крышкой (т. е. в нормальном положении в горизонтальной плоскости). В связи с направленностью магнитной антенны для увеличения чувствительности приемник (или в ламповых приемниках антенну) вращают вокруг вертикальной оси, добиваясь эффективного приема. Для приема в КВ и УКВ диапазонах используют настраиваемую по длине и углу наклона телескопическую штыревую антенну.

С уменьшением длины волны растет направленность излучения и приема волн, и радиосистемы становятся похожими на оптические. В антенно-фидерных устройствах используют волноводы, делители мощности и другие специальные компоненты. Антенны деци- и сантиметровых волн снабжают рефлекторами: параболическими или сферическими («тарелки»), в фокусе которых помещают приемный или передающий элемент. Применяют также разнообразные рупоры (рис. 31) и специальные линзовые системы.

Рис. 31. Рупорная антенна:

1 — рупор; 2 — питающий радиоволновод. (Направление максимального излучения показано стрелкой)

В заключение этого раздела отметим, что наиболее короткие приемные дипольные антенны созданы сейчас на основе нанотрубок, и их размеры соизмеримы с длинами электромагнитных волн светового диапазона (сотни нанометров). Однако пока не создан соответствующий детектор, а то бы после столетия развития радио мы (по спирали) вернулись бы к детекторному приемнику, но крайне малых размеров и работающему за границами радиодиапазонов.

 

Провода и кабели

Провода и кабели, используемые радиолюбителями в своей практике, условно можно разделить по назначению на пять групп: силовые, монтажные, обмоточные, высокого сопротивления и информационные. Силовые кабели, провода и шнуры используются для обеспечения питания устройств. Поэтому требования к ним исходят из условий передачи необходимой мощности электроэнергии при соблюдении электро- и пожаробезопасности.

В качестве изоляции проводов используют резину, полиэтилен, поливинилхлорид и т. п. материалы. Кабель или шнур содержит несколько токопроводящих жил, изолированных друг от друга и заключенных в общую защитную оболочку.

Токонесущие жилы выполняют в основном из меди и алюминия. Сечение жил измеряют в мм2 и называют «квадратом». Для ориентировки укажем, что при однофазной нагрузке в 1 кВт в бытовой электросети напряжением 220 В ток в отдельном проводе составляет примерно 5 А. Допустимый же длительный ток в отдельном проводе кабеля с медными жилами сечением жил от 1,5 до 6 квадрат соответственно составляет от 23 до 50 А.

Монтажные провода различают по виду жил: с однопроволочной жилой диаметром 0,3…1,8 мм и гибкие провода сечением 0,05…2,5 мм, скрученные из проволок диаметром 0,07…0,3 мм.

Отдельные провода для удобства пайки при монтаже аппаратуры покрывают оловом или оловянным сплавом («луженые» провода).

Изоляция проводов бывает волокнистой (шелк — МШЛ, МГШЛ), эмалево-волокнистой и пластмассовой.

Медные обмоточные провода, используемые в катушках, дросселях, трансформаторах и двигателях, имеют диаметр 0,02…5,2 мм и изоляцию из лакостойкой эмали (ПЭЛ), винефлексированное покрытие (ПЭВ), шелковые и хлопчатобумажные покрытия. Термостойкость проводов составляет в зависимости от вида покрытия 100…200°, но рекомендуется не доводить температуру обмоток выше 80°. Для намоток высокочастотных контурных катушек используют провод, называемый литцендратом. В нем скручено от 7 до 119 отдельных изолированных жил диаметром от 0,07 до 1,22 мм.

Провода с высоким сопротивлением используют для изготовления эталонов сопротивлений, шунтов и добавочных сопротивлений, реостатов и балластных сопротивлений, а также нагревательных приборов. Эти провода изготавливают из сплавов с высоким удельным сопротивлением (манганин, константан, нихром и др.).

Провода могут быть как изолированными, так и не иметь ее («голый провод»).

Информационные шнуры и кабели используются для передачи сигналов. Например, телефонный двухжильный кабель или рассмотренный выше высокочастотный коаксиальный телевизионный антенный кабель.

Для защиты от помех в структурированных кабельных системах (СКС) компьютерных сетей и интерфейсных проводах помимо экранов используют так называемые витые пары из медных изолированных проводов. Один из этих проводов соединяется с «сигнальной землей». (Здесь уместно вспомнить, что на заре электрификации бытовую электропроводку также выполняли скрученным из двух проводов шнуром и, отнюдь, не для борьбы с помехами или «чтобы синус легче бегал по этим изогнутым проводам», как шутили школьники, а для удобства монтажа в помещениях на опорных фарфоровых изоляторах — «роликах».)

В отдельный кабель, как правило, заключают несколько витых пар, имеющих цветовую маркировку (рис. 32, а).

Рис. 32. Кабели СКС :

а — витая пара; б — кабель ВОЛС

Часто в подобных кабелях используют два дополнительных экрана: из фольги и медной оплетки — «кашу маслом не испортишь».

В компьютерной технике межблочные соединения выполняют специальным плоским ленточным кабелем с количеством проводников от 9 до 64.

HI-FI изыски привели аудиогурманов к созданию так называемых «акустических кабелей», состоящих из специально обработанных медных жил, особой чистоты и структуры вытяжки, и даже позолоченных для уменьшения потерь на скин-эффект.

Особую группу составляют волоконно-оптические линии связи (ВОЛС). Идея передачи света по специальным каналам просматривается в известном опыте 1870 г. английского физика Дж. Тиндаля, продемонстрировавшего полное внутреннее отражение в параболической струе воды. В середине прошлого века Брайеном О Бриеном, работавшим в американской оптической компании, и Нариндером Капани с коллегами в Имперском научно-технологическом колледже в Лондоне были разработаны волокна для передачи изображения. В 1956 г. Капани ввел термин «волоконная оптика».

После изобретения лазеров ВОЛС начали развиваться очень активно во всем мире.

В ВОЛС сигналы в виде световых импульсов передаются по кабелям, составленным из световодов — тонких цилиндрических волокон сверхчистого кварцевого стекла. Световод имеет две области: сердцевину диаметром 62,5 мкм и оболочку диаметром 125 мкм.

Показатель преломления оболочки выполняют меньшим, по сравнению с показателем преломления сердцевины. В результате большая часть лучей света, попавших от оптоэлектронного источника на торец световода претерпевает на поверхности раздела сердцевина — оболочка полное внутреннее отражение и с очень малыми потерями распространяется вдоль него.

Существуют световоды и с более сложной внутренней структурой. В качестве передаваемого сигнала обычно используется электромагнитное оптическое излучение ближнего инфракрасного диапазона, соответствующее частотам 1014…1015 Гц. Оптический кабель может иметь несущие стальные проволоки и ряд защитных оболочек, а также дополнительно медную витую пару. Количество отдельных волокон может составлять от 4 до 72 (рис. 32, б). Стандартные длины кабелей составляют до 5 км, хотя существуют и трансокеанские ВОЛС в 50 км. Сварка оптических кабелей производится на специальных аппаратах и значительно сложнее пайки или сварки медных проводов.

В заключение этой беглой экскурсии по проводам да кабелям напомню один анекдотический случай, чуть не приведший к катастрофе. В некоторой стране N готовились к постройке ядерного реактора. Заказали урановые блоки в нужном количестве. Снабженцы стали доставлять и складировать их, как обычные ящики. При штабелировании очередной партии узрели небольшой дымок и позвали физиков. Те схватились за голову и немедленно бросились растаскивать блоки в разные стороны. Еще чуть-чуть и набралась бы критическая масса для взрыва. Применяя провода, не уподобляйтесь этим «горе-снабженцам», а задумывайтесь: «что, для чего и почему».

 

Соединители и разъемы

Существуют самые разнообразные способы и устройства, с помощью которых осуществляется соединение электронной аппаратуры с источниками питания и сигналов, отдельных блоков между собой, соединения с выходными устройствами и т. п. Если отбросить вульгарную «скрутку» проводников, то первые соединители и разъемы появились на физических приборах в виде клемм и специальных наконечников на проводах (рис. 33, а).

Рис. 33. Электрические соединители:

а — наконечники; б , в — клеммники; г — УГО разъемного соединения; д — розетка; е — вилка; ж - панелька для микросхемы

Для соединения проводников широко используют разнообразные клеммники (рис. 33, б, в).

Электрическая вилка (штепсель) и розетка являются простейшим примером силового разъема; в мобильных устройствах штепсельный разъем может выполняться на концах кабелей (рис. 33, д, е).

Другим широко используемым ВЧ-разъемом являются штеккер и гнездо для телевизионной антенны (см. рис. 28, в).

В зависимости от области применения к конструкциям соединителей предъявляются разные требования, и они изготавливаются соответствующим образом.

Условно соединители или разъемы можно разделить на электротехнические (силовые, сильноточные) и радиотехнические (слаботочные, сигнальные, связные). К первым предъявляется требование передачи необходимой мощности, а ко вторым — отсутствие искажений в передаваемом сигнале. Различие между первыми и вторыми растет по мере увеличения мощности и частоты сигнала.

Соединители (или разъемы) имеют изоляционные основания, на которых закрепляются штыри (ножи) и гнезда, образующие контактные пары. Разъемы отличаются числом контактных пар, их конфигурацией и площадью, геометрическим расположением в пространстве, типом изолятора, способами крепления и фиксации и т. п. Преобладающими формами соединителей являются цилиндрические и плоские (рис. 33, ж). Поверхности ВЧ-разъемов для обеспечения малого сопротивления покрывают серебром и золотом. Для того чтобы обезопасить выход аппаратуры из строя («защита от дурака»), разъемы каждого типа часто имеют свои характерные ключи, например, вырезы в разъеме материнской платы персонального компьютера.

Специальные типы разъемов используют в ВОЛС. Они отличаются прецизионной точностью сочленения (рис. 34).

Рис. 34. Оптоволоконные разъемы

В электроосветительной аппаратуре используют разъем типа цоколь — патрон, а в радиоустройствах — цоколь на радиолампе и панельку на шасси. Разъемы специального типа (слоты) используют в компьютерном «железе».

Для обеспечения электрического контакта с подвижными токовводами (например, с коллектором электродвигателя), используют специальные углеграфитовые щетки.

Любые разъемы достаточно часто являются источником отказов в работе аппаратуры и требуют поэтому повышенного внимания при выборе и эксплуатации.

 

Электрорадиоматериалы и изделия

Электроизоляционные материалы и изделия

Использование электричества немыслимо без применения не только проводников, но и изоляторов. Разнообразные диэлектрики, начиная от природного янтаря, от которого У. Гильберт в 1600 г. произвел термин «электричество», и, кончая самыми мудреными композитными материалами, на протяжении веков сопровождают развитие электротехники, электроники и радиотехники.

По своей физической природе электроизоляционные материалы относятся к диэлектрикам, поэтому при их использовании надо руководствоваться соответствием их функционального назначения и соответствующих свойств.

В силовых системах электроснабжения изоляционные материалы обеспечивают электрическую изоляцию устройств и их отдельных частей и защиту от внешних воздействий, поэтому основными характеристиками служат: электрическая и механическая прочность, термо- и влагостойкость.

В высокочастотных цепях важна диэлектрическая проницаемость и потери энергии на нагрев («тангенс угла диэлектрических потерь»). Косвенно важны старение и другие показатели.

На бытовом уровне к наиболее ходовым электроизоляционным материалом относятся различные изоляционные ленты. Лента электроизоляционная прорезиненная липкая представляет собой хлопчатобумажную ткань, на поверхность которой нанесена липкая резиновая смесь. Лента изоляционная поливинилхлоридная липкая марки ПВХ изготовляется на основе светотермостойкого изоляционного пластиката, на одну сторону которого нанесен липкий состав. Существуют также ленты термостойкие, лакотканевые и киперные.

Полихлорвиниловые трубки могут заменять изоляционную ленту для защиты отдельных проводов или жгутов проводов при их вводе в корпуса аппаратов, двигателей, в металлические трубы. В последнее время появились специальные термоусадочные трубки.

В радиолюбительской практике находят применение и другие изоляционные материалы: прокладочный картон (толщиной от 0,3 до 2,5 мм), картон асбестовый, асбестовые нити и шнуры, слюда, а также разнообразные высокополимерные твердые материалы (полистирол, полиэтилен, поливинилхлорид, фторопласт, органическое стекло и др.). По-прежнему широко используются гетинакс, текстолит, изделия из керамики, фарфора, радиофарфора и карболита. Термопласты (например, полиэтилен) позволяют после нагрева придавать изделиям определенную форму, а реактопласты формовать их в процессе полимеризации.

Соединения изоляционных изделий производят склеиванием и сваркой. Популярными народными средствами являются клеи БФ и «Момент», а также эпоксидные компаунды и разнообразные лаки.

Магнитные материалы и изделия

Все магнитные материалы подразделяют на два класса.

Магнитно-мягкие материалы обладают большой магнитной проницаемостью, небольшой коэрцитивной силой и малыми потерями на гистерезис. К подобным материалам относят листовую электротехническую сталь, железоникелевые сплавы (пермаллой), магнитодиэлектрики (например, карбонильное железо) и высокочастотные ферриты. Эти материалы применяют в сердечниках трансформаторов, электродвигателей, реле и индуктивных катушек. Ферриты используют также для «магнитных антенн» радиоприемников.

Магнитно-твердые материалы имеют большую коэрцитивную силу и способны длительное время сохранять свое намагничивание. Именно это их свойство, а также способность притягивать железные предметы и привели человечество к открытию ферромагнетиков и исследованиям магнитных явлений. Магнитно-твердые материалы классифицируют по способу их получения.

Литые материалы получают на основе сплавов Fe-Ni-AI и Fe-Ni-AI–Co, легированных медью, титаном, ниобием и некоторыми другими элементами.

Порошковые материалы получают путем прессования и спекания различных порошков, например ферритов бария и кобальта.

Магнитно-твердые материалы широко используют для изготовления постоянных магнитов динамических головок, измерительных приборов, в электродвигателях, устройствах магнитной памяти.

Печатные платы

Внимательное изучение поверхности платы с лупой позволило заметить тоненькое замыкание шириной 0,08 мм, образовавшееся в результате того, что на фотошаблон упал волос.

Роберт А. Пиз

По мере роста интеграции компонентов в микроэлектронике, когда отдельные функциональные блоки устройств в виде интегральных микросхем в устройстве стали миниатюрными и уменьшились напряжения и токи их питания, старые способы проводного монтажа стали бессмысленны. Произошел переход к печатному монтажу, в основу которого была положена печатная плата.

Свое название печатная плата получила по первоначальному процессу изготовления путем печати фотошаблонов. В настоящее время подобные платы изготавливают травлением, но название сохранилось.

Плата является пластиной из электроизоляционного материала (стеклотекстолита или гетинакса) с поверхностным слоем фольги, которой травлением придан рисунок необходимых соединений выводов компонентов. В плате выполняются отверстия для крепления компонентов и контактные площадки для крепления и пайки деталей (рис. 35).

Рис. 35. Печатные и макетные платы

Платы могут быть одно- и двухсторонними, а также многослойными. Соединительные проводники из тонкой медной фольги, остающиеся после травления, называют дорожками. В конечном счете, проводящий рисунок из дорожек и контактных площадок представляет собой своеобразную монтажную электрическую схему устройства. Таким образом, печатная плата несет двойную функцию, играя роль универсального межкомпонентного соединителя и, одновременно, несущей конструкции для навесных компонентов, разъемов и т. п. деталей.

Опытные радиолюбители самостоятельно разрабатывают разводки печатных плат и изготавливают их. В литературе имеется на этот счет множество полезных рекомендаций. Однако следует отметить, что разработка рисунка (по научному — топологии) разводки проводников и размещения компонентов на плате является даже для сравнительно простых устройств не простой задачей. Дело в том, что при этом необходимо учесть множество самых разных факторов: минимизация длины дорожек, отсутствие их пересечения на одной плоскости, взаимные электромагнитные наводки, теплоотвод и т. д.

В профессиональной деятельности для этих целей используются специальные компьютерные программы автоматизированного проектирования. Процесс нанесения фотошаблона, например на лазерном принтере, конечно, не так сложен, но вот последующее химическое травление требует большой аккуратности и терпения. Поэтому начинающим радиолюбителям рекомендуется на первых порах ограничиться более простыми макетными платами, на которых закрепляются компоненты, а соединения выполняется тонкими проводниками, или готовыми печатными платами.

Радиаторы охлаждения

Держи ноги в тепле, а голову (и приборы) на холоде…

Роберт А. Пиз

На транзисторе должна рассеиваться мощность…

Не пытайтесь убедиться в этом, если вы не готовы к последствиям! Выделяющегося тепла достаточно, чтобы за очень короткое время испортить устройство (и обжечь палец).

Дж. Уэйкерли. Проектирование цифровых устройств

Работа электронных устройств с неизбежностью приводит к их нагреву вследствие потерь при протекании тока, поглощения переменных высокочастотных полей и других факторов. В то же время многие характеристики компонентов сильно зависят от температуры. Поэтому на практике принимают меры, не только уменьшая рабочие токи и применяя специальные материалы, но и непосредственно по их охлаждению.

Тепло от нагретого тела может отводиться излучением, теплопроводностью и конвекцией. В любом случае развитие охлаждающей поверхности существенно увеличивает теплоотдачу.

Наиболее простой прием заключается в использовании специальных радиаторов, закрепляемых на соответствующих компонентах.

Радиаторы изготавливают из легких сплавов, снабжая их большим числом разнообразных ребер, увеличивающих теплоотдачу в окружающий воздух за счет конвекции (естественной) и вынужденной (обдув). Кроме того, внешнюю поверхность радиаторов зачерняют для увеличения теплового излучения. В теле радиаторов выполняют посадочные поверхности, сопрягаемые с соответствующими корпусами компонентов: диодов, транзисторов и интегральных схем (рис. 36).

Рис. 36. Радиаторы охлаждения

Основным параметром радиаторов является так называемое «тепловое сопротивление». Это «сопротивление» вводится из аналогии процессов теплопроводности и электропроводности. В рассматриваемом случае причиной передачи тепла выступает разность температур (аналог разности потенциалов) между нагретым телом и окружающей средой (измеряется в градусах), а следствием (аналогом электрического тока) — тепловой поток (измеряется в ваттах). Деля количественную меру причины на количественную меру следствия, получаем количественную меру теплового сопротивления в град/Вт.

Выпускаются радиаторы малой мощности с тепловым сопротивлением от 4 до 10 град/Вт, средней — от 2 до 4 град/Вт, большой мощности — от 2 до 1 град/Вт и очень большой, для которых оно меньше.

Необходимо иметь в виду, что дополнительный обдув радиаторов потоком воздуха от вентилятора сильно снижает величину теплового сопротивления.

Поскольку радиаторы выполняют из металла, то в случае, если корпус компонента не должен заземляться, между ним и радиатором вводят проводник тепла, обладающий электроизоляционными свойствами: слюда, окись алюминия или специальная термическая смазка (компаунд). Смазки приготовляют из смесей окиси бериллия, нитрита бора, силиконового каучука и стекловолокна. Смазки имеют тепловые сопротивления от 0,1 до 0,45 град/Вт. Тепловое сопротивление смазки и радиатора в процессе теплопередачи включаются последовательно (складываются).

Смазку обязательно используют, например, при фиксации радиатора с микровентилятором на центральном процессоре компьютера.

Корпуса и механические детали

Конструирование электронной аппаратуры требует мастерства, а мастерство, как известно, приходит с опытом.

Дж. Кар. «Проектирование и изготовление электронной аппаратуры»

Всякая аппаратура и устройства, за исключением макетных плат, обычно заключаются в тот или иной корпус. Основное назначение корпуса: сборка всех блоков в одно целое, механическая и иная защита устройства, размещение органов управления, контроля и интерфейсных входов и выходов и т. п. Кроме этого, корпус может иметь и дополнительные функции: акустического элемента, электромагнитного экрана и др. От корпуса зависит эргономика (удобство обращения) и эстетическое восприятие всей конструкции.

Радиолюбители зачастую корпуса изготовляют самостоятельно на свой вкус. Можно воспользоваться и готовыми изделиями и доработать их под свое устройство: «довести до ума». Когда-то в ходу были пластмассовые мыльницы, используемые для корпусов первых транзисторных радиоприемников. Теперь для своей самоделки можно подобрать подходящий стандартный корпус.

Стандартные корпуса изготовляют из тонкостенных (0,8 мм) материалов: стали, алюминия и различных пластмасс. Корпуса могут иметь различные покрытия и отделку, в них также имеются разнообразные функциональные отверстия, сборочные и технологические закладные крепежные элементы (рис. 37).

Рис. 37. Пластиковые корпуса

 

Электроника с мышью

Азбука схем

Для радиолюбителя схема — это «печка», от которой он танцует. Язык схем — это профессиональный язык радиолюбителей и всех тех, кто занимается электроникой.

Схема — это емкое и наглядное описание устройства. Все самое главное, что заложено в устройство, заключено в его схеме.

Опытному радиолюбителю достаточно порой одного взгляда на схему и он, на уровне подсознания, уже все понял: что оно собой представляет и как работает или, напротив, почему «барахлит».

Язык схем интернационален, почти как музыка, и также красив. В то время как лингвисты не одно столетие бьются над созданием эсперанто (искусственный международный язык), «электрорадиосообщество» давно обо всем договорилось. Остается только приобщиться к этой части общей культуры. «Игра стоит свеч» — именно схема тот заветный ключ, который открывает дверь в страну «Радиоэлектроника».

Слово «схема» происходит от греческого schema, означающего образ, вид. В электронике используются схемы, под которыми подразумевают чертеж в виде условных графических изображений и буквенно-цифровых обозначений, показывающий составные части устройства (или системы) и взаимосвязь между ними.

Наиболее распространены схемы: структурные, принципиальные, монтажные и замещения.

Структурная схема определяет основные функциональные части устройства в виде укрупненных блоков, их назначение и взаимосвязи. Эту схему зачастую называют блок-схемой, а иногда, следуя анатомической аналогии — «скелетной».

Принципиальная электрическая схема, называемая также полной, определяет наиболее полный состав устройства и дает детальное представление о принципах его работы. Радиолюбители под термином «схема» подразумевают именно этот вид схем.

Монтажная схема или схема соединений показывает соединения составных частей устройства и определяет провода, жгуты, кабели и т. п. элементы, которыми осуществляются эти соединения, а также места этих присоединений и ввода (соединители, платы, зажимы и т. п.). Радиолюбители используют также объединенные «компоновочные» схемы, на которых, наряду с расположением компонентов и законченных функциональных блоков, показывают и монтажные элементы.

Схема замещения (или эквивалентная схема) — схема электрической цепи устройства (или его части), отображающая ее свойства при определенных условиях. По своей сути является расчетной моделью устройства.

При использовании компьютерного моделирования мы будем применять принципиальные схемы, имеющие атрибуты схем замещения. Это позволяет создавать виртуальные модели рассматриваемых электронных устройств.

Основу подобного моделирования составляет теория электрических цепей. Электрическая цепь представляет собой совокупность соединенных определенным образом элементов, устройств и объектов, образующих путь для прохождения электрического тока.

Электронные цепи, содержащие электронные компоненты (диоды, транзисторы и т. п.), являются частным случаем таких цепей. Любая электрическая цепь, лежащая в основе того или иного электронного устройства, может быть представлена в виде схемы.

Для составления схемы, прежде всего, необходимо представить в виде схемных моделирующих элементов каждый компонент цепи, а затем соединить их определенным образом.

Компоненты цепей и соответственно их схемные модели имеют определенные характеристики (параметры, свойства). В языке схем в качестве слов используются специальные, так называемые условные графические изображения и буквенно-цифровые обозначения; упрощая, и то и другое будем называть обозначениями (УГО). Соответствие основных компонентов и их УГО частично было показано выше.

Поскольку в качестве основного теоретического инструмента в познании электроники мы избрали метод компьютерного моделирования, то и графику схем рассмотрим далее с использованием компьютера.

Простейшие цепи

Не знаешь закон Ома — сиди один дома.

Поговорка

Вряд ли кто-нибудь сейчас с достоверностью скажет, откуда родился этот премудрый императив. Скорее всего, некий преподаватель физики в реальном училище или университете лет сто назад именно так в сердцах повелел незадачливому студиозу, не освоившему столь важный и простой закон.

Что ж, давайте мы сегодня воспользуемся этим советом по-своему: ведь сидя дома тоже можно постигать великие истины мироздания, сочетая «приятное с полезным». Устроимся по-рабочему. Под рукой надо иметь нехитрый инструмент, наборы электронных деталей Мастер КИТ и, конечно, обязательно — компьютер.

Начнем с простого.

Возьмем комплект Мастер КИТ NK 143 «Юный электротехник». Здесь пока еще не потребуется паяльник, так как используются простейшие разъемные клеммные соединения, но еще не вечер… Дополнительно желательно иметь простейший мультиметр (тестер). На компьютер необходимо установить схемотехническую программу Electronics Workbench («Электронная лаборатория»), лучше 5-й версии. Далее мы будем называть ее сокращенно программа EWB. При установке программы желательно выбрать европейский стандарт УГО схемотехнических обозначений в DIN, к которому ближе российские ГОСТы (рис. 38).

Рис. 38. Окно установки стандарта УГО ( EWB )

Необходимые приготовления сделаны: реальный мир «железа» — наборы Мастер КИТ и «виртуальный» мир — программа EWB готовы к нашим услугам. Мы вольны свободно перемещаться во времени и пространстве.

Вернемся на некоторое время к достопочтенному господину Георгу Симону Ому, преподававшему математику и физику в г. Кельн в далеком XVIII веке. Ему пришлось преодолеть громадные экспериментальные трудности (несовершенные источники тока, отсутствие электроизмерительных приборов и т. п.). Составляя цепи из различных проводников, он устанавливает взаимосвязь между напряжением и током на участке электрической цепи, названную позже его именем. Конечно, у Ома были непосредственные предшественники, среди них которых в первую очередь надо отметить первого русского электротехника, профессора Петербургской медико-хирургической академии, академика В. В. Петрова.

Радиолюбители всегда вспоминают Ома, так как значения номиналов одного из самых распространенных компонентов электрических цепей резисторов измеряются именно в омах. Вот просто был когда-то всего лишь один Ом, а теперь, пожалуйста, пачками: и тысячи Ом (килоОм), и миллионы Ом (МегаОм) и еще больше, или, наоборот, много меньше.

Величину протекающего тока Ом оценивал по отклонению магнитной стрелки. Эти исторические опыты можно теперь с легкостью воспроизвести на вышеуказанном комплекте Мастер КИТ.

Физический эксперимент

Бросая в воду камешки, смотри на круги, ими образуемые; иначе таков бросание будет просто забавою.

Кузьма Прутков . Афоризм № 156

Наш комплект Мастер КИТ «Юный электротехник» имеет чуть меньший номер: NK 143, но глубина мысли, при работе с ним, должна соответствовать бессмертному афоризму.

Соберем простейшую электрическую цепь, показанную на рис. 39.

Рис. 39. Простая электрическая цепь Мастер КИТ NK143 «Юный электротехник»

Здесь миниатюрная лампочка накаливания присоединяется через клеммную колодку к батарее. В результате образуется замкнутая последовательная электрическая цепь — контур. Его можно мысленно обойти от положительного полюса батареи «+» через соединительный провод, нить накала, провода, идущие к отрицательному полюсу «-», и, пройдя «внутри батареи», вернуться к исходной точке «+».

Направление этого обхода принимается за положительное направление тока в данной цепи. Ом мыслил механическими понятиями и считал, что так течет некоторая «электрическая жидкость». Напряжение — ее напор, ток — ее поток. Источник тока также характеризуется в терминах механики — «электродвижущая сила» (ЭДС).

Введя некоторую величину, названную сопротивлением, Ом получил закон, который, нисколько не умаляя его заслуг, можно было бы назвать «законом водопроводчиков». Авторская формулировка была весьма витиевата: «Величина тока в гальванической цепи пропорциональна сумме всех напряжений и обратно пропорциональна сумме всех приведенных длин». Под «приведенными длинами» и скрывалось сопротивление. Теперь же, в простейшем случае, не мудрствуя лукаво, делят «вольты» на «амперы» и получают «омы» или составляют другие тождественные комбинации из названных ученых господ. Эти три господина всегда вместе, как три мушкетера: «Один за всех и все за одного». Недаром в «электрической азбуке», вместо «аз, буки, веди» значится: «ампер, вольт, ом». Это настолько ходовые величины, что есть даже комбинированный прибор: «ампер-вольт-омметр», название которого сокращают панибратски до «авометра».

Виртуальный эксперимент

Купите себе удобный стул. Вам наверняка придется много сидеть.

Люк Эхерн . «Создание компьютерных игр»

Проведем теперь компьютерный анализ процессов в рассмотренной выше цепи. Для этого составим ее модель из источника и лампочки, воспользовавшись набором элементов компьютерной программы EWB. Этот эксперимент, проводимый на компьютере, назовем виртуальным (воображаемым), он будет моделировать поведение реальной цепи. Опишем кратко последовательность виртуального эксперимента.

В программе EWB реализован стандартный многооконный интерфейс с ниспадающими и разворачивающимися меню. После установки программы возникает рабочее поле для сборки схем и пиктограммы с рабочими инструментами и компонентами схем (рис. 40).

Рис. 40. Основное окно программы EWB с дополнительными окнами выбора компонентов

Нажатием левой кнопки мыши (ЛКМ) здесь уже открыты отдельные схемные наборы (как бы ящики конструктора), из которых на рабочее поле помещены некоторые компоненты (батарея, лампа и мультиметр).

Составим принципиальную схемную модель эксперимента (рис. 41).

Рис. 41. Виртуальная модель простой электрической цепи

Для этого откроем на панели компонентов пиктограмму группы Source (источники)  и выберем в нем Battery (батарея). Удерживая ЛКМ в нажатом состоянии, перетаскиваем изображение батареи в левую часть рабочей области экрана и отпускаем ЛКМ (эта процедура обычно называется буксировкой).

Затем, аналогично, переносим в центр экрана из раздела Basic (основные компоненты)#f1.jpg  Switch (переключатель)  и из раздела  Indicators (индикаторы) компонент Bulb #f4.jpg   (лампа накаливания), который помещаем в правую часть экрана. На этом первая часть «строительства» схемы закончена: «рабочие материалы доставлены на стройплощадку».

Упорядочим расположение выбранных компонентов на экране, если оно не соответствует воображаемой схеме. Для этого ЛКМ выделяем необходимый компонент и буксируем его в нужное положение. Возможно, на этом этапе потребуется изменить пространственную ориентацию компонентов. В данном конкретном случае удобнее повернуть лампу на 90° против часовой стрелки: выделим лампу (однократным нажатием ЛКМ), при этом она примет активный (красный по цвету) вид и нажмем на кнопку (пиктограмму) Rotate (вращение)  горизонтального ряда инструментов. Эту же операцию можно провести с клавиатуры, выделив лампу и нажав Control+R (разумеется, находясь при английской раскладке клавиатуры — АРК) или, после выделения компонента, войдя в меню Circuit (схема) и воспользовавшись командой Rotate.

Далее выполняем соединения компонентов. Лучше всего, как и при сборке реальных цепей, начать с положительного полюса «+» батареи. Устанавливаем стрелку курсора в верхнюю часть вывода: там появляется жирная черная точка — символ неразъемного соединения. Нажимаем ЛКМ и кратчайшим путем ведем линию-резинку к крайнему левому выводу переключателя. После того как там возникнет символ соединения, отпускаем ЛКМ. На экране возникает изображение соединительного проводника в виде двух ортогональных отрезков. Аналогично соединяем любой правый вывод переключателя с верхним выводом лампы и ее нижний вывод с отрицательным полюсом «-» батареи.

Общий чертеж принципиальной схемы выполнен (см. рис. 41), и теперь надо отредактировать параметры (свойства) используемых компонентов.

Начинаем с батареи. Дважды щелкаем на ней ЛКМ. На экране появляется подменю (рис. 42) Battery Properties (свойства батареи).

Рис. 42. Окно редактирования свойств батареи

Выбираем в этом подменю Value (значение) и набираем в соответствующем окошке цифру 3, оставляя единицу измерения V, т. е. вольт. Затем выделяем Label (обозначения) и печатаем буквенный символ ЭДС — Е и подтверждаем сделанный выбор свойств нажатием на кнопку «ОК».

Переходим к лампе. Действуя аналогично предыдущему, выделяем лампу, вызывая диалоговое окно для редактирования ее параметров. Набираем в окошке Label «Lamp». Устанавливаем в позиции Value РМАХ (максимальная мощность) 0,91 W (ватт), что соответствует произведению номинального напряжения конкретной реальной лампочки 3.5 В на ее номинальный ток 0,26 А (эти параметры указаны на ее цоколе). Здесь же набираем 3.5 в окошке VMAX (максимальное напряжение). Обратите внимание на разделители целой и дробной части: в тексте программы это не запятая, а точка.

Выбор численного значения параметров читатель может сделать самостоятельно для другой конкретной или воображаемой батареи и лампочки. При необходимости можно, действуя аналогично, переименовать позиционное обозначение переключателя, перейдя соответственно к другой клавише, которая им управляет, например [X] вместо [Space], принимаемой по умолчанию.

Теперь проведем собственно эксперимент на собранной схеме. Устанавливаем в виртуальном выключателе Activate simulation (включение моделирования) , размещенном в верхней правой части панели инструментов (см. рис. 40) указатель на I (In — включено), и делаем щелчок ЛКМ. Клавиша этого выключателя переходит в положение «включено» (надписи можно трактовать и как «0»/«1»).

Прерывание моделирования производится нажатием на расположенную ниже кнопку  «Pause» (пауза), повторное нажатие отменяет эту команду. Выключение моделирования производится нажатием на О (Out — выключено). Эти же процедуры можно осуществить и из меню Analysis: Activate, Pause, Stop или с клавиатуры: «Control+G», «F9», «Control+Т».

После запуска моделирования переводим выключатель [X] на схеме (рис. 41) в положение «включено» (нажав на клавишу буквы X при АРК) и наблюдаем, как лампочка окрашивается в черный цвет (имитация ее горения). Нажимая несколько раз на [X], как бы включаем и выключаем цепь. Этот файл можно сохранить для дальнейшей работы.

Возвратимся к реальной цепи (см. рис. 39). Измерим омметром сопротивление реальной лампы, а правильнее (так как сопротивление зависит от температуры) напряжение на ней и протекающий ток и, воспользовавшись законом Ома, найдем ее сопротивление.

Эти данные можно положить в основу моделирования цепи, заменив в виртуальной схеме лампу на резистор, номинал которого равен сопротивлению лампы. В программе EWB для этого есть виртуальные приборы: амперметр, вольтметр и даже мультиметр, а также другие приборы об этом будет рассказано дальше.

Сопоставляя результаты реальных и виртуальных экспериментов, видим, насколько прозорлив был господин Ом. В то же время обратим внимание и на расхождение в наших реальных опытах и виртуальном эксперименте: сопротивление реальной лампы, измеренное омметром, оказывается ниже чем то значение, которое получается делением «вольтов» на «амперы» у горящей лампы. Читателя, который все же посещал школу и открывал учебник физики, это вряд ли удивит, так как он знает, что сопротивление проводников растет с ростом температуры. И он уже давно обратил внимание на то, что лампы накаливания перегорают чаще всего в момент их включения. На досуге можно также провести и другие опыты с данным набором и подумать над тем, как составить их виртуальные модели.

 

Электроника с паяльником

Инструменты и приборы

Инструменты

Дитя любит ласку, а станок — смазку.

Из пословиц «О труде»

В зависимости от сложности конструкции и степени завершенности ее отдельных узлов, возможно, понадобится самый разнообразный радиомонтажный, слесарный и иной инструмент (рис. 43).

Рис. 43. Инструмент радиолюбителя (слева направо): пассатижи, отвертка шлицевая, отвертка крестообразная, скальпель, пинцет, бокорезы, паяльник.

На первых же порах достаточно иметь плоскогубцы и бокорезы (или одни пассатижи), а также несколько отверток крестовых и плоских (шлицевых). В хирургии внутренних органов устройств не помешает медицинский пинцет и скальпель (или, на худой конец, самодельный нож из обломка ножовочного полотна). Ну, и конечно же, особая статья паяльник и все, что к нему требуется (но об этом будет рассказано дальше). При самостоятельном изготовлении печатных плат этим хозяйством, конечно же, не обойтись. Вообще же, инструмент заводится постепенно и пополняется по мере необходимости.

Для наладки устройств могут понадобиться и разнообразные приборы.

Измерительные приборы

Одни лапти без меры плетутся, да на всякую ногу приходятся.

Пословица

Трудно переоценить значение измерений в радиолюбительской практике. Не иметь необходимых приборов и не уметь грамотно пользоваться ими — это все равно, что работать с устройством, завязав глаза.

Наиболее ходовыми приборами являются электроизмерительные приборы: вольтметры и амперметры. Как правило, их объединяют в один универсальный прибор, называемый по-разному: авометр, тестер или мультиметр. По принципу обработки сигнала прибор может быть аналоговым со стрелочным индикатором или цифровым с жидкокристаллическим (или иным) дисплеем.

Выбор измеряемой величины, установление необходимых пределов измерений и способа подключения прибора требуют известной доли аккуратности. При использовании приборов нужно обращать внимание на род тока (постоянный или переменный), и на постоянном токе стрелочные приборов надо подключать по правилу: «плюс к плюсу», амперметр в разрыв цепи, а вольтметр параллельно ее участку (например, компоненту).

В современных цифровых мультиметрах полярность и предел измерений устанавливаются автоматически, и имеется возможность измерять: напряжение, ток, сопротивление, индуктивность, емкость, частоту и ряд других функций (рис. 44, а).

Рис. 44. Измерительные приборы:

а — цифровой мультиметр;  б — виртуальные приборы программы EWB . Некоторые нехитрые приборы можно сделать и самостоятельно (см. дальше).

Большие возможности открываются при использовании осциллографа или компьютера, который с помощью специальных плат и программ можно превратить в любой самый сложный прибор. Подобные приборы также называют виртуальными, так как обработка сигнала и имитация лицевой панели с органами управления и отсчетными устройствами выполняются на ПК. Для этого, в простейшем случае, в качестве АЦП (аналого-цифрового преобразователя) сигналов используется звуковая карта самого компьютера и в Интернете подбирается подходящая программа. Однако делать это рекомендуется, уже после приобретения некоторого опыта в электронике и компьютерах.

В программе EWB также имеются виртуальные приборы, некоторые из которых показаны на рис. 44, б но они не имеют физических входов и «обслуживают» только виртуальные схемы. Как работать с этими приборами будем знакомиться по мере необходимости.

Организация рабочего места

Самое дорогое у человека — это жизнь.

Она дается человеку один раз…

Н. Островский . «Как закалялась сталь»

При работе со схемами средней и большой мощности, в которых при возникновении неисправностей может произойти сильный взрыв, вам необходимо надевать защитные очки или обычные очки с безопасными линзами.

Также стоит держать под рукой огнетушитель.

Боб Пиз , главный ученый National Semiconductor Corp.

Закаленное житейскими невзгодами племя наших радиолюбителей этими американскими штучками (или шутками) не испугаешь: это племя пытливое и упорное, готовое на все. Хотя в разумных пределах технику безопасности, как и уголовный кодекс (вспомните О. Бендера), надо уважать.

Работа с «Электричеством» требует аккуратности и внимания: с ним надо обходиться уважительно, на Вы, тогда оно будет Вашим неразлучным помощником и другом. Панибратство и шапкозакидательство здесь неуместны.

Всегда надо иметь в виду три аспекта: собственную безопасность, безопасность окружающих, в том числе и тех, кто кроме Вас будет пользоваться Вашими поделками, и безопасность самой аппаратуры.

Все электроустановки с напряжением выше 42 В считаются опасными и их нетоковедущие части должны быть заземлены. Надо избегать касания оголенных токоведущих частей, находящихся под напряжением.

Безопасность при работе с силовым электрообрудованием, машинами и бытовыми приборами достигается применением специальных устройств защитного отключения (УЗО).

Крайне тщательно должны быть выполнены и эксплуатироваться устройства, содержащие бестрансформаторные источники питания. Надо помнить, что конденсаторы большой емкости могут длительное время после выключения аппаратуры сохранять электрический заряд. Без особой надобности «не ковыряйтесь» в установках, когда они включены в сеть. Следите за исправностью изоляции проводов и рабочих инструментов.

Не думайте, что любое «батарейное устройство» безопасно: оно может содержать умножители напряжения, вспомните «электрошокер»!

Не оставляйте не собранное устройство с «оголенным монтажом» включенным в одиночестве: мало ли кто проявит любопытство, например, ваш младший братишка.

Не заменяйте предохранители «жучками»: ремонт устройства будет дороже. Некоторые микросхемы не любят статического электричества, правда, современные компоненты во входных цепях защищены диодами, но «береженого Бог бережет». Пожалейте компоненты и свои деньги. Будьте внимательны к паспортным данным компонентов и эксплуатируйте их, не перегружая выше номинала.

Правильная организация рабочего места, включая хороший инструмент, — это уже полдела. Если сюда присовокупить терпенье, да уменье, знанье, да желанье, то все будет «Окау», как, наверняка, сказал бы тот же Боб. И тут он был бы прав. Впрочем, «не Боги горшки обжигают». Можно, конечно, работать и «на коленях», главное, чтобы не «тяп-ляп». Секреты ремесла частично раскрываются в приводимой ниже поучительной беседе общеизвестных национальных «героев»: начинающего радиолюбителя Ваньки Жукова (В.Ж.) и Заслуженного Паяльщика Республики Виктора Михайловича Полесова (В.М.П.).

«Наука паять»

Если у вас нет десятилетнего опыта работы с паяльником или документа об окончании школы электромонтажников, не будьте самонадеянны и не думайте, что вы все знаете о пайке.

Дж. Кар . «Проектирование и изготовление электронной аппаратуры»

В.Ж. «Уважаемый Виктор Михайлович! Нас, начинающих радиолюбителей, мучает один извечный вопрос: «Как паять?»

В.М.П. «Ну, что ж, «Наука паять» не «Наука побеждать», но начнем ее, как завещал Александр Васильевич: «Исправься! Бей сбор! Ученье будет!».

Знамо дело, пайка — депо тонкое, искусство можно сказать филигранное, и тут свои хитрости имеются. Да ты, чай, малец-то по всему видать шустрый и смышленый, стало быть, поймешь, что к чему. Слушай, коль охота, и примечай, что да как я делать буду и, главное, сам попрактикуйся».

В.Ж. «Хорошо, минуточку».

В.М.П. «Э, брат, нет: эту «цифровуху-то» ты в сторону отложи, а своими, значит, глазками, да ручками все впитай хорошенько, и что не поймешь, да не осилишь сразу, так я вот он рядом, а не в цифре законопачен».

В.Ж. «Да я, Виктор Михайлович, хотел для истории Вас запечатлеть и товарищам своим показать».

В.М.П. «Это все пустое, сам потом покажешь, когда научишься, или приводи своих орлов сюда, я только рад буду. Приступаем, значит.

«Перво дело», хорошие стол и стул: удобные, крепкие, а не колченогие. Шкафчики с инструментом, ящички с «радиодеталюхами» и прочим барахлишком не помешают.

Инструмент всякий наготове под руками, как в операционной: пассатижи, круглогубцы, бокорезы, отвертки на разный калибр, пинцет и нож с ножницами… Запомни: «Не бывает плохого инструмента, а бывает плохой работник». Хотя лучше, когда и то, и другое хорошее. Вообще же, мастер не тот, кто умеет пилить пилой и сверлить сверлом, а напротив, умеет пилой сверлить, а сверлом резать.

Освещение, конечно, должно соответствовать работе. Вот тебе стоечки для приборов, провода, ну и всякое такое, сам видишь: все, что в деле сгодится. Компьютер тоже рядом, под боком: без него, родного, теперь никуда. Знаешь, как говорят, «Одна голова хорошо, а две еще лучше». Так вот он, компьютер-то, это и есть вторая голова современного радиолюбителя. Ведь в нем со мной сам Бил, да не Клинтон, а Гейц работает помощником, а я вроде Емели на печи: знай ему желания загадываю. «Схемки» там всякие, «номинальчики» и прочее.

Далее, электричество: «розеточки», «источнички» и т. д. «заземленьеце» организуй, по всем правилам. «Микросхемками-то» баловаться собираешься?».

В.Ж. «Куда ж сейчас без них?».

В.М.П. «И то, правда. Так вот, тогда хорошо бы на столе иметь лист фольгированного «гетинаксеца» 30x40 см, фольгой вниз и соединить ее с землицей родимой. Остальное про это дело при случае дораскажу».

В.Ж. «Про статическое электричество, что ли? Я тут в Интернете наткнулся на картинку: металлический лист на столе, паяльник, отдельно заземлен, на руке браслет с заземлением — похоже, как кружка в милиции на цепи в каком-то старом фильме или электрический стул. А надпись была: монтаж ESD компонентов. Что это за звери такие?»

В.М.П. «Вот-вот. Да ты и впрямь шустрый, но всему свой черед. Поперек батьки в пекло-то не лезь. Давай-ка о паяльниках, и поговорим теперь. Ты ведь наверняка не только по сети лазил, но и на «радиорынках» побывал, и в Чип да Дип заглянул? Так ведь?»

В.Ж. «Конечно».

В.М.П. «Значит, с техникой-то ознакомился. Фантастика. Целые станции для пайки и распайки, отсос, припои, да флюсы. Как в Греции — все есть, а цены-то не про нашу, брат честь! Что твой Ролс-Ройс. Эх, ма, а мы когда-то… Вот я, как ты был. Паяльник — медяшка с железной ручкой, да на керогаз. И в придачу кусок нашатыря, да кислота паяльная: «вона», руки-то с тех времен, глянь.

Чего только не лудили: кастрюли, ведра…Это уж потом на «ящике» (имеется в виду принятые названия закрытых организаций — «номерной почтовый ящик» — п/я) техника-то объявилась. Ну, да чего это вспоминать. А с таким-то как сейчас «струментом» и дурак обернется. Да ведь нам не Чепенджер с Бураном клепать-то надо, пока-что… Так с малого и начнем.

«Разживись», для начала, одним обыкновенным «паяльничком» ватт, эдак, на 30 с медным жалом: китайским не доверяй.

В.Ж. «У меня, такой как раз есть».

В.М.П. «Вот и «чудненько», но ты его, поди, не холишь и не лелеешь, а за ним уход особый нужен. Паяльник — это можно сказать — главное орудие «радиопролетариата»! Гляди.

Особое внимание обрати, дружок, на жало. Загадай, кстати, приятелям своим загадку: не змея, а с жалом. Так, не всяк додумается. Конечно, сейчас чего только не «наизобретали»: многослойные, полые с внутренним прогревом, да автоматикой разной… Ну, да мы по-простому будем работать. Лучше заиметь сменные жала разных фасонов, но это не сразу, а насадки-то разные смастерить и самому можно.

Особо позаботься о защите жала паяльника от обгорания. Обмажь жало тонким слоем смеси силикатного клея и сухой минеральной краски (окиси железа, цинка, магния). Да не спеши включать, а поначалу просуши, как следует, иначе клей вспенится и покрытие «осыплется, как не было», и платы не отмоешь. Можно и проще, на худой конец, натри жало по всей длине мягким простым карандашом.

А самый, значит, рабочий конец жала, заточи под углом с одной стороны и легонечко откуй молоточком, тогда оно не выгорает значительно дольше. Выступать из паяльника жало должно миллиметров на 30. Если винтиков для крепления жала два, то один ставить не надо совсем, а другой возьми подлиннее, наверни на него гайку и тогда уже закрути, зажав жало. Затем подверни гайку, «подконтруй» стало быть, прижав втулку с жалом к корпусу паяльника. Вот теперь жало не ходит ходуном, а сидит крепенько.

Возьми за правило регулярно жало вытаскивать да чистить и подправлять. Знаешь, как хороший боец за винтовочкой-то на войне ухаживал. Тогда она его и не подводила. Так дед-то тебе об этом, наверное, не раз сказывал. Не гнушайся черной работы — результат белым будет! Самый-то кончик зачищай наждачной бумагой — «нулевкой», да протри, чтоб чистое было. Потом нагрей паяльник и нанеси на конец тонкий слой канифоли и припоя, а лишнее удали. Паяльник не перегревай, смастери какой-нибудь нехитрый переключатель, чтобы пока не паяешь, не греть на полную катушку, а как бы вполсилы.

Ну, вот еще, оборудуй подставочку подходящую и припой заимей специальный. Вот как этот, в виде трубочки с канифолью внутри, очень удобен и легкоплавкий. ПОС-61 называется.

В.Ж. «А почему ПОСТ, да еще 61?».

В.М.П. «Да не пост, а ПОС — припой оловянно-свинцовый, а цифирь — это процент олова в нем. Советую также приготовить жидкий неактивный флюс. Возьми кусочек канифоли в махонькую баночку и примерно вдвое спирта подпей. Пробочка с кисточкой, видишь: спиртяга-то, сам знаешь, ох как удирать любит!

Так, это все прелюдия, а теперь саму паяльную симфонию давай разыграем. Инструмент у нас уже настроен.

Вот, какая, значит, партитура. При массивных деталях место соединения должно быть зачищено да прогрето так, чтобы припой на нем расплавлялся. Само собой выводы разных там микросхем да дорожки печатных плат — особая статья, там не грей место соединения более 2–3 секунд. Иначе работать ничего не будет, да и в магазин за деталями не набегаешься. Соединение должно быть неподвижным, пока припой на нем не затвердеет. Не дуй на него и не плюй — лучше не станет. Припоя должно быть не мало, но и не слишком много, а ровно, как в аптеке. Тут нужна практика. Когда к монтажу плат перейдешь, так я тебе покажу: какие там есть хитрости. Ну, еще одно, пожалуй, правило запомни сразу: «Начинай с малого, а кончай большим».

В.Ж. «Как это — с малого?».

В.М.П. «А так, значит, самые невысокие детали: перемычки, резисторы, конденсаторы обычные и т. д. — по ранжиру, как они на плате лежать или стоять будут, выстрой. Дальше «по-науке» идет «формовка», а потом «набивка» производятся. По-нашему, значит, отогни ровненько выводы деталей, так чтобы они легко по своим местам садились — это и есть «формовка». После берешь их по компаниям и на нужные места прилаживаешь. Это, стало быть, «набивка». Теперь, вот так, прижимаешь их к плате листом пенопласта и весь пирог переворачиваешь вверх их торчащими ногами. Так они лежат «спокойненько» и не дергаются. Тут можно еще чуть-чуть в стороны их выводы отогнуть. Здесь, что не мастер — то свои приемы… «Ювелирная мастерская вроде».

Теперь берешь «паяльничек» да слегка прихватываешь ножки к плате, как я тебе давеча говорил, до возникновения шипения канифоли и появления легкого дымка. Потом уж по-всякому можно: откусить лишки-то да аккурат пропаять. Здесь вид такой сотвори, как на ровной поляне, чтоб пеньки-то не торчали. Да поначалу по-многу «деталюх» не бери, не на конвейере, чай, вкалываешь — спешить-то некуда. Да гляди, чтоб дорожки да ножки не «позамыкались» где не надо.

Это, пожалуй, основное. Такова наша «Наука паять», что твоя суворовская «Наука побеждать». Помнишь, как Александр Васильевич сказывал: «Тяжело в учении — легко в бою». Вот и потренируйся, «нат-ко» тебе «проводишко», да тренируйся: нарежь на кусочки, зачисть, залуди да спаивай. А потом, вон из старой телевизионной или компьютерной платы все компоненты вначале распаяй, а потом назад по местам припаяй, пока все не получится прочно, а не «на соплях», да красиво, так, что сам залюбуешься. И еще, чуть не забыл. Коль обожжешься, не стесняйся средство народное, знамо какое применить. Народ-то он мудрый».

В.Ж. «Спасибо, Вам, Виктор Михайлович, за науку».

В.М.П. «Да, пожалуйста, успехов тебе, сынок».

Что такое КИТ и с чем его едят?

Если вам приходилось собирать что-нибудь из готовых наборов деталей, то считайте, что вам повезло, по крайней мере азы вами пройдены. Хорошая книга или руководство по сборке из готовых наборов помогают шаг за шагом проходить и легкие, и трудные места.

Дж. Кар . «Проектирование и изготовление электронной аппаратуры»

Слово «КИТ» происходит от английского — kit — набор или комплект деталей. В мировой радиолюбительской практике использование подобных «КИТов», распространяемых в виде почтовых посылок, является обычным делом. Как только появлялось какое-либо новое устройство, будь то лазер или персональный компьютер, так, буквально тут же, следовали предложения с соответствующими «КИТами». Далее рассматриваются избранные устройства из ассортимента известных и легко доступных у нас наборов Мастер КИТ, сопровождаемые ссылкой на номер комплекта в фирменном каталоге. В связи с постоянной модернизацией наборов, их внешний вид, типы используемых компонентов и номенклатура могут отличаться от приводимых в данной книге. За оперативной информацией следует обращаться на сайт .

Каждый набор включает в себя качественную печатную плату с нанесенной маркировкой, необходимые компоненты и подробную инструкцию по сборке, включающую принципиальную схему, спецификацию используемых компонентов, вид монтажной платы и готового устройства. Все наборы разделены на несколько категорий сложности.

Простые — наборы для начинающих радиолюбителей, они характеризуются простотой сборки и настройки, невысокой плотностью монтажа элементов, низковольтными питающими напряжениями, использованием сравнительно простых компонентов. В настройке такие устройства, практически, не нуждаются и, при условии правильной установки компонентов, работают сразу.

Средние — наборы для радиолюбителей с некоторым стажем. Эта категория наборов характеризуется высокой плотностью монтажа, наличием SMD-компонентов (от английского Surface-Mounted Device — компоненты для поверхностного монтажа) и специальной методикой настройки электрических параметров устройства. Из отдельных модулей этих наборов можно собрать единое, конструктивно завершенное радиоэлектронное устройство.

Сложные — наборы для профессионалов, характеризуются очень высокой плотностью монтажа, наличием SMD-компонентов, наличием многовыводных интегральных схем, достаточно высокой сложностью настройки. Такие устройства можно применять в профессиональной аудио-, видео-, бытовой и автоэлектронике.

Модули — готовые устройства, не требующие сборки.

Как грамотно собрать набор Мастер КИТ?

Законы Клипштейна

Всякий провод, нарезанный на куски, окажется слишком коротким.

Если по схеме требуется «n» деталей, то на складе окажется «n -1».

После сборки на верстаке обязательно обнаружатся лишние детали.

Принцип запасных частей

Во время поиска небольших запасных частей, упавших с рабочего места, вероятность их обнаружения прямо пропорциональна размеру детали и обратно пропорциональна ее значению для завершения работы.

Из книги «Закон Морфи»

Общие требования к монтажу и сборке наборов являются стандартными. Начинающему мастеру следует руководствоваться простыми правилами сборщиков: лишних деталей не бывает, и все надо делать, не спеша, по порядку. В этом плане достаточно вспомнить классический рассказ Марка Твена о горе-часовщике.

Однако и голову терять не надо. Поэтому полезно будет также прочитать у современного писателя Михаила Веллера о том, как знаменитый радист полярной станции СП-1 — коротковолновик мира № 1 в неписанной табели о рангах тех лет — Эрнст Кренкель подшутил над Папаниным. Кренкель был беспартийным, и Папанин удалял его из палатки на время проведения политзанятий. Бедный Кренкель бегал вокруг палатки и надумал отомстить Папанину. Тот каждый вечер автоматически разбирал и собирал перед сном свой любимый маузер. Кренкель же подложил ему незаметно «лишнюю железку». После чего Папанин надолго лишился сна.

Полный цикл изготовления устройства рассмотрим на конкретном примере.

Предположим, нам приглянулся набор Мастер КИТ NM4015 «Инфракрасный детектор» (рис. 45).

Рис. 45. Вкладыш технического описания к набору Мастер КИТ NM4015

Выбор набора — дело, конечно, субъективное и зависит от поставленной цепи и возможностей. В данном конкретном случае критерии были таковы.

Набор должен быть интересным и простым (для начинающих радиолюбителей). При минимуме деталей в него должны входить разнообразные компоненты. Он должен быть достаточно типовым и полезным как для освоения, так и для применения. И, разумеется, доступен по цене.

Подготовка к сборке набора

Открываем упаковку и проводим ревизию деталей. Для этого руководствуемся спецификацией, содержащейся на вкладыше прилагаемого к набору технического описания (см. табл. 1 на рис. 45). Удостоверившись в правильности комплекта, составляем его сборочную кассу (рис. 46).

Рис. 46. Сборочная касса набора Мастер КИТ NM4015

Касса представляет собой лист бумаги, разграфленный в виде таблицы под данный набор, и скрепленный с тонкой пластинкой из пенопласта или поролона. Резисторы, конденсаторы и другие компоненты ножками аккуратно втыкаются (или слегка прикрепляются полоской скотча) по порядку на обозначенные места. Это могут быть и гнезда в виде наклеенных на картонку внутренних частей спичечных коробков. Рядом подписываются буквенно-цифровые обозначения компонентов на схеме, номинал и особенности монтажа (полярность и разметка выводов).

Крупногабаритные комплектующие, например печатную плату, корпус и т. п., следует держать отдельно, отметив их стиккером или по-иному. Касса напоминает азбуку-кассу первоклассника (но и у нас первые шаги) или кассу с литерами для ручного типографского набора текстов. Поэтому ее можно организовать и по-другому, например, приблизиться к «хай-тех», используя идеи CAD-CAM по изготовлению гибридных микросхем и микросборок. Распечатать (или начертить) на листе плотной бумаги схему или лицевую панель сборочной платы и расположить на ней (вколоть, закрепить скотчем) компоненты так, как они должны размещаться в изготавливаемом устройстве. В процессе сборки они отсюда легко извлекаются и устанавливаются на свои законные места на реальной плате. Проявите фантазию. Не спешите, рассыпав детали на стол, а заодно и под стол, побыстрее наляпать их на плату. Спешка нужна…

Тем же, кому эти советы покажутся излишними, рекомендуем еще раз прочитать начало данного раздела и вспомнить знаменитый закон имени товарища Паркинсона о неприятностях. Надеемся, что Радиолюбительство станет (или уже стало) вашим «хобби», т. е. в переводе с английского «увлечением, любимым занятием на досуге». А от любимого дела надо получать удовольствие и удовлетворение.

Далее следует внимательно изучить принципиальную схему устройства (см. рис. 45) и понять, как оно функционирует. Как уже указывалось, наиболее рационально это выполнять, собрав вначале виртуальную модель на компьютере. (Если есть доступ к Интернет, данный этап можно выполнить и перед покупкой набора, при его выборе взяв принципиальную схему и параметры компонентов на сайте masterkit.ru).

Сборка виртуальной модели «Инфракрасного детектора» NM4015

Открываем программу EWB (см. рис. 40) и на рабочем поле в соответствии с принципиальной схемой устройства (см. рис. 45) размещаем, соблюдая геометрию, контактные площадки (узлы 1…8). Для этого нажатием ЛКМ (левой кнопки мыши) на пиктограмму  открываем панель компонентов Basic (основная); на ней нажимаем ЛКМ на пиктограмму с изображением неразъемного соединения  (Connector) и, не отпуская кнопки, буксируем контакт на рабочее поле, а затем отпускаем ЛКМ. Панель Basic можно держать открытой в течение всего процесса построения модели, а можно закрывать и открывать при необходимости. Двойным щелчком ПКМ (правой кнопки мыши) по изображению узла вызываем окно редактирования свойств данного компонента (рис. 47).

Рис. 47. Окно редактирования свойств узла в EWB

В окошке Label (метка) этой панели печатаем номер узла 1 и подтверждаем выбор нажатием на кнопку «ОК». Аналогичную процедуру выполняем для остальных семи узлов. В результате на рабочем поле возникает восемь нумерованных узлов, соответствующих узлам электрической схемы и контактным площадкам печатной платы (рис. 48).

Рис. 48. Виртуальная модель EWB «Инфракрасного детектора» Мастер КИТ NM4015

На приведенном рисунке в целях экономии места показана уже вся виртуальная модель, но подробное описание ее построения в соответствии с принципиальной схемой продолжается.

Узлы 1 и 5 соединяем между собой горизонтальным проводником («плюсовая» шина питания). Для этого подводим острие курсора к правой части зачерненной точки 1, нажимаем ЛКМ: там должно возникнуть небольшое утолщение. Не отпуская кнопки, ведем мышь направо к узлу 5. Вслед за курсором на экране тянется проводник. Его надо подвести к левому краю узла 5, и когда из этого узла возникнет ответное утолщение (виртуальная капля олова), кнопку надо отпустить. Аналогично надо соединить узлы 4 и 8 (шина земли).

Далее перейдем к компонентам, начав с резистора R2. Из панели Basic нажатием ЛКМ на пиктограмму  (Resistor) и буксировкой выводим на рабочее поле УГО резистора и отпускаем ЛКМ. Двойным щелчком ПКМ (правой кнопки мыши) по изображению резистора вызываем окно редактирования его свойств (рис. 49).

Рис. 49. Окно редактирования свойств резистора в EWB

Здесь в опции Value (значение) по умолчанию проставлено 1 кОм, для резистора R2 в соответствии со спецификацией (табл. 1 на рис. 45) надо напечатать 4.7 (разделитель дробной и целой частей — точка), оставив единицы кОм. Затем нажимаем ЛКМ на кнопку Label, присваиваем в соответствующем окне метку R2 и подтверждаем выбор нажатием на кнопку «ОК». Указанные однотипные процедуры выбора компонента и редактирования его свойств далее подробно не описываются.

Выбранный резистор располагается на поле горизонтально. Для придания ему вертикального положения его выделяют двойным щелчком ЛКМ и вращают с помощью соответствующих кнопок на панели инструментов  либо нажав с клавиатуры Ctrl+R.

После этого подводят курсор к резистору (там возникнет изображение руки) и, нажав ЛКМ, перетаскивают его в необходимую позицию под проводом 1–5, оставив между верхним выводом резистора и проводника зазор около 1 см. Затем действуют аналогично тому, как при соединении узлов. Острие курсора располагают на верхнем конце резистора: там возникает временный узел, нажимают на ЛКМ и тянут провод наверх до образования ответного соединения, отпускают ЛКМ — образовался узел с тремя отходящими от него ортогональными проводниками (см. рис. 48). Вообще из такого узла могут выходить 4 ортогональных проводника, его можно размещать как в любом месте на рабочем листе (кроме области, занятой компонентом), так и на проводниках и выводах компонентов, что весьма облегчает проведение виртуального монтажа.

Аналогично описанному выбираются, редактируются и монтируются резисторы R5, R6, R7. Подстроенный резистор R1 имеет ряд особенностей. Выбирается он по-прежнему из панели Basic по его УГО .

Затем в панели редактирования свойств (рис. 50) в окошке Key (клавиша) опции Value устанавливаем управляющую букву R на клавиатуре и в окошке Resistor печатаем необходимый номинал 220; далее в меню Label присваиваем в соответствующем окне метку R1.

Рис. 50. Окно редактирования свойств потенциометра в EWB

После этого придаем потенциометру R1 необходимую пространственную ориентацию и соединяем, как было показано на рис. 48.

В графических изображениях принципиальных схем и виртуальных моделях есть ряд особенностей, на некоторые из них укажем сейчас.

На принципиальной схеме (рис. 45) показана общая рамка, окаймляющая печатную плату, и по недоразумению ее можно принять за соединительные проводники, но это не так. Например узлы 1-2-3-4 вовсе не имеют непосредственных соединений, равно как и узлы 5-6-7-в (сравните с виртуальной моделью на рис. 48). На первый взгляд это может показаться неправильным, но так принято. Например, на УГО лампы не показывают, как в разрезе на машиностроительном чертеже, что проводник проходит через изолятор и внешний круг, отображающий баллон (даже если он металлический), замыкающий все ее электроды (см. рис. 9, б), или аналогично для микросхем (см. рис. 16).

Включение потенциометра R1, показанное на принципиальной схеме (см. рис. 45), соответствует реальному соединению при его монтаже: вывод от движка (средний) и нижний вывод соединены на землю, и в случае нарушения контакта у движка в цепи будет не обрыв, а останется полное сопротивление. Виртуальная модель просто не допускает соединения на землю сразу двух выводов, а регулировочные свойства оттого, что нижний вывод не заземлен, не меняются.

Продолжим построение модели. Конденсатор С1 полярный электролитический выбирается по его УГО  с той же панели Basic. Он имеет емкость 1 мкФ или с использованием международных обозначений 1 μF и именно это значение стоит по умолчанию в окне редактирования свойств (рис. 51).

Рис. 51. Окно редактирования свойств конденсатора в EWB

Однако после этого выбора на рабочем поле будет напечатано: 1 uF — не удивляйтесь, так принято в «сапровских» электронных программах для удобства (чтобы не печатать греческую букву «мю» печатают латинскую «и»).

Теперь можно провести частичные соединения выбранных компонентов или выбрать все остальные, а затем проводить сборку. Поступим именно так.

Во-первых, нажав ЛКМ в ряду компонентов на пиктограмму с изображением диода , откроем панель Diodes (диоды).

На этой панели из предлагаемого меню выберем сначала светодиод, затем светодиод, нажав на соответствующие пиктограммы  и . Далее в каждом из окон редактирования свойств (рис. 52 и 53) проводим необходимые установки в соответствии со спецификацией на компоненты VD1 и VD2.

Рис. 52. Окно редактирования свойств светодиода в EWB

Светоизлучающий диод VD1 в англоязычной литературе называется LED (Light-Emitting Diode — светоизлучающий диод).

В окне его свойств (рис. 52) выбираем в ряду Model (модель) red_LED (красный светодиод). Затем присваиваем ему метку VD1, поворачиваем анодом вверх и размещаем на нужном месте.

Диод VD2 является обычным выпрямительным, и его модель имеется в позиции «Nanional» библиотеки (Library) компонентов (рис. 53).

Рис. 53. Окно редактирования свойств диода в EWB

Далее здесь в ряду Model надо отметить строку 1 N4001, присвоить метку VD2, повернуть анодом вниз (катодом наверх) и установить в модель схемную модель устройства (см. рис. 48). Противоположная ориентация диодов VD1 и VD2 по отношению к источнику питания («+» находится на шине 1–5) объясняется их функцией в работе устройства.

Диод VD1 будет загораться, когда на его аноде возникнет положительный потенциал относительно катода, и протекающий ток в этом прямом направлении (от p-области к n-области по стрелке УГО, «от плюса к минусу») примет значение достаточное для его свечения (электролюминесценции). При обратном его включении этот прибор будет пробит и испорчен, что надо учесть при пайке реального устройства и подводе к нему питания.

Диод VD2 в данном устройстве практически не работает, если не считать возможности частичной защиты приборов от «переполюсовки» питания. Данный набор имеет некоторую универсальность и возможные расширения функций. В частности, к нему в точках 1 и 7 может быть подключено исполнительное электромагнитное реле для управления силовыми устройствами (двигатель, нагреватель и т. п.), и это будет использовано далее. Вот при включении и выключении реле возникают броски напряжения со сменой полярности на коллекторе транзисторов. Обратно включенный диод VD2 защищает транзисторы от пробоя: при смене полярности в точке 7 он «закорачивает» на себя обмотку реле, спасая транзисторы от пробоя.

Транзисторы VT1 и VT2 являются биполярными транзисторами n-р-n типа. Они выбираются из панели Transistors, вызываемой нажатием ЛKM на пиктограмму , а затем — на . Далее вызывается окно свойств (рис. 54) и в нем выбираются опции zetex и ВС547ВР.

Рис. 54. Окно редактирования свойств транзистора в EWB

Здесь прибавка к имени транзистора букв ВР означает, что это биполярный транзистор (Bipolar junction Transistor). В меню свойств компонентов можно входить не только двойным щелчком по ним ЛКМ, но и однократным нажатием ПКМ, которое вызовет дополнительное меню (рис. 55).

Рис. 55. Вызов предметной помощи в EWB

В этом меню можно вызвать окно свойств компонента (Component Properties), а также воспользоваться другими стандартными опциями графического редактирования системы Windows для выделенного объекта. Нажмем ЛКМ на позицию Help (помощь) и вызовем предметную справку (рис. 56).

Рис. 56. Окно справки по транзистору в EWB

Здесь (на английском языке) дана короткая справка о типе прибора. УГО, помещенное в левом углу, показывает назначение его выводов: С — Collector (коллектор), В — Base (база), Е — Emitter (эмиттер). Иногда справки содержат и более подробную информацию, например, о микросхемах и использовании устройств в моделях, так что к ним не грех и обращаться за помощью.

Выбор транзисторов, как и любого другого компонента, заканчиваем раздачей именных позиционных меток (в данном случае VT1 и VT2) и необходимым включением в схемную модель (см. рис. 48).

После проведенных подготовительных процедур окончательно проводим соединения всех компонентов как бы внутри печатной платы (проводники здесь моделируют ее дорожки). Всякий компонент в схеме может быть выделен и без отрыва перемещен на другое место стандартной буксировкой ЛКМ или курсорными стрелками с клавиатуры. Эта операция может понадобиться для графического редактирования схемы, а также для проверки ложных соединений или, напротив, отсутствия необходимого соединения.

Замену какого-либо соединения можно выполнить несколькими способами. Например, курсор подводится к монтажному узлу со стороны того проводника, который надо «пересоединить», нажимается ЛКМ (это как бы включается паяльник), возникает дополнительное утолщение («олово расплавилось»), не отпуская кончик проводника, его перемещают к месту необходимого соединения, и вызвав на нем появление утолщения с нужной стороны («появилась капелька олова»), производят соединение. Если проводник после его «отпайки» отпустить, то он исчезнет.

Удалить проводник, монтажный узел или любой компонент можно и стандартным удалением графического редактирования системы Windows для выделенного объекта, например из окна по рис. 56 или из опций Edit. Правда, при этом могут произойти непредвиденные «пересоединения» в схеме и ее надо будет после этого перепроверить.

После окончательного редактирования схемной модели и проверки ее соответствия принципиальной схеме по соединениям компонентов и их номиналам, можно подключить «внешние устройства». В данном случае их два: источник питания и источник сигнала.

Согласно описанию, устройство имеет батарейное питание. Поэтому выбираем батарею, как было описано ранее (см. рис. 41, 42), и принимаем ее ЭДС Е1 = 12 В.

Увеличение ЭДС с 9 В до 12 В связано с использованием готовых моделей компонентов в программе EWB, особенно светодиода и его чувствительности к сигналам, а также их виду. При более скрупулезном моделировании можно этого избежать. Эти же проблемы возникают и при попытке включить на вход модели фотодиод VD3: обратившись к компонентной базе программы, мы вообще не найдем там подобных устройств. Не надо отчаиваться. Подумаем над тем, какую функцию выполняет фотодиод в реальном устройстве. Фотодиод VD3 включен на обратное напряжение: катод к «+» источника питания через резистор R2 (см. принципиальную схему на рис. 45), а анод к «-» через резистор R1. Если освещение отсутствует или оно «слабое», не сосредоточено на приемной линзе фотодиода, то через него протекает крайне малый обратный (так называемый «темновой») ток, составляющий 1…10 мкА.

В данной схеме можно считать, что неосвещенный фотодиод просто разрывает цепь смещения базы входного транзистора VT1, и потенциал в точке 3 равен 0, а транзистор заперт. Увеличение освещенности приводит к росту числа носителей и величины обратного тока через фотодиод и изменению напряжения на сопротивлении R1. Ток, возникающий в базовой цепи, открывает транзисторы VT1 и VT2, включенные по схеме «пара Дарлингтона». Усиленный этой парой сигнал приводит к загоранию светодиода, включенного в их коллекторную цепь. Поэтому при полуколичественном моделировании заменим неосвещенный фотодиод его «темновым» сопротивлением, приняв последнее R8 = 100 МОм (см. рис. 48), а при освещении равным 0, для чего параллельно входу поставим переключатель, управляемый клавишей S.

Последнее. Подключаем заземление  к шине 4–8. Для наблюдения за работой виртуальной модели переводим переключатель 0/1 во включенное состояние .

Если все собрано и работает правильно, то после нажатия на клавишу S (при английской раскладке клавиатуры) стрелки с просветом около VD1 должны «зачерниться»  (анимация горящего светодиода), а после повторного нажатия придти в исходное состояние .

После многократных нажатий на S (имитация посылки команд на ПДУ) наблюдаем последовательные смены состояний светодиода.

Теперь файл с моделью надо сохранить. Для дальнейшей работы с ним присвоим ему имя номера набора с соответствующим расширением данной программы NM4015.EWB, предварительно подготовив в файловой структуре программы специальную папку для накопления результатов собственного творчества.

Заодно отметим, что внутри этой структуры уже имеются готовые библиотечные файлы ряда устройств, которые полезно посмотреть в работе.

К полученной модели можно обратиться в дальнейшем для более детального моделирования или ее усовершенствований и переделок, в процессе наладки реального устройства и для других целей. Пока же отложим в сторону «мышь», приготовим паяльник, инструмент и сборочную кассу компонентов (см. рис. 46). Они придут на смену курсору и виртуальным компонентам ПК.

Сборка « Инфракрасного детектора» Мастер КИТ NM4015

Сборка устройства начинается с соотнесения принципиальной схемы (см. рис. 45) и прилагаемой для монтажа печатной платы А401 (рис. 57).

Рис. 57. Печатная плата А401 :

а — лицевая сторона; б — обратная сторона

Для удобства монтажа на лицевой стороне платы (рис. 57, а) показано расположение всех устанавливаемых элементов. В соответствии с разметкой, на печатной плате по порядку устанавливаются требуемые компоненты.

Обычно, как уже говорилось выше, начинают с более мелких компонентов, например резисторов, затем переходят к конденсаторам, а далее к диодам, транзисторам и микросхемам. От этих операций зависит не только работоспособность изделия, но и насколько профессионально и красиво оно выглядит. Перефразируя Чехова, можно сказать: «В Электронике все должно быть красиво».

Обратите внимание на то, что вид платы со стороны дорожек является зеркальным по отношению к лицевому слою (рис. 57, б). Со всем тщанием, вспоминая «Науку паять», применяем ее на практике, аккуратно пропаивая контактные площадки с выводами (рис. 58).

Рис. 58. Пайка резистора R7

Позже (после наладки устройства) место пайки покрывается лаком или вся плата покрывается спиртоканефолевым раствором (тогда ее будет легко опять распаять и перепаять заново). Полезно проводимый монтаж отмечать цветным карандашом на заранее заготовленном дубликате принципиальной схемы.

Аналогично впаиваем остальные постоянные резисторы: R5, R6, R7 (рис. 59).

Рис. 59. Печатная плата А401 после впайки резисторов R2 , R5 , R6 , R7

Затем впаиваем диод VD2. Здесь надо обратить внимание на его полярность: серебряный ободок на корпусе диода соответствует катоду, а так как он включается на обратное напряжение, то этот вывод подходит к контактной площадке, располагаемой вверху на «плюсовой шине» 1–5. Для анода диода на плате ниже стоит знак «+». После впайки диода VD2 (рис. 60) он закрывает свою надпись на плате и рядом видна надпись VD1, но она отмечает положение другого компонента (светодиода).

Рис. 60. Печатная плата А401 после впайки резисторов R2 , R5 , R6 , R7 и диода VD2

Далее припаиваем конденсатор С1, совмещая метки «+» на корпусе и плате (рис. 61).

Рис. 61. Печатная плата А401 после впайки резисторов R2 , R5 , R6 , R7 , диода VD2 и конденсатора С1

Переходим к пайке транзисторов VT1 и VT2. Они однотипные и идентификация выводов (С, В, Е) легко определяется по отсеченной части цилиндрического корпуса и рисунка его проекции на плате (рис. 62).

Рис. 62. Печатная плата А401 после впайки резисторов R2 , R5 , R6 , R7 ,диода VD2 , конденсатора С1 и транзисторов VT1 , VT2

При монтаже оптоэлектронных приборов VD2 и VD3 также надо строго соблюдать полярность включения. Посадочные отверстия светодиода VD2 помечены на круге ниже, где имеется специальная метка «+» для анода этого прибора. Светодиод включается на прямое напряжение по правилу: «плюс к плюсу». У светодиода данного типа вывод анода выполнен более длинным, и это позволяет правильно смонтировать его. Вывод катода фотодиода VD3 помечен точкой на его корпусе, а так как он включается на обратное напряжение, то этот вывод следует соединить с контактом 2 на плате. Плата после монтажа оптоэлектронных приборов показана на рис. 63.

Рис. 63. Печатная плата А401 после впайки резисторов R2 , R5 , R6 , R7 , диода VD2 , конденсатора С1 , транзисторов VT1 и VT2 , светодиода VD1 фотодиода VD3

Остается вставить в соответствующие посадочные гнезда выводы «подстроечного» резистора R1 и подпаять их с обратной стороны платы (рис. 64).

Рис. 64. Печатная плата А401 после впайки резисторов R2 , R5 , R6 , R7 , диода VD2 , конденсатора С1 , транзисторов VT1 и VT2 , светодиода VD1 и фотодиода VD3 , резистора R1

Питание к устройству подводится через специальную колодку-разъем, имеющий два контактных гнезда под 9-вольтовую батарею (рис. 65).

Рис. 65. Окончательный вид «Инфракрасного детектора» Мастер КИТ NM4015

При отсутствии комплекта колодки с проводами его можно изготовить самостоятельно. Для этого надо извлечь из старой аналогичной батареи колодку и далее принять во внимание следующее.

На батарее разрезному пружинному контакту соответствует «минус», а цельному цилиндру — «плюс». Поскольку ответная колодка на приборе имеет такую же пару контактов, то их полярность противоположна описанной, так как сплошной контакт одной колодки должен входить в разрезной контакт на другой. Поэтому один конец красного («плюсового») многожильного провода подпаиваем к выводу 5 на печатной плате, а другой его конец к разрезному контакту на колодке. Соответственно один конец черного («земляного») многожильного провода подпаиваем к выводу 8 на печатной плате, а другой его конец к сплошному контакту на колодке. Теперь если подключить батарею, то можно опробовать устройство в работе, но вначале не мешает еще раз проверить: все ли находится на своих местах, и не произошло ли где-нибудь «непропая» или, наоборот, замыкания между дорожками или выводами.

После включения батареи проверяем работу с помощью настольной лампы, а затем ПДУ. Чувствительность детектора можно подрегулировать, вращая шлицом отвертки винт в резисторе R1 (не переусердствуйте при этом — ход винта ограничен).

Данное устройство впоследствии можно доукомплектовать исполнительным реле для выполнения других функций и в зависимости от назначения разместить в определенном пластмассовом корпусе.

На этом заканчивается подготовительная часть, более подробные сведения по всем затронутым вопросам можно почерпнуть из литературы, список которой приведен в конце книги. Дальше следует описание различных самоделок: интересных, поучительных и полезных, на многие случаи жизни. Так что не сходим с дистанции — до финиша еще ой, как далеко! Все еще только начинается…

 

От маятника к контуру

В «Исторических повествованиях о жизни синьора Галилея, члена Академии деи Линчеи, благородного флорентийца», написанных его учеником, рассказывается о том, как Галилей изучал колебания, наблюдая за раскачиванием тяжелой лампады на подвесе в Пизанском соборе. Временные интервалы Галилей измерял по биению собственного пульса. На этой основе он изобрел хронометр, но сделать его не успел. Эти работы продолжил Христиан Гюйгенс, который провел подробные математические исследования и вывел формулу маятника, вошедшую во все учебники физики. Подобные колебания совершает и масса на упругом подвесе — так называемый «пружинный маятник». В нем кинетическая энергия движущейся массы и потенциальная энергия упругой пружины обмениваются между собой по колебательному закону. Есть много других, похожих случаев, но все это механические колебания.

Колебания в электрических цепях были исследованы позже. В цепях постоянного тока, которыми занимался Г. Ом (см. выше), колебания возникнуть не могли.

Поэтому перенесемся на берега туманного Альбиона в иную лабораторию: к Майклу Фарадею. Здесь весной 1837 г. Чарльз Уитстон — изобретатель «мостовой схемы» — пытался получить искру от термопары. Один спай термопары находился в раскаленной до красна печке, а другой — внутри куска льда. Уитстон безуспешно соединял и разъединял два отходящих провода — искры не было.

Тогда Майкл Фарадей, заявив, что Уитстон все делает не так, провел эксперименты по-своему. Но и ему не повезло — искры по-прежнему не было. И тогда-то третий ученый — американец, приехавший в Англию, взялся довести эксперимент до победного конца. Он быстро намотал провод плотной спиралью на палец, снял спираль с пальца и внутрь ее вставил железный стержень. Благо этого добра в лаборатории Фарадея было предостаточно. Затем он соединил эту спираль с одним из проводов, отходящих от термопары, и заявил, что как только уважаемым коллегам будет угодно, он получит желанную искру. И действительно, все отчетливо увидели искру. Фарадей восхищенно зааплодировал и воскликнул: «Ура, эксперименту янки! Но что же вы такое сделали?»». И Джозефу Генри, а это был именно он, пришлось объяснять самоиндукцию ученому, который всему миру уже был известен как человек, который открыл электромагнитную индукцию.

Катушка индуктивности может сосредотачивать в себе магнитную энергию, а конденсатор — электрическую. Если их соединить между собой, то они могут обмениваться энергией благодаря ее взаимным превращениям, и возможны электромагнитные колебания, аналогичные механическим. Теперь-то до электромагнитных колебаний всего один шаг. Сделаем еще один экскурс в историю.

Уильям Томсон, более известный как знаменитый лорд Кельвин, по введенной им абсолютной шкале температур, в 1853 г. опубликовал работу «О преходящих электрических токах». В этой работе математически исследовалась зависимость разряда заряженного металлического шарика через тонкую проволочку на землю. Томсон рассматривает апериодические (т. е. непериодические) колебания в этой цепи в зависимости от ее параметров: емкости С, индуктивности L и активного сопротивления R. Идеальный случай (когда активное сопротивление R = 0) он не рассматривает, но именно этот случай дает знаменитую формулу для периода свободных колебаний, названную позже формулой Томсона:

«Томсоновским» назвали, также простейший LC-контур, хотя на самом-то деле у него он был всего лишь шариком с проволочкой.

Частота электромагнитных колебаний f и колебаний, распространяющихся в пространстве — электромагнитных волн обратно пропорциональна их периоду

Если принять скорость распространения радиоволн в свободном пространстве равной скорости света с = 3·108 м/с, то не трудно пересчитать частоту f в длину волны λ = c/f, или наоборот,

При проведении этих расчетов надо внимательно следить за применяемыми единицами измерений. Помимо «обычной» частоты, измеряемой в герцах (Гц, Hz), используется также и круговая или циклическая частота

Попробуем дать примерные оценки того, на какую частоту был настроен колебательный контур Томсона в его исторических опытах. Для этого примем, что шар-конденсатор имел диаметр 10 см, а провод имел длину 1 м (сопротивлением пренебрежем). Так вот, в XIX веке единицам измерений еще не давали имен ученых, и в области электростатики была система единиц, по которой емкость измерялась в сантиметрах. Соответственно, в области магнетизма была система единиц, по которой индуктивность также измерялась в сантиметрах. Поэтому в отсутствие диэлектриков и намагничивающихся тел оценки этих параметров можно проводить непосредственно по их геометрическим размерам.

При пересчете на современные единицы 1 сантиметр емкости примерно равен 1 пикофараде, а 1 сантиметр индуктивности 1 наногенри. Таким образом, в приводимом примере L ~= 100 см = 100 нГн = 10-7 Гн; С ~= 10 см = 10 пФ = 10-11 Ф. Отсюда, по формуле Томсона, период ~= 2·10 -8 с и частота, как обратная величина, составит 5·10-7 Гц = 50 МГц. Значит, если бы во времена Томсона-Кельвина существовало бы радиовещание, то Лорд, став радиолюбителем и используя свой контур в соответствующем радиоприемнике, мог бы наслаждаться приемом станций УКВ диапазона.

Моделирование колебательных контуров

В компьютерной программе EWB открываем панель  Basic (основные компоненты) и выводим на рабочее поле элементы: индуктивный L1 и емкостной С1. Соединив эти элементы последовательно, образуем последовательный колебательный контур. Возбуждение колебаний в контуре будем проводить от генератора синусоидальных колебаний.

Открыв в программе EWB группу Source (источники) , выберем в ней по пиктограмме  AC Voltage Source (источник переменного напряжения). Для этого источника можно провести необходимую установку параметров (амплитуды, частоты и начальной фазы). Здесь (рис. 66) для источника Е1 выбрана амплитуда 1 В, частота 50 Гц и начальная фаза 0°.

Рис. 66. Окно установки параметров генератора в EWB

Основными характеристиками контура являются амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) и фазочастотная характеристика (ФЧХ). Для получения этих характеристик в программе EWB предусмотрен специальный виртуальный прибор: Боде-плоттер.

Соберем схему согласно рис. 67. Исследуемый контур L1C1 подключен к генератору Е1.

Рис. 67. Модель последовательного колебательного контура в EWB

Боде-плоттер выбирается в группе Instruments (инструменты) по пиктограмме . Вход плоттера IN на условном графическом изображении прибора  надо соединить со входом контура, а его выход OUT с источником выходного сигнала (подсобного измерительного резистора R1, вносящего небольшие потери). Для получения частотных характеристик после сборки схемы необходимо вызвать изображение лицевой панели, дважды щелкнув ЛКМ по условному графическому изображению прибора.

По умолчанию, в появившемся полном изображении лицевой панели прибора (см. рис. 68), кнопки (амплитуда) и (логарифмический масштаб) находятся в «утопленном» положении. Для наблюдения АЧХ надо лишь в вертикальной и горизонтальной развертках произвести установки диапазонов моделирования по амплитуде и частоте F (от First — начальное значение) и I (от In — конечное значение), а затем нажать на кнопку, включающую моделирование.

Рис. 68. АЧХ последовательного колебательного контура в EWB

При проведении моделирования частота входного возбуждающего колебания генератора «свиппируется» (последовательно изменяется) в выбранном диапазоне программным путем автоматически.

Далее для наблюдения ФЧХ надо «утопить» кнопку  (фаза) и аналогично предыдущему установить начальное F и конечное I значение фазы, а затем включить моделирование. В результате на экране виртуального схемного прибора получаем вначале АЧХ, а затем ФЧХ (рис. 69).

Рис. 69. ФЧХ последовательного колебательного контура в EWB

Для проведения количественных измерений на этих графиках можно воспользоваться вертикальной визирной линией, перемещаемой из левой части экрана курсором или кнопками с изображением стрелок , находящимися на лицевой панели виртуального схемного Боде-плоттера. Соответствующие отсчеты в цифровой форме для точки пересечения визира с линией графика возникают в нижних окошках лицевой панели прибора (рис. 68, 69).

Программа EWB позволяет получить частотные характеристики, сведенными на один экран. Для этого, после установки диапазонов и проведения моделирования, надо нажать на пиктограмму  Display Graphs (график на дисплее). В результате получатся графики резонансной АЧХ (рис. 70), где Gain — коэффициент усиления, выраженный в децибелах, и ФЧХ (рис. 70), где Phase — фазовый угол, выраженный в градусах (Degrees).

Рис. 70. АЧХ и ФЧХ последовательного колебательного контура в EWB

В верхней части панели Analysis Graphs имеется набор инструментов для редактирования полученных графиков.

«Пересоединив» катушку и конденсатор, получим параллельный контур (рис. 71).

Рис. 71. Модель параллельного колебательного контура в EWB

Дадим команды на моделирование, аналогично предыдущему случаю, и получим АЧХ и ФЧХ (рис. 72), обратные предыдущим.

Рис. 72. АЧХ и ФЧХ параллельного колебательного контура в EWB

По АЧХ не трудно определить собственную (резонансную) частоту и добротность контура; изменяя параметры элементов контура, можно проследить за изменениями этих характеристик.

Моделирование контура радиоприемника Мастер КИТ NK105

Радиоприемник работает в диапазонах длинных, средних или коротких волн с хорошим качеством звучания и выходной мощностью до 1 Вт. Напряжение питания устройства 9 В. Размеры печатной платы: 38x32 мм. Внешний вид радиоприемника показан на рис. 73. Принципиальная электрическая схема радиоприемника показана на рис. 74.

Рис. 73. Внешний вид радиоприемника Мастер КИТ NK105

Рис. 74. Принципиальная схема радиоприемника Мастер КИТ NK105

Это детекторный радиоприемник прямого усиления сигналов с AM. Нас в нем интересует сейчас входной контур, образованный катушкой на ферритовом стержне с индуктивностью L и конденсатором С2 = 120 pF.

Конденсатор С1 = 1.5 nF служит для емкостной связи с внешней антенной.

Антенна (см. рис. 73) представляет собой ферритовый стержень (диаметром 10x60 мм), на котором размещается подвижная бумажная гильза с контурной катушкой. В зависимости от выбранного диапазона катушка имеет следующее число витков: 10 для КВ, 64 — СВ и 110 — ДВ. Приемник в простейшем варианте является однодиапазонным и однопрограммным.

Настройка на конкретную станцию осуществляется по максимальной громкости приема поворотами антенны в горизонтальной плоскости и перемещениями катушки вдоль стержня. После получения приемлемого результата катушка фиксируется скотчем. Впоследствии приемник может быть доработан введением регулировочного конденсатора и переключателя диапазонов.

Виртуальная модель исследования входного контура в программе EWB показана на рис. 75, а.

Рис. 75. Модель исследования входного контура радиоприемника Мастер КИТ NK105 в программе EWB :

а — схема; б — АЧХ

В схеме, прилагаемой к набору, параметр L не известен. Для его определения есть несколько вариантов. Можно рассчитать индуктивность предварительно зная число витков, геометрические размеры и магнитную проницаемость стержня или по формуле Томсона, задавшись частотой и зная емкость С2. Экспериментально можно определить индуктивность следующим образом. Параллельно ей включается предварительно отградуированный конденсатор переменной емкости C = var. Берется другой радиоприемник, работающий на внешнюю антенну, и точно настраивается на определенную радиостанцию. После этого между антенной и работающим радиоприемником включается контур LC. Варьируя емкость С этого контура, добиваются минимального звучания принимаемой радиостанции. Поскольку АЧХ исследуемого контура будет аналогична ранее приведенной на рис. 72, т. е. он будет работать как фильтр-пробка, то дальнейшим расчетом нетрудно определить искомую индуктивность.

Проведение этих «увлекательных» процедур оставим пытливым читателям. Мы же выберем для моделирования настройку на радиостанцию «Маяк» в СВ-диапазоне, соответственно 546,4 м или 549 кГц. По этой частоте и емкости С2 прикидываем, что величина индуктивности составит порядка 0,7 мГн. Поэтому в виртуальной модели выбираем регулируемую индуктивность с запасом — 1 мГн. Дополнительный резистор R1 позволяет в этой схеме включения выявить резонансную частоту контура. Полученный результат показан на рис. 75, б.

 

Два Робинзона

Радиоприем на «картофелину»

Первый Робинзон — отчаянный радиолюбитель, а не купец — попал на необитаемый остров и у него случайно (как рояль в кустах) оказались головные телефоны от плеера, какой-то диод да моток провода. Пошарив вокруг, Робинзон наткнулся на крупную картофелину. Из кармана он извлек перочинный нож и пачку сигарет (запрет Минздрава на острове не действовал). Картофелину можно бы съесть, но жить без радио, не зная прогноза погоды, последних известий и результатов чемпионата… Робинзон вспомнил, что в книге С. А. Шабалина видел простейший радиоприемник из картофелины (рис. 76).

Рис. 76. Радиоприемник из картофелины

Он разрезал картофелину пополам, оторвал от сигарет целлофановую пленку Ц и вставил ее между половинками. Затем шнурком Ш от ботинок связал картофелину. Воткнул в нее диод Д из проволоки сделал антенну А, затем заземление 3. Приспособил телефоны Тлф, и вот, что-то зашипело и заговорило. Забросил антенну повыше, заземление воткнул в песок, омываемый водой, так как радиатора парового отопления рядом не оказалось. Попытался поменять положения контактов, удовлетворил свое любопытство и заснул, а когда проснулся, картофелины не нашел.

Попробуем смоделировать этот «картофельный радиоприемник». В программе EWB соберем схему из двухполюсных элементов с сосредоточенными постоянными. Прямо скажем, что это задача не из легких и, очевидно, не имеет однозначного решения.

Потому сделаем некоторую простейшую прикидку, глядя на рис. 76 и заменяя показанные там элементы реальной цепи их простейшими моделями.

Радиостанцию (Radio Transmitter), которую собирается «поймать» Робинзон, смоделируем специальным амплитудномодулированным источником AM Source со следующими характеристиками: частота несущей взята условно — 200 кГц; частота модуляции — 500 Гц; глубина модуляции — 100 %; напряжение, развиваемое на антенне, — 100 мВ (все цифры взяты условно для удобства моделирования). Задавшись примерными параметрами устройства, получим схему, представленную на рис. 77.

Рис. 77. Модель радиоприемника из картофелины в EWB

Для наблюдения результата используем двухканальный виртуальный осциллоскоп (вот бы его, да Робинзону!). Выполнив соответствующие установки режимов развертки, получаем картину (см. рис. 78) амплитудно-модулированных колебаний (канал — А) и частично «отдетектированного» сигнала (канал — В).

Рис. 78. Осциллограммы сигналов в модели радиоприемника из картофелины в EWB

Возможно, кто-либо придумает более удачную модель, тем более что картофелину можно заменить другим овощем или, если не жалко — заморским фруктом, например, бананом. Пожелаем успехов уважаемым «Радио-Робинзонам».

Радиоприемник Мастер КИТ NK105

Второй Робинзон был ближе к купцу, а точнее, — к современным деловым людям. Прежде чем оказаться на том самом необитаемом острове, он оплатил по электронной почте отправление туда электронных наборов Мастер КИТ и необходимого инструмента. Так что когда с ним приключилось кораблекрушение, он оказался во всеоружии. Как только обсох, распаковал набор Мастер КИТ NK105 и принялся собирать радиоприемник согласно приложенной инструкции.

Схема радиоприемника, выполненная в программе EWB с некоторыми изменениями относительно первоисточника из-за специфики моделирования, показана на рис. 79.

Рис. 79. Модель радиоприемника Мастер КИТ NK105 в программе EWB

Здесь элементы, позиционные обозначения которых даны заглавными буквами, соответствуют исходному набору. Микросхема (IC) в виртуальной модели выбрана в виде идеального ОУ, поэтому на виртуальной схеме отсутствует источник питания.

Это, конечно, не «супер» (в смысле не «супергетеродин»), а детекторный радиоприемник прямого усиления, но и не картофелина! Воображаемая радиостанция — та же. Результат показан в виде осциллограмм на рис. 80.

Рис. 80. Осциллограммы сигналов в модели радиоприемника Мастер КИТ NK105 в программе EWB

С этим радиоприемником Робинзон не расставался, пока не сделал из другого набора Мастер КИТ радиопередатчик, по которому сообщил своим друзьям-радиолюбителям, где он находится.

Разумеется — Happy End — его спасли, но в мире были и другие страдающие…

 

SOS SOS SOS

Морские просторы бывают не только такими прекрасными и романтичными, как они выглядят на отдыхе или в путешествиях, но и трагически жестокими. История человечества — это во многом и история его борьбы с морской стихией: число ее жертв, из-за рокового стечения обстоятельств или халатности в море, слишком велико. Человеческое сообщество по мере своего развития старается уменьшить гибель людей и судов с грузами. В первую очередь совершенствуются конструкции судов и их эксплуатация. Кроме того, развиваются системы оказания своевременной помощи. Здесь на первом месте стоят способы и устройства сигнализации.

Сигналы бедствия означают, что судно и люди на нем подвергаются опасности гибели и нуждаются в помощи. Для призыва на помощь издавна использовали все доступные средства: пушечные выстрелы и взрывы с интервалом в 1 мин, зажигаемые смоляные бочки, сигнальные ракеты, звуковые сигналы и т. п. Конечно же, как только появилось радио, люди сразу же прибегли к его применению. Безусловно, радиосвязь оказалась наиболее быстро- и дальнодействующим сигнальным средством: немало жизней было спасено незамысловатым и тревожно прорвавшимся сквозь трески в эфире радио сигналом бедствия: SOS, SOS, SOS…

Обычно считают, что этот сигнал является аббревиатурой от английской фразы: «Save Our Souls», что в переводе означает «Спасите наши души». Однако это не так, — указывает известный знаток морского дела Л. Скрягин.

В начале прошлого века многие радиограммы, извещавшие о бедствии, не были унифицированы. Пользовались различными сигналами, но на большом числе судов стояли радиостанции фирмы Маркони, а для них был принят сигнал CQD. Прежде этот сигнал использовался на железных дорогах и в береговой службе Америки; он был образован от сигнала общего вызова всех станций СО добавлением к нему D (от Danger — опасность). Получившуюся аббревиатуру расшифровывали как «Come Quick Danger» — «Идите быстрее, опасность».

На Первой международной радиотелеграфной конференции, состоявшейся в Берлине в 1903 г., было предложено для судов, терпящих бедствие, установить специальный радиотелеграфный сигнал SSSDDD, передаваемый кодом Морзе. Решение принято не было, и в 1906 г. там же состоялась вторая конференция. На ней подвергся критике сигнал CQD, так как его часто путали с сигналом общего вызова всех станций СО. Поступило предложение принять в качестве международного сигнала бедствия сигнал SOE, которым пользовались суда, оснащенные радиотелеграфами немецкой фирмы «Слаби-Арко». Однако этот сигнал имел существенный недостаток: последняя его буква «Е», передаваемая одной точкой, при перегруженном эфире и помехах могла бы просто пропасть. Решили букву «Е» заменить буквой «S». Так родилось спасительное «SOS».

После опубликования этих решений моряки различных стран придумали несколько вариантов его мнемонической формы: «Save Our Souls» («Спасите наши души»); «Save Our Ship» («Спасите наше судно»); «Send Our Succour» («Пошлите нам помощь») и др.

В русском языке к произносимому «СОС» придумали фразу: «Спасите От Смерти».

Ввиду распространенности аппаратуры Маркони и привычек телеграфистов, в ходу оказались два сигнала бедствия. В трагическую ночь 15 апреля 1912 г. в 0 ч 45 мин старший радист гибнувшего «Титаника» Филипс вначале передал по радио сигнал бедствия и позывные судна в виде: «CQD CQD CQD MGY». Однако его помощник Брайд посоветовал: «Передай теперь SOS, это новый сигнал, и, может быть, тебе больше никогда не придется его посыпать». Сегодня нам известно двоякое поведение радистов «Титаника» при катастрофе: халатность до нее и самоотверженность во время трагедии. Теперь все это стало достоянием истории.

Широкий общественный резонанс, пестрящие заголовки газет всего мира со словами «Титаник» и «SOS» привели к тому, что они стали почти синонимами. Сигнал CQD ушел в небытие. Трагедия «Титаника» подтолкнула человечество к дальнейшему развитию радио и гидролокации.

Суда стали оборудовать аварийными автоматическими передатчиками и приемниками, работающими на единой «аварийной волне» 600 м и так называемой международной «частоте бедствия» 500 кГц. Три буквы «SOS» вошли в общий сигнал бедствия как основа, наряду с указанием позывных судна, его координат и служебных посылок, приводящих в действие аварийные системы.

Для радиолюбительской связи также выделены специальные частотные диапазоны. Ниже указаны некоторые любительские диапазоны:

160-метровый (1,8…2,0 МГц),

80-метровый (3,5…3,8 МГц),

40-метровый (7…7,1 МГц),

30-метровый (только телеграф 10,1…10,15 МГц),

20-метровый (14…14,35 МГц),

16-метровый (18,068…18,318 МГц),

15-метровый (21…21,4…5 МГц),

12-метровый (24,89…25,14 МГц),

10-метровый (28…29,7 МГц).

Основная масса радиолюбителей мира работает телеграфом, используя амплитудную манипуляцию незатухающих радиосигналов телеграфным кодом CW (азбукой Морзе), либо телефоном с однополосной модуляцией SSB. По мере развития компьютеров растет использование цифровых видов связи: радиолюбительский телетайп RTTY, модернизированный телетайп AMTOR, пакетная связь и т. п.

Надо сказать, что амплитудная модуляция (AM) на всех диапазонах встречается относительно редко: ее вытеснила более совершенная однополосная. Телеграф «дальнобойнее», так как слабые телеграфные сигналы легче принимать в условиях помех. Кроме того, «телеграфисту» не обязательно знать иностранный язык. Однако, чтобы работать телеграфом, надо уметь принимать на слух и передавать ключом знаки азбуки Морзе.

Рассмотрим принцип осуществления радиотелеграфии, составив условную модель передающей и приемной систем в программе EWB.

Моделирование радиотелеграфа

Для формирования модели примем, что используется код Морзе, когда знаки кодируются набором коротких (точки) и длинных (тире) посылок, разделенных паузами. В телеграфном коде длительность посылки для точки меньше, чем для тире в три раза.

Пауза между посылками (точками и тире) в букве равна длительности одной точки, между буквами — трем точкам, а между словами — семи точкам. Обычно при ручной телеграфии передается до 20 стандартных слов в минуту. Стандартным словом согласно международным договоренностям является «Париж». Это пятибуквенное слово, при написании в латинице «Paris», содержит в телеграфном коде 48 элементарных посылок. Отсюда длительность посылок составляет примерно 0,05 с.

На время передачи сигналов замыкают и размыкают телеграфный ключ передатчика и с помощью манипулятора получают импульсы постоянного напряжения, длительность которых и их передача во времени соответствуют принятой кодировке. Эти импульсы служат управляющим сигналом при модуляции колебаний несущей частоты, полученной в задающем радиочастотном генераторе. На выходе усилителя мощности ВЧ, т. е. в передающей антенне, радиосигнал принимает форму радиоимпульсов. Они представляют собой колебания ВЧ, имеющие огибающую в виде управляющих импульсов.

Для наглядного представления работы модели выберем для передачи какой-либо простой сигнал. Есть много интересных сигналов. Например англичане на ВВС (Би-Би-Си), во время Второй мировой войны начинали некоторые передачи не звуками Биг-Бена, а вступлением к знаменитой Пятой симфонии Бетховена: «ТА-ТА-ТА, ТА-А-АМММ». Эти — «три точки, тире», в переводе с кода Морзе, означают латинскую букву «V», символ победы «Victory». Композитор и не подозревал, что его «симфония Судьбы», начинающаяся, по словам Гете, как бы энергичным стуком Судьбы в дверь, получит такое прочтение в музыке морзянки.

Применительно к радиолюбительству уместнее начать с общего вызова «СQ CQ CQ». Это призыв к радиообмену: «Всем Всем Всем», принятый радиолюбителями, работающими на CW (телеграф на радиолюбительском жаргоне).

Примем в качестве частоты «несущей» 135,75 кГц, лежащую в длинноволновом диапазоне 135,7…136,8 кГц, разрешенном к использованию радиолюбителями. (Моделирование в КВ-диапазонах приводит к трудностям работы программы, и даже с принятой частотой результаты будут наблюдаться не в «реальном времени», а с большим замедлением.)

Во-первых, соберем простейший радиочастотный генератор, на транзисторе VT1 (рис. 81).

Рис. 81. Радиочастотный генератор

Генератор собран по одной из популярных схем «трехточки» Колпитца (Colpitts Oscilator), являющейся автогенератором с емкостной обратной связью. Колебательный контур L1-C2-C здесь соединен с усилительным элементом транзистором в трех точках: отсюда — название, аналогично соединяют контур и с генераторной лампой. Для расчета резонанса в этом параллельном контуре надо в формуле Томсона (см. выше) подставлять емкость в виде СхС2/(С+С2). Конденсатор С2 формирует на базе сигнал обратной связи и от его выбора по отношению к С зависит выполнение условий самовозбуждения в системе. Сделав предварительные прикидки, дальнейший подбор можно провести, экспериментируя с моделью. Для этого в верхней части схемы на рис. 81 собрана цепь с источником переменного напряжения Е2, подключаемого через ключ [В] ко входу контура и зажиму IN Боде-плоттера. Выходной сигнал с контура через конденсатор связи С3 подается на зажим OUT плоттера и вход А осциллоскопа. Держа ключ питания генератора [Space] разомкнутым, а ключ (В) замкнутым, получаем АЧХ контура (рис. 82).

Рис. 82. АЧХ генератора

Варьируя емкость [С], добиваемся совмещения резонансного пика с требуемой частотой.

После этого выключаем ключ [В] и переходим к наблюдению работы генератора на осциллоскопе (рис. 83, а), включив ключ [Space).

Рис. 83. Осциллограммы сигналов радиочастотного генератора:

а — непрерывная генерация;  б — телеграфная модуляция

Увеличив длительность развертки с 2 мкс/дел до 0,2 мс/дел, и включая и отключая питание генератора ключом [Space], получим аналог телеграфного манипулирования ключом в виде радиоимпульсов определенной длительности и промежутком между ними (рис. 83, б). Нарастание и спад колебаний (переходные процессы в автогенераторе) определяются добротностью контура и в модели, чтобы их уменьшить, контур «загрублен» резистором R2.

Дополнительно следует отметить «не задокументированные» эффекты в работе программы: включение двух источников Е1 и Е2 в зависимости от величины R2 и характера Е2 приводит к изменению условий самовозбуждения, срывам генерации, увеличению или уменьшению показаний амплитуды резонансного пика на Боде-плоттере и т. п.

Являются ли эффекты, наблюдаемые при моделировании самовозбуждения, компьютерными артефактами («искусственно сделанный») или проявляются и в реальных автогенераторах, не проверялось. Да и схемы реальных модуляторов гораздо сложнее, например, в биполярных транзисторах модулируют ток базы или цепь коллектора с помощью специального модулирующего трансформатора. Вообще же, полученная картина показывает лишь принцип: работать с клавишей вместо телеграфного ключа — это все равно, что использовать для этих целей звонковую кнопку. Поэтому в дальнейших моделях придумаем что-нибудь поостроумнее.

Поскольку мы работаем на ПК, то создадим виртуальный сильно упрощенный вариант «эхо-репитера» (комплекс аппаратов, позволяющий записывать и передавать информацию в эфир), иллюстрирующий идею амплитудной телеграфии.

Для исследования репитера соберем схему (рис. 84, а), в которой в качестве электронного ключа будем использовать генератор цифровых слов WG (Word Generator). Этот прибор выбирается в панели Instruments по его пиктограмме

Рис. 84. Генерирование телеграфного радиосигнала:

а — схема виртуального передатчика; б — программирование генератора слов; в — окно редактирования перемножителя сигналов; г — осциллограммы сигналов

После двойного щелчка ЛКМ по схемному изображению генератора WG (рис. 84, а) откроется его лицевая панель с установочными и управляющими кнопками (рис. 84, б). На выходах генератора можно получить коды шестнадцатиразрядных двоичных слов, выбираемых на пользовательской панели.

Для набора слова надо щелкнуть ЛКМ в соответствующем разряде экранного буфера (заполненного нулями) и набрать с клавиатуры соответствующую цифру 0 или 1, стоящую в данном разряде. Дальше, как при печати таблиц, лучше пользоваться клавиатурой. Все комбинации задаются в шестнадцатеричном коде. Номер редактируемой ячейки показывается в окошке Edit блока Address, при этом верхняя ячейка всегда считается нулевой.

Следующее окошко Current показывает номер текущей ячейки, кодовая комбинация с которой в данный момент поступает на выход генератора. В окошках Initial и Final указываются соответственно номер начальной и конечной ячеек, в которые заносится информация. В схемном компоненте WG (рис. 84, а) этим показаниям соответствуют уровни напряжения на 16 нижних выводах. С этих выводов поразрядные сигналы по подключенным к ним проводам (шине) подаются на соответствующие цифровые узлы.

Для записи нашего сообщения достаточно кодировать единицами и нулями лишь младшие разряды и выходной сигнал также снимать только с самого младшего разряда. Генератор может работать с заданной тактовой частотой при нажатии на кнопку Cycle. Частота следования тактов задается на лицевой панели в окошке Frequency (с учетом единиц измерения Hz, kHz, MHz).

Одно слово вызова CQ, если принять за элементарную посылку один бит (0 или 1) с учетом принятой кодировки букв и интервалов, запишется по ячейкам в младших разрядах следующим образом:

Первый 0 к сообщению не относится, оно начинается с трех единиц подряд, соответствующих тире. Финальной ячейкой является 32, что показано цифрой 20 в шестнадцатеричном коде. Частота посылок выбрана 20 Hz (случайное совпадение цифровой записи, не имеющее какого-либо смысла) как обратная величина оговоренной ранее минимальной длительности точки, равной 0,05 с.

В качестве генератора несущей G1 (рис. 84, а) будем использовать источник синусоидального напряжения, сделав в окне его редактирования необходимые установки: амплитуда 0.1 V и частота 135.75 kHz.

Для модуляции несущей телеграфными посылками перемножим оба сигнала. Один подадим на вход X, а другой на вход Y схемного блока Multiplier (умножитель). Последний выбираем по его иконке  в группе функциональных блоков управления — Controls . На выходе этого «перемножителя» формируется сигнал, пропорциональный произведению сомножителей и коэффициентов, которые поставлены по умолчанию в окне редактирования на рис. 84, в. Включив моделирование и настроив осциллоскоп, получим на его экране графики: луч А — модулирующий сигнал при посылке кода латинской буквы «С»; луч В — радиоимпульсы, соответствующие этой букве. Поскольку период несущих колебаний значительно меньше длительности посылок, то заполнение прямоугольников выглядит сплошным. Если увеличить скорость развертки луча, то можно увидеть синусоидальное заполнение, но тогда потеряется картина модуляции, поскольку эти сигналы «живут» в разных временах.

Теперь займемся приемником, схема которого показана на рис. 85, а.

Сигнал с приемной антенны WA2 через конденсатор С1 поступает в селективный LC-контур, настроенный на частоту несущей, и далее на детектор VD1-R1 и фильтр низких частот LPF (Low-Pass Filter). Структура фильтра, представленного в виде субблока, показана на рис. 85, б. Аналогично, в виде субблоков можно представить и приемный контур LC, и детектор Det (рис. 85, в, г). Тогда структурная схема-модель приемника примет вид, показанный на рис. 85, д. Соединив антенные выводы модели передатчика WA1 и приемника WA2 (сам радиоканал здесь не моделируется и принят идеальным), подключив осциллоскоп и включив моделирование, получим картину (рис. 85, е) принимаемых (луч А) и демодулированных колебаний (луч В).

Полученный на выходе приемного устройства сигнал повторяет сигнал телеграфного модулятора. Однако полученный сигнал можно напечатать в виде точек и тире на подвижной ленте, но не прослушать, так как в головных телефонах будет услышан просто треск. Для слухового приема телеграфных сигналов они должны быть «промодулированы» еще и звуковым тоном в передатчике (тональный телеграф), но можно это сделать и в приемнике.

Рис. 85. Прием телеграфного радиосигнала:

а — схема виртуального приемника; б - г — субблоки ФНЧ, контура и детектора; д — структурная схема приемника; е — осциллограммы сигналов

Добавим в приемный контур ВЧ-сигнал от дополнительного местного генератора (своеобразного гетеродина). Частоту генератора G2 выберем на 500 Гц выше частоты G1 несущей у передатчика, т. е. равной 136,25 кГц, и подключим этот генератор в приемный контур. Полная схема передатчика и приемника показана на рис. 86, а.

Сложение колебаний двух близких частот в приемнике приводит к низкочастотным биениям на разностной частоте, выделяемой детектором и ФНЧ. Это хорошо видно на осциллограмме, показывающей демодуляцию начала передачи «тире» (луч В рис. 86, б).

Отсчет по курсорам дает для десяти периодов 20 мс, что соответствует звуковой частоте 500 Гц. Если теперь к выходу приемника подключить наушники, то в них раздастся настоящее пение морзянки.

Рис. 86. Модель передачи и приема телеграфного радиосигнала:

а — структурная схема; б — осциллограммы сигналов

Однако созданный нами приемник является виртуальным, а в моделирующей программе практически отсутствует возможность связи с реальными входами и выходами (ключами и аудиоустройствами). О неприемлемости механической манипуляции с клавиатуры мы уже говорили, а единственное звуковое сопровождение 200 Hz в виде компонента Buzzer (зуммер, пищик) включается в включается виртуальной модели при подаче на него сигналов в виде постоянного напряжения. В принципе его можно подключить в схеме по рис. 85, д, так как звуковая модуляция в нем предусмотрена программно, и ее частота может быть изменена по желанию другой, и тогда в компьютерном динамике раздадутся соответствующие звуки. Однако, замедление процесса моделирования не позволяет насладиться музыкой морзянки и при таком устройстве системы. Не будем об этом особо сожалеть: принцип действия радиотелеграфа показан, а для его реализации есть множество других вариантов. О принципах построения и конструкциях реальной связной аппаратуры см. работы В. Т. Полякова.

Для изучения азбуки Морзе используем набор Мастер КИТ NM5036, предназначенный для начинающих радиолюбителей.

Генератор Морзе из набора Мастер КИТ NM5036

Если вы страшный радиолюбитель или бойскаут, стремящийся получить награду на конкурсах по телеграфированию или радиосвязи, — вам пригодится эта схема, которую легко собрать. Схема не дорогая.

Ньютон С. Брага. «Проекты и эксперименты с КМОП микросхемами»

Виртуальная модель генератора Морзе, выполненная в программе EWB в соответствии с прилагаемым к набору описанием, показана на рис. 87, а.

В основе генератора — универсальная схема несимметричного мультивибратора на биполярных транзисторах VT1 и VT2. Нумерация узлов 1–5 в модели соответствует нумерации выводов на печатной плате А503, предназначенной для монтажа реального устройства. Рабочая частота мультивибратора определяется номиналами резисторов R1, R2, R3, R4 и конденсатором С1. Регулируя величину сопротивления «подстроечного» резистора R3 (в модели с помощью управляющей клавиши R), можно изменять частоту тонального заполнения сигналов, получаемых манипуляцией телеграфного ключа SA1. Выходным устройством служат головные телефоны. Питание устройства осуществляется от источника постоянного напряжения 3…9 В.

Для работы с генератором рекомендуется использовать телеграфный манипулятор «Эклипс» Мастер КИТ МК328 (см. рис. 29, б).

Образцы воспроизведения сигналов азбуки Морзе можно прослушать и записать в Интернет на сайте

Освоение практической работы на телеграфе удобно проводить со своими товарищами или в специальных кружках. Дальнейшие шаги заключаются в прослушивании радиоэфира. К сожалению, даже самые хорошие радиовещательные приемники, имеющие коротковолновые диапазоны, нельзя использовать для успешного наблюдения за работой любительских КВ и УКВ радиостанций по многим причинам. Это, прежде всего, различие диапазонов, видов модуляции, чувствительности и избирательности. Простейший выход из этой ситуации, на первых порах, представляется в построении конвертора, представляющего собой преобразователь частотного спектра принимаемых радиосигналов, переносящий их диапазон в диапазон частот, имеющийся в радиоприемниках.

Рис. 87. Генератор Морзе Мастер КИТ NM5036 :

а — виртуальная модель;  б — осциллограмма телеграфного сигнала; в , г — печатная плата А503 (внешний вид и токоведущие проводники); д — собранное устройство

Конвертор 100…200 МГц Мастер КИТ NK139

Это устройство позволяет с помощью обычного радиоприемника, имеющего диапазон 64…108 МГц принимать радиостанции любительского диапазона 144…146 МГц и звуковое сопровождение ряда телевизионных каналов. Конвертор подключается непосредственно между специальной антенной (см. ниже) и антенным входом радиоприемника.

Принципиальная схема устройства показана на рис. 88, а. Монтажная схема расположения компонентов и общий вид конвертора показаны на рис. 88, б, в.

Технические характеристики конвертора

Напряжение питания устройства… 9 В

Частотный диапазон… 100–200 МГц

Чувствительность… 0,8 мкВ

Соотношение: сигнал/шум… 10 дБ

Размеры печатной платы… 100x110 мм

Рис. 88. Конвертор 100…200 МГц Мастер КИТ NK139 :

а — принципиальная электрическая схема;  б — монтажная схема; в — общий вид

Монтажная схема расположения компонентов и общий вид конвертора показаны на рис. 88, б, в.

Порядок сборки и настройки конвертора:

• проверьте комплектность набора согласно приведенной спецификации;

• отформуйте выводы компонентов и установите их в соответствии с монтажной схемой (рис. 88, б), сверяясь с принципиальной схемой (рис. 88, а);

• подключите потенциометры Р1 и Р2 к плате, как показано на рис. 88, б;

• подключите провода от источника питания, соблюдая полярность, в соответствии со схемой на рис. 88, б;

• подключите приемную антенну к контактам 1 и 2;

• к контактам 3 и 4 подключается антенный вход радиоприемника, при этом выводы 2 и 3 необходимо заземлить;

• проверьте правильность монтажа;

• включите питание;

• настройте радиоприемник на свободную частоту диапазона 98…104 Мгц;

• «подстроечным» конденсатором С10 и переменным резистором Р2 настройте конвертор на принимаемую станцию (грубая настройка);

• произведите точную настройку переменным резистором Р1;

• чувствительность конвертора регулируется «подстроечным» конденсатором С2, а конденсатором С10 устанавливается диапазон в пределах регулировки Р2.

Примечания.

1. Параметры, регулируемые с помощью С2, С10 и Р2 — взаимосвязаны, поэтому при неудовлетворительной работе конвертора описанную выше процедуру настройки необходимо повторить.

Вращение движков С2 и С10 надо производить «неметаллической отверткой» (ее можно изготовить самостоятельно, закрепив крошечный металлический шлиц на длинном цилиндрическом стержне, например корпусе шариковой ручки).

2. Простейшую антенну типа симметричного полуволнового вибратора (см. рис. 27, а) можно изготовить из двух металлических трубок (старые лыжные палки) общей длиной 96…94 см (при диаметре трубок 15…20 мм). Соединение вибраторов с конвертором осуществляется коаксиальным кабелем с волновым сопротивлением 75 Ом. Антенна имеет диаграмму направленности в виде петель восьмерки, поэтому для лучшего приема определенных станций ее придется ориентировать на них, поворачивая конструкцию в горизонтальной плоскости. Для согласования антенны с фидером, на мачте перед соединением кабеля с вибраторами, он пропускается коаксиально через отрезок тонкостенной металлической трубки, диаметром 3…4 внешнего диаметра кабеля и длиной около 0,5 м. Более подробные сведения об антеннах любительской радиосвязи см. в статье Ю. Жомова (UA3FG) или на радиолюбительских сайтах в Интернет.

При отсутствии УКВ ЧМ радиоприемника на диапазон 64…108 МГц или в дополнение к изложенному материалу, можно рекомендовать сборку одного из радиоприемников Мастер КИТ NS065, NK096 или NK116.

 

Си-Би радиосвязь

Развитие различных средств беспроводной связи (пейджинговой, сотовой и т. п.) не сняло потребности в средствах общения в виде традиционной личной радиосвязи.

В США, начиная с 1958 г… для гражданской радиосвязи был открыт диапазон 27 МГц, названный по-английски СВ (Си-Би) от Citezen Band (гражданский поддиапазон). В России соответствующее решение опоздало примерно на 30 лет. Теперь и наши граждане тоже могут свободно приобретать трансиверы (приемопередатчики) Си-Би и пользоваться ими, ну а радиолюбители (как всегда) заняться их совершенствованием, конструированием и изготовлением.

В отличие от этих реальных устройств, на виртуальные, в принципе, не было, да и не может быть никаких ограничений! (За исключением интеллектуального права.) Правда, по виртуальному устройству нельзя даже послать сообщение своему реальному другу, если не сделать «шлюз» в Интернет, но тогда оно «материализуется». Зато можно детально разобраться с его устройством систем и принципом их действия. Потом можно сделать самому радиостанцию — и как бы пройти путь первооткрывателей Радио. Приемник на первых порах можно использовать и стандартный.

Вначале посмотрим на эту диковинку изнутри.

Модель передатчика 27 МГц

В наборах для радиолюбителей радиопередатчики Си-Би встречаются весьма часто. Схема одного из вариантов (КИТ NK127) в виде виртуальной модели в программе EWB показана на рис. 89.

Рис. 89. Модель передатчика Мастер КИТ NK127 в программе EWB

Передатчик состоит из двух каскадов, собранных на биполярных транзисторах. Реальный источник входного сигнала (микрофон) в схемной модели заменен генератором прямоугольных импульсов Е1. Установки этого генератора показаны на рис. 90.

Рис. 90. Установки генератора Е1 модели передатчика Мастер КИТ NK127 в программе EWB

Первый каскад, выполненный на транзисторе VT1, является предварительным усилителем модулирующего сигнала генератора Е1. Второй — на транзисторе VT2 — является LC-генератором колебаний высокой (несущей) частоты, равной 27 МГц.

Картину колебаний на несущей частоте в программе EWB можно получить в режиме Transient (рис. 91), снимая сигнал с антенного выхода ANT (в расчетной части программы в данном случае он имеет номер 10).

Рис. 91. Окно установки режима анализа переходных процессов в программе EWB

Из полученного графика (рис. 92) видно, что период колебаний составляет 40 ns. Следовательно, частота равна 25 МГц.

Рис. 92. График сигнала несущей частоты модели передатчика в программе EWB

Для точной настройки частоты служит конденсатор [С]. В программе это выполняется последовательными нажатиями на управляющую клавишу С — емкость будет уменьшаться и частота расти, или на Shift+C — емкость будет увеличиваться и частота падать. Картина модулирующих прямоугольных импульсов и результирующие колебания на антенном выводе даны на экране осциллоскопа (рис. 93).

Рис. 93. Осциллограммы сигналов модели передатчика в программе EWB

Передатчик 27 МГц Мастер КИТ NK127

Передатчик собирается на печатной плате размером 50x50 мм. показанной на рис. 94, а. Общий вид монтажа устройства показан на рис. 94, б.

Рис. 94. Передатчик Мастер КИТ NK127 :

а — печатная плата; б — монтаж

Если собрать такой реальный передатчик согласно приложенным инструкциям, то он будет иметь выходную мощность до 0,2 Вт. Это может при излучающем антенном диполе в четверть длины волны и чувствительности УКВ-приемника 10 мкВ обеспечить дальность устойчивой связи около 100 м (для начала — неплохо).

В каталоге Мастер КИТ можно выбрать подходящий стабилизированный источник питания для стационарного использования: за батарейками-то и даже аккумуляторами, как известно, не набегаешься. Можно и самостоятельно изготовить источник питания. Об этом будет рассказано дальше. Кроме того, передатчик желательно поместить в корпус, например, BOX-GOI В.

 

Правильное питание — залог успеха

Не в коня корм

Термин-метафора «питание» применительно к обеспечению радиоэлектронной аппаратуры электроэнергией для ее нормального функционирования имеет глубокий физический смысл. Достаточно вспомнить то, как был установлен закон сохранения и превращения энергии графом Румфордом еще в 1778 г. Граф в мастерских Мюнхенского цейхгауза наблюдал за сверлением жерл пушек с помощью конной тяги, вращающей гигантские сверла, которые при этом сильно нагревались, и их охлаждали, поливая водой.

Делая нехитрые фуражные расчеты, граф обнаружил соответствие между выделяемым при этом количеством теплоты и теплотой, получаемой при сгорании овса, равного по количеству тому, которым кормили лошадей за время работы. Для этого он просто один раз развел из овса костерок под жерлом, заполненным водой, и нашел, что одно и то же количество воды испаряется при одной и той же норме овса, выделяемой лошадям («сгораемой» внутри организма; животное — это тепловая машина!). Не случайно поэтому, люди следят «за своими калориями», кроме того, наш организм нуждается не просто в питании, а в питании сбалансированном, содержащем белки, витамины и соли.

Так и различная радиоэлектронная аппаратура требует для своего питания источники с различными характеристиками. Если их не удовлетворить, то последствия могут быть самыми различными; от не качественной работы, до выхода из строя. Так сказать, «не в коня корм». (Правда, последнее говорится иносказательно, как правило, о пище духовной.) Развитие переносной аппаратуры (ноутбуков, радиостанций Си-Би диапазона, аудиотехники, мобильников, цифровых камер) требует автономных источников, обеспечивающих их длительную работу при потребляемом токе 1…3 А и напряжении 12…30 В. При возможности питания от бортовой автомобильной электросети подобные устройства, снабженные стандартными сетевыми адаптерами AC/DC («переменное/постоянное»), можно было бы питать от дополнительных преобразователей-инвертеров DC/AC («постоянное/переменное»). Однако такое «лобовое» решение проблемы вряд ли оправдано.

Альтернативным является использование одного DC/DC («постоянное/постоянное») преобразователя или так называемого «электронного трансформатора постоянного тока».

Подобные устройства можно собрать из наборов Мастер КИТ. Например, к таковым относится набор NK131. Для ознакомления с ним смоделируем его работу в виртуальном виде в программе EWB.

Моделирование преобразователя постоянного напряжения

Схема преобразователя (рис. 95) представляет собой автогенератор на биполярном транзисторе VT1, усилительный каскад на транзисторах VT2 и VT3 по схеме Дарлингтона, выпрямитель на диодах VD1 и VD2, а также стабилизирующую обратную связь на стабилитронах VD3 и VD4.

Рис. 95. Виртуальная модель в EWB преобразователя Мастер КИТ NK131

Сборку этой виртуальной модели начинаем с выбора транзисторов. Как и прежде, приходится констатировать, что в библиотеке компонентов данной версии программы отсутствуют необходимые номиналы. В силу этого выбраны другие типы. С диодами такой проблемы не возникло и, войдя в библиотеке диодов в строку Моtorol 1, выбираем Model D1N5402. Аналогично в качестве стабилитронов выбираем Zener Diod и далее, general Model GLL4743 и GLL4748, соответственно с напряжениями стабилизации 13 и 22 В.

Наибольшие проблемы, однако, возникают при выборе модели трансформатора. Дело в том, что какие-нибудь его характеристики нам неизвестны. В программе EWB предусмотрена возможность двух разновидностей трансформаторов: линейного и нелинейного. Для последнего требуется указать около 40 неизвестных параметров, что заведомо не реально (или требует специального исследования, которое оставляем для «любителей трансформаторов»). Поэтому выбираем линейный трансформатор, в модели которого надо указать только 5 величин (см. рис. 96).

Рис. 96. Окно редактирования свойств трансформатора

Первой из них является коэффициент трансформации, равный отношению чисел витков первичной и вторичной обмоток — Primary-to-secondary turns ratio (N). Оценку этой величины можно провести из следующих соображений. В так называемых Т-образных схемах замещения трансформаторов принимается, что приведенное активное сопротивление вторичной обмотки трансформатора R2 равно активному сопротивлению его первичной обмотки R1, т. е. R2 = R1. Кроме того, приведенное активное сопротивление вторичной обмотки трансформатора R2 связано с коэффициентом трансформации N и не приведенным активным сопротивлением вторичной обмотки простым соотношением: R1 = N2·R2.

Откуда следует, что N = (R1/R2)1/2. Таким образом, необходимо знать лишь активные сопротивления обмоток, а их нетрудно измерить омметром. Наши измерения для приложенного в комплект трансформатора КЕМО Switching Transformer NR.TR.B.065 приближенно составили: R1 = 0.45 Ом, R2 = 0.15 Ом и, следовательно, N ~= 1.7.

Далее необходимо оценить индуктивность рассеяния — Leakage inductance (LE) и индуктивность магнитопровода — Magnetizing inductance (LM), которые примем равными: 0.00001 Генри и 0.0001 Генри, соответственно. Последние две позиции в параметрах модели трансформатора (см. рис. 96) — это активные сопротивления его обмоток: активное сопротивление первичной обмотки — Primary winding resistance (RP) и активное сопротивление вторичной обмотки — Secondary winding resistance (RS). Эти сопротивления мы уже нашли ранее, что и позволяет полностью охарактеризовать применяемый трансформатор (см. рис. 96).

При сборке модели, как и реального устройства, обратите внимание на правильную «фазировку» соединения выводов трансформатора: в модели «генераторные выводы» А и F отмечены условным знаком + (в русскоязычной документации их обычно обозначают жирными точками или звездочками).

Таким образом, виртуальная модель может быть составлена по приложенной схеме, но в силу сделанных приближений ее возможности ограничены. Дополним виртуальную схему-модель измерительными приборами на входе (V1 и А1) и выходе (V2 и А2). В качестве нагрузки включим на выходе переменный резистор R4 = 30 0 м, регулируемый клавишей R. Аккумуляторную батарею представим идеальным источником напряжения с ЭДС Е1 = 12В. Кроме того, предусмотрим возможность осциллографирования сигналов (см. рис. 95).

Теперь запускаем моделирование и наблюдаем за показаниями вольтметров и амперметров при различных значениях нагрузки R4 (а при желании и за видом осциллограмм). При этом надо иметь в виду, что программа рассчитывает переходные процессы, поэтому отсчеты по приборам надо делать, выждав некоторое время.

Преобразователь Мастер КИТ NK131

Устройство представляет собой «электронный трансформатор постоянного тока», позволяющий питать приборы, требующие повышенного напряжения 12…30 В (мощные усилители, радиоприемники, акустические системы) от источника 6…12 В, например, от автомобильного аккумулятора.

Внешний вид печатной платы преобразователя представлен на рис. 97, а его общий вид — на рис. 98.

Рис. 97. Внешний вид печатной платы преобразователя

Рис. 98. Общий вид преобразователя Мастер КИТ NK131

Технические характеристики преобразователя

Входное напряжение, В… 6-12

Выходное напряжение, В… 12-30

Ток нагрузки, А… 1–1,5

Размеры печатной платы, мм… 5x55

Собрав преобразователь по прилагаемой инструкции, включаем его при различных нагрузках, измеряя напряжения и токи. Помимо описанных в инструкции отказов может случиться, что преобразователь выдает на выходе практически то же напряжение, что и на входе. Это, при правильной сборке и исправных деталях, означает, что отсутствует генерация. Поскольку использована индуктивная связь, то, чтобы добиться генерации, надо поменять местами (перепаять при выключенном питании) два вывода трансформатора (проще А и В, так как они тоньше). Эту неисправность легко имитировать и на виртуальной модели (рис. 95), где не случайно знаками «+» показаны генераторные выводы обмоток. Если выходное напряжение преобразователя не будет соответствовать требуемому, то на модели можно, изменяя параметры, установить необходимые регулировки или замены компонентов. Не забудьте укомплектовать радиатором выходной транзистор VT3 (закон (^охранения и превращения энергии и работоспособности систем применим не только к лошадям!).

Заключите преобразователь в подходящий корпус и укомплектуйте его необходимыми проводами и разъемами, например, как для «прикуривателя» автомобиля. Теперь можно подключать к нему имеющиеся устройства, не забывая о полярности. В случае, если потребуется преобразователь большей мощности, можно предварительно просмотреть на виртуальной модели вариант параллельной работы двух и более рассмотренных преобразователей на общую нагрузку.

 

Тестер — он и в Африке Тестер

Случай на даче

Футбольный чемпионат в самом разгаре. Смотрим по телевизору решающий матч. Переживаем за «Спартак». Явно голевой момент. И вдруг, в штрафной, исчезли все до одного спартаковцы. Что за чертовщина? Куда подевались эти красные? Кто бьет по воротам? Игра вроде продолжается, но ничего не разберешь. И тут до нас доходит: «сломался» наш старенький «Рубин». Так, значит, в изображении нет красного цвета. Конечно, причин может быть очень много, но, скорее всего, «полетел» выходной транзистор каскада видеоусилителя по этому каналу. Найти его не сложно. Вот он виновник: КТ940А. Надо бы проверить, но мы на даче… И, как всегда, на помощь приходит Мастер КИТ, а именно набор NS042.

Электронная логика

Вскрываем упаковку и знакомимся с ее содержимым. В этом наборе имеется все необходимое, для того чтобы стать обладателем очень простого и надежного тестера для проверки исправности транзисторов и определения их структуры (PNP, NPN). Это, конечно же, незаменимый помощник для начинающих радиолюбителей, который предотвратит использование заведомо неисправных транзисторов и некоторых типов диодов, а также позволит проверять и ремонтировать радиоэлектронную технику. Устройство питается постоянным напряжением 9В, максимальный ток потребления 90 мА. Размеры печатной платы: 35x43 мм.

Посмотрим принципиальную схему. Интересно: как же она работает? Поскольку собственно ремонт телевизора не самоцель, смоделируем работу этого тестера в программе EWB.

Соберем модель из логических элементов (Logic Gates) типа инверторы (NOT Gate), которых необходимо шесть штук. Буксируем их на рабочее поле и нумеруем U1-U6 (рис. 99, а).

В отличие от приложенного к набору описания мы используем условные графические обозначения в стандарте DIN, а не в ANSI (см. рис. 38, 40). Далее на рабочее поле выносим остальные компоненты: резисторы — R1, R2, R3, конденсатор — С1, батарею — Е1, светоизлучающие диоды (Light-Emitting Diode — LED) — VD1, VD2, NPN транзистор — VT1.

Рис. 99. Тестер для транзисторов Мастер КИТ NS042 :

а — виртуальная модель прибора на инверторах в EWB; б — окно редактирования светодиода; в — задание неисправностей транзистора в модели; г — виртуальная модель прибора с использованием модели микросхемы; д — проверка транзистора

Редактируем номиналы компонентов согласно описанию и проводим сборку виртуальной модели.

В силу специфики моделирования в данной программе смешанных аналого-цифровых устройств нам пришлось изменить способ питания схемы, введя перемычку XY. Это приводит к тому, что в модели проверяются только транзисторы NPN типа. Ну да это не беда! Обойдемся пока этой усеченной моделью.

Для соответствия с прототипом введем нумерацию узлов входа и выхода логических элементов, она отражает номера на выводах использованной микросхемы, а также обозначения выводов транзистора.

Включаем моделирование: схема не работает. Проверяем все подряд. Вроде ошибок нет. Попробуем увеличить чувствительность светодиода. Для этого редактируем его свойства: LED Properties > Models > red LED > Edit. В появившемся окошке Turn-on current (ток включения) заменяем значение на 0.005 А (рис. 99, б).

Снова проводим моделирование и наблюдаем мигание светодиода VD2. Модель работает.

Искусственно введем неисправность, например, разорвав какое-либо соединение от одного из выводов транзистора, имитируя его перегорание. Включаем моделирование: мигание VD2 прекратилось — транзистор неисправен.

Можно также воспользоваться тем, что в программе EWB предусмотрен специальный инструментарий для имитации неисправностей компонентов. Войдя в редактирование свойств транзистора: NPN Transistors Properties (см. рис. 99, в), выбираем позицию Fault (дефект). В открывшемся окне можно задать различные типы дефектов между выводами 1-2-3: утечку (Leakage) в омах, короткое замыкание (Short) или обрыв (Open). По умолчанию здесь установлено отсутствие дефектов (None). При работе с этими случаями, возможно, придется подстроить математические параметры расчетов переходных процессов (Transient) в опции анализа (Analysis Options).

Тем, кто захочет глубже проанализировать работу схемы, можно посоветовать использование виртуального двухканального осциллоскопа (Oscilloscope). Подключая его входы к различным выводам схемы и сравнивая осциллограммы сигналов, можно сделать заключение о работе соответствующих цепей.

Следующим шагом моделирования является переход к сборке модели тестера на основе конкретной микросхемы. В данном наборе использована простейшая цифровая КМОП микросхема типа 4049. Ее выбираем в цифровых компонентах (DIGIT): цифровые микросхемы (Digital ICs), затем 4xxx Template и, наконец, 4049 (Hex INVERTER).

На рабочем поле появляется изображение корпуса IC 4049 (см. рис. 99, г). Маркировка выводов такова: VDD и VSS — соответственно «плюс» и «минус» (заземление) источника питания; I и О, снабженные номерами, соответственно входы и выходы шести инверторов; NC — отсутствие соединения (холостой вывод).

Дополнив эту микросхему компонентами и проведя необходимые соединения в соответствии с принципиальной схемой (рис. 99, а), получаем модель того же тестера в другом виде (см. рис. 99, г). Здесь, также как и в схеме на рис. 99, а, в цепи питания вводим дополнительную перемычку XY. С этой моделью проводим те же эксперименты, что и в первом случае, и убеждаемся в их идентичности.

Тестер для транзисторов Мастер КИТ NS042

Давненько не брал я паяльник в руки…

Поднаторев в теории, берем в руки паяльник и, в полном соответствии с приложенной к набору инструкцией и «Наукой паять», проводим сборку тестера (рис. 99, д). Подключаем батарейку и, используя зажимы «крокодил», соединяем его с выводами: транзистора, диода, резистора. Внимательно следим за соответствием выводов компонентов и прибора, а также возможными «закоротками» при из соединениях. Вначале лучше потренироваться на исправных компонентах. Все работает как часы. А вот и тот злосчастный транзистор из телевизора. Так и есть, он неисправен. Заменяем его на новый, предварительно «прозвонив» свежеиспеченным тестером.

Впаиваем транзистор в телевизионную плату блока цветности — все цвета на месте. Теперь можно нормально смотреть футбол, и не только, да и тестер в хозяйстве пригодится еще не раз.

 

Eppure si muovi!

«А все-таки она вертится!» — воскликнул Галилео Галилей в XVII в. на суде инквизиции. Это относилось к Земле. Почему она вертится, никто толком не знает до сей поры…

Наша же задача куда проще: вот электродрель — весьма полезный инструмент радиолюбителя. Вертится она или не вертится, зависит от нас. Почему она вертится, теперь знает всякий, прошедший соответствующие разделы курса физики. В основе электродрели электрический двигатель. Посмотрим на его модель.

В программе EWB в разделе Miscellaneus (смешанный — кнопка ) присутствует модель двигателя постоянного тока (DC Motor). Если собрать простейшую схему, моделирующую работу двигателя (рис. 100, а), то вольтметр V1 измеряет напряжение на двигателе, а вот вольтметр V2 подключен как бы к валу! Если это понимать буквально, то он измеряет напряжение между валом (OUT — выход) и землей.

Рис. 100. Регулятор скорости вращения мини-дрели Мастер КИТ NS042:

а — модель двигателя в EWB; б — схема-модель устройства в EWB; в — окно редактирования двигателя; г — общий вид регулятора

В реальном случае это могло бы быть напряжение, связанное с несовершенством изоляции обмоток двигателя. Здесь же это просто прием моделирования: вольтметр V2 является виртуальным тахометром, измеряющим частоту вращения вала. Одному Вольту на шкале V2 соответствует один оборот в минуту вала (RPM — Revolution Per Minute). В приведенном на рис. 100, а примере при напряжении V1 = 100,4 В, V2 = 1,879 кВ = 1879 В. Конечно, ни о каком таком электрическом напряжении на валу не может быть и речи. Зато вал, согласно модели, вращается, делая 1879 об/мин, что и показывает вольтметр-тахометр V2. Изменяя величину сопротивления реостата R, включенного последовательно с двигателем, нажатием на клавишу R или Shift+R, можно наблюдать регулирование напряжения на его зажимах и, соответственно, частоты вращения вала двигателя. Однако известно, что в зависимости от того, какой материал сверлится, надо выбирать различную частоту вращения вала. Для регулировки можно использовать специальный тиристорный преобразователь — регулятор скорости вращения мини-дрели. Такой регулятор можно собрать из набора Мастер Кит NK050.

Это устройство (рис. 100, б) позволяет регулировать частоту вращения вала двигателя постоянного тока за счет изменения напряжения от 12 до 24 В, при токе потребления до 3 А.

Схема (рис. 100, б) представляет собой регулируемый мостовой выпрямитель VD1-VD4, к выходу которого через тиристор VS1 подключен двигатель М. Резистивно-емкостная цепь с переменными сопротивлениями обеспечивает фазовое управление переключением тиристора, приводящее к регулированию выходного напряжения и, следовательно, частоты вращения якоря двигателя.

Для полного моделирования работы устройства необходимо сделать установки параметров модели конкретного двигателя. При отсутствии подробных паспортных данных это может быть и проблематичным и потребовать специальных измерений, прикидочных расчетов или их подбора. В программе EWB не ниже пятой версии есть специальный компонент DC Motor (двигатель постоянного тока), уже продемонстрированный ранее (см. рис. 100, а). Для вывода его на экран необходимо нажать на кнопку (Miscellaneous — смешанный), а затем на пиктограмму с изображением двигателя .

Далее, открыв окно DC Motors Properties (свойства двигателя постоянного тока) и нажав в нем на кнопку Edit (редактирование), откроем соответствующее окно для его редактирования (рис. 100, в).

Здесь имеется следующий набор параметров:

Sheet 1 (лист 1);

Armature resistance (RA): 1.15 Ohm (сопротивление якоря, Ом);

Armature inductance (LA): 1e-05 H (индуктивность якоря, Гн);

Field resistance (RF): 92 Ohm (сопротивление обмотки возбуждения, Гн);

Field inductance (LA): 1e-05 H (индуктивность обмотки возбуждения, Гн);

Shaft friction (BF): 0,000178 N*m*s/rad (коэффициент скоростного трения на валу, Н·м·с/рад);

Machine rotational inertia (J): 2e-05 N·m·s2 /rad (момент инерции, Н·м·с/рад);

Rated rotational speed (NN): 5200 RPM (номинальная частота, об/мин);

Rated armature voltage (VAN): 24 V (номинальное напряжение якоря);

Rated armature current (IAN): 2.4 А (номинальный ток якоря);

Rated field voltage (VFN): 24 V (ном. напряжение возбуждения);

Sheet 2 (лист 2);

Load torque (TL): 0 N·m (момент нагрузки).

Силовые параметры, установленные по умолчанию, были изменены на пересчитанные паспортные данные для двигателя постоянного тока с электромагнитным возбуждением и барабанным якорем типа СЛ-281.

Вольтметр, соединенный с валом, условно моделирует тахометр, измеряющий частоту вращения якоря в оборотах в минуту.

На рис. 100, б тахометр показывает 4,770 кОм, значит, якорь вращается, делая 4770 об/мин. Нажимая на клавиши [Р] и [Т], регулирующие величины соответствующих переменных сопротивлений, можно наблюдать за изменением показаний тахометра.

Внешний вид регулятора на основе набора Мастер КИТ NK050 приведен на рис. 100, г.

Теперь остается собрать подобное устройство, взять дрель, нажать выключатель и, следуя Галилею, радостно воскликнуть: «А все-таки она вертится!». Или, поскольку Галилей говорил по-итальянски: «EPPURE SI MUOVI!», что в русифицированной транскрипции читается как [эппу 'р си му 'ове]. Тогда друзья будут говорить о Вас: «Он знал довольно по-латыни, чтоб Галилея понимать». Увы, «латынь из моды вышла ныне», сегодня ее заменил английский, а во времена Галилея все научные трактаты в Европе писались на этом великом языке, и не было США и американской науки, не говоря уж о пресловутых долларах…

 

Звонят, откройте дверь

В рассказе Антона Павловича Чехова с названием «Ах, зубы!» любитель сценических искусств Сергей Алексеич Дыбкин, доведенный до истерии замучившей его зубной болью, мчится на извозчике к врачу. Добравшись до места, «Дыбкин прыгает с извозчика и с воплем взбегает наверх по каменной лестнице. Давит он пуговку звонка с таким остервенением, что ломает свой изящный ноготь».

Да, звонок дело ответственное.

Это было в конце XIX в., но уже тогда звонки были электрические и самые разнообразные. Одноударные, с автоматическим прерыванием, «жужжалки» и «дребезжащие», с тирольским колокольчиком и т. д. и т. п. Подобные звонки еще можно увидеть в аналоговых телефонах. «Кнопки-пуговки» тоже сохранились до наших дней, а, нажимая на кнопку вызова старого лифта, можно и палец сломать. Сегодня о прибытии гостей нам сообщают соловьиные трели, оркестровые мелодии или призывный «динь-дон». Большинство звонкое теперь не электромеханические, а электронные.

Простейший электронный звонок можно сделать своими руками, а заодно и потренироваться в электронике. В наборах Мастер КИТ имеются разнообразные конструкции. Остановимся на устройстве NK038.

Модель мультивибратора

Схема звонка (рис. 101, а) представляет собой несимметричный мультивибратор на биполярных транзисторах PNP и NPN типов (VT1 — ВС557, VT2 — BD137-16). Схема отличается от ранее рассмотренного генератора сигналов азбуки Морзе (рис. 87, а) некоторыми деталями.

Рис. 101. Кнопочный дверной звонок Мастер КИТ NK038 :

а — виртуальная модель в EWB ;  б — осциллограмма сигнала

Сборку виртуальной модели начнем с выбора транзисторов.

К сожалению, в библиотеке компонентов данной версии программы отсутствуют необходимые номиналы. В принципе можно было бы, найдя по справочным данным характеристики этих транзисторов, войти в режим редактирования их свойств и дополнить имеющиеся библиотеки. Однако типы параметров, приводимых в большинстве справочников и принятых в программе, отличаются, поэтому это требует дополнительной работы по расчетам и увязке. Вряд ли стоит этим заниматься с учетом назначения схемы.

Другой способ, который мы выбираем, заключается в использовании идеальных приборов. Это приведет к некоторым количественным отклонениям поведения моделей, но, по крайней мере, качественная (и даже полуколичественная) картина будет правильной. При желании (или при необходимости) от подобных идеализированных схем можно перейти и к более точным моделям.

Из особенностей принципиальной схемы (рис. 101, а), на которые необходимо обратить внимание при создании виртуальной модели в программе EWB и при монтаже реального устройства, отметим полярность электролитических конденсаторов и батареи питания. Нумерация узлов соответствует разметке печатной платы А503. В качестве выходного устройства ВА1 в модели использован схемный компонент Buzzer (зуммер, пищик). Он выбирается на панели Indicators, а затем редактируется по рабочей частоте, напряжению и току (см. рис. 101, б). Нажимаем на управляющую клавишу [Space]. Из динамика ПК раздаются отрывистые звуки. Не удивляйтесь тому, что при испытаниях модели они сильно отличаются от звуков реального звонка. Это связано с тем, что в модели Buzzer является узкополосным электроакустическим преобразователем, тогда как реальный динамик — широкополосный. Кроме того, как уже отмечалось ранее, этот схемный компонент имеет собственные частотные установки.

Характер выходного сигнала можно пронаблюдать на осциллоскопе. Для этого в схемах вводится дополнительно к прилагаемым инструкциям заземление и включается осциллоскоп. При установке соответствующим образом его настроек на осциллограмме видна типичная картина периодической последовательности импульсов (см. рис. 101, в). Варьируя параметры RC-цепей можно изменять как частоту следования импульсов, так и их форму, что отражается на спектральном составе звука громкоговорителя (Buzzer, конечно, эти детали не воспроизводит).

Рабочая частота мультивибратора определяется номиналами резисторов и конденсаторов (R1, R2, и С1). Резисторы R3, R4 и конденсатор С2 определяют тембр звучания, a Cd — скорость изменения тональности звонка (согласно инструкции резистор R2 «закорочен», а конденсатор С3 не включен и поэтому не введен в схему модели).

Сборка электронного дверного звонка Мастер КИТ NK038

Я нажал звонок знакомый.

Он ответил мне, звеня…

С. Маршак

Чтобы собрать реальный звонок, воспользуемся комплектом Мастер КИТ NK038. Собрав звонок по инструкции и настроив его звук по тембру и громкости, можно поместить все устройство в подходящую коробочку.

Пронзительный звук дверного звонка хорошо слышен на большом расстоянии. После нажатия на кнопку SA1, громкость звука нарастает до максимального значения в течение 60 секунд, а затем плавно снижается (виртуальная модель, описанная выше, демонстрирует работу только в начальные моменты пуска). Небольшие размеры и достаточно большая громкость звучания позволяют использовать устройство в качестве сирены в охранных системах, при изготовлении моделей и модернизации игрушек, а также при создании различных звуковых эффектов во время игр.

В одно касание

Радиолюбители могут доработать данное устройство или собрать новое так, чтобы не требовалось проявлять особых усилий при нажатии на кнопку, заменив ее на сенсорную. Пример соответствующей схемы, аналогичной рассмотренной выше представлен на рис. 102.

Рис. 102. Виртуальная модель в EWB сенсорного дверного звонка

Можно также воспользоваться соответствующими наборами, или сенсорного переключателя Мастер КИТ NK126, или сенсорным выключателем Мастер КИТ NM4013.

Общий вид дверного звонка показан на рис. 103.

Рис. 103. Общий вид дверного звонка Мастер КИТ NK038

Теперь остается ждать дорогих гостей, а за их маникюр можно уже и не волноваться, так как вместо злосчастной чеховской пуговки ваш звонок предусмотрительно снабжен сенсорной кнопкой.

Особо привередливые меломаны, преуспевшие в электронике, могут далее обратиться к комплекту Мастер КИТ NM5032 и наслаждаться трелью из 7 мелодий.

 

Электронный сторож

Крепость, безусловно, требует охраны, а в этом нет равных электронике. Но прежде чем рассмотреть электронного стража, познакомимся с одним необычным электронным устройством, на котором он основан.

О триггере Шмитта замолвите слово

В далекие предвоенные годы XX в. радиоинженеров, занимавшихся импульсной техникой, связанной с развитием радиолокации, и другими применениями электроники, мучила вечная проблема выделения полезного сигнала на фоне нерегулярных помех. Искомый импульс цели буквально выуживался из множества ложных импульсов. Соответствующая схема была описана в 1938 году О. Г. Шмиттом и получила название «Триггер Шмитта». В те времена основными компонентами устройств служили электровакуумные приборы (радиолампы). Триггер Шмитта (далее ТШ) был выполнен на двойном триоде, как двухкаскадный усилитель, охваченный внутренней положительной обратной связью. Связь была слабой и ее глубина подбиралась так, чтобы не возникала устойчивая автогенерация. В результате получилось устройство, которое при превышении входным напряжением некоторого порогового уровня (напряжения срабатывания) скачком переходило на другой устойчивый уровень (напряжение отпускания). Принятая здесь терминология заимствована из релейной техники. Передаточная характеристика ТШ по напряжению имеет вид петли гистерезиса, аналогичный магнитному гистерезису. Поэтому на условно-графических обозначениях ТШ проставляют характерную родовую метку в виде петли гистерезиса. Со сменой компонентной базы ТШ были выполнены на биполярных транзисторах, а затем и по интегральной технологии, они вошли в серии ТТЛ и КМОП микросхем.

Триггеры Шмитта, являясь несимметричными устройствами, значительно отличаются от большинства своих собратьев: таких распространенных триггеров, как RS, JK, D и Т, которые относятся к группе симметричных. Каскады в них не идентичны по своим параметрам и связям между ними, но главное отличие заключается в том, что выходной сигнал в отсутствие входного — однозначно определен. Поэтому подобные триггеры не обладают памятью и используются как спусковые устройства либо для формирования последовательности прямоугольных импульсов из сигналов произвольной формы, например синусоидальных. Вообще, данный тип триггеров ближе к импульсным, нежели к цифровым устройствам.

Рассмотрим в программе EWB работу классической схемы триггера Шмитта на двух транзисторах (VT1 и VT2) с эмиттерными связями (см. рис. 104, а).

Входной сигнал от функционального генератора FG подается на вход In (база VT1) и канал А осциллоскопа OSC, а выходной снимается с вывода Out (коллектор VT2) и подается на канал В. Для снятия передаточной характеристики триггера выставим режим генерирования сигналов треугольной формы с параметрами, показанными на рис. 104, б. Для того чтобы получить зависимость выходного напряжения от входного на осциллоскопе выберем режим развертки типа В/А (см. рис. 104, в). Поскольку далее для сравнения будет выполняться моделирование ТШ на типовых базовых логических элементах (DD1 и DD2), то схема предусматривает коммутацию приборов ключами [Space] и [С]. В данном же случае ключи [Space] должны находиться в верхнем положении, а ключ [С] — в любом. Включив моделирование получим на экране характерную петлю гистерезиса (см. рис. 104, в).

Рис. 104. Исследование модели в EWB триггера Шмитта:

а — схемная модель; б — установки параметров функционального генератора;

в , г — передаточная характеристика и осциллограмма сигналов неинвертирующего ТШ;

д , е — передаточная характеристика и осциллограмма сигналов инвертирующего ТШ

Как уже отмечалось, в ТШ наблюдается характерный гистерезис — отставание величины выходного напряжения от входного. Если частоту следования импульсов уменьшить в десять раз (для этого надо воспользоваться установочными кнопками в окошке Frequency функционального генератора), то можно визуально пронаблюдать, как по мере роста напряжения вычерчивается вся кривая, проходя фигуру против часовой стрелки. Такой своеобразный вид передаточной функции триггера обусловлен его переключением под действием входного напряжения, регулируемого двумя обратными связями: положительной ОС со второго каскада на первый за счет общего резистора R4 и отрицательной ОС по току через этот же резистор, когда открыт транзистор VT1. Если теперь переключить генератор на режим синусоидальных колебаний, а осциллоскоп на развертку сигналов во времени (Y/T), то синусоидальные колебания на входе превращаются в синфазные (по основной гармонике) прямоугольные колебания на выходе триггера (см. рис. 104, г), поскольку в данном случае реализован неинвертирующий триггер Шмитта.

В комплекте базовых логических элементов программы EWB имеется инвертирующий триггер Шмитта (см. компонент DD1 на схеме рис. 104, а). Для снятия передаточной характеристики этого триггера надо перевести переключатель [Space] в нижнее, а ключ [С] — в левое положение. Установив режим развертки в положение В/А, а генератор на треугольную форму колебаний, получим характеристику, показанную на рис. 104, д. В ней обход петли гистерезиса наблюдается по часовой стрелке. Если подать теперь на вход ТШ DD1 синусоидальные колебания, на его выходе (в точке С) получатся противофазные (по основной гармонике) колебания прямоугольной формы (рис. 104, е). Эти колебания можно превратить в синфазные, снимая сигнал с инвертора DD2 (переведя ключ [С] в правое положение и проведя инверсию сигнала с помощью триггера DD2). В этом случае колебания будут аналогичны рис. 104, г.

Триггеры Шмитта позволяют эффективно отфильтровать шумы на пологих фронтах сигналов и являются незаменимыми для стыковки схем с медленно меняющимися сигналами (<1 Гц) с логическими устройствами типа счетчиков и регистров, на их основе можно построить генераторы и другие устройства.

На рис. 105 показано использование ТШ для отстройки от высокочастотной помехи, а на рис. 106 — простейший генератор прямоугольных импульсов.

Рис. 105.Отстройка от ВЧ-помехи на триггере Шмитта:

а — схема;  б — осциллограммы сигналов

Рис. 106. Генератор прямоугольных импульсов на триггере Шмитта:

а — схема;  б — осциллограммы сигналов

Обычно в состав микросхем входят инвертирующие триггеры Шмитта, например ТТЛ 7414 содержит шесть подобных триггеров, а микросхема КМОП 4093 (аналог К561ТЛ1) состоит из четырех ТШ, на входе каждого из которых стоит двухвходовой элемент И-НЕ.

Теперь перейдем от теории к практике.

Охранное устройство Мастер КИТ NS011

К сожалению, жизнь так устроена, что далеко не все в ней увлеченно занимаются радио или иным созидательным делом. На помощь от тех, кто посягает на наше имущество, приходит электроника. Вот описание простейшего устройства, позволяющего подать сигнал тревоги, если Ваш автомобиль или мотоцикл лишь слегка изменит свое вертикальное положение например, чуть-чуть качнется. В основе этого электронного сторожа датчик положения, в виде вертикальной металлической трубки, в верхней части которой на шарнире вдоль ее оси свободно подвешен металлический стержень. Трубка заземляется на корпус охраняемого объекта, а внутренний стержень в области подвеса, напротив, изолируется от корпуса и снабжается выводом к электронному блоку. Этот датчик радиолюбители выполняют сами, в зависимости от целей охраны, так сказать на свой страх и риск, проявляя свою выдумку и умение.

Схема электронного блока, входящего в набор Мастер КИТ NS011, показана на рис. 107.

Рис. 107. Разнесенная виртуальная модель в EWB охранного устройства Мастер КИТ NS011

Здесь она выполнена средствами программы EWB и несколько отличается от оригинальной (входящей в комплект), но и назначение ее иное: это виртуальная модель, работу которой можно проверить на компьютере. В основе блока лежит микросхема CD 4093, содержащая триггеры Шмитта. На рис. 107 мы «разнесли» эту микросхему поэлементно, дополнив два первых триггера (DD1.2 и DD1.4) расширением входов по И (DD1.1 и DD1.3). Типы выходного транзистора VT1, электромагнитного реле — RL1 и зуммера — BUZZER взяты произвольно, но так, чтобы модель была работоспособной. Для подбора этих компонентов в схему дополнительно включен амперметр, регистрирующий выходной ток (в пренебрежении током базы). Остальные номиналы и нумерация выводов микросхемы соответствуют оригиналу. После вышеизложенного, не трудно видеть, что на элементах DD1.1-DD1.4 выполнен автогенератор, а ТШ DD1.5 является формирователем импульсов. Выходной каскад на VT1 представляет собой усилитель, нагрузкой которого служит электромагнитное реле RL1, к нормально разомкнутым контактам которого подключено устройство для звуковой сигнализации. После включения моделирования программа автоматически ведет расчет и выводит в онлайновом режиме результаты. Если замкнуть ключ [S] на землю, то у светоизлучающего диода (LED) «зачернятся» выходные стрелки (анимация), амперметр начнет показывать некоторый ток (который будет возрастать) и из штатного динамика ПК (если там таковой имеется) раздастся тональный сигнал тревоги.

Ту же схему повторим, используя графический интерфейс корпусов микросхем (см. рис. 108) и проведем на ней те же испытания.

Рис. 108. Модель в EWB охранного устройства Мастер КИТ NS011 на микросхеме 4093

Конечно, возможности моделирования гораздо шире, чем мы здесь описали, например, можно подключить осциллоскоп к разным точкам схемы и наблюдать в реальном режиме времени протекающие там процессы, можно заняться параметрической оптимизацией или схемными изменениями и т. д. и т. п.

Однако надо скорее собрать натуральное охранное устройство, иначе, возможно, уже и охранять-то будет нечего (не дай, Бог!).

Кроме того, надо обязательно проверить практикой теорию, так как в отрыве от практики она никому и не нужна.

Теперь, запасясь терпением, надо выполнить сборку устройства согласно приведенной монтажной схеме (рис. 109), наладить его, разместить на охраняемом объекте в укромном месте и можно спокойно спать, пока оно Вас не разбудит…

Рис. 109. Монтажная схема электронного охранного устройства Мастер КИТ NS011

 

Всемирный потоп

«Дверь бесшумно отворилась, и голый [инженер Щукин] с радостным воем вбежал в затопленную квартиру. Шумели краны. Вода в столовой образовывала водоворот. В спальне она стояла спокойным прудом, по которому тихо, лебединым ходом, плыли ночные туфли. Сонной рыбьей стайкой сбились в угол окурки. Воробьяниновский стул стоял в столовой, где было наиболее сильное течение воды. Белые бурунчики образовались у всех его четырех ножек»…

Прервем на этом печально-комическом месте зрелище, представшее перед взором изумленного Великого комбинатора — Остапа Бендера, и задумаемся, а как в принципе можно предотвратить подобные наводнения. Кроме того, возможны ведь и прямо противоположные случаи: позарез нужна вода, а ее, как на грех, забыли накачать в бак или необходимо поливать цветы в Ваше отсутствие и т. д.

Итак, проблема заключается в регулировке количества воды.

Вполне понятно, что «Электроника» в умелых руках поможет элементарно решить эти и подобные им проблемы. Поскольку нас интересует автоматизированная (а в будущем и вовсе автоматическая) система, то независимо от ее конкретного назначения она должна состоять из датчика, различающего наличие воды в данном месте, и сигнального устройства либо еще и автомата, выполняющего заданную программу. Для начала проанализируем работу простейшего устройства для индикации уровня воды в баке.

Датчик уровня воды Мастер КИТ NM4012

Вода, как электролит, обладает удельным сопротивлением примерно 1 МОм·см-1, что позволяет сделать кондуктометрический преобразователь в виде двух «погружных» электродов. Для этого можно использовать две прямоугольные пластинки из одностороннего «фольгированного» стеклотекстолита размерами 10x50 мм и сложить их (фольгой внутрь) через промежуточные изолирующие втулки на расстоянии 3…5 мм. Припаяв к электродам изолированные проводники, получим простейший «датчик воды» (см. верхнюю часть рис. 110).

Рис. 110. Датчик уровня воды Мастер КИТ NM4012 (общий вид)

Минимальное сопротивление датчика будет, когда он полностью заполнится водой и составит примерно 100 кОм. В баке датчик надо располагать перпендикулярно зеркалу воды вблизи дна, если требуется сигнал о том, что бак пуст или команда на включение насоса, и, соответственно, вблизи верхнего допустимого уровня — для сигнализации или команды на отключение насоса. Два подобных датчика с соответствующей логикой в принципе могут обеспечить полную автоматизацию.

Подобный же датчик, размещенный на полу квартиры, можно использовать также для отключения воды при аварии в вашей квартире. Правда, в этом случае потребуются еще и электромагнитные клапаны, но их можно «добыть»» из старых «стиралок»». Этот же датчик может включить и тревожную сирену — Alarm, которая поднимет на ноги всех соседей, если вас заливают сверху! Чем не «Интеллектуальный дом»»?

Однако сам по себе датчик ничего не сделает. Сигнал с него еще надо получить и отработать. Как это делается, посмотрим на модели в программе EWB. Схемная модель показана на рис. 111.

Рис. 111. Виртуальная модель в EWB датчика уровня воды Мастер КИТ NM4012

Устройство представляет собой пороговый элемент на составном транзисторе (VT1, VT2) по схеме Дарлингтона, смонтированный на универсальной печатной плате А401, имеющей контактные площадки 1…8. С этой платой мы познакомились в самом начале нашего вхождения в электронику (см. рис. 57).

«Датчик воды» — Sensor — в виртуальной модели на рис. 111 представлен в виде переменного резистора R8, включенного к выводам 2 и 3. Сопротивление датчика регулируется управляющей клавишей [S]. При уменьшении сопротивления датчика ниже порогового транзисторы открываются и загорается светоизлучающий диод VD1. Резистор R2 и конденсатор С1 служат для снижения вероятности ложного срабатывания устройства. Переменный резистор R1 является «подстроечным». В модели его величина регулируется клавишей [R], а в процессе эксплуатации он может быть определен по величине и заменен постоянным.

Питание устройства осуществляется от источника постоянного напряжения 6…15 В. (Эти величины должны быть согласованы с параметрами светоизлучающего диода.) В модели использована батарея Е1 на 12 В.

Для наблюдения работы устройства в режиме сигнализатора включаем моделирование, затем переводим выключатель питания [Space] в нижнее положение и, последовательно нажимая клавишу [S], уменьшаем сопротивление датчика (как бы заливаем его водой).

В некотором положении [S] стрелки на светоизлучающем диоде «зачернятся» (это анимация его горения — см. рис. 110, а). Дополнительно можно параллельно поднимать чувствительность, нажимая клавиши Shift+[R]. Обратные процедуры приведут к погасанию индикатора.

Спецификация компонентов, использованных в конкретном устройстве, приведена в таблице.

Технические характеристики устройства

Номинальное напряжение питания… 6…15 В

Ток нагрузки… 75 мА

Размер печатной платы… 30x45 мм

Общий вид устройства показан на рис. 110.

Рассмотренные устройства могут быть снабжены дополнительными исполнительными органами и датчиками. Например, в модели на рис. 111 это электромагнитное реле (Rele) и двигатель (М), в качестве которых использованы электромагнитное реле и двигатели из библиотеки программы. Диод VD2 служит для защиты транзисторов и от повторных срабатываний реле, а резистор R9 для подбора совместного режима работы усилителя и реле. В реальном устройстве потребуется подобрать соответствующее по чувствительности реле с необходимой коммутируемой мощностью. Для решения ряда задач можно также рекомендовать специальные исполнительные элементы.

Исполнительный элемент Мастер КИТ NK146

Этот блок, собирается по аналогичной схеме (рис. 112).

Рис. 112. Исполнительный элемент Мастер КИТ NK146

Технические характеристики исполнительного элемента

Номинальное напряжение питания… 6-15 В

Управляющее напряжение… 3-12 В при токе >5 мА

Коммутируемый ток нагрузки… 6 А при 220 В

Размер печатной платы… 32x25 мм

Внимание! При переходе от устройств с батарейным питанием к устройствам, которые питаются от электросети напряжением 220 В, строго соблюдайте правила электробезопасности при монтаже, наладке и эксплуатации.

Двигатель М в модели использован для демонстрации ее работоспособности: при срабатывании датчика перекидной контакт реле подключает двигатель к источнику Е2 и он начинает «работать». Вольтметр V играет роль тахометра (RPM — Revolution Per Minute — обороты в минуту). Условно 1 вольту соответствует 1 оборот вала в минуту (моделирование двигателя было описано ранее: см. рис. 100).

Сборка и наладка устройства не представляет особого труда и рекомендуется начинающим радиолюбителям. Нет сомнений, что Ваша работа увенчается успехом, и «Умная электроника» охранит Вас от негаданных потопов, перегревов или вовремя напоит страждущих.

Рассмотренная модель и конкретное изделие далее могут самостоятельно дорабатываться. Например, при автоматическом поливе цветов надо поэкспериментировать с датчиками, работающими во влажном грунте, и т. д. Вообще же, приведенная схема является базовой для целой группы полезных устройств бытовой автоматики. Все они собираются по однотипной схеме на плате А401 и отличаются лишь входным первичным преобразователем информации («датчиком» или «сенсором») и, соответственно, несколькими компонентами, служащими для согласования датчиков с усилителем сигнала. Поэтому ограничимся лишь их кратким описанием.

Технические характеристики устройств

Номинальное напряжение питания… 6-15 В

Ток нагрузки… 75 мА

Размер печатной платы… 30x45 мм

За более подробными сведениями необходимо обратиться к технической документации, которой сопровождается каждый комплект Мастер КИТ. Помимо уровня воды часто требуется контролировать или регулировать ее температуру. Для этих целей предназначено термореле.

Термореле Мастер КИТ NM4016

Термореле (рис. 113, а) предназначено для управления различными исполнительными устройствами (электронагреватель, вентилятор и т. д.) для поддержания заданной температуры в некотором объеме.

Например, если поместить «термодатчик» в бак с водой, то «термореле» будет управлять включением/выключением электронагревательных приборов, тем самым, поддерживая определенную температуру воды. При токе нагрузки более 75 мА в качестве исполнительного устройства необходимо использовать электромагнитное реле (в комплект набора не входит), параметры которого должны соответствовать коммутируемому току нагрузки. Датчиком температуры служит «терморезистор» NTC73103/4,7 кОм. Температурный диапазон регулирования составляет: 20…120 °C.

Удобным дополнением к рассматриваемым системам домашней автоматики является минитаймер.

Рис. 113. Устройства домашней автоматики:

а — термореле Мастер КИТ NM4016 ; б — минитаймер NM4011

Минитаймер Мастер КИТ NM4011

Этот миниатюрный таймер (рис. 113, б) предназначен для формирования сигналов задержки включения/выключения исполнительного устройства. Такой таймер можно использовать, например, для включения/выключения проекционной лампы при печати фотографий и т. д. Таймер имеет регулировку времени задержки и индикатор состояния исполнительного устройства, максимальный ток которого не должен превышать 75 мА. При токе нагрузки более 75 мА необходимо использовать промежуточное электромагнитное реле (в комплект набора не входит), параметры которого должны соответствовать коммутируемому току нагрузки.

Датчиком служит специальная тактовая кнопка, а регулировка времени выдержки выполняется «подстроенным» резистором. Для получения больших задержек емкость рабочего конденсатора увеличена и составляет 470 мкФ.

Сенсорный выключатель Мастер КИТ NM4013

Миниатюрный сенсорный выключатель (рис. 114) предназначен для включения исполнительных устройств (электронных игрушек, настольных ламп, бытовой техники и т. д.) легким прикосновением к сенсорному датчику.

Рис. 114. Сенсорный выключатель Мастер КИТ NM4013

Выключатель имеет индикатор срабатывания. Небольшие габаритные размеры и надежность позволяют устанавливать датчик в любом удобном месте, удаленном от исполнительного устройства. При токе нагрузки более 75 мА в качестве исполнительного устройства необходимо использовать электромагнитное реле (в комплект набора не входит), параметры которого должны соответствовать коммутируемому току нагрузки.

Датчиком служат специально изготовленная из фольгированного стеклотекстолита пластинка размерами 10x10 мм, показанная в верхней части рис. 114. Пластинка имеет гребенчатую структуру прорезей в токопроводящем покрытии. Геометрию этого сенсора можно изменить и экспериментально подобрать соответствующую чувствительность устройства.

Фотоприемник Мастер КИТ NM4014

Миниатюрный фотодатчик (рис. 115) предназначен для управления различными устройствами в зависимости от освещенности.

Рис. 115. Фотоприемник Мастер КИТ NM4014

Например, с наступлением темноты, фотодатчик включит освещение на улице и в подъезде вашего дома, а на рассвете — выключит. Предусмотрена регулировка порога срабатывания, а также индикация включения исполнительного устройства, ток нагрузки которого не должен превышать 75 мА. При токе более 75 мА в качестве исполнительного устройства необходимо использовать электромагнитное реле (в комплект набора не входит), параметры которого должны соответствовать коммутируемому току нагрузки.

Небольшие размеры, наличие индикатора, простота подключения и надежность позволяют устанавливать датчик в любом удобном месте, удаленном от исполнительного устройства. В качестве первичного преобразователя в устройстве используется фоторезистор СФЗ-1 или MPY54C569.

Несколько более сложным по изготовлению и наладке является устройство, относящееся к противопожарным системам.

Сигнализатор задымленности Мастер КИТ NK291

Этот прибор позволяет обнаружить дым в помещении и включить сигнал тревоги. Устройство (рис. 116) создано на базе инфракрасного барьера.

Рис. 116. Сигнализатор задымленности Мастер КИТ NK291

Барьер представляет собой область между излучающим светодиодом и фотоприемником. Инфракрасные лучи, проходя через область дыма, попавшего в барьер, подвергаются рассеянию и поглощению. В результате сигнал, принимаемый фотоприемником, уменьшается и срабатывает реле, включающее сигнал тревоги.

В качестве сигнала тревоги могут быть использованы различные звуковые сирены или световые эффекты.

Сигнализатор питается от стабилизированного источника с напряжением 12 В, минимальный ток потребления 150 мА. Размеры печатной платы: 59x45мм. Рекомендуемый корпус: G024.

Сигнализатор задымленности устанавливается под потолком помещения и предназначен для любительского применения: он не может заменить профессиональные противопожарные системы, проходящие необходимую сертификацию в соответствующих службах.

 

Неслышимые звуки

«Мухтар, ко мне!»

Ультразвуки

Человеческий орган слуха путем длительной эволюции приобрел вполне определенную АЧХ, зависящую от конкретного индивидуума, но в среднем имеющую вид полосно-пропускающего фильтра с нижней границей среза на 20 Гц и верхней — на 20 кГц.

Область пропускания уха относится к звуку, колебания ниже 20 Гц — к инфразвуку, а выше 20 кГц — к ультразвуку. Общеизвестно, что чем выше частота колебаний (в волнах любой природы) и, соответственно, ниже длина волны, тем больше возможность их локализации в пространстве в виде направленных пучков, меньше размеры излучателей и приемников. Однако с ростом частоты растет поглощение волн, а мощность излучателей и чувствительность приемников имеют естественные физиологические или физические ограничения, поэтому существует оптимальная область частот для передачи и приема информации. Природа и человечество изобрели немало способов выхода из этой коллизии в зависимости от конкретных проблем.

Поскольку ультразвук не слышен человеческим ухом, то с его помощью можно скрытно передавать информацию объекту, обладающему обратными свойствами. Этот факт впервые интуитивно открыли безвестные средневековые браконьеры. Охотясь в заповедных королевских лесах Британии, они подавали не слышимые людям звуки своим натасканным собакам. Натасканные псы послушно приносили хитроумным хозяевам, подстреленную с помощью бесшумного же оружия (лук и стрелы), заветную дичь.

«Браконьерский свисток» со временем прошел через техническую эволюцию: превратился в милицейский (с переходом в звуковую область, ввиду противоположной задачи). Он лег в основу и ряда технологических ультразвуковых устройств, интенсифицирующих сложные гидро- и аэромеханические процессы (растворения, фильтрации, коагуляции и т. п.).

Акустические сигналы в виде упругих волн с частотой более 20 кГц используются в пультах дистанционного управления, барьерах охранной сигнализации, гидролокации, линиях задержки, для неразрушающего контроля материалов и т. п.

Мощные ультразвуковые колебания (интенсивностью более 1 Вт/см2) используют в технологии: для пайки алюминия (существуют специальные ультразвуковые паяльники), обезжиривания деталей, размерной механической обработки твердых материалов и т. п.

Ультразвук применяется также в медицине, как для диагностики и терапии, так и в хирургии. Источниками или приемниками ультразвука служат в большинстве случаев электроакустические преобразователи на основе пьезокерамических или магнитострикционных материалов.

Модель пьезокерамического излучателя

В пьезокерамическом излучателе пластинка пьезокристалла имеет металлизацию (обкладки, электроды) с двух сторон и специальный тип крепления. При переменном напряжении определенной частоты пластинка колеблется на этой частоте, излучая звуковые/ультразвуковые волны в окружающее пространство. Амплитуда этих вынужденных колебаний пьезоизлучателя зависит от амплитуды и частоты приложенного напряжения, геометрии, свойств материала пластинки и характера ее закрепления. Постепенно увеличивая частоту внешнего возбуждения, можно обнаружить, что АЧХ механических колебаний имеет резонансный характер, аналогичный кривой АЧХ последовательного электрического контура. Поэтому максимальная интенсивность излучения будет соответствовать возбуждению преобразователя на его резонансной частоте.

Поскольку пьезоизлучатель является колебательной электромеханической системой, то в его электрической модели механические элементы (эффективную колеблющуюся массу и эквивалентную упругость) можно заменить аналогичными электрическими: индуктивностью и емкостью. Потери на нагрев и излучение звука можно учесть резистивными элементами.

Модель пьезопреобразователя, как элемента электрической Цепи, можно представить в виде сложного R-L–C контура. Для этого обратимся к программе EWB.

Вышеизложенное позволяет выбрать в электрической схеме замещения (рис. 117, а) величины индуктивности L s , моделирующей механическую инерцию (зависящую от массы колеблющейся пластинки, соединенных с ней элементов и «присоединенной массы» воздуха), колебательной емкости, моделирующей упругость пластинки при ее колебаниях C s , и сопротивления R s , связанного с внутренними потерями при циклических деформациях.

Здесь, как принято, индексом s отмечены параметры последовательного (serial) контура. Уточняя схему замещения, необходимо еще учесть собственную статическую емкость С 0 , образованную между обкладками пьезокварцевой пластинкой и проявляющуюся в отсутствие колебаний.

Рис. 117. Виртуальная модель в EWB пьезоизлучателя:

а — схема замещения;  б — АЧХ; в — схема исследования модельного компонента; г — окно выбора модели; д — окно редактирования свойств

Поскольку нас в первую очередь интересует принцип действия устройства, то численные значения параметров выбраны несколько произвольно, но так, чтобы работа модели «полуколичественно» согласовывалась в дальнейшем со схемой возбуждающего генератора.

В данной схеме наблюдаются два резонанса (рис. 117, б) в последовательном контуре — резонанс напряжений (верхний пик) и в параллельном контуре резонанс токов (нижний пик), что хорошо видно на экране Боде-плоттера. Для параметров, указанных на схеме, резонансная частота последовательного контура примерно равна 22 кГц, а для параллельного — выше (67 кГц).

В разделе смесь  программы EWB можно также открыть готовый схемный компонент Crystal (кристалл)  и собрать аналогичную схему для его исследования (рис. 117, в).

Свойства пьезокварца выбираются в соответствующих последовательно открываемых окнах (рис. 117, г, д).

Параметры выбранного резонатора Р соответствуют использованным в предыдущей схеме замещения (см. рис. 117, а), поэтому АЧХ, получаемая на Боде-плоттере, будет идентична показанной на рис. 117, б, и здесь не приводится.

Для исследования поведения реального излучателя можно воспользоваться следующим устройством.

Миниатюрный излучатель Мастер КИТ АК076

Внешний вид этого излучателя был показан (см. рис. 19, а); его технические характеристики таковы: полоса частот 2,5…45 кГц, размеры 30x14 мм.

Проведя опыты и ознакомившись с пьезоизлучателем, на его основе можно создать полезное устройство для дома, для семьи.

Ультразвуковой свисток для собак Мастер КИТ NK028

…Монмаранси всякий раз усаживался рядом и сопровождал исполнение заунывным воем…

«Какого черта он так воет, когда я играю?» — возмущался Джордж, запуская в него башмаком.

«А какого черта ты так играешь, когда он воет?» — продолжал Гаррис, подхватывая башмак, — «оставь его в покое. Как ему не выть! У него музыкальный слух, а от твоей игры поневоле завоешь».

Джером К. Джером . «Трое в одной лодке, не считая собаки»

У английского писателя Джерома К. Джерома не было ультразвукового свистка, не было у него и собственной собаки, до тех пор, пока он не приехал в Россию, где ему и подарили точно такого же фокстерьера, как воспетый им Монмаранси…

Сохранить покой окружающих ранним утром или поздним вечером во время прогулки с собакой Вам поможет не слышный человеческому уху ультразвуковой свисток. Чуткое ухо Вашего любимца мгновенно уловит ультразвуковой сигнал даже на сравнительно больших расстояниях, и эти сигналы не будут повторять несносных звуков банджо, которые извлекал Джордж. При желании вы сможете натренировать Вашу собаку адекватно реагировать на привычные команды в ультразвуковом исполнении…

Это компактное устройство может работать от батарейки. Набор укомплектован пьезоизлучателем.

Принципиальная схема устройства показана на рис. 118, а, собранной в виде виртуальной модели в программе EWB.

В модели сохранены параметры и позиционные обозначения оригинала. Устройство представляет собой обычный мультивибратор на двух NPN-транзисторах VT1 и VT2 и усилительный каскад на PNP-транзисторе VT3. Регулировка частоты повторения импульсов осуществляется резистором R6. На выход усилителя подключен пьезоизлучатель Р, параметры которого мы выбрали, как и ранее, в соответствии с рис. 117, д. Дополнительно в модель подключен осциллоскоп и «датчик тока» в нагрузке R i .

Сделав необходимые установки на осциллоскопе, включив моделирование и питание (ключ Е), наблюдаем картину колебаний на экране осциллоскопа (рис. 118, б).

Рис. 118. Ультразвуковой свисток для собак Мастер КИТ NK028 :

а — виртуальная модель в EWB; б — осциллограмма колебаний; в — общий вид

Верхний луч (канал А) регистрирует ток в преобразователе, а нижний (канал В) — напряжение на нем. Звуки, а точнее ультразвуки, воспроизводимые реальным устройством, в общих чертах будут похожи на кривую тока.

От виртуальности переходим к реальности.

Устройство монтируется на плате А501 размером 27x55 мм в соответствие с приложенным описанием и заключается в корпус BOX-G027. К устройству подключается батарейка с кнопкой и пьезоизлучатель (рис. 118, в).

Уровень и высота тона (в пределах 8…22 кГц) регулируются подстроечным резистором R6. Теперь предстоят «полевые испытания».

Запасаемся колбасой и отправляемся натаскивать своего четвероногого друга на нужные нам команды. Здесь полезно предварительно прочитать, как промышлял собаками бравый солдат Швейк. Впрочем, даже «мягкая дрессура» — занятие посложнее электроники…

«Не пройти, никогда, никакому врагу!»

В природе не только (и даже, пожалуй, не столько) собаки, но и в еще большей мере летучие мыши, дельфины и киты используют ультразвук для коммуникаций, определения различных целей и ориентации в пространстве.

После гибели «Титаника», когда он оказался фактически «слепым» в водной среде, и позже, в связи с разбоем немецких подводных лодок в водах Атлантики в период Первой мировой войны, многие задумались над тем, а как же можно «прозреть» в морских глубинах. Сама задача стояла и раньше: первые гидроакустические приборы «гидрофоны» испытывались в Галерной гавани Петербурга еще в конце XIX в., но в них не применялась пьезо- или магнитострикция, и поэтому они были весьма примитивными (не «браконьерский свисток», но близко к нему).

Творцом первого гидролокатора является наш соотечественник, к сожалению, несправедливо забытый, эмигрировавший из России задолго до революции сначала во Францию, а затем в США, К. В. Шиловский. Металлокварцевый излучатель ультразвука, созданный Шиловским, лег в основу так называемого «пакета Ланжевена», а используемая система гидролокации содержала все необходимые современные атрибуты: генератор электрических колебаний, излучатель, приемник и индикатор. В англоязычной литературе это устройство называется сонаром (SONAR — SOund Navigation And Randing — звуковая навигация и определение дальности), а в русскоязычной — гидролокатором. По аналогии с сонаром устройство, использующее радиоволны для радиообнаружения и определения дальности, назвали радаром (RADAR — Radio Detection And Randing), или радиолокатором.

В системах охранной сигнализации, предназначенных для обнаружения несанкционированного проникновения на объект (детекторы движения, барьеры), используются два идентичных преобразователя, один из которых служит излучателем, а другой — прием ником ультразвука. Возможна работа и с одним приемоизлучающим устройством на отраженных сигналах, в режиме переключения передача/прием. При пересечении ультразвукового пучка, созданного излучателем (невидимого и неслышимого), в приемнике возникает импульсный сигнал, отрабатываемый в соответствующей системе.

Примером подобной системы служит описываемый ниже «Ультразвуковой радар» NS167 (здесь слово «радар» использовано в условно-собирательном смысле), правильнее его назвать «Ультразвуковым локатором» или, пользуясь терминологией, принятой в охранных системах, «Ультразвуковым барьером».

Ультразвуковой барьер Мастер КИТ NS167

Ультразвуковой барьер предназначен для использования в качестве акустического датчика в охранной сигнализации. Это простое и интересное устройство позволяет обнаружить движение любых физических объектов в закрытом помещении или автомобиле (детектор движения). Устройство имеет регулировку чувствительности детектора. Максимальный радиус действия 10 м. Принципиальная схема барьера показана на рис. 119, а.

Схема устройства состоит из трех блоков: усилителя на биполярном транзисторе TR3 (типа ВС 547) и двух ОУ IC1 и IC2 (типа 741); логического устройства на двух элементах NAND (N3, N4) и двух биполярных транзисторах TR1, TR2 (также типа ВС 547); автогенератора ультразвуковых электрических колебаний на основе двух элементов NAND (N1, N2) и пьезопреобразователя Т (TRANSMITTER — передатчик), включенного в цепь ОС (выводы 5, 6). Здесь и далее выводы на плате обозначаются в круглых скобках, а на микросхеме без них. Элементы N1-N4, показанные на принципиальной схеме (в стандарте ANSI) в разнесенном виде, входят в состав КМОП микросхемы 4093 (аналог — К561ТЛ1) и представляют собой триггеры Шмитта, на входе каждого из которых стоит двухвходовой элемент NAND, причем они, кроме N4, использованы как инверторы.

Рис. 119. Ультразвуковой барьер Мастер КИТ NS167 :

а — принципиальная схема; б — печатная плата и подключение внешних устройств; в — модель генератора; г — выбор пьезокварца; д — осциллограмма сигналов; е — разнесенная модель логического блока; ж — модель логического блока на микросхеме

Устройство смонтировано на печатной плате размером 50x88 мм (рис. 119, б). На вход усилителя (выводы (3),(4)) включается пьезоприемник R (RECIEVER — приемник), между выводами (2) и (9), обозначенными на рис. 119, б, как «ВЫХОД», через токоограничивающий резистор R18 = 470 Ом включается светоизлучающий диод (Light Emitting Diode) — LED. Между выводами (7), (8) включается тумблер SPTP, служащий для сброса системы в исходное (сторожевое) состояние после приема сигнала. Потенциометр Р1 служит для регулировки коэффициента усиления принимаемого сигнала, а Р2 — для регулировки рабочей частоты. Питание устройства осуществляется от источника постоянного напряжения 9…12 В, подключаемого к выводам 1, 2 (1 — «плюс», 2 — «земля»).

Моделирование работы устройства

Поскольку работа приемника и усилителя сигналов тривиальна, то смоделируем в программе EWB работу двух других основных блоков: генератора и логического устройства.

Модель генератора, в соответствии с принципиальной схемой, соберем из базовых логических элементов NOT, содержащих триггеры Шмитта (рис. 119, в). На приведенной схеме (и далее) сохранены позиционные обозначения моделируемого устройства (см. рис. 119, а).

В качестве пьезопреобразователя Т использована библиотечная модель на частоту 32,768 кГц марки R38 (raltron), выбираемая последовательным нажатием ЛKM на пиктограммы  и , с последующей буксировкой на рабочее поле и выбором в окне свойств кристалла (рис. 119, г).

Для наблюдения колебаний на выход генератора включен двухканальный осциллоскоп. Лучи разнесены по вертикали: канал А регистрирует постоянную составляющую, а В — переменную. Картина электрических колебаний показана на рис. 119, д для указанного на схеме (рис. 119, в) положения потенциометра Р2 50 %.

Уменьшая это значение нажатием на клавишу R или, напротив, увеличивая нажатием на Shift+R, можно регулировать частоту повторения импульсов в пределах примерно 10…100 кГц.

Реальный излучатель будет возбуждаться подобными импульсами и генерировать в окружающее пространство ультразвук в виде последовательности, состоящей из затухающих колебаний на его собственной частоте. Если частота возбуждения совпадет с собственной частотой, а затухание в системе (включая потери на излучение) будет невелико, то возникнет режим стационарных автоколебаний (наиболее выгодный для излучения).

Для моделирования работы логического блока соберем его модель (рис. 119, е).

Ультразвуковой пучок, попавший на приемник и далее усиленный, формирует высокий уровень на входе 2 элемента N3. В модели это представлено источником Е1, ключом с управляющей клавишей Space и резистором r = 100 кОм. На вход 1 этого же элемента через резистор R12 также подается высокий уровень, а выход с него (при двух высоких уровнях на входе — низкий уровень) через R14 поступает на транзисторную сборку типа Дарлингтона (TR1,TR2) и далее на светодиод LED. При низком уровне сигнала на выводе 3 светодиод не горит. Ключ К должен замыкать контакты (7) и (8), также поддерживая высокий потенциал точки (8) при низком на 3, 5, 6 и, соответственно, высоком на 4 и (7). Для моделирования прерывания ультразвукового пучка, размыкаем ключ Space: светодиод загорится (на схеме рис. 119, е две стрелки вблизи него, имевшие просвет в своих окончаниях, «зачернятся» ).

Не забудьте, разумеется, при проведении моделирования нажимать предварительно на виртуальный выключатель О/I, расположенный в верхнем правом углу окна. Однако после возврата ключа Space в этой модели в исходное состояние, светодиод опять гаснет, так как был использован элемент NAND без гистерезиса.

Поэтому соберем последнюю виртуальную модель, воспользовавшись библиотечным компонентом микросхемы 4093, и используем ее и для генератора, и для логического блока, как и предусмотрено в реальном устройстве. Эта модель показана на рис. 119, ж.

Перед проведением эксперимента в окне Analysis Options, для устойчивости счета, изменим две установки: примем в закладке Global RELTOL = 0.1 и в закладке Transient ITL4 = 100. Ключи Space и К — замкнуты, включаем моделирование. Светодиод не горит.

Нажимаем два раза Space (вход в луч и выход из него) — светодиод загорается и продолжает гореть. Система сработала — виртуальный нарушитель пойман, для приведения устройства в исходное состояние надо нажать ключ К и вернуть устройство в исходное состояние. Светодиод погас и система вновь готова к регистрации прерываний луча.

Для тех, кто «поднаторел» в электронике и хотел бы поработать с полной виртуальной моделью, приводим ее возможный вариант (рис. 120). Однако наладка подобных моделей — дело не простое, и лучше вначале отладить отдельные блоки, а затем, воспользовавшись техникой субблоков, собрать из них структурную схему-модель.

Теперь, разобравшись в сути, переходим к сборке и наладке в соответствии с прилагаемым описанием. Общий вид устройства показан на рис. 121. Его следует после настройки заключить в подходящий корпус, позаботившись и об источнике питания.

Рис. 120. Полная виртуальная модель в EWB ультразвукового барьера

Рис. 121. Общий вид ультразвукового барьера Мастер КИТ NS167

Располагаем излучатель и приемник вдоль охранной линии, закамуфлировав их под безобидные и малозаметные предметы, а на место светодиода включаем реле с проводами, идущими в пункт наблюдения (или организуем местный радиоканал). Ждем реальных «непрошенных» гостей…

Пусть лучше не приходят — электроника не подведет.

Кыш, комарик!

Ох, лето красное! Любил бы я тебя,

Когда б не зной, да пыль, да комары, да мухи…

A.C. Пушкин

Вряд ли найдется человек (сам Великий Пушкин страдал!), которого бы не донимали комары и другие, подобные им кровососы: их занудное жужжание, особенно по ночам, просто невыносимо, укусы долго чешутся и, вообще! Человек борется с ними, как только может. В дело идут все достижения научно-технического прогресса: химия, свет, электричество, пылесосы, телевизоры, компьютеры, а заодно и все, находящиеся под рукой, предметы обихода…В Интернете можно обнаружить такое число средств, что оно уже сравнивается, с учетом тиражирования, с самим вражеским поголовьем.

Рассмотрим один из вариантов, доступный и интересный для начинающих радиолюбителей: надо все-таки самим попробовать.

Начнем с истории. Видно крепко «достали» комарики и их «братки» американцев во времена боев в джунглях Вьетнама, если специальная группа ученых-энтомологов, вплотную занимаясь этой проблемой, придумала новое «антикомариное» оружие. Янки, истреблявшие вьетнамцев напалмом, решили охранять свой покой…ультразвуком.

Тщательно изучая комариные осыпи, американские ученые обнаружили, что из всех комаров кусаются только беременные самки. «Se la vie» — «Cherchez la femme», то бишь: «Такова жизнь» — «Ищите женщину» — сказали бы остряки-французы.

Дальнейшие, очевидно еще более скрупулезные исследования, показали, что в эти периоды самки не переносят звуков, издаваемых комарами-самцами. Остальное, как говорится, было делом техники. Выяснили, что якобы эти звуки лежат в ультразвуковом диапазоне частот, да и создали прибор, названный акустическим репеллентом (от лат. repeliense — отталкивающий, отгоняющий).

Отойдя от правил латинской грамматики в образовании имен существительных, а, напротив, на американский манер, его можно было бы назвать «репеллером», чтобы не путать с одноименными химическими средствами защиты, репеллентом (который уместнее было бы называть по-русски «антикомарином»). Этот самый «репеллер» (ассоциация с «пропеллером» не вредит пониманию сути дела и в чем-то даже полезна) представляет собой обыкновенный ультразвуковой генератор, снабженный соответствующим излучателем, который и посылает самкам, увы, не вовремя, столь ненавистные ими призывы любви…

Советские ученые тоже не спали, и в прямом и в переносном смысле, «комаров, да мошек» в тайге почище, чем во вьетнамских джунглях, ну а левшей-то у нас всегда было хоть отбавляй. Вот и подковали комариков: хвать их и на электрический стульчик (американцы, по обыкновению, на него людей сажают, а наши-то гуманисты — комаров). Те запищали, заголосили… Дальше, не подумайте, что стала вся «оборонка» особые «электростулья» выпускать, а просто записали все это аккуратненько на пленочку, и давай на тайгу вещать: «Здесь вашего брата убивают! Спасайся, кто может!». А чтобы понятнее было для этих меньших, но отнюдь не наших братьев, вещание велось на столь ненавистной ими ультразвуковой частоте, на которой они сами во время пыток орали… Вот, вам и «Кыш, комарик!», по-советски.

Создание на подобных же принципах акустических «репеллеров» для отпугивания птиц с сельхозугодий, аэродромов и т. п. объектов позже вошло в обычную мировую практику, хотя вопросы привыкания, индивидуализации и прочие остались и по сию пору.

Здесь, хочется еще сделать небольшое отступление-экскурс в область биоакустики (есть и такая наука). Согласно последней, гудение (жужжание) комаров связано с колебаниями воздуха при взмахах их крыльев.

Основная частота этого процесса составляет 500…550 Гц — до ультразвука-то, ой, как далеко! Возможно, это только несущая частота, а сам сигнал внутри закодирован, наука пока еще это не исследовала. Это гудение для «комарильи» (так я назову эскадрилью комаров, близкую по духу и фонемам к испанской «камарилье» — свите-клике около монарха) является боевым сигналом самцам к сбору. Ибо именно такова частота звуков, исходящих от крыльев их «боевых подруг», конечно же, самцы, в отличие от исследованных американцами самок, охотно летят на этот зов любви. То, что эти звуки столь привлекательны, косвенно подтверждается тем фактом, что высоковольтные трансформаторные подстанции обычно буквально забиты всякого рода мошкарой. Правда, гипотез насчет того, как они туда попали и по какой причине сдохли, можно выдвинуть великое множество, но предположим, что их привлекают звуки, издаваемые элементами конструкций трансформаторов, работающих на переменном токе. Ну, а как «гудят» трансформаторы, хорошо известно каждому. Наличие же высших (но отнюдь не ультразвуковых) гармоник в их звуке также легко понять, так как в кривой тока, из-за нелинейности намагничивания сердечника, они всегда присутствуют.

Далее, помимо колеблющихся крылышек, звуки могут порождаться еще и по принципу смычка и струны: так «стрекочут» кузнечики, сверчки, цикады и другие насекомые.

Наконец, пенье птиц и ультразвуки, издаваемые летучими мышами — это третий механизм возникновения звука, голосовой, за счет модуляции выдыхаемого воздуха. Как возникают ультразвуковые (!) колебания у комаров? Не очень понятно, но примем это за клинический факт, отталкиваясь от которого, начнем активно бороться с паразитами. Ниже представляются специальные разработки лаборатории Мастер КИТ для решения столь актуальной проблемы.

Электронный репеллент Мастер КИТ NM5017

Данный набор содержит основной компонент предлагаемого антикомариного оружия (отпугивателя насекомых-паразитов): генератор электрических высокочастотных колебаний. Схема генератора, выполненная в виде виртуальной модели в программе EWB, показана на рис. 122, а.

Здесь сохранены в основном позиционные обозначения компонентов, включая монтажную печатную плату А501, и добавлен ряд элементов из программы EWB, обеспечивающих возможность демонстрации работы этого устройства. К сожалению, программа пока не позволяет дать полномасштабную мультимедийную картину: полет комаров, их писк и отражение «басурман» с помощью «репеллера». Возможно, что кто-либо из читателей, создаст подобную «игрушку» — «Комариные Войны». Для этого, правда, потребуются дополнительные сведения о диаграммах направленности излучателей, затухании ультразвука в воздухе и, главное, «сенсорике» комаров.

Рис. 122. Электронный репеллент от комаров Мастер КИТ NS167 :

  а — виртуальная модель в EWB; б — осциллограмма сигнала; в — общий вид

Генератор выполнен по схеме симметричного мультивибратора на транзисторах VT1, VT2.

Мультивибраторы генерируют периодические колебания несинусоидальной формы. Термин «мультивибратор» происходит от двух латинских слов: multum — много и vibrare — колебать. Импульсы, создаваемые мультивибратором при периодическом заряде и разряде конденсаторов, представляют одновременное множество колебаний разных частот, что и объясняет приведенное название. В автоколебательных мультивибраторах условия баланса амплитуд и фаз выполняются не для одной, а сразу для многих частот, из которых и складываются результирующие колебания.

Простейший мультивибратор представляет собой двухкаскадный усилитель, в котором выходы и входы каскадов соединены перекрестными RC-цепями положительной обратной связи. В схеме на рис. 122, а реализованы коллекторно-базовые связи посредством конденсаторов С2 и С5. Заряд и разряд этих конденсаторов через соответствующие резисторы носит характер релаксационных колебаний. Поэтому генераторы данного типа называют также релаксационными, или релаксаторами (от лат. relaxatio — уменьшение напряжения, расслабление).

Период повторения (следования) колебаний зависит от суммы постоянных времени (RC) зарядно-разрядных цепей. Частота следования импульсов (величина обратно пропорциональная периоду) регулируется резистором R6. К выходу генератора (выводы 2, 3) включен излучатель (Speaker), моделируемый резистором R13.

Здесь мы приняли сопротивление пьезоизлучателя чисто активным, полагая, что это высокодобротная колебательная система, находящаяся в режиме резонанса на основной гармонике. Строго говоря, проблема используемого излучателя и его согласования с генератором требует отдельного обсуждения и является немаловажной, а, возможно, даже критической, при практической реализации устройства. При неправильном его подборе, поговорить с комарами не удастся: они Вас не поймут! Наличие регулятора R6 позволяет будущим Дарвинам и Павловым, рассортировав комаров по видам, а также полу и состоянию желудков, провести более детальные исследования. Может, и откроете что-нибудь новенькое, если очень постараетесь, да и повезет. Излучатель для этого надо взять более широкополосный, например, электродинамический, да усилитель добавить. Не помешает также микрофон и осциллоскоп для регистрации формы кривой и уровней звука, по ним и спектральный состав можно найти… «Мелкоскопчик» и т. д. Одним словом, «Паяльник в руки!». Ну, а пока что, мы тихонько модель погоняем.

Для исследования работы мультивибратора в схему дополнительно включен также осциллоскоп, фиксирующий форму выходных колебаний напряжения. Осциллограммы можно снимать при различных значениях R6. Для этого надо «открыть» лицевую панель виртуального осциллоскопа и выполнить необходимые установки (см. рис. 122, б). Затем включить моделирование и последовательно нажимать клавишу [R] для регулировки «вниз» и [R] + Shift, соответственно, для регулировки «вверх». При этом надо иметь в виду некоторые особенности работы программы. Во-первых, для регулировок надо щелкнуть предварительно ЛКМ, поместив курсор в любую точку рабочего поля, кроме панели осциллоскопа. Во-вторых, регистр шрифта должен стоять в позиции «Еп», а не «Ru», так как программа канадская. В-третьих, желательно начинать исследования с 50 % (при очень малых значениях R6 генератор не самовозбуждается). Наконец, для получения реалистичной картины колебаний относительная ошибка анализа RELTOL должна быть не более 0,0001.

Картина колебаний на нижней границе регулировки (R6 = 0 %), что соответствует верхней границе по частоте показана на рис. 122, б. Нетрудно видеть, что это типичные экспоненциальные кривые заряда и разряда конденсатора через резистор с периодом около 50 мкс, что дает частоту следования 20 кГц. Вообще говоря, эту частоту желательно поднять выше, иначе люди, особенно молодые, с музыкальным слухом будут слышать этот звук. А вот на сколько его надо поднять: хорошо бы полюбопытствовать у самих комариков. Возможно, для них надо писать специальные фуги или современный «крутяк». Ряд подобных компьютерных программ уже существует, но отзывы на них комаров нам не известны. Кроме того, повторю еще раз: важно какова излучающая система и как она согласована с генератором (а заодно уж и с воздухом).

Спецификация компонентов, используемых в устройстве, приведена в таблице.

Технические характеристики устройства

Номинальное напряжение питания… 9 В

Номинальное сопротивление нагрузки… 32 Ом

Диапазон частот… 8…35 кГц

Размер печатной платы… 40x50 мм

Общий вид устройства показан на рис. 122, в.

Вот, наконец, генератор собран, подключаем к нему подходящий источник питания и излучатель, например АК076.

Регулируя построечный резистор R6 вверх по частоте, наблюдаем, как комары на оконном стекле забеспокоились. Ставим «репеллер» рядом с ночником. «Кыш, кыш, кыш комарики!» — кричит он им десятки тысяч раз в секунду. Будем надеяться, что они улетят не солоно хлебавши (кровь-то — соленая!), а мы выспимся спокойно.

Все для сада! Все для продовольственной победы!

Итак, мы благополучно разделались с комарами, а может быть заодно и с мухами. Эх, как был бы рад этому незабвенный Александр Сергеевич. Да, будь в те времена подобные устройства, не появилось бы столь горьких строчек о лете, но, зато в его творчестве, наряду с «Болдинской осенью», засверкало бы искрометно-поэтическое «Болдинское лето». А так его Пегас, видно, прятался летом от комаров да мух. Ну что ж, может быть повезет его потомкам.

Перейдем к обзору всего наличного арсенала, направленного на войну до победного конца в садах, на огородах и дачах не только против комаров, но и других, досаждающих нам тварей: грызунов, ползающих и летающих паразитов, прожорливых птиц, непокорных кошек и собак. Нет, упаси Боже, мы не будем их истреблять, а только отгонять. Все приводимые далее устройства по принципу действия аналогичны, описанному выше, и отличаются лишь рядом параметров. Поэтому дадим только их сжатые описания и технические характеристики, позволяющие в зависимости от конкретной задачи осуществить подбор необходимого.

Универсальный ультразвуковой отпугиватель насекомых и грызунов Мастер КИТ МК075

Устройство предназначено для владельцев садово-огородных участков. Предлагаемый модуль (рис. 123, а) позволяет защитить добытый с трудом урожай от грызунов, птиц, домашних животных, насекомых, ползающих и летающих паразитов.

Рис. 123. Ультразвуковой отпугиватель насекомых и грызунов:

а — электронный модуль Мастер КИТ МК75; б — дополнительные излучатели

Устройство излучает ультразвуковые сигналы, чрезвычайно неприятные для грызунов и насекомых-паразитов. На корпусе устройства находится регулятор, позволяющий настроить прибор на конкретный вид отпугиваемых вредителей. Устройство имеет встроенный динамик, но для увеличения площади отпугивания к данному модулю можно подсоединить до четырех внешних динамиков типа АК157 (рис. 123, б). Напряжение питания устройства 9…14 В, при токе потребления 40 мА. Диапазон частот излучаемых волн: 12…38 кГц. Размеры модуля: 72x55x28 мм. Модуль не требует сборки.

Электронный репеллент подземных грызунов Мастер КИТ МК080

Герметичный модуль, излучающий агрессивные, сейсмические колебания в высокочастотной области, отпугивает подземных грызунов. На рис. 124 показаны два варианта исполнения модулей.

Модуль располагают возле нор грызунов, подавая постоянное напряжение 9 В. Одним модулем можно защитить участок площадью до 1000 м2. Устройство потребляет ток 150 мА. Размеры модуля: 72x50x35 мм.

Рис. 124. Электронные модули Мастер КИТ МК080

Стационарный ультразвуковой отпугиватель насекомых и грызунов Мастер КИТ МК107

Данное устройство (рис. 125) также ориентировано на заядлых огородников и предлагается вместо ядохимикатов и огородного пугала для защиты от различных вредителей.

Универсальный ультразвуковой генератор требует напряжения питания 12…24 В; диапазон частот воспроизводимых волн: 10…40 кГц.

Для увеличения площади воздействия к модулю можно подсоединять до пяти динамиков. Модуль не требует сборки. При настройке вышеперечисленных устройств можно ориентировочно руководствоваться нижеприведенными данными по воздействию излучения разных частот на насекомых и животных.

Рис. 125. Электронные модули Мастер КИТ МК107

Миниатюрный пьезоизлучатель Мастер КИТ АК076

Общий вид этого излучателя был показан ранее (см. рис. 19, а). Излучатель можно использовать в качестве дополнительного источника звука в электронных ультразвуковых репеллентах от грызунов и насекомых, а также в различной звуковой технике. Пьезоизлучатель имеет алюминиевую полусферу, за счет чего достигается высокая мощность излучения при минимальных искажениях.

Технические характеристики излучателя таковы: полоса частот — 2500…45 000 Гц, размеры: диаметр — 30 мм, высота — 14 мм.

Пьезоизлучатель можно использовать совместно с универсальным ультразвуковым отпугивателем насекомых и грызунов (NM5017).

Ультразвуковой динамик Мастер КИТ АК157

Этот ультразвуковой настенный динамик (рис. 126), в комплект которого включены две скобы для закрепления на стене, может служить дополнительным репродуктором для универсального ультразвукового отпугивателя насекомых и грызунов (МК075). Светодиод, установленный в динамике, служит индикатором работы, загораясь только при излучении ультразвука. Устройство получает рабочее напряжение из сигнала ультразвуковой частоты, подаваемого базовым устройством (МК075).

Динамик можно устанавливать вне помещения благодаря защитному корпусу. Размеры динамика: 75x75x24 мм.

Рис. 126. Ультразвуковой динамик Мастер КИТ АК157

 

На протяжении всей истории человечества одни люди упорно стараются что-нибудь скрыть от других, хотя иногда это за них делает природа и время. Секреты ремесла и сокровища, знания и сведения о происшедших событиях, правдивая информация и подлинность предметов — этот список тайн, покрытых мраком бесконечен. Другие люди не менее упорно стараются вскрыть истину, охранить правду. Разведчики и шпионы, криминалисты и нарушители законов, археологи и черные кладоискатели — «несть им числа». И здесь электроника приходит на помощь правому делу.

 

Правда, и только правда

Чужая душа потемки

Шипа в мешке не утаишь

Пословицы

Людей всегда интересовало, насколько правдива та информация, которую они получают от других. Проблема выявления лжи или обнаружение неискренности в поведении человека стара как сам мир. Давно уже было подмечено, что состояние и поведение человека напрямую связано с его душевными переживаниями. Этим неоспоримым фактом стали пользоваться при допросах подозреваемых лиц и для разоблачения преднамеренных обманов.

В древней Индии допрашиваемых просили одновременно с ответом на поставленный вопрос ударять в гонг. Если вопрос вызывал затруднение и внутреннее замешательство у подозреваемого, то он не мог ответить на него легко и непринужденно. Тогда ему требовалось время и определенные усилия над собой, а это приводило к сбоям при ударах в гонг.

В древнем Китае подозреваемым давали сухую рисовую муку и просили ее прожевать в разговоре с ними. Если человек был не в состоянии это сделать, поскольку при дополнительных переживаниях во рту пересыхало и еда буквально не «лезла в горло», то его осуждали, считая, что он пытается скрыть правду.

С развитием наук о человеке, таких как физиология, химия, психология и др., появились методы количественной инструментальной оценки изменений в организме человека, испытывающего психологический стресс. При стрессе повышается содержание адреналина в крови, увеличивается потребность организма в кислороде, что в свою очередь проявляется в отклонении ряда физиологических показателей от нормы: учащается или снижается частота пульса и ритм дыхания, повышается кровяное давление, изменяется электрическая проводимость кожи и температура тела, наконец, изменяется характер биотоков мозга. Когда источник стресса исчезает, организм вырабатывает норадреналин, нейтрализующий действие избыточного адреналина. Таким образом, появилась возможность фиксации реакции человека на эмоциональное возбуждение, обусловленное «внутренней борьбой» за выживание путем передачи ложных сведений. Характерно, что показатели эмоций проявляются непроизвольно, против воли и желания человека. Специальная тренировка отчасти может изменить уровень отдельных реакций, но полный комплекс показателей свести на нет, практически, невозможно, особенно при использовании современных электронных систем получения и обработки информации.

В 1927 году американский криминалист Леонард Киллер сконструировал и запатентовал специальное электронное устройство, одновременно регистрирующее три параметра (дыхание, относительное давление крови и электрическую активность кожи). Киллер окрестил эти устройства «Детекторами лжи». Позже их стали по научному именовать «Полиграфами» (от гр. polugraphia — многописание). Наибольшее распространение они нашли в США, начиная с 1980-х годов.

Современный полиграф — компьютерный прибор, использующий множество различных датчиков и фиксирующий одновременно ряд физиологических показателей человека. Эти приборы используются в самых различных сферах: от традиционного криминалистического дознания, до приема на работу. Необходимо отметить, что для получения объективной информации важно не только совершенство прибора, но и сама методика его применения: окружающая обстановка, характер и способ преподнесения вопросов и т. п. Правильное использование приборов (искусство оператора) дает достоверность, доходящую до 95 %. В настоящее время получили распространение различные упрощенные приборы и методики. К получаемым на них результатам надо относиться с крайней осмотрительностью.

Самой простой эмоциональной физиологической реакцией является так называемая кожно-гальваническая реакция — изменение поверхностного сопротивления кожи человека, вызванного целенаправленными вопросами, задаваемым по специальным методикам. Различают реакцию физическую и тоническую.

При физической реакции происходит резкое изменение электрического потенциала кожи на эмоциональный раздражитель. Тоническая реакция приводит к медленному изменению электрического сопротивления кожи (приспосабливаемость) в ответ на эмоциональный раздражитель. Величина кожного сопротивления датчика может изменяться от 600 кОм до 100 Ом.

Здесь уместно вернуться к спорам Гальвани и Вольта о природе биоэлектричества, о которых было кратко рассказано в начале книги.

Прибор, использующий одну кожно-гальваническую реакцию, конечно, еще не полиграф в полном объеме, поскольку нет учета «множественности» показателей, а лишь некоторый его компонент.

Изготовив самостоятельно такой прибор на основе набора «Детектор лжи» Мастер КИТ NK314, можно разобраться в принципе действия подобных систем и немного поиграть в криминалистику, не доводя дело до абсурда, т. е. не выходя за рамки безобидной игры.

Виртуальная модель «Детектора лжи» Мастер КИТ NK314

Принципиальная схема устройства, набранная в программе EWB, т. е. представляющая его виртуальную модель, показана на рис. 127, а.

Рис. 127. Детектор лжи Мастер КИТ NK314 :

а — виртуальная модель в EWB; б — схема подключений; в — общий вид

Здесь на трех транзисторах PNP-типа собрано пороговое устройство (усилитель постоянного тока с большим коэффициентом усиления). К точкам «К-К» (вход) в реальном устройстве подключаются рабочие электроды, накладываемые на ладонь испытуемого, а в виртуальной модели этот имитатор датчика состояния поверхности кожи — резистор [R], с регулируемой величиной сопротивления.

Выходом служит сигнал светоизлучающего диода LED (Light-Emitting Diode). Питание устройства осуществляется от батареи Е1 с напряжением 9 В. Потенциометр [Р] служит для начальной установки режима. Интегрирующая цепь R1C1 предохраняет устройство от ошибочных электрических сигналов.

Вначале оба потенциометра [R] и [Р] устанавливаются на 100 %, если при этом дать команду на моделирования, то индикатор LED загорится (его стрелки на схеме в анимационном режиме «зачернятся»). Нажимая последовательно на клавишу Р (при английской раскладке клавиатуры), надо уменьшать величину сопротивления одноименного потенциометра, пока индикатор не погаснет: его стрелки из зачерненных превратятся в стрелки с просветом. На этом надо остановиться: предварительная настройка схемной модели проведена.

Далее последовательно нажимаем на клавишу R, уменьшая величину сопротивления имитирующего поведение датчика сопротивления поверхности кожи. При достижении величины 90 % от 0,5 МОм (уменьшение на 50 кОм), LED загорится, что моделирует появление сигнала об уменьшении кожного сопротивления.

Именно этот этап моделирования зафиксирован на рис. 127, а, где сопротивление Р равно 5 % от 2,2 МОм, т. е. 110 кОм. (Для увеличения сопротивления переменных резисторов надо нажимать на соответствующие клавиши при одновременно нажатой клавише Shift.) Приведенные числовые данные условны и зависят в реальной системе от вида используемого светодиода, применяемой электродной системы, характеристик кожи и особенностей реакции конкретного испытуемого.

Сборка Детектора лжи Мастер КИТ NK314

Детектор лжи монтируется на прилагаемой печатной плате (рис. 127, б, в) по приведенной выше принципиальной схеме из компонентов, указанных в таблице.

Устройство питается от батареи с напряжением 9 В и поэтому абсолютно безопасно для жизни; потребляемый ток составляет 10 мА. При монтаже необходимо обратить особое внимание на полярность подключения батареи и светодиода.

Выводы к датчику от контактов «К-К» на плате выполняются многожильными монтажными проводами, на конце которых закрепляются два небольших плоских электрода (например, две монетки). Все устройство следует заключить в «фирменный» корпус, который можно подобрать по каталогу Мастер КИТ.

Допрос без пристрастия

Перед началом эксперимента испытуемый свободно усаживается на стул, и на тыльной стороне его ладони пластырем фиксируются электроды датчика (рис. 127, б). Медленно вращая движок «подстроечного» сопротивления Р, добиваются погасания светодиода и фиксируют это положение. На этом электронная часть проблемы как бы прерывается и начинается собственно игра в криминалистику. Теперь надо задать такие непростые вопросы, при которых бы испытуемый стал врать и переживать за произносимое, и тогда (опять включается электроника) светодиод должен загореться.

Здесь Вам придется пофантазировать и поэкспериментировать, определив правила игры (оскорбительные и интимные вопросы должны быть исключены в принципе, а результаты оставаться конфиденциальными по договоренности, не следует также использовать игру в корыстных целях). Если Вы играете с товарищем, то желательно чередовать роли следователя и допрашиваемого, для соблюдения равноправия и чтобы почувствовать себя в «чужой шкуре»».

В качестве начальной методики составления вопросов можно порекомендовать так называемый нейтрально-целевой метод, который был разработан классиком полиграфии Макстаном еще в 1917 году. Он долгое время являлся стандартным при подобных проверках. Существо нейтрально-целевого метода заключается в следующем.

Имеется три типа вопросов: значимые и целевые вопросы, нейтральные для создания фона и контрольные. Для того чтобы отличить реакции на нейтральные и целевые вопросы, избирается определенная техника постановки вопросов.

Берется группа вопросов: нейтральные, не имеющие отношения к существу дела (например: «Как ваша фамилия?»» или про погоду); значимые, по которым проводится расследование и определяется отношение человека к тому или иному делу. В разных вариантах эти вопросы могут идти вперемежку, например, один значимый, потом нейтральный; или могут идти зонами, например, 5 нейтральных, потом группа 5 критических, потом опять 5 нейтральных, потом опять 5 критических. Все заданные вопросы и ответы записываются на бумагу и на магнитофон. После окончания процедуры анализируется, как человек реагировал на группу нейтральных вопросов, затем на критическую группу — есть ли различие или нет.

Далее проводится полное сравнение ответов испытуемого на те или иные вопросы. Если вопросы шли вперемежку, то по отдельности соответственно смотрят, как он реагировал на те или иные вопросы изолированно. Эта аналитическая часть может оказаться гораздо сложнее электронной, так как не формализована и близка к искусству.

Главное, не забывайте, что приборы не совершенны, и это всего лишь игра. Не заиграйтесь, будьте на высоте морально-этических норм, следуйте клятве Гиппократа: «Не навреди!».

 

Кладоискатели, вперед!

Кладоискательство — исконная страсть человечества. Веками одни — старательно прячут или случайно теряют сокровища, а другие — фанатично пытаются их найти. Пиратские клады и древние захоронения, затонувшие галионы и загадочные пещеры, чердаки и подвалы — куда только не приводят тропы романтиков и алчных, диггеров и «черных следопытов», людей ученых и простаков…

«Каждый выбирает для себя», и мы отнюдь не агитируем за этот вид «умопомешательства», или, напротив, стараемся кого-то отговорить от подобных затей, а хотим лишь слегка приоткрыть занавес в малой части, связанной с радиоэлектроникой. Поэтому речь пойдет о простейшем металлоискателе, а уж для чего его применить — дело хозяйское.

Металлические предметы реагируют на внешние электромагнитные поля. Характер этой реакции зависит от их электрофизических свойств и параметров поля.

Переменное электромагнитное поле наводит в сплошных металлических массах вихревые токи. Подобные токи называют также токами Фуко, по фамилии французского физика, исследовавшего их в XIX в. и предложившего разделять предметы на тонкие пластины для их уменьшения. Этот прием используется для уменьшения потерь на нагрев в трансформаторах и машинах переменного тока.

Вихревые токи создают собственное электромагнитное поле в окружающем пространстве. Если тела являются ферромагнитными, то имеется дополнительная реакция на внешние электромагнитные поля, связанная с намагничиванием вещества. На этом основана магнитная запись и считывание информации.

Таким образом, по реакции на внешнее переменное магнитное поле в принципе можно судить о наличии металлических предметов в некоторой области пространства, приближенно оценивать их размеры, а при утонченном анализе — сигналов и роде металла.

Для создания зондирующего поля используются разнообразные плоские катушки и рамки. С помощью специальной геометрии их расположения и включения в электронные устройства добиваются определенных характеристик направленности, чувствительности и избирательности.

Например, металлоискатели, используемые в охранных системах для обнаружения оружия или специальных закладок в продаваемых товарах (книгах), которые можно встретить теперь буквально на каждом шагу на входах залов, офисов, магазинов и т. п., имеют три рамки.

Рамки располагают в плоскостях параллельно друг другу: две крайних симметрично относительно средней (центральной). Средняя рамка служит «передатчиком», а симметрично расположенные крайние — «приемниками». На среднюю рамку подается зондирующий сигнал, а с крайних, включенных в противофазе, снимается сигнал реакции системы на свойства среды внутри нее. В дежурном режиме отклик системы равен нулю. Появление проводящих предметов между одной из крайних рамок и центральной приводит к «разбалансу» сигналов, принимаемых крайними рамками, и формирует результирующий сигнал тревоги.

Система, реагирующая на хищение товаров, настраивается на избирательное обнаружение специальных закладок в виде малогабаритных планарных ВЧ-контуров, проволоках Виганда с особыми магнитными свойствами и т. п. Эти закладки «прожигают» или размагничивают при покупке товара в кассах.

В работе подобных систем подчас встречаются печально-курьезные сбои, связанные с их реакцией на внутренние металлические протезы.

Рассмотренная система проходных катушек помимо использования в охранных устройствах используется также в «вихретоковых» методах так называемого «неразрушающего контроля» на различных производствах.

Например, для обнаружения случайного попадания посторонних металлов в продукты питания их транспортируют вдоль оси системы перпендикулярно плоскостям катушек (подобную конфигурацию типа широкого дверного проема используют и в охранных системах).

Однако часто контролируемая среда имеет доступ только с одной стороны. В подобных случаях используют компланарные, т. е. располагаемыми в одной плоскости, катушки (типа «блина» в миноискателе) или специальные накладные датчики типа магнитофонных головок, рабочее поле которых проникает в контролируемый объект.

Здесь надо иметь в виду, что напряженность поля очень быстро уменьшается с расстоянием, и это является основным фактором, ограничивающим чувствительность систем обнаружения.

В рассматриваемом ниже простейшем металлоискателе используются две катушки, расположенные на плоском ферритовом стержне.

Металлоискатель Мастер КИТ NK293

Принципиальная схема устройства показана на рис. 128, а.

В виртуальной модели металлоискателя, представленной на рис. 128, б, ограничимся той частью, которая формирует полезный сигнал. Позиционные обозначения компонентов исходной схемы и их параметры в этой модели в основном сохранены.

В отличие от полной принципиальной схемы реального устройства здесь вместо катушек L1 и L2 введен трансформатор L1/L2 с выводом от средней точки вторичной обмотки, которая заземляется. Исходное изображение схемного компонента повернуто вокруг вертикальной оси, так что первичной обмоткой служит та, которая на рис. 128, а обозначена как L2.

Рис. 128. Металлоискатель Мастер КИТ NK293 :

а — принципиальная схема; б — виртуальная модель в EWB; в — установки трансформатора; г — осциллограммы сигналов; д — общий вид

Принятые параметры трансформатора показаны на рис. 128, в. Кроме этого добавлен переменный резистор [X] и осциллоскоп.

Конденсатор С2 и обмотка L2 образуют колебательный контур автогенератора, выполненного на транзисторе VT3. Положительная обратная связь, обуславливающая самовозбуждение колебаний, образуется обмоткой L1 и конденсатором С1. Выход генератора связан с системой индикации в точке А. В исходной схеме (рис. 128, а) это база транзистора Т1.

В отсутствие колебаний напряжение в точке А равно нулю.

Уменьшая величину [R] в модели (или соответственно TR в исходной схеме), можно при прочих равных условиях добиться возникновения автоколебаний в системе. Появление проводящего тела в переменном магнитном поле этой системы приводит к возникновению в нем вихревых токов, что можно представить в модели третьей катушкой, имеющей магнитную связь между двумя первыми. Таким образом, в модели верхняя половина L1 играет роль исходной катушки, а нижняя — наведенной за счет электромагнитной индукции в металлическом теле. Регулировка «наличия металла» в модели производится резистором [XJ. Фазировка всех катушек выбрана так, что при «отсутствии металла» — [Х] = 0 и напряжение в точке А также равно нулю.

Устанавливая определенные значения резисторами [R] и [X], наблюдаем картину колебаний на осциллоскопе (см. рис. 128, г).

В реальном устройстве сигналу в точке А соответствует горение светодиода LED (см. рис. 128, а), причем он светится тем ярче, чем сильнее сигнал.

Ознакомившись с работой виртуальной модели, переходят к сборке устройства (рис. 128, д). После его сборки на плате согласно схеме, приступают к изготовлению индуктивного датчика металлоискателя. Для изготовления датчика наматывают катушки индуктивности L1 и L2, содержащие 60 и 100 витков соответственно, и располагают их на общем ферритовом сердечнике. Намотка выполняется в одном направлении, аккуратно, виток к витку. Расстояние между обмотками должно быть не менее 8 мм. Желательно, катушки L1 и L2 выполнить на бумажных гильзах, чтобы иметь возможность для перемещения их относительно друг друга. Надежно закрепив выводы обмоток с помощью ниток, ленты или клея, концы их выводов зачищают, «облуживают» и «подпаиваивают» к плате, соблюдая определенную «фазировку». Затем устройство подключают к источнику питания, соблюдая полярность.

Настройку устройства необходимо начать с установки переменного резистора Р в среднее положение. С помощью «подстроечного» резистора необходимо установить порог срабатывания устройства, при котором светодиод LED начинает неустойчиво светиться. Расположив металлический предмет на расстоянии 3…6 см от индуктивного датчика, добиваются стабильного включения светодиода. При удалении металлического предмета более чем на 10 см светодиод должен выключаться. В случае если не удается добиться работы устройства, необходимо поменять местами выводы катушки L1.

Теперь все устройство можно заключить в корпус (ни в коем случае не из металла), при этом для работы с максимальной чувствительностью датчик надо удалить на 10…15 см (возможно, расположив его в отдельной головке) от платы и батарейки. В противном случае он будет «находить» их, а не то, что вы хотели бы найти.

Вряд ли с помощью этого устройства удастся найти клад: вернитесь к эпиграфу — серьезные металлоискатели имеют цены, сравнимые с автомобилями. Хотя, чем черт не шутит…

Однако это вполне удобное устройство для самых разных случаев жизни. Например, во время проведения ремонтных работ часто возникает необходимость определить наличие металлической арматуры, труб и электропроводки, расположенной в стенах, полах, потолках. С помощью предлагаемого металлоискателя можно обнаружить подобные металлические элементы конструкции и проводки на глубине закладки до 60 мм. Металлоискатель имеет регулировку чувствительности, что позволяет с достаточной точностью установить месторасположение металлических предметов.

Если спрятать 10-копеечную монету под 300-страничную книгу, то с помощью данного металлоискателя ее можно найти, а заодно и выявить его диаграмму направленности, вращая датчик по азимуту на некотором расстоянии от эпицентра расположения монеты. Так что затерявшийся в траве предмет тоже можно найти, и мало ли чего еще, даже шоколадки или пачки сигарет в карманах при шуточном досмотре, благодаря их оберткам из фольги.

Чувствительность этого прибора можно увеличить, если заменить прилагаемый ферритовый стержень на больший, например, от старых транзисторных радиоприемников.

Желающим же всерьез заняться кладоискательством посоветуем, потренировавшись с этим образцом, изготовить более сложное устройство, например микропроцессорный металлоискатель Мастер КИТ NM8041.

«Кто ищет, тот всегда найдет!». И Вы уже нашли: Знания, а это и есть самый большой клад в жизни, только не останавливайтесь на достигнутом: копайте дальше!

 

Магнитный доллар

От дверей, звонков и прочих интересных электронных устройств постепенно перемещаемся в самое обитаемое и любимое помещение в квартире — на кухню. Пока это будет лишь случайный мимолетный визит, а вот уж потом…

Эксперименты на кухне

Для экспериментов потребуются: магнит, американская купюра и спички.

Магнит можно взять любой, например, от старого динамика, скажем 1ГД10, естественно без диффузора и его крепежа. В нем имеется тороидальный феррит-бариевый магнит, дающий в зазоре магнитную индукцию примерно 0,75 Вб/м2. А вообще-то, чем «сильнее» магнит, тем заметнее будет эффект.

Американская купюра, подлежащая эксперименту, если есть и не жалко (сжигать и варить ее не будем, впрочем, дело Ваше), лучше пусть будет с личиком Бенджамина Франклина: как никак нашего рода, почти радиолюбитель — изобретатель молниеотвода и много чего другого из электричества.

Спички — любые, из тех, что раньше именовались «шведскими», так как изобрел их один бедолага студент-химик, в шведской тюрьме, кстати, пребывая. Но нужны именно спички, а не зажигалки.

Эксперимент № 1

Начнем со спичек, чтобы войти в курс дела и для тренировки. Берем одну целую спичку, кладем ее на стол (не железный) и подносим к ней магнит, дотрагиваясь областью зазора до спички и, особенно, до ее головки. Результат — ноль: спичка лежит, как ни в чем не бывало. Далее спичку чиркаем по коробке и после того как обгорит головка, гасим ее и опять кладем на стол (соблюдая меры пожарной безопасности). Повторно подносим магнит, но теперь к обгорелой головке: «Вот те на! Спичка-то, словно иголка: поднимается и висит на магните». Что-то там в ее головке с бертолетовой солью, серой и прочими химикалиями приключилось. Без хроматографа или масс-спектрометра и не разберешься. Да нам сейчас это и не так важно, хотя и любопытно: какие там такие изменения происходят в этом домашнем пиротехническом заряде? Зафиксируем факт: обгорелая спичка, в которой железом и не пахнет, притягивается к магниту.

Эксперимент № 2

Берем одной рукой купюру за угол и даем ей свободно повиснуть. Спички убираем от греха подальше. В другую руку берем магнит и аккуратно подносим к разным ее местам, слегка дотрагиваемся и легонько отодвигаем магнит. Купюра притягивается и «едет» вместе с магнитом. Значит она настоящая, а не фальшивая, вот и Франклин улыбается одобрительно. Доллар-то оказывается еще и магнитным, вот почему он так притягивает людей, а с нашими «деревянными» этот фокус не проходит, остается только поджечь.

Значит, в краску янки заложили некую соль с магнитными свойствами, а это можно использовать для детектирования валюты, но не с магнитом же от синхрофазотрона по обменникам ходить. Радиолюбитель легко может сделать магнитный детектор валюты.

Детектор валюты Мастер КИТ NS311

Виртуальная модель

Принципиальная схема устройства, набранная в программе EWB, т. е. представляющая его виртуальную модель, показана на рис. 129, а.

Детектор состоит из двухкаскадного усилителя на основе микросхемы TL082, представляющей собой два быстродействующих операционных усилителя (аналог серии К576) в одном 8-выводном корпусе.

Рис. 129. Детектор валюты Мастер КИТ NS311 :

а — виртуальная модель в EWB; б — общий вид

В библиотеке программы имеются только модели подобных одиночных ОУ, причем без выводов для питания (которое решено программно). Поэтому в нашей модели (см. рис. 129, а) мы использовали два таких «операционника» А1 и А2, пронумеровав выводы в соответствии с нумерацией в сборке: от (1) до (8). При монтаже модели обратите внимание на разметку инверсных и прямых входов ОУ и после установки их на рабочее поле «покрутите» как надо.

Датчиком магнитных свойств купюры в реальном устройстве служит обычная магнитная головка (моно), например, воспроизведения или универсальная, подключаемая к точкам «L1-L1». Сигнал возникает в головке, если при включенном питании (SW1) провести головкой вдоль купюры. Если она не поддельная, то изменения магнитного потока в головке приводят к генерации импульсной ЭДС в ней и сигнал через формирующие RC-цепи поступает на вход А1, а затем на А2. После усиления импульса, отпирается транзистор VT1 и загорается красный светоизлучающий диод red_LED VD1.

Думается, что естественнее было бы для данной валюты использовать зеленый светодиод (green_LED), правда, радиолюбители после изготовления первого прибора и успешных испытаний, могут его и самостоятельно доработать, поставив два светодиода: фальшивка — горит красный, настоящий — загорается зеленый.

Величина сопротивления гасящего резистора R10 в виртуальной модели уменьшена до 200 Ом, против 680 Ом, используемой в оригинале, чтобы не редактировать параметры светодиода, и он работал с заданными по умолчанию величинами.

В виртуальной модели этот «валютный сигнал» заменяется включением батареи Е2 с напряжением 1 мкВ ключом [Z].

Питание модели осуществляется от батареи Е1 с напряжением 9 В. Потенциометр Р1, с управляющей клавишей [R], служит для начальной настройки чувствительности, так как головки могут быть разными, ну а доллары-то и подавно.

Итак, включаем питание [X] и моделирование. Затем нажимаем и отпускаем [Z], светодиод (после необходимой подстройки [R]) загорается и гаснет.

Реальное устройство

Детектор валюты монтируется на прилагаемой печатной плате (рис. 129, б) по приведенной выше принципиальной схеме из компонентов, указанных в таблице с их спецификацией.

При монтаже необходимо обратить особое внимание на полярность подключения батареи и электролитических конденсаторов, а также выводов микросхемы, светодиода, диодов и транзистора. Магнитную головку можно смонтировать непосредственно на плате.

Все устройство следует заключить в «фирменный» корпус. Для приемной щели магнитной головки следует оставить окошко или выполнить специальный пропил в этом корпусе так, чтобы можно было приводить купюру и щель головки в соприкосновение.

Включаем устройство и настраиваем его, например, пользуясь старой магнитной карточкой, а уж затем переходим к «зелени». Для формирования импульса купюру надо быстро перемещать вблизи приемной щели головки детектора. В случае не фальшивой купюры должен вспыхнуть светодиод: «Океу!».

Помните, созданный Вами прибор не сертифицирован, так что его можно использовать только в личных целях, не перекладывая ни на кого ответственность и не предъявляя никому юридически не защищенных претензий.

 

Микроклимат в доме, с позиций экологии (от греч. oikos — дом + logos — учение), во многом определяет наше «житие», а заодно и «бытие». Сухая наука сводит человека к сложной биохимической машине. Не вдаваясь в философскую дискуссию с теми, кто с этим не согласен, предложим им мысленно прожить без воздуха (кислорода) минутку-другую. Дискутировать далее будет не с кем…

Поднаторев в электронике, можно с ее помощью заняться проблемами улучшения здоровья и комфорта среды обитания. Здесь есть громадное поле для деятельности: от электроакупунктуры до искусственных электронных органов, но, памятуя о первой заповеди Гиппократа: «Не навреди!», остановимся только на простейших устройствах, позволяющих обеспечить необходимый состав воздуха и его температуру, проконтролировать «электромагнитные загрязнения».

 

Дышите электричеством!

Воздушная стихия с древнейших времен считалась основой жизни. Шумеры поклонялись воздуху, почитая в нем отца Богов, царя Неба и Земли, владыку всех стран. Древнегреческий философ Анаксимен Милетский (VI в. до н. э.) считал воздух тем первоначалом, из которого все возникает и в которое все возвращается. Один из основоположников античной медицины Гиппократ (ок. 460–370 г. до н. э.) называл воздух «пастбищем жизни» и весьма активно практиковал аэротерапию. Легенды и научные изыскания свойств «хорошего» и «живого» воздуха: лесного, степного, горного и морского, приходят к нам через произведения писателей (Гете), художников (Микельанджело) и ученых (Гамильтон).

Научную разгадку секрета «живого» воздуха дал замечательный советский ученый с мировым именем Александр Леонидович Чижевский (1897–1964).

В меморандуме Международного конгресса по биологической физике и биологической космологии, который проходил в 1939 году в Нью-Йорке, отмечалось, что открытия Чижевского имеют для человечества первостепенное практическое значение и развертывают новые горизонты в науках о жизни: «Проф. Чижевский смело перебрасывает мосты между явлениями природы и вскрывает закономерности, мимо которых проходили тысячи естествоиспытателей»… Он «является также выдающимся художником и утонченным поэтом-философом. олицетворяя для нас, живущих в XX веке, монументальную личность да Винчи». Конгресс избрал Чижевского одним из своих почетных председателей и выдвинул его кандидатуру на соискание Нобелевской премии. Однако на конгресс проф. Чижевского не пустили. Вскоре началась война, и Нобелевский комитет надолго прервал свои заседания.

Вся жизнь Чижевского — это жизнь «мученика Науки».

Вершиной творчества Чижевского можно назвать открытие им влияния солнечной активности на динамику исторического процесса. Другое его открытие связано с тем, что наличие электрических зарядов в воздухе — одно из необходимых условий нормального развития высокоорганизованной жизни.

На большом статистическом материале А. Л. Чижевский убедительно показал, что основу «живого» воздуха составляют отрицательно заряженные ионы кислорода, названные им, для различения с заряженными частицами аэрозолей, «легкими аэроионами». В наше время их окрестили «воздушными витаминами».

Чижевским была сконструирована простейшая установка для генерирования подобных ионов, разновидности которой сегодня известны во всем мире как «Люстра Чижевского», а у нас ласково по-свойски ее называют «Чижевкой».

Основу источника ионов составляет электрический генератор высокого напряжения. Положительный полюс выхода этого генератора, согласно Чижевскому, заземляется, а отрицательный — подводится к ряду игольчатых электродов.

При напряженности электрического поля вблизи острий примерно 15 кВ/см в воздухе при нормальных условиях происходит так называемый «темный» разряд, характеризующийся очень малыми силами токов и почти полным отсутствием свечения газа. В процессе газового разряда вблизи острий, имеющих отрицательный потенциал относительно земли, к нейтральным молекулам кислорода присоединяются электроны, образуя отрицательные ионы кислорода («легкие аэроионы Чижевского»). Эти ионы отталкиваются от отрицательно заряженных острий и перемещаются в направлении положительного электрода (элементы заземления), попадая в окружающий воздух. Особенностью правильного режима работы «Люстры Чижевского» является создание необходимой концентрации именно отрицательных аэроинов кислорода, отсутствие образования в электрическом разряде озона и оксидов азота и продуктов «электроэрозии» электродов, а также экранировка от сопутствующих электрических полей в зоне расположения людей.

В качестве генератора высокого напряжения Чижевский, при проведении начальных опытов, использовал импульсный повышающий трансформатор с электрохимическим прерывателем (катушка Румкорфа с сернокислотным прерывателем Венельта). Пузырьки газа при электролизе резко прерывали ток в первичной обмотке, создавая в ней ЭДС самоиндукции, которая увеличивалась во вторичной обмотке, достигая 50…100 кВ. (Подобный принцип создания импульсов высокого напряжения, но только за счет прерывания тока механическими или полупроводниковыми устройствами, используется в системах зажигания автомобилей.) В промышленных установках Чижевский использовал высоковольтные рентгеновские трансформаторы с кенотронными выпрямителями.

Развитие электроники привело к созданию эффективных источников высокого напряжения, которые позволяют использовать открытие Чижевского в быту. Одним из возможных вариантов, на котором удобно изучить их работу, является описываемое ниже устройство.

Моделирование ионизатора воздуха на основе комплекта Мастер КИТ NK292

Принципиальная электрическая схема ионизатора показана на рис. 130, а: он состоит из блокинг-генератора и умножителя напряжения.

Рис. 130. Принципиальная электрическая схема ионизатора воздуха Мастер КИТ NS311

Блокинг-генератор выполнен на транзисторе Т и высоковольтном трансформаторе TR. Умножитель напряжения состоит из элементов схемы D1, D2 и С4, С5. Сопротивление R2 служит для ограничения до 200 мкА тока короткого замыкания.

Рассмотрим работу устройства на модели в программе EWB. Наличие в схеме трехобмоточного высоковольтного импульсного трансформатора создает определенные трудности в создании виртуальной модели. Поэтому смоделируем работу устройства поблочно: вначале создадим модель блокинг-генератора, а затем умножителя напряжения.

Модель блокинг-генератора

Модель блокинг-генератора в программе EWB показана на рис. 131,а.

В качестве трансформатора TR в этой части модели будем использовать идеальный трансформатор Ideal Transformer из раздела Basic. Свойства трансформатора выберем в соответствии с рекомендациями, которые были даны ранее при описании модели преобразователя постоянного напряжения Мастер КИТ NK131 (см. рис. 96). Соответствующие изменения видны на рис. 131, б, где показано окно выбора параметров трансформатора. Остальные Элементы выбираем в соответствии с описанием набора, за исключением транзистора, поскольку в библиотеке программы отсутствует модель типа BD135.

Для наблюдения процесса генерации, схема дополнена двухканальным осциллоскопом. Развернув лицевую панель осциллоскопа и выполнив на ней необходимые предустановки, после включения моделирования, получим характерную картину генерации импульсов (рис. 131, в). Здесь верхний луч (канал А) регистрирует импульсы на базе транзистора, а нижний (канал В) — на его коллекторе. Собственно вот этот характерный вид импульсов и заложен в название генератора: блокинг-генератор — это такой однокаскадный релаксационный генератор, в котором положительная обратная связь входной и выходной цепей обеспечивается импульсным трансформатором. Импульсный трансформатор имеет ненасыщающийся магнитопровод («сердечник»). В катушке Румкорфа и автомобильной бобине — это разомкнутый магнитопровод из магнито-мягкой стальной проволоки, в генераторах строчной и кадровой разверток телевизионных приемников — специальные типы ВЧ-ферритов.

Автоколебательный процесс заряда и разряда конденсаторов в цепи базы транзистора сопровождается периодическим отпиранием транзистора и его переводом в активный режим, что приводит в свою очередь к приращению коллекторного тока до его насыщения. Этот ток за счет трансформаторной связи (при определенной «фазировке» обмоток) в свою очередь приводит к приращению базового тока.

Процесс переключения транзистора развивается лавинообразно и формирует фронт импульса и его вершину (прямой блокинг-процесс). Затем начинает формироваться срез импульса (обратный блокинг-процесс). Транзистор лавинообразно запирается, и начинается сравнительно длительное восстановление начальных условий.

Рис. 131. Виртуальная модель блокинг-генератора:

а — схема; б — параметры трансформатора; в — осциллограммы напряжений

Изменяя в виртуальной схеме (рис. 131, а) параметры RC-цепей (R1, [R], R2, С2 и С3), можно пронаблюдать изменение характеристик генерируемых импульсов на осциллоскопе. Здесь, правда, необходимо отметить, что схемы автогенераторов при моделировании на ПК ведут себя неустойчиво, что связано с линеаризацией исходных нелинейных систем, и зачастую требуют кропотливой настройки как параметров схем, так и режимов моделирования.

Модель удвоителя напряжения

Обратившись теперь к исходной схеме на рис. 130, мы видим, что в ней с обмоткой, включенной в коллекторную цепь, связана еще одна третья (выходная) обмотка. Далее следует диодно-емкостная цепь (D1-C5-D2-C4), играющая роль выпрямителя с удвоением напряжения. Смоделируем эту цепь при произвольных значениях параметров для демонстрации самого принципа удвоения напряжения.

Напряжение на выходной обмотке представим генератором переменного синусоидального напряжения Е2 с действующим значением напряжения 100 В и частотой 50 Гц (см. рис. 132).

Рис. 132. Виртуальная модель удвоителя напряжения

Собрав удвоитель напряжения на элементах D1-C5-D2-C4, подсоединим, соблюдая полярность (жирная черта в рамке вольтметра — минус), дополнительно в цепи три контрольных вольтметра V1-V3.

Включив моделирование, произведем отсчет показаний вольтметров (округляя до целых значений): V1 = -140 В, V2 = -280 В, V3 = -280 В. Эти значения получаются следующим образом. В полупериод, когда потенциал в точке А в схеме на рис. 133 отрицательный, конденсатор С5 заряжается через диод D1 до амплитудного значения напряжения на источнике Е2, которое больше действующего в √2 раз, т. е. V1 = -100·√2 ~= -140 В. В следующем полупериоде, когда потенциал точки А станет положительным откроется диод D2 и аналогично будет заряжаться конденсатор С4, но напряжение на нем, как не трудно видеть равно сумме напряжений на источнике и конденсаторе С5, т. е. V2 = -280 В. В точке В на выходе напряжение, таким образом, составит: V3 = -280 В. В принципе, дополняя эту схему далее еще каскадами с диодами и конденсаторами можно получить дополнительное умножение напряжения.

При практической реализации подобных устройств необходимо обратить внимание на электрическую прочность используемых компонентов (диодов и конденсаторов): их рабочие напряжения должны соответствовать тому, которое получается в соответствующем каскаде умножения. Кроме того, с ростом напряжения и мощности устройств, немаловажными становятся и вопросы электробезопасности. В частности, в отсутствии дополнительных резисторов конденсаторы в умножителях напряжения могут удерживать на себе заряд весьма длительное время после отключения питания.

Внимание! При включенном устройстве напряжение на отдельных его частях превышает 1000 В, поэтому надо строго соблюдать правила электробезопасности, проводить операции по наладке можно только предварительно выключив питание и убедившись, что высоковольтные конденсаторы разряжены.

В рассматриваемом ионизаторе воздуха на основе комплекта Мастер КИТ NK292 (рис. 133), при напряжении питания 9…12 В, потребляемый ток составляет 80…150 мА, а выходное напряжение на ионизирующем электроде — (3…7) кВ.

В результате данный ионизатор вырабатывает отрицательно заряженные ионы, которые уничтожают бактерии, находящиеся в воздухе, и способствует ряду физиологических функций организма.

Рис. 133. Общий вид ионизатора воздуха Мастер КИТ NK292

В соответствии с исследованиями проф. Чижевского, воздух, обогащенный отрицательными ионами кислорода, снимает бессонницу, головную боль, уменьшает чувствительность организма к изменению погоды, улучшает концентрацию внимания.

При длительной эксплуатации ионизатора рекомендуется применять сетевой источник питания. Ионизатор рекомендуется поместить в корпус: G027. Можно также воспользоваться другим готовым устройством.

Генератор ионов Мастер КИТ МК290

Это полезное устройство (рис. 134) предназначено для комнаты объемом около 60 м3.

Рис. 134. Генератор ионов Мастер КИТ МК290

В случае больших размеров комнаты, рекомендуется соответственно увеличить число приборов, размещаемых в комнате. Возможно также использование ионизаторов совместно с вентилятором, обеспечивающим хорошее распределение отрицательных ионов кислорода по объему помещения. Прибор смонтирован в ударопрочном пластмассовом корпусе и не требует сборки. Устройство предназначено для длительной работы в течение рабочего дня. Размеры модуля: 110x87x47 мм.

Конечно, описанные источники надо рассматривать как первые шаги в освоении подобной техники, реализующей «Формулу здоровья» проф. Чижевского:

«Кислород воздуха + электроны = здоровье».

Зато последующие шаги будут более осмысленными.

 

В радиокухонном диапазоне

Ab ovo (лат. «с яйца»)

Среди различных диапазонов радиоволн, освоенных человеком, есть и весьма экзотические по их применению и проявлению.

Как отмечается в заграничных хрониках, в 1946 году пятидесятидвухлетний американец Перси Л. Спенсер, работник одной из компаний, производящих электронные лампы, проводил ординарные опыты с новой генераторной лампой — магнетроном.

Однажды, в перерыве между опытами, он полез в карман спецовки, чтобы достать плитку шоколада. Однако вместо твердой плитки в его руках оказалось какое-то липкое месиво. Спенсер очень удивился: «Почему это шоколад растаял, хотя он сам не почувствовал никакого постороннего тепла?».

Интуитивно он заподозрил, что в этом виноват магнетрон. Тогда Спенсер, решив проверить свою догадку, рассыпал около магнетрона кукурузные зерна и включил аппарат. Через мгновенье вся лаборатория была усеяна разлетевшимся во все стороны попкорном. Из оставшихся съестных припасов у него оставалось одно яйцо. Возбужденный всем увиденным, Спенсер положил его в пластмассовую корзинку для бумаг и поставил ее перед магнетроном. Взрыв яйца был финальным салютом этой серии опытов.

Хотя Спенсер почти не учился в школе, так как воспитывался без родителей, он с детства слыл сметливым парнем. Благодаря природному уму и трудолюбию он выбился в люди, и еще в 1925 году стал контролером завода этой компании.

Размышляя над произошедшим, Спенсер пришел к выводу, что причиной увиденных явлений служит нагрев продуктов за счет поглощения волн, излучаемых магнетроном. Теперь-то любая домохозяйка знает, что перед тем как варить яйца в СВЧ-печке, их надо проколоть, а еще лучше сразу приготовить оригинальную яичницу — в стеклянном стакане или вазочке.

В нашем дорогом отечестве в эти времена также проводились самые разнообразные эксперименты в области применения электромагнитных волн СВЧ-диапазона. В основном, как и до войны, так и после нее, они были связаны с разработкой радиолокационной техники (занимались этим, конечно, и американцы, и англичане). Правда, физики занимались и другими проблемами: мазерами (а потом и лазерами), радиоастрономией и т. п. Академик П. Л. Капица (позже ставший лауреатом Нобелевской премии), отстраненный тогда от руководства созданного им института «Физпроблем» вследствие отказа заниматься атомным проектом, курируемого Берией, организовал научную лабораторию в избушке, рядом со своей дачей. Физики тут же окрестили ее «Избой Физпроблем». Одна из проблем, которой Петр Леонидович начал заниматься еще перед войной, касалась физики шаровых молний. Другой наш академик — Я. И. Френкель выдвинул «химическую» теорию шаровой молнии, но П. Л. Капица подверг ее критике, так как в этой теории не сходился энергетический баланс.

Гипотеза Капицы заключалась в том, что во время свечения к шаровой молнии непрерывно подводится извне энергия радиоизлучений в метровом и дециметровом диапазонах, производимых обычными (линейными) молниями. Сгусток плазмы возникает, по его гипотезе, в месте сложения этих волн и ведет себя как сложный открытый объемный резонатор.

Эти исследования привели его к созданию нового научного направления: «Электроника больших мощностей». П. Л. Капица полагал, что именно на этом пути лежит решение задач электроэнергетики по канализации и передаче электроэнергии на большие расстояния. В частности, был создан специальный генератор, названный «ниготроном», позволявший излучать до 8 кВт в дециметровом диапазоне спектра электромагнитных волн. В первых опытах излучение направлялось в открытое окно. Затем, по словам Петра Леонидовича, «мы поставили на пути излучения яйцо, которое мгновенно сварилось вкрутую, а присутствующий при этом академик Фок моментально съел его». Для следующего опыта был взят тонкостенный кварцевый шар диаметром 10 см, наполненный гелием при давлении 10 см ртутного столба. При облучении яркая вспышка внутри шара продолжалась несколько секунд, после чего кварцевая оболочка, несмотря на высокую температуру плавления, расплавилась…

Танцуем от печки

Цыпленок жареный,

Цыпленок пареный…

Песня

Изобретение Спенсера привело к тому, что в США появились опытные партии печей, использующих СВЧ электромагнитные колебания или микроволны (отсюда обиходное название «микроволновка») и поскольку, они родились из устройства военного назначения, то вначале их стали использовать маркитанты для быстрого разогрева солдатских пайков в многочисленной армии, рассеянной после Второй мировой войны по всему свету. Массовое производство бытовых микроволновок было налажено в Японии в 1962 году.

Основу СВЧ-печи составляет преобразователь электрической энергии, получаемой от электросети промышленной частоты (50/60 Гц) в энергию электромагнитного поля СВЧ-диапазона (например, 2,45 ГГц), локализуемую внутри специального закрытого объемного резонатора (камеры). На радиотехническом языке это устройство, в зависимости от выбранного классификационного признака, можно отнести к генератору, преобразователю частоты или активному согласующему устройству. Обычно его просто считают генератором.

Действительно, как следует из уравнений Максвелла, электромагнитная энергия, в которую на электростанциях преобразуют другие виды энергии, распространяется в виде поля на частоте 50/60 Гц в среде, окружающей провода, возбуждая ток в этих проводах, играющих роль направляющей системы. Часть энергии проникает в глубь проводников и приводит к потерям на нагрев (дополнительные потери возникают также в промежуточных преобразователях: трансформаторах и т. п.).

Задача нагрева некоторого объема вещества связана с поглощением (желательно равномерным) электромагнитной энергии и, соответственно, выделением тепла в этом объеме. Существуют три физических механизма теплопередачи: кондуктивный — теплопроводностью, конвективный — потоками вещества (например, теплого воздуха или радиоактивных частиц) и излучением (инфракрасным, СВЧ и т. п.).

Для большинства продуктов конвекцию можно отбросить или ее придется организовывать специальным образом. Теплопроводность — процесс весьма длительный, зависящий от свойств вещества и градиента температуры. Увеличить этот градиент при прочих равных условиях можно только в очень ограниченных пределах, да и то за счет специальных мер (вспомните искусство поджаривания блинов или приготовления шашлыка). В этом смысле для объемного разогрева электромагнитное поле находится вне конкуренции. Однако величина поглощения поля веществами сильно зависит от частоты и напряженности поля. Последняя имеет верхнее ограничение, связанное с электрическим пробоем воздуха. Продукты или блюда, подлежащие нагреванию, содержат в большом количестве воду и поэтому ее электрофизические свойства являются определяющими при выборе характера воздействия. Конечно, если необходимо нагреть некий сплошной объем воды, то задача решается просто кондуктивно-конвективным нагревом ТЭНами или прямым (контактным) джоуль-ленцовским нагревом за счет токов через погруженные в нее электроды. Правда, при использовании прямой проводимости появляется еще электролиз, да и вопросы электробезопасности обостряются. Но все же курицу этими способами, увы, не приготовишь, а все контактные методы по многим параметрам уступают бесконтактным в принципе за счет явлений на границах раздела.

Ограничимся рассмотрением нагрева диэлектриков. Тогда, при создании бесконтактных (волновых) нагревательных устройств исходят из следующего общего соотношения, которое связывает величину плотности потока энергии электромагнитных волн Р (Вт/м3), поглощаемых в единице объема вещества с его свойствами и характеристиками поля

где Е — напряженность электрического поля. В/м; f — частота, Гц; ε о = 8.85·10-12 Ф/м — диэлектрическая постоянная вакуума; ε — относительная диэлектрическая проницаемость вещества; δ — угол диэлектрических потерь.

Из приведенной формулы видно, что при прочих равных условиях выгоднее всего использовать поля с большой частотой в диапазоне, где диэлектрические потери максимальны. При этом следует иметь в виду, что с ростом этих величин происходит также уменьшение глубины проникновения поля в материал.

Характеристики интересующих нас материалов таковы, что если бы мы сделали подходящие соленоид или конденсатор, работающие на промышленной частоте, и с помощью их поля попытались бы с утра приготовить блюдо, то вряд ли нам удалось бы вовремя не только позавтракать, но и поужинать. Дело в том, что электромагнитные потери на частоте 50 Гц в воде ничтожно малы.

Вот если нам не очень к спеху, то ввиду простоты реализации эти способы годятся и их применяли в промышленности для сушки лесоматериалов, а также при производстве железобетонных изделий.

Учитывая частотную зависимость фактора поглощения, инженеры пошли по частоте вверх — к ВЧ, благо этот диапазон в радиотехнике был уже давно освоен, но в быту подобные установки не применялись за исключением физиотерапии, так как некий барьер эффективности преодолен не был. Случай со Спенсером привлек внимание инженеров и ученых к более детальному анализу СВЧ-нагрева. Из этого анализа следовало, что максимальное количество энергии поля будет поглощаться на той частоте, на которой находится максимум отклика молекул воды.

Отдельные молекулы воды, например в ее парах, представляют собой диполи, с двумя ионами водорода Н+ и одним дважды ионизированным атомом кислорода О2-, образующие равнобедренный треугольник с ионом кислорода при вершине с углом 105° и боковыми сторонами, равными 0,96 А°. В твердой фазе молекулы воды образуют кристаллическую решетку, ячейки которой напоминают тетраэдры для упаковки молока.

В жидкости, благодаря тепловому движению молекул, их коллективы случайным образом занимают изменяющиеся разнообразные промежуточные состояния. По образному выражению акад. Я. И. Френкеля, молекулы жидкости ведут себя подобно кочевникам: оседлый образ жизни в узлах временной местной кристаллической решетки (где они совершают колебательные движения) сопровождается их периодическими перескоками в другие положения.

Время, за которые молекулы возвращаются к равновесию, носит название времени релаксации. Оценка этого времени для полярных диэлектриков была дана голландским физиком П. Дебаем.

Согласно его теории применительно к молекулам воды, находящейся в жидкой фазе, их ориентационная поляризация и деполяризация аналогичны вращению твердой сферы в вязкой жидкости, приводящему к потерям. В зависимости от соотношения между частотой внешнего поля и величиной, обратной периоду релаксации, величина этих потерь может быть выражена через фактор потерь (tg δ) экспериментально и теоретически.

Наиболее просто воспользоваться для полуколичественных оценок интерпретацией этой зависимости с помощью приближения RC-цепей.

На рис. 135, а показана простейшая цепь (по Хиппелю), моделирующая релаксационные потери в воде в зависимости от частоты.

Поведение молекул воды в электромагнитном поле здесь представлено конденсатором С1, учитывающим собственно ориентационную поляризацию вещества, резистором R1 — потери при этом, а также резистором R2, учитывающим потери независимо от частоты. Источник Е1 дает возможность вместе с Боде плоттером исследовать АЧХ цепи.

Элемент, через который исследуемая цепь подключена к зажиму плоттера, является зависимым источником напряжения Е2, которое пропорционально току в измерительном резисторе (принятом за 1 мОм). То есть, попросту, это датчик тока с коэффициентом деления на 1000.

Рис. 135 Моделирование поглощения электромагнитной энергии водой в СВЧ-диапазоне:

а — модель в EWB; б — АЧХ тока в модели; в — график частотной зависимости фактора потерь

АЧХ тока в этой цепи показана на рис. 135, б, причем положение визирной линии на экране соответствует частоте примерно 2,4 ГГц. Частотная зависимость tgδ для этой же модели, в двойном логарифмическом масштабе, полученная вычислением в программе Mathcad показана на рис. 135, в.

В более точных (и, соответственно, сложных) моделях и эксперименте наблюдается максимум tgδ в области частот >1010 ГГц, но и при частоте 2,45 ГГц значение весьма велико. Это и привело к тому, что на ней работает сейчас большинство СВЧ-печей.

Выбор этих частот связан также с тем, что в отличие от электромагнитных волн инфракрасного диапазона (λ ~= 1·10-6 м и f ~= 3·1014 Гц), также невидимых человеческим глазом, и также активно поглощаемых водой и многими другими веществами (за счет колебаний отдельных атомов в сложных молекулах относительно друг друга), волны СВЧ-диапазона проникают значительно дальне в глубь тел, обеспечивая быстрый объемный, а не поверхностный, нагрев. Поэтому, если требуется не только сварить, но и поджарить, образуя корочку, СВЧ-нагрев дополняют инфракрасным (гриль).

Кроме выше перечисленных причин, существует еще и жесткий регламент на использование той или иной части спектра электромагнитных волн, и определенная коллизия заключается в том, что «гигагерцевые» частоты были отведены для спутниковой радиосвязи. В то же время, помимо, СВЧ-нагрева, на их использование уже все больше начинают претендовать и компьютеры.

Модель бытовой СВЧ-печи

В простейшей бытовой СВЧ-печи в качестве генератора используется магнетрон (см. рис. 10). Питание магнетрона осуществляется от высоковольтного (4 кВ) выпрямителя, построенного по схеме удвоения напряжения. Упрощенная схема-модель силовой части СВЧ-печи показана на рис. 136, а.

Эта модель является условной во многих отношениях, так как в программе EWB отсутствует такой схемный компонент, как магнетрон и вместо него использованы следующие компоненты: М — Triode Vacuum Tube (электровакуумный триод), работающий в режиме диода, с заземленным анодом, на который подается положительное напряжение выпрямителя относительно катода (катод в магнетронах прямой и в печах имеется отдельная цепь накала); генератор переменного напряжения Е2, модельная частота которого выбрана равной 2,45 кГц, т. е. с коэффициентом масштабирования по частоте 10-6 для удобства наблюдения процессов во времени; перемножитель сигналов X и Y. Высоковольтный трансформатор Т1 является повышающим и имеет коэффициент трансформации 0,075. В печах этот трансформатор работает в режиме, близком к магнитному насыщению, выполняя еще и функции феррорезонансного стабилизатора напряжения. Конденсатор С1, обеспечивающий удвоение напряжения в реальных устройствах, также высоковольтный на рабочее напряжение 2,1…2,5 кВ. В печах этот конденсатор обычно шунтируют резистором 1…10 МОм для разрядки после выключения, а также специальным защитным диодом предохранителем (Fuse Diode) — эти компоненты в модель не введены. Диод VD1 в модели идеальный, а в реальных устройствах высоковольтный диод или выпрямительный столб, с обратными напряжениями 12…15 кВ. Модельный резистор R1 носит подсобный характер и отчасти моделирует нагрузку.

В результате моделирования на экране осциллоскопа можно наблюдать следующую картину (рис. 136, б). Луч А (верхний на рис. 136, б) регистрирует отрицательные полуволны напряжения, а луч В — пачки высокочастотных радиоимпульсов. Примерно так же (только с частотой 2,45 ГГц) выглядит изменение напряженности электрического поля на выводе магнетрона.

Рис. 136. Модель СВЧ-печи в EWB :

а — схема;  б — осциллограммы сигналов

Электромагнитные волны, излучаемые антенным выводом магнетрона (см. рис. 10, а), через отрезок согласующего прямоугольного волновода направляются в камеру-резонатор. При этом выходное отверстие закрывают тонкой защитной пластинкой из радиопрозрачного материала (фторопласт и т. п.).

В камере устанавливается сложная пространственная структура электромагнитных волн, сильно зависящая от находящегося в ней материала. Основная трудность в нагреве с помощью микроволн внутри замкнутого в электромагнитном отношении объема заключается в создании и поддержании однородности нагрева внутри пространственно неоднородного по своим свойствам материала. Больше того, эти неоднородности сильно изменяются во времени. Поэтому в реальных печах вращают материал относительно поля или вращают поле относительно материла, а также, помимо основного ввода волн, выполняют специальные дополнительные апертуры (действующие отверстия) наподобие фазоинверторов в акустических системах и т. д.

Эти вопросы работы и согласования генератора со столь сложной нагрузкой, находящейся практически почти в «ближнем поле», как и проблемы физики нагрева, с которыми они взаимосвязаны, не имеют пока однозначного решения.

Другой важнейшей и в то же время деликатной проблемой СВЧ-нагрева в быту является вопрос экранировки от утечек поля в окружающее пространство. Вопрос этот весьма серьезный: достаточно лишь представить себе, что внутри печи локализована электромагнитная мощность, сравнимая с мощностью отдельных передатчиков, размещенных на Останкинской башне.

Существует несколько возможных каналов для утечек, но мы остановимся на наиболее опасном источнике: щели между дверцей печи и камерой. Согласно электродинамике Максвелла, излучение из щели в проводящем экране будет происходить в том случае, если эта щель прерывает поверхностные токи, наведенные в нем электромагнитными волнами.

В старых конструкциях пытались здесь организовать хороший непрерывный контакт, и поскольку после некоторой эксплуатации он в отдельных местах неминуемо нарушался, то на прилегающих поверхностях появлялись следы электрической эрозии. Значит эти области «искрили», но в отличие от искрящих контактов в реле или на коллекторах электрических машин, излучение от разрядов, а также от токов смещения в неплотном зазоре СВЧ-печи лежит не в низкочастотной области, где их влияние на людей мало, а там, где оно может быть и велико. Поэтому при дальнейшем конструировании печей пошли по пути уменьшения этих токов, создаваемых по обе стороны щели. Для этого по всему периметру металлической дверцы на расстоянии четверти длины волны (λ/4) от выходного сечения внутренней части камеры выполняют профилированный прямоугольный «карман», приходящийся на удлинненную торцевую поверхность камеры печи, к которой примыкает дверца; глубина кармана также составляет λ/4. В результате по всему периметру образуется своеобразная резонансная ловушка (λ/2) для электромагнитных волн, короткозамкнутая на своих концевых (поперечных) поверхностях, где поверхностные токи достигают максимума, тогда как в области щели они оказываются близкими к нулю.

Такое устройство называют в СВЧ-технике четвертьволновым дросселем, возможно, по аналогии с дроссельной заслонкой в автомобиле, а не дроссельной катушкой, хотя, если перейти от распределенных систем к цепям с сосредоточенными параметрами, то это типичный фильтр-пробка, настроенный на рабочую частоту печи. Внутренняя поверхность дверцы закрывается пластмассовой накладкой, так что о наличии дросселя можно судить лишь по толщине кромки дверцы. Поскольку рабочая частота составляет 2,45 ГГц, то, разделив на нее скорость света в воздухе, получим длину волны λ = 12,2 см и (λ/4) ~= 3 см. Со стороны печи металлическая поверхность изолируется слоем эмали.

Таким образом, зазор в дросселе составляет примерно 0,1 мм и так как он теоретически находится в минимуме электромагнитных колебаний, то не должен излучать энергию во внешнее пространство. Надо лишь аккуратно обращаться с дверцей, следить за плотностью ее закрытия по всему периметру, чистотой, отсутствием царапин и сколов краски.

Теория теорией, а практика — практикой. Доверяй ей (теории), но всегда проверяй ее (практикой). «Береженого, Бог бережет», поэтому надо все же контролировать уровень возможных утечек электромагнитного поля.

Рупором в небо

Для начала борьбы с воображаемым противником надо дать оценки его характера и способностей. То, что мы живем и существуем благодаря электромагнитным полям и их взаимодействиям с живой и не живой природой, давно стало аксиомой мироздания. Поэтому остановимся лишь на некоторых моментах, оттеняющих рассматриваемую проблему.

Начнем издалека. В 1964 году американские астрофизики А. Пензиас и Р. Вильсон, проводя работы по исследованию внеземных радиоисточников, направили рупорную антенну на объект, с относительно сильным (по радиоастрономическим меркам) радиоизлучением, называемый «Кассиопея А». Поскольку радиоастрономические сигналы в принципе очень малы, то исследователи работали на максимально возможном уровне их усиления, при этом, как всегда, основной проблемой явилась борьба с разного рода шумами, на фоне которых надо было выделить полезный сигнал. В тот раз ученые предприняли все мыслимые попытки избавиться от сильного фона, сопровождавшего сигнал: закрыли все клепаные соединения и даже тщательно очистили антенну (пардон!) от птичьего помета… Какой-то посторонний фон оставался сильным. Тогда ученые стали исследовать именно это фоновое излучение. Оказалось, что оно соответствует температуре 3 К, т. е. чуть-чуть превышающей абсолютный нуль. Это подтверждало гипотезу, выдвинутую еще в 1948 году американским ученым-физиком русского происхождения Г. Гамовым, о том, что Вселенная после «Большого Взрыва» расширяется, охлаждаясь уже 18 млрд. лет.

Космический фон в виде радиоизлучения, соответствующий температуре 3 К, лежит в коротковолновой области СВЧ-диапазона: это миллиметровые волны или КВЧ (Крайне Высокие Частоты). Возможно, что Жизнь на Земле зародилась не только благодаря видимой (оптической) части электромагнитного спектра — свету Солнца, но и этому естественному фону, названному «реликтовым излучением».

По иронии судьбы, в 1978 году, А. Пензиас и Р. Вильсон разделили половину Нобелевской премии по физике «за открытие космического микроволнового фонового излучения». Однако, они разделили ее не между собой, а с П. Л. Капицей, которого наградили за его ранние «фундаментальные изобретения и открытия в области низких температур», а отнюдь не в области электроники СВЧ, которой он занимался в последние десятилетия, предшествовавшие вручению премии.

Космическое радиоизлучение, принимаемое на поверхности Земли, вообще говоря, заполняет весь диапазон радиоволн от 1 мм (в горах до 0,5 мм) до десятков метров.

Более длинноволновая часть его отражается от ионосферы. Напротив, более коротковолновая часть поглощается в атмосфере, за исключением оптического окна, как бы специально предназначенного природой для реакций фотосинтеза, происходящих в клетках растений: максимум излучения Солнца приходится именно на длину волны 0,5 мкм (зеленый цвет), соответствующую максимуму в спектре поглощения молекулами хлорофилла.

Здесь уместно отметить, что все остальные жизненные процессы сопровождаются расходованием химической энергии и ее рассеянием в виде тепла. Жизнь на Земле остановилась бы, если бы прекратился фотосинтез. Другая особенность фотосинтеза — это образование кислорода, а его роль в нашей жизни вряд ли кто оспорит. Вот так природа согласовала излучение и прием электромагнитных волн, а человек этому еще только начал учиться.

Максимальная интенсивность солнечного излучения, падающего отвесно на 1 м2 земной поверхности, на широте экватора в полдень составляет примерно 1 кВт. О том, что приносит нам Вселенная в радиодиапазоне, можно судить по используемым в радиоастрономии единицам измерений. Принятой здесь единицей является «1 Янский», равный 10-26 Вт/(м Гц), и чтобы собрать излучение такого уровня, строят антенны площадью в тысячи квадратных метров и применяют весьма специфические методы обработки радиосигналов. Правда, бывают и исключения.

Собственно, вообще наличие радиошумов внеземного происхождения было обнаружено еще в 1931 г. инженером американской компании Белл-телефон Карлом Янским (Karl Jansky) при изучении помех дальней радиосвязи. В 1932 году, так же, как позже по всему миру повторяли радиосигналы первого искусственного спутника, запущенного в СССР, открытые К. Янским «звуки Галактики» транслировались по всем Соединенным Штатам. Так было ознаменовано зарождение радиоастрономии. В честь К. Янского, впервые принявшего космическое радиоизлучение, и была названа единица его уровня. В отечественной научно-технической литературе встречается также фонетическое написание его фамилии: Джанский.

Иногда радиоизлучение Солнца бывает столь мощным, что вызывает сильные магнитные бури, приводящие, в том числе, и к сбоям работы радиосистем, что и послужило причиной их случайного открытия. С 1941 г. в Великобритании уже действовала сеть радиолокационных станций (система ПВО, основанная на отечественных радиолокационных станциях РУС-2, защищала с начала войны Москву). Фашистская авиация регулярно делала налеты на Лондон, и раннее обнаружение самолетов было для англичан вопросом жизни и смерти. Система ПВО работала исправно, но в феврале 1942 г. ряд радиолокаторов был буквально «ослеплен» мощными сигналами неведомой радиостанции, и Лондон подвергся жестокой бомбардировке. Разразился скандал, и стали искать эту вражескую станцию, но ни в Германии, ни в других странах Европы ее не обнаружили: этой таинственной станцией оказалось Солнце…

Греет, но не светит

В отличие от радиоастрономии наш источник расположен не в необъятных просторах Вселенной, а непосредственно под боком, и его загадки на кухонном уровне нам хорошо известны, но хотелось бы избежать неприятных сюрпризов.

С позиций современной науки искусственно созданное электромагнитное поле относится к «энергетическому неаккумулирующемуся антропогенному загрязнению» окружающей среды. Человек «наизобретал» таких «загрязнителей» очень много и уже, буквально, жить без них не может, как растения без света. Однако «все хорошо в меру», много «грязи» допускать нельзя: чистая, и даже очень жизнеутверждающая в морально-психологическом отношении, музыкальная симфония, воспринятая высокоорганизованным существом в ближнем поле передающей радиоантенны отнюдь не как звуки рояля, увы, по своим физиологическим последствиям может оказаться и роковой…

Не переходя к дискуссии по поводу возможных специфических (не тепловых) действий ЭМП, особенно актуализированной населением в последние годы в связи с «революцией мобильников» (кстати, работающих в СВЧ-диапазоне), пойдем по формальному пути.

Сейчас существуют, по крайней мере, два стандарта на безопасный санитарно-гигиенический (или экологический) уровень плотности излучения ЭМП. Американский стандарт ANSI предлагает считать безопасным излучение с плотностью мощности в 10 мВт/см2, а применительно к микроволновым печам 1 мВт/см2 на расстоянии 5 см от печи. Европейский же (в том числе и российский) стандарт регламентирует уровень в 10 мкВт/см2 = 0,01 мВт/см2, но на расстоянии 0,5 м от источника излучения. Однако если предположить, что уровень излучения в воздухе убывает по закону обратных квадратов, то эти стандарты близки друг к другу.

В практике ремонта СВЧ-печей для этих целей рекомендованы специальные измерители плотности потока электромагнитной энергии ПЭ-9Р или ПЗ-9Г, а при их отсутствии следующее нехитрое устройство, грубая модель которого показана на рис. 137.

Рис. 137. Модель детектора «утечек» из СВЧ-печи в EWB

Устройство представляет собой проволочную петлю с площадью в несколько квадратных сантиметров и простейший детектор, состоящий из специального СВЧ-диода VD1 и конденсатора С1. Сигнал с этого приемного устройства регистрируется мультиметром.

Приведенные выше цифры уровней мощности позволяют дать грубые оценки чувствительности детектора-сигнализатора, обнаруживающего превышение этих нормированных уровней и задать его характеристики в модели. Сигнал «утечки» задан здесь генератором Е1, работающим на прежней модельной частоте. К сожалению, какая-либо простая калибровка этого датчика не представляется возможной, но уж если он обнаруживает вблизи печи подобные сигналы, то следует принять необходимые меры. Особое внимание в конкретном устройстве надо обратить на диод: это должен быть именно СВЧ-диод (например, диод Шоттки), желательно с квадратичной ВАХ, чтобы показания были пропорциональны мощности.

Изложенный принцип измерения, но с дополнением в виде усилителя сигнала и заменой мультиметра на светоизлучающий диод, является следующий прибор, выпускаемый в собранном виде.

Индикатор микроволновых излучений Мастер КИТ МК153

Индикатор (рис. 137) по сути представляет детекторный приемник прямого усиления, содержащий СВЧ-диод VD1, конденсатор С1, операционный усилитель DA1 (в модели 741), светоизлучающий диод VD2 красного цвета. Устройство питается от батареи Е2.

Рис. 138. Индикатор микроволновых излучений Мастер КИТ МК153 :

а — модель индикатора в EWB; б — общий вид индикатора

Чувствительность данного устройства зависит от используемого усилителя, и оно способно регистрировать очень незначительные утечки, непосредственно вблизи щели закрытой и работающей на полную мощность полкиловаттной СВЧ-печи. Индикатор оформлен в виде небольшого законченного модуля, показанного на рис. 138, б и он может помочь в разумном преодолении радиофобии (боязни использования радиоволн в СВЧ-печах и мобильных телефонах). Если светит индикатор, то «светит» вовне и сама печь, если же он не светит (хотя и исправен), то печь исправно греет пищу.

Для обнаружения устройств, излучающих электромагнитные волны в диапазоне частот 5…300 МГц, предназначено следующее устройство.

Индикатор микроволновых излучений Мастер КИТ NS178

Общий вид индикатора показан на рис. 139.

Рис. 139. Индикатор высокочастотного излучения Мастер КИТ NS178

Устройство содержит усилитель и детектор ВЧ, компаратор, перестраиваемый генератор прямоугольных импульсов и ключевой усилитель звуковой частоты. Прослушивание сигналов выполняется на головных телефонах. Индикатор позволяет обнаружить источники ВЧ излучения мощностью 10 мВт на расстоянии 20…25 см.

При поиске несанкционированных «жучков» все прочие источники излучения в данном помещении должны быть отключены. В принципе индикатор работоспособен в СВЧ-диапазоне (можно также доработать его входные цепи), но как сборка, так и наладка устройства, требуют определенного опыта работы.

Игры-фокусы с СВЧ-печью

В начале 1920-х годов в США была подана заявка на изобретение аппарата из области иллюзионной техники. Аппарат представлял собой ВЧ-генератор, декорированный под сервировочный столик. Автор аттракциона, иллюзионист Харлан Тарбел, выкатывал на сцену столик, брал фарфоровую тарелку, разбивал в нее несколько яиц, солил их, и, подняв тарелку над столиком, готовил на глазах изумленной публики яичницу. Тарелка с яичницей отдавалась зрителям: они убеждались, что это обычная тарелка, а не секретная сковорода, но она оставалась почти холодной, а яичница делалась готовой. Выступления Тарбела проходили с громадным успехом, так как он сопровождал их познавательной лекцией, рассказывая о работах Фарадея, Герца и Тесла, аппарате Д'Арсонваля для физиотерапии с помощью токов ВЧ, который, возможно, и послужил прототипом его изобретения. Иллюзионист занимался своей профессией и даже не подумал, что можно его «чудо-печку» использовать на кухне. Это сделал один из его зрителей: некто МакЛежен…

Дальнейшая судьба ТВЧ-печки в быту нам не известна. Фокус же повторяли многие. В ревю «Чудеса без чудес» его с непременным успехом показывал на цирковой арене популярный в свое время советский артист Сокол. Теперь «этот номер не проходит», так как с появлением СВЧ-печей секрет исчез. Так что наши «фокусы» будут не из области кулинарии.

Зададимся вопросом: «Как поведет себя «мобильник» или трубка радиотелефона, помещенные внутрь камеры СВЧ-печи при закрытой дверце?». Конечно, печь не должна работать: иначе ответ в виде несъедобной яичницы очевиден. Включить же надо не печь, а вызов конкретного телефона: «Так вот, откликнется он или нет?».

Вариантов ответа на этот вопрос два: «Телефон внутри печи зазвонит» или «Телефон не зазвонит». Поэтому, не попробовав с конкретными печами и с конкретными телефонами, пари на тот или иной ответ не заключайте.

Приемник телефона, находясь в экранированной камере, в идеальном случае не будет принимать внешних сигналов, однако, если щель между дверцей и печью настроена как фильтр-пробка (см. выше) на частоту 2,45 ГГц, то при рабочей частоте телефонов, лежащей ниже этой величины, и достаточной величине сигнала и чувствительности — телефон зазвонит. В некоторых печах в щели размещают дополнительные поглотители электромагнитных волн (проводящая резина), и телефон может не зазвонить. В ряде старых печей дверцы при закрытии своей внутренней металлической поверхностью просто плотно прижимались к ответной металлической поверхности камеры. Для таких устройств, при идеальном контакте и если толщина стенок больше глубины проникновения поля (скин-слоя), ответ также прост: будет «глухо, как в танке». При отклонении от идеальности — надо пробовать.

Последующие «фокусы» проводились по большей части на кондовых отечественных печах типа «Электроника», поэтому приводятся как описание экспериментального факта. Рекомендовать их к воспроизведению в современных ажурных печечках мы не можем: вдруг сгорят, хотя в них выполнена разнообразная защита и в среднем они стали работать надежнее. Однако эти опыты можно проводить только в присутствии взрослых и с их безусловного согласия.

Во-первых, внутрь СВЧ-печи всегда помещается холостая нагрузка (стакан воды — 200 г), чтобы избежать отражения поля внутрь магнетрона. Далее помещается лист полимерной металлизированной пленки на плоской тарелке. Печка включается буквально на мгновенье, и после того как по пленке «полыхнет» разряд, выключается быстрым открытием дверцы. Тут надо иметь в виду, что в магнетронах использован катод в виде прямого накала, и если бы высокое напряжение включалось одновременно с накалом, то это приводило бы к быстрому разрушению катода. Поэтому в печах выполняют блоки задержки подачи высокого напряжения по отношению к накальному. Открываем печь и достаем пленку: на ней виден красивый узор поверхностных разрядов. С геометрической точки зрения — это знаменитые «фракталы», так что, если не жаль печи, то можно заняться вполне научным исследованием и прочитать это послание, адресованное нашему разуму. Можно поэкспериментировать, устанавливая таймер на минимальное время: 1 с, 2 с, 3 с и т. д., а также уменьшать количество воды.

Аналогичный эксперимент заключается в «жарке» лазерного диска. Старым («не читаемым») лазерным диском накрываем стакан воды в печи. Включаем на небольшое время печь и после нескольких разрядов выключаем ее, достаем диск и изучаем полученную картину. Повторяем процедуру раза три, пока не выявится характерная картина. Не переусердствуйте: диск может и загореться! На диске, в отличие от просто фольги, следы более упорядочены: видны круговые и радиальные треки, так как его поверхность и до СВЧ была обработана лазерным лучом при записи информации.

В житейском плане из этих опытов очевидно, во что может превратиться золотая или серебряная каемка на предметах из сервиза, если в них приготовлять пищу в СВЧ-печи.

Кроме того, категорически нельзя допускать, касания металлических предметов (вилок, ложек, ножей и т. п.) корпуса печи изнутри. СВЧ-разряд в месте касания приведет к прогоранию корпуса и, скорее всего, к выходу из строя магнетрона и других дорогостоящих компонентов: с печью придется распрощаться. СВЧ-кухня диктует «Правило котлет: котлеты отдельно, металл — отдельно».

Эти эксперименты проясняют также ряд мероприятий, принимаемых по грозозащите радиоустройств.

Следующий фокус заключается в зажигании лампочки от карманного фонарика без всякой батарейки. Берем миниатюрную лампочку, например такую, как была описана на рис. 42.

Положив ее на поддон или блюдце так, чтобы цоколь не касался корпуса печки («правило котлет») и как всегда не забывая поставить стакан воды («холостая нагрузка» обязательна!), включаем печь. Если лампа находится на вращающемся подносе, то она по мере попадания в разные участки поля будет загораться и погасать, а может и совсем не гореть или, напротив, вспыхнув, перегореть. Лампочки эти не дорогие, можно поэкспериментировать с разными типами.

В развитие предыдущего, можно припаять к выводам цоколя два любых проводника (голых или изолированных), диаметр (в разумных пределах) также не играет роли — главное их длина. Проводники разводятся перпендикулярно оси лампочки наподобие полуволновой антенны (см. рис. 27, а), в которой максимум тока («пучность») приходится на середину (в отличие от зазора в описанной выше волновой системе защиты дверцы, где максимумы располагаются по краям).

Для максимального приема длина каждого из этих «усов» должна теоретически составить по четверти длины волны. В воздухе это примерно по 3 см. Практически же, сделав «усы» с запасом, их помаленьку можно «подстригать», пока лампочка не перегорит.

Можно также поместить как отдельно лампочку, так и с «усами» в глубокую тарелку с водой. Об изоляции проводников не заботься, не надо (вспомните схему на рис. 135). Длину усов вначале оставляют прежней, а затем еще подстригают, так как длина электромагнитных волн в воде меньше в √ε раз. Диэлектрическая проницаемость е воды на кухонной частоте близка к своему статическому значению (дальше она начинает падать), значит, теоретически длина волны будет в «9 раз короче». А, вообще, здесь также надо иметь в виду влияние проводящих выводов и поглощение волн водой.

В заключение, опишем еще своеобразный СВЧ-фейерверк. Рецепт повторяется: печь, стакан воды, тарелка, но вместо пленки берется столовая ложка любого гранулированного электропроводного материала (с размером зерен около 1 мм). Например, стружка или опилки алюминия, полученные с помощью рашпиля, измельченные троллейбусные контактные угольные щетки и т. д. Их надо горкой насыпать на тарелку или дно прозрачного стакана. После включения печи в ней будут видны взлетающие искорки.

Можно дополнительно поэкспериментировать: взять больше материала, перемешать разные материалы и т. п. Однако ни в коем случае нельзя помещать в печь пиротехнические смеси и изделия!

Здесь мы уповаем на разум.

Вопросов от всех этих опытов, возможно, возникнет больше, чем ответов. Дерзайте!

Натешившись вволю импровизированными молниями, да фейерверкам, полюбуемся в заключение другими вариантами электронных световых эффектов.

 

Лазерные струны

6 сентября 1997 года вечернее небо над Москвой прорезало звено «Витязей» и оно озарилось небывалыми красками. Московский университет, словно повинуясь воле неведомого волшебника, вдруг превратился в Собор Христа Спасителя, а затем с ним стали происходить и иные, не менее удивительные метаморфозы. Воробьевы горы зазвучали, как невиданный орган. Это было шоу под открытым небом под названием «Москва: дорога в XXI век», посвященное 850-летию города. В празднике участвовало около трети жителей столицы (более 3,5 млн. человек).

Шоу было организовано знаменитым французским музыкантом и композитором Жан-Мишель Жаром. Жан с детских лет жил в мире музыки, ведь его дед — изобретатель одного из первых звукоснимателей для проигрывателей виниловых дисков, так что он как бы генетически был предрасположен к электронно-музыкальному новаторству.

Несмотря на всю грандиозность и эффектность описанного действа основную его «изюминку», несомненно, составляло исполнение Жаром собственной музыки на специальном светомузыкальном инструменте — Harpe laser — «Лазерной арфе».

Этот сказочный и даже поэтический инструмент являлся вполне конкретным техническим воплощением современной электроники. Пучок света от мощного аргонового лазера оптоволоконным кабелем подводился к середине основания треугольника, составляющего как бы каркас арфы. Отсюда (внутри плоскости треугольника) пучок разделялся на 12 своеобразных лучей-струн, направленных на фотоэлектрические приемники, расположенные на боковых сторонах. Сигнал с фотоприемников поступал на микроконтроллер и далее подвергался стандартной обработке по генерации звуков и их огибающих, принятой в те годы в электронных синтезаторах известной французской фирмы «RSF».

Восемь первых лучей использовались для воспроизведения нот, как в обычной арфе, а остальные четыре — для ряда вспомогательных функций. Так что, когда маэстро, сияя, как ангел в облаках, правда, в берете и черных очках, делал руками, одетыми в белые перчатки, свои пассы среди лучей-струн, модулируя световые потоки, умная электроника оглашала горы музыкой, о которой не мечтал и Орфей.

Конечно, было бы интересно создать что-либо подобное, хотя и не в таких грандиозных масштабах. Пусть первые шаги будут более скромными, но все-таки можно что-то попробовать и, как говориться, войти в курс дела… А там, «чем черт не шутит» ведь творчество границ не имеет. Для начала познакомимся с автоматом световых эффектов, основу которого составляют перемещаемые в пространстве лучи лазера.

Лазерный эффект Мастер КИТ NK300

Устройство (рис. 140, а) монтируется на печатной плате размером 100x74 мм. Здесь располагаются два микроэлектродвигателя (М), лазер и электронный блок управления.

На валах двигателей закреплены небольшие зеркальца. Плоскость зеркал составляет небольшой угол с плоскостью перпендикулярной осям двигателей. Луч лазера попадает на первое зеркальце под определенным углом к оси двигателя, на некотором расстоянии от центра вращения, и, отражаясь от него, аналогично попадает на второе зеркальце. При вращении двигателей выходящий из устройства луч регулярно описывает в пространстве достаточно причудливую траекторию. Вид узоров, возникающих на стенах, потолке и в окружающем воздухе (при наличии в нем рассеивателей, например, пыли или дыма), зависит от настройки системы (рис. 140, б).

Рис. 140. Лазерный эффект Мастер КИТ NK300 :

а — схематический вид устройства;  б — лазерные узоры

Еще в прошлом веке в самых разнообразных устройствах широко использовалось перемещение луча света зеркалами. Достаточно вспомнить зеркальный гальванометр, шлейфовые осциллографы и самописцы, первые системы «механического» телевидения. Сейчас все это выглядит анахронизмом, хотя и в современных видеопроекторах используется специальная матрица из микрозеркал.

Но как же все-таки образуется конкретный световой узор и как им управлять? Для того чтобы разобраться в этом, можно начертить на листе бумаги, как ведет себя луч света, отраженный вначале только от первого вращающегося как бы с угловым биением, зеркальца. Достаточно лишь вспомнить элементарные законы геометрической оптики: «угол падения равен углу отражения, и лучи, падающий и отраженный, а также перпендикуляр, восстановленный из точки падения, лежат в одной плоскости». Вот только в нашем случае эта плоскость будет вращаться с угловым биением по отношению к плоскости, перпендикулярной оси двигателя.

Можно провести и нехитрый эксперимент, если сохранился старый электропроигрыватель. На его диске под небольшим углом следует закрепить (скотчем или пластилином) зеркальце, которое надо осветить (не обязательно лазером). Приведя диск во вращение, увидим на потолке световой «зайчик», бегающий по кругу. Теория, использующая геометрическую оптику, даст тот же результат.

Теперь необходимо сделать второй шаг: эту светящуюся окружность надо направить под некоторым углом на второе, вращающееся также с биением зеркальце. Не знаю, удастся ли вам сделать соответствующие пространственные построения или провести натурный опыт, добавив еще один (перевернутый вверх тормашками) проигрыватель или вентилятор. Значительно целесообразнее смоделировать работу этого устройства на компьютере.

Задача, по сути, делится на две части: 1) моделирование работы системы управления в виде виртуальной схемы; 2) моделирование картины развертки луча.

Первая часть стандартно, как и ранее, решается средствами EWB. На рис. 141 показана полная модель, содержащая компоненты, используемые в наборе Мастер КИТ NK300, с максимальным сохранением их позиционных обозначений и номиналов; изменения и добавленные элементы будут откомментированы ниже.

Рис. 141. Виртуальная модель в EWB лазерного эффекта Мастер КИТ NK300

Для управления частотой вращения двигателей в схеме использована транзисторная сборка (VT1-VT4), помещенная в стандартный DIP-корпус. Выводы в этой сборке на рис. 141 имеют, соответственно, номера узлов 1-14. На транзисторах VT1, VT2, включенных по схеме с общим эмиттером, собрана балансная схема, к которой подключен двигатель М2, аналогично — на транзисторах VT3, VT4 — двигатель М1. В комплекте используются двигатели постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов. В модели мы применили подобные двигатели, но цепи их возбуждения «запитали» от отдельных источников ЕМ1 и ЕМ2, которых, конечно, на самом деле нет в реальном устройстве.

Выбор параметров двигателей (рис. 142) выполнен в соответствии с примером для электродрели (см. рис. 100, в), но, естественно, величины отличаются.

Рис. 142. Выбор параметров двигателей виртуальной модели в EWB лазерного эффекта Мастер КИТ NK300

Вольтметры, условно подключенные к валу, как и прежде в модели дрели, играют роль тахометров: одному вольту на их шкале соответствует один оборот вала в минуту. Потенциометры Р1 и Р2, управляемые соответственно клавишами X и Y, изменяют в балансных схемах напряжение на якоре двигателей, что позволяет регулировать частоту их вращения независимо друг от друга. Это легко пронаблюдать на вольтметрах-тахометрах, включив моделирование и нажимая на клавиатуре X и Y, для уменьшения скорости или совместно с клавишей Shift — для ее увеличения.

Решение второй части задачи может быть проведено аналитически с использованием законов геометрической оптики и кинематики, а картина в виде графиков выведена на дисплей в любом математическом пакете. Возможно, кого-то это и заинтересует, но мы поступим по-иному.

Используем то обстоятельство, что проекция на вертикальный экран светящейся точки, вращающейся по окружности в другой плоскости, перпендикулярной первой, совершает колебания по отрезку прямой. При равномерном вращении с некоторой угловой скоростью это будут гармонические колебания с такой же угловой частотой и амплитудой, равной радиусу (при плоскопараллельном проектировании). Если плоскость колебаний вертикальна, то и светящаяся линия на экране — вертикальна. Если же плоскость колебаний горизонтальна, то и линия на экране — горизонтальна. Наконец, если точка будет участвовать одновременно в этих двух движениях, то колебания на экране будут при равных частотах иметь вид окружности, эллипса или прямой линии с разными наклонами, зависящими от начальных фаз.

Этот случай сложения взаимно перпендикулярных колебаний обычно используется в радиолюбительской практике для определения разности фаз электрических колебаний, подаваемых на вертикальные и горизонтальные отклоняющие пластины осциллографа. Если частоты складываемых колебаний не равны, но кратны друг другу, то получаются известные фигуры Лиссажу. В рассматриваемом лазерном устройстве происходит именно подобное сложение колебаний, хотя за счет дополнительной пространственно-угловой модуляции общий вид несколько отличается от классических фигур Лиссажу.

Поскольку нас интересует качественная картина, то модель (см. рис. 141), дополнена двумя преобразователями частоты F1 и F2. Входы преобразователей подключены к тахометрам, а выходы, соответственно, к входам А и В двухканального осциллоскопа, чем и завершается построение модели. Преобразователи частоты находятся в основной группе компонентов Basic и по-английски называются Voltage-Controlled Sine Wave Oscillator, т. е. управляемый напряжением генератор синусоидальных колебаний. В качестве параметров этих приборов примем те, которые стоят в меню их свойств по умолчанию. Необходимые установки осциллоскопа и получающаяся картина показаны на рис. 143, а.

Эта картина соответствует развертке двух независимо колеблющихся точек. Для сложения колебаний перейдем от временной развертки Y/T к развертке одного луча относительно другого, например, В/А. Это и будут искомые колебания (рис. 143, б).

Изменяя значения частоты вращения двигателей потенциометрами Р1 и Р2, можно наблюдать различные картины колебаний (рис. 143, в, г), которые показаны на экране осциллоскопа, переключенного в режим Expand.

Рис. 143. Картины на осциллоскопе в модели лазерного эффекта Мастер КИТ NK300

Самостоятельно можно изменить настройки преобразователей частоты, что отражает изменение настройки оптико-механической развертки луча, и наблюдать гораздо более замысловатые картины.

Здесь необходимо также заметить, что картина на экране осциллоскопа в модели накапливается за много проходов луча, тогда как в реальном устройстве этого не происходит, если только частота развертки не будет слишком большой.

После ознакомления с принципом действия устройства переходим к его монтажу.

Порядок сборки устройства

Проверьте комплектность набора согласно прилагаемому перечню элементов:

• отформуйте выводы пассивных компонентов и установите их в соответствии с монтажной схемой;

• установите панель под микросхему на соответствующее место;

• установите микросхему в панельку;

• подключите электродвигатели в соответствии с монтажной схемой;

• приклейте зеркала на соответствующие площадки втулок и установите втулки на валы двигателей;

• подключите потенциометры в соответствии с рис. 140;

• включите питание, добейтесь необходимой траектории луча (для визуализации луча при юстировке системы можно применить легкое задымление воздуха внутри устройства, не забывая при этом о предупреждениях Госпожнадзора и Минздрава);

• зафиксируйте на клей положение излучателя и электродвигателей;

• потенциометры Р1, Р2 управляют скоростью и направлением вращения двигателей, поэтому вращайте их медленно! Двигателю необходимо время для отработки команды управления от потенциометра, около 3 секунд.

Напряжение питания устройства 6 В. Возможно использование как батареи, так и стабилизированного источника питания с током не менее 300 мА. Рекомендуется поместить устройство в корпус ВОХ-G010. Общий вид устройства после сборки показан на рис. 144.

Рис. 144. Общий вид лазерного эффекта Мастер КИТ NK300

Лазерный излучатель в данный комплект не входит, поэтому в качестве него надо использовать специальный лазерный модуль Мастер КИТ МК301 (рис. 145).

Рис. 145. Лазерный модуль Мастер КИТ NK301

В этом модуле предусмотрена возможность фокусировки луча.

Модуль питается от батареи 3 В или от отдельного источника постоянного напряжения.

Технические характеристики модуля

Напряжение питания… 3 В

Потребляемая мощность… 3,5 мВт

Длина волны… 670 нм (0,67 мкм), цвет красный

Класс… 3 А

Внимание! Превышение питания свыше 3 В или изменение полярности питания, выводит из строя модуль.

Соблюдайте правила безопасности. Лазерный луч опасен для зрения! Не допускайте попадания прямого или отраженного луча в глаза! Это опасно!

Напомним, что Жан-Мишель Жар, с которого мы начали наш рассказ, был в темных очках и белых перчатках. В отличие от его сверхэлегантного костюма это были не элементы «прикида» парижского модника, а необходимые детали прозодежды: очки защищали глаза от лучей лазера, а перчатки — руки. Вам это не потребуется, так как применяемый модуль имеет значительно меньшую мощность, но аккуратность и элементарная предосторожность по отношению к себе и окружающим всегда необходимы.

 

Сердце, тебе не хочется покоя

Среди наборов Мастер КИТ рассмотрим теперьNS094 «Живое сердце». Не пугайтесь заранее — это «живое электронное сердце», или е-сердце (от electronics — электроника).

В основе е-сердца лежит интегральная микросхема таймера, с заветными цифрами 555. Поскольку «гемоглобинами» в е-сердце являются электроны, то операция по его сборке и разборке будет абсолютно бескровной.

Модель интегрального таймера 555

Итак, наша виртуальная операционная — компьютер с программой EWB, операционный стол — рабочее окно этой программы.

Находим вначале микросхему 555 среди микросхем смешанного типа (Mixed Ics) и помещаем ее на рабочее поле (рис. 146, а).

Проведем ее внешний осмотр. Перед нами 8-выводная микросхема, выводы которой имеют следующий смысл:

1 — Ground (заземление);

2 — Trigger (триггер — вход запуска);

3 — Out (выход);

4 — Reset (сброс);

5 — Control (управление);

6 — Threshold (порог);

7 — Discharge (разряд);

8 — Vcc (напряжение питания).

Вскроем е-сердце и посмотрим, что находится внутри него (рис. 146, б). Мы обнаружим два операционных (здесь термин «операция» имеет не хирургический, а математический смысл) усилителя (DA1 и DA2), RS-триггер (DD1), биполярные транзисторы (VT1-VT3) и резисторы R3-R6, образующие некоторую схему. Дополним микросхему «навесными» элементами: времязадающей RC-цепью и источником питания Е1 (рис. 146, в). Наблюдение пульсаций работающего е-сердца видно на кардиографе-осциллографе.

Рис. 146. Виртуальная модель в EWB электронного сердца:

а , б — соответствие разводки выводов компонента модели таймера 555; в — развернутая виртуальная модель; г — осциллограммы колебаний; д — субблок e-HEART; е — горящее сердце

Основу схемы составляет триггер DD1 с входами установки (S) и сброса (R), которые управляются компараторами напряжения на операционных усилителях (DA1 и DA2). Инверсный выход триггера Q' в режиме покоя имеет высокий уровень, поэтому времязадающий конденсатор С1 замкнут открытым транзистором VT2. Выход Out (3) имеет низкий уровень, так как включен через инвертирующий усилитель на транзисторе VT3. На входе запуска (2) делителем R3-R4-R5 задается высокий уровень напряжения, спад которого до величины Vcc/3 приводит к изменению состояния компаратора DA2 и переключению триггера DD1 в состояние с высоким уровнем (логическая 1), что приводит к низкому уровню на Q' и, соответственно, к высокому на выходе Out. Транзистор VT2 при этом запирается и начинается зарядка конденсатора С1 через резисторы R1-R2. Как только напряжение на выводе 7 станет равным 2Vcc/3, компаратор DA1 сбросит триггер, открывая тем самым транзистор VT2, разряжая конденсатор С1 через резистор R2. Далее схема переходит в режим заряда и разряда конденсатора с периодом Т = 0,693·(R1 + 2 R2)·C1, где R измеряется в омах, С — в фарадах, а Т — в секундах.

Описанный процесс хорошо виден на осциллоскопе (рис. 146, в). Луч канала А регистрирует характерные кривые заряда-разряда конденсатора, луч В — прямоугольные колебания на выходе, определяющие работу таймера. Наше сердце «Бьется, как часы (таймер), так как Доктор прописал на компьютере!». Здесь можно даже усмотреть некоторую аналогию между напряжением на конденсаторе и характером электрокардиограмм или тонограмм биений человеческого сердца, но данная модель для этого не предназначалась.

На таймере 555 выполним виртуальную модель с периодическими световыми вспышками, подключив к выходу светоизлучающий диод — LED (рис. 146, г). В программе EWB мы используем для этой цели логический пробник (Probe), находящийся в разделе Indicators. Далее, представив все устройство в виде субблока e-HEART (рис. 146, б), оформим его в виде «горящего сердца» (рис. 146, е).

Мигание светодиодов красного цвета, задаваемые таймером, дают на экране компьютера красивую картину.

«Живое сердце» Мастер КИТ NS094

Познакомившись с устройством и работой интегрального таймера 555, соберем на нем виртуальную модель из набора NS094.

Основу составляет печатная плата, посадочные отверстия в которой под светоизлучающие диоды дают условный рисунок сердца (рис. 147, а, б), а разводка дорожек соответствует приведенной выше схеме.

Рис. 147. Монтаж набора Мастер КИТ NS094 :

а , б — лицевая и обратная стороны печатной платы А514; в , г — набивка и пайка компонентов; д — «Живое сердце» в сборе

Монтаж сердца начинаем с формовки и набивки компонентов (рис. 147, в). Проверяем правильность монтажа отдельных компонентов и в целом, а затем используем, усвоенную «Науку паять» (рис. 147, г). Наконец, к готовому сердцу подключаем свежую батарейку (рис. 147, б) и наблюдаем его ритмичную работу — «вспышки» красных светодиодов. Если просмотреть осциллограммы реальным осциллографом, то они будут такими же, как и выше (см. рис. 146, г).

Пульс этого сердца легко управляется сменой номиналов резисторов R1, R2 и конденсатора С1.

Собрав из набора NS094 реальное устройство (рис. 147, д) мы увидим, что оно еще более красиво, бьется ритмично и его приятно подарить своим любимым на день Святого Валентина, 8 Марта или другой подходящий праздник.

 

Раз, два, три — елочка, гори!

Новый год — самый любимый общий семейный праздник. Кругом горят огни елок. Заранее начинают готовиться и думать, что же подарить своим родным и друзьям. И здесь важна не цена подарка, а забота, внимание и выдумка. На помощь радиолюбителям приходит Мастер КИТ и предлагает оригинальный и интересный набор NS180 «Новогодняя елка».

Виртуальная елочка

Сначала посмотрим елочку на компьютере: в программе EWB соберем ее развернутую виртуальную модель (рис. 148).

Рис. 148. Развернутая виртуальная модель электронной елочки в EWB

Для этого потребуется войти в раздел цифровых интегральных микросхем Digit и подобрать там КМОП микросхему 4069 и ТТЛ микросхему 74164. Разместив их в центре экрана, собираем слева источник питания: батарея Е1 = 9 В и стабилизатор напряжения на NPN транзисторе VT1 и стабилитроне (Zener Diode) VD1 (конкретные их типы для этой модели не принципиальны). Набрав далее необходимые резисторы и конденсаторы, собираем устройство управления елочной гирляндой. Собираем генератор, задающий тактовые импульсы, на инверторах микросхемы 4069 и подключаем его к 8-ми разрядному последовательному сдвиговому регистру на микросхеме 74164. На выходы регистра «навешиваем» гирлянду светоизлучающих диодов. В программе EWB мы используем для этой цели логический пробник (Probe), находящийся в разделе Indicators. Собрав все необходимые цепи, даем команду на моделирование. На компьютере возникает мигающая огнями елка.

Используя технику субблоков, выделим в модели блок электронного коммутатора е_соm (рис. 149) и, используя его, придадим модели иной вид (рис. 150, а).

Рис. 149. Субблок e_com в виртуальной модели электронной елочки

Новогодняя елка от Мастера КИТ NS180

Теперь берем собственно набор и наряжаем реальную электронную елку.

Общий вид «Новогодней елки» показан на рис. 150, б.

Технические характеристики устройства

Напряжение питания… 9 В

Максимальный ток потребления… 100 мА

Размеры печатной платы… 90x133 мм

Остается поставить ее на праздничный стол и достойно, демонстрируя свои достижения в радиоэлектронике, встретить Новый год: «Гори, гори ясно!».

Рис. 150. Новогодняя елка:

а — виртуальная модель в EWB ; б — набор Мастер КИТ NS180

* * *

Вот мы и побывали в этой удивительной стране:

«РАДИОЭЛЕКТРОНИКА».

Многое увидели, познали и сделали. Настала пора прощаться.

Жаль только, что некуда бросить заветную монетку…

Попрощаемся на радиоязыке:

73!