Что такое электромагнитное излучение?

Это распространение в пространстве электрической энергии в виде переменных электрического и магнитного полей. Связанная с этим излучением электромагнитная волна переносит электрическую энергию на расстояние. Скорость распространения электромагнитной волны в вакууме равна примерно 300 000 км/с. Электромагнитная волна характеризуется частотой или длиной полны.

Связь Между частотой f и длиной волны λ в пространстве выражается следующим образом:

λ = с·Т = c/f,

где с — скорость света. Если λ выразим в метрах, а f — в килогерцах, то λ = 3·105/f, а если / в мегагерцах, то λ = 3·102/f.

Электромагнитные волны известны и достаточно изучены в диапазоне частот практически от 0 до 1023 Гц. Спектр электромагнитных волн приведен в табл. 2.1.

На практике для радиосвязи используются волны с частотами от 104 до 1011 Гц, т. е. с длиной волны λ от 30 км до нескольких миллиметров. Классификация электромагнитных волн, применяемых в электронике и радиоэлектронике, приведена в табл. 2.2.

Свойства электромагнитных волн и их распространение в значительной степени зависят от длины волны.

 

Что такое звуковые волны?

Это возмущения, распространяющиеся в материальной среде, в основном в воздухе, и связанные с колебаниями частиц этой среды. Звуковые волны охватывают диапазон частот от 10–20 Гц (низкие звуки — басы) до 20 кГц (высокие звуки) и распространяются в воздухе со скоростью около 340 м/с. Это не электромагнитные волны, однако при использовании соответствующих преобразователей (микрофонов) звуковые волны легко удается преобразовать в электромагнитные волны той же частоты.

Электрический сигнал, соответствующий речи и музыке, называется акустическим сигналом или сигналом низкой частоты. Его можно усиливать, преобразовывать и передавать на большие расстояния, что невозможно осуществить при непосредственном использовании звуковых волн. Для преобразования электрического сигнала низкой частоты в звуковые волны применяют преобразователи, называемые громкоговорителями. В общем случае электрический сигнал, соответствующий звукам речи и музыки, не является периодическим сигналом и имеет нерегулярную форму.

Область науки и техники, занимающихся преобразованием акустической энергии в электрическую и обратно; а также передачей акустических сигналов, называется электроакустикой.

 

В каких единицах измеряется уровень звука?

Уровень звука можно выразить в единицах силы (интенсивности) звука — ваттах на квадратный метр, в единицах акустического давления в ньютонах на квадратный метр либо в единицах уровня громкости звучания — в фонах. Часто пользуются единицей, называемой децибелом и определяющей относительный уровень акустического давления, акустической мощности или силы звука.

Децибел — логарифмическая мера отношения двух численных значений акустических мощностей: число децибел равно 10 lg P 2 /P 1 .

Численное значение Р 1 часто называется уровнем отсчета (опорным). Человеческое ухо (так же как и глаз) реагирует нелинейно на внешние стимулы, причем отклик пропорционален логарифму возбуждения. С этой точки зрения применение децибелов очень удобно. Изменение мощности звука на 1 дБ едва ощущается ухом.

Весьма часто децибелы используют также для характеристики электрических сигналов, особенно акустических. Для уровней мощностей Р 2 относительно P 1 имеем число децибел 10 lg P 2 /P 1 , а для уровней напряжений U 2 относительно U 1 с учетом того, что Р = U2/R, число децибел равно 20 lg U 2 /U 1 . В табл. 2.3 приведены наиболее часто встречающиеся значении в децибелах и соответствующие им отношения напряжений и мощностей.

 

Что такое световое излучение?

Это электромагнитное излучение, лежащее в диапазоне видимого света и связанное со зрительными ощущениями человеческого глаза. Частоты световых волн лежат выше самых высоких частот радиоволн. Для передачи световых изображений на расстояние свет преобразуется в электрический сигнал путем использования соответствующих преобразователей, работающих, например, на принципе фотоэмиссии. Затем с помощью радиоэлектронных средств этот сигнал можно преобразовать и передать на большие расстояния.

Применение соответствующих электрооптических преобразователей позволяет осуществить обратную задачу, т. е. преобразование электрического сигнала в световое изображение.

Областью техники, которая главным образом занимается преобразованием света в сигнал и обратно, а также передачей этого сигнала, является телевидение.

 

Какие параметры определяют свет?

Качественными параметрами являются цвет и насыщение. Количественным параметром является яркость. Единицей яркости является кандела на квадратный метр, единицей освещенности — люкс. Имеются и другие величины, и единицы их измерения.

 

Что такое полное сопротивление?

Это электрическое сопротивление, называемое иначе комплексным или кажущимся. Оно относится к цепям переменного тока, в которых помимо элементов, представляющих действительное электрическое сопротивление R, находятся элементы цепей переменного тока, т. е. конденсаторы (С), или индуктивности (L). В этом случае результирующее электрическое сопротивление такой цепи для переменного тока называется полным сопротивлением и обозначается Z. В соответствии с законом Ома Z = U/I. Величина, обратная полному сопротивлению, называется проводимостью и обозначается Y.

В общем случае полное сопротивление состоит из двух частей — действительной и мнимой. Действительная, называемая резистивным или активным сопротивлением, обозначается R. Его значение на постоянном и переменном токе будет одинаковым. При протекании постоянного или переменного тока через активное сопротивление в нем происходит выделение тепла. Величина, обратная резистивному сопротивлению, называется активной (действительной) проводимостью и обозначается G, Единицей проводимости является сименс [См] — величина, обратная ому.

Мнимая часть полного сопротивления образует пассивное сопротивление, называемое реактивным, и обозначается — X. В реактивном сопротивлении: не происходит выделения тепла, а протекающий через него ток приводит к накоплению энергии в виде электромагнитного ноля. Наличие реактивности в цепи вызывает фазовый сдвиг между током и напряжением. Различают емкостную реактивность Х с , сопротивление конденсатора С для переменного тока, и индуктивное сопротивление X L — сопротивление катушки индуктивности для переменного тока. Величина, обратная реактивному сопротивлению, называется пассивной или кажущейся проводимостью и обозначается В. Численное значение модуля Z цепи переменного тока с активным сопротивлением R и реактивным сопротивлением X определяется формулой.

 

Какое электрическое сопротивление имеет конденсатор?

Это зависит от вида тока. Для постоянного- тока идеальный конденсатор представляет собой сопротивление (активное) R = , не позволяющее протекать постоянному току. На переменном токе с частотой f реактивное сопротивление конденсатора С или емкостное сопротивление выражается формулой

Х с  = 1/2πfС.

Если перейти от частоты f к ω, то

Х с  = 1/ωС.

Из этой зависимости следует, что емкостное сопротивление убывает с ростом частоты тока. На очень высоких частотах емкостное сопротивление стремится к нулю.

Как уже указывалось, реактивность вызывает сдвиг фазы между током и напряжением (рис. 2.1). В результате этого сдвига (для конденсатора) ток опережает напряжение на 90°.

Рис. 2.1. Сдвиг фазы между током и напряжением на емкости

 

Какое электрическое сопротивление имеет катушка индуктивности?

Для постоянного тока идеальная индуктивность обладает нулевым сопротивлением R = 0. Для переменного тока с частотой f индуктивное сопротивление выражается зависимостью X L  = 2πfL или X L   = ωL, т. е. индуктивное сопротивление с ростом частоты увеличивается.

Фазовый сдвиг, вызываемый индуктивностью, таков, что напряжение опережает ток на 90° (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Сдвиг фазы между током и напряжением на индуктивности

 

Из каких элементов состоят электрические цепи?

Элементы электронных схем можно разделить на две группы: активные и пассивные. Активными называют такие элементы, которые могут увеличивать энергию подводимого сигнала (транзисторы и лампы). Пассивные элементы не дают увеличения мощности. К ним относятся резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности, трансформаторы, диоды, переключатели и т. п.

 

Резистор как элемент схемы

Резистор — элемент схемы, вносящий в цепь определенное постоянное или переменное (регулируемое) сопротивление. Элементы с постоянным сопротивлением чаще всего изготавливают в виде проволочных и пленочных резисторов. Проволочные резисторы выполняют путем навивки провода с высоким сопротивлением на керамический корпус, а пленочные — посредством напыления соответствующих металлических сплавов на керамические столбики (цилиндрики) или трубки. Резистор (рис. 2.3) характеризуют в основном следующие параметры: сопротивление и его допуск; допустимая мощность (рассеяния).

Рис. 2.3. Графическое изображение постоянного ( а ) и переменного ( б ) резисторов

Основной единицей сопротивления является ом (Ом]. Часто используется в тысячу раз большая единица, называемая килоомом [кОм] и в миллион раз большая — мегом [МОм]. В электронике используют резисторы с сопротивлениями от нескольких ом до нескольких десятков мегом.

В СССР и ПНР в крупносерийном производстве находятся резисторы с допусками на номинальное значение ±30, ±20, ±10, ±5 % и менее. Для каждого допуска существует подобранный ряд номинальных сопротивлений. Так, для допуска ± 20 % выпускают резисторы с сопротивлениями 10, 15, 22, 33, 47, 68 Ом и сопротивлениями, полученными путем умножения этих номиналов на 0,1, 10, 100, 1000 и более. Для допусков ± 10 % ряд номинальных сопротивлений в 2 раза больше.

Аналогично стандартизованы номинальные значения максимально допустимой мощности резисторов, связанные с допустимой рабочей температурой. Различают резисторы, для которых максимальная выделяющаяся мощность при температуре окружающей среды 20 °C может иметь значения: 0,125, 0,25, 0,5, 1, 2, 3 Вт и более. Выделяющаяся мощность в резисторе, работающем в цепи, рассматривается обычно по току, протекающему в ней (Р = I2R). В случае, если в цепи течет только переменный ток, учитывается его действующее значение, а при протекании постоянного и переменного тока значение тока, требующееся для определения мощности, выделяемой в резисторе в виде тепла, определяют с учетом постоянной составляющей тока и действующего значения переменной составляющей. Допустимое значение тока при определенной мощности резистора при заданной температуре окружающей среды можно рассчитать по закону Ома.

Помимо резисторов с постоянным сопротивлением существуют переменные или регулируемые резисторы (потенциометры). Они допускают плавную регулировку сопротивления путем вращения оси, связанном с движком, скользящим по поверхности, покрытой резистивным слоем. Изменения сопротивления в зависимости от угла поворота могут происходить по линейному, логарифмическому или экспоненциальному закону. Переменные, так же как и постоянные, резисторы могут быть выполнены проволочными или пленочными.

Реальные резисторы помимо чисто активного сопротивления обладают также некоторой собственной емкостью и индуктивностью, которые образуют паразитные реактивности. Особенно это относится к проволочным элементам. Во многих случаях применения существование реактивностей крайне нежелательно.

Определение результирующего сопротивления при последовательном и параллельном соединении резисторов поясняется на рис. 2.4.

Рис. 2.4. Определение результирующего сопротивления при последовательном ( а ) и параллельном ( б ) соединении резисторов

 

Что можно сказать о конденсаторе как элементе цепи?

Конденсатор — это элемент, вносящий в цепь определенную постоянную или регулируемую емкость. Он состоит из двух проводящих обкладок, изолированных одна от другой диэлектриком.

В зависимости от конструкции и вида диэлектрика различают конденсаторы с воздушным зазором, бумажные, полистироловые, керамические, электролитические и т. п. Они имеют разные свойства и габаритные размеры, разное назначение и области применения. Конденсаторы (рис. 2.5) характеризуются в основном следующими параметрами: емкость и ее допуск, рабочее напряжение диапазон рабочих температур и температурный коэффициент емкости, потери и добротность.

Рис. 2.5. Графическое изображение постоянного ( а ), электролитического ( б ), переменного ( в ) и подстроечного ( г ) конденсаторов

Основная единица емкости — фарада [Ф]. Это очень большая емкость, и поэтому на практике обычно используют значительно меньшие единицы: 10-12 Ф, 1 пФ — пикофарада, 10-9 Ф — 1 нФ — нанофарада, 10-6 Ф, 1 мкФ — микрофарада.

В электронике применяют элементы с емкостями от нескольких пикофарад до нескольких тысяч микрофарад. Емкость конденсатора возрастает при увеличении площади обкладок и убывает при увеличении расстояния между ними. Увеличение площади обкладок приводит к свернутой или многослойной конструкции конденсатора.

При производстве конденсаторов применяются такие же допуски и ряды номинальных значений емкости, как для резисторов. Для электролитических конденсаторов используется укороченный ряд значений.

Конструкция конденсатора ограничивает рабочее напряжение поскольку при очень большом напряжении происходит пробой диэлектрика и конденсатор выходит из строя. Интервал рабочих напряжений конденсаторов обусловлен их назначением и конструкцией.

Так, электролитические конденсаторы с емкостью порядка сотен микрофарад, используемые в цепях питания постоянного тока, предназначены для работы при напряжениях в несколько десятков или даже сотен вольт.

Диапазон рабочих температур конденсатора зависит прежде всего от вида его диэлектрика. Изменение температуры влияет также на емкость конденсатора. Это очень важно, и поэтому выбор конденсатора часто определяется температурным коэффициентом емкости, который в зависимости от используемых материалов и технологий может иметь положительное или отрицательное значение. В цепях, где важен «результирующий» температурный коэффициент, температурный коэффициент конденсатора выбирается таким, чтобы изменения емкости в функции температуры компенсировали изменения индуктивности; благодаря этой компенсации сопротивление цепи RLC остается постоянным.

Помимо емкости конденсаторы обладают некоторой собственной индуктивностью и активным сопротивлением. Наличие последнего вызывает потери, связанные с преобразованием электрической энергии в тепловую. Потери энергии в конденсаторе характеризуются тангенсом угла диэлектрических потерь tg δ; величина, обратная этому коэффициенту, называется добротностью конденсатора.

Во многих применениях добротность является решающим фактором при выборе типа конденсатора. Помимо конденсаторов с постоянной емкостью существуют переменные (регулируемые) конденсаторы с плавной регулировкой емкости, обычно до нескольких десятков или сотен пикофарад. Они служат главным образом для перестройки резонансных контуров.

Определение результирующей емкости при последовательном и параллельном соединении конденсаторов поясняется на рис. 2.6.

Рис. 2.6. Определение результирующей емкости при последовательном (а) и параллельном (б) соединении конденсаторов

 

Как рассчитывается реактивное сопротивление конденсатора?

Реактивное сопротивление конденсатора определяется по формуле

Х с = 1/2πfС.

Если емкость выражается в фарадах, а частота в герцах, то реактивное сопротивление получается в омах. Результат в омах получается также при подстановке емкости в микрофарадах и частоты в мегагерцах. Для других единиц необходим пересчет. Например, для С = 100 нФ и f = 100 кГц следует его произвести по формуле

Х с   = 1/6,28·(102·103)·(102·10-9) = 1/6.28·10-2 ~= 16 Ом.

 

Как маркируются резисторы и конденсаторы?

Существует два способа маркировки или обозначения на резисторах и конденсаторах их значений и допусков. Один из них — цветовой, второй — буквенно-цифровой.

В цветовом коде (табл. 2.4) используются четыре цветные полоски или точки. Цвета первой и второй полосок определяют первую и вторую цифры, а цвет третьей полоски — коэффициент кратности для величины, выраженной в омах или пикофарадах. Последняя полоска или точка определяет своим цветом допуск на эту величину.

На рис. 2.7 приведен пример обозначения резисторов.

Рис. 2.7. Пример цветового обозначения резистора с сопротивлением 22кОм±10 %

1 — оранжевый (коэффициент кратности 10 3 ; 2 — серебряный (допуск ±10 %); 3 — красный (вторая цифра) — 2; 4 — красный (первая цифра) — 2

В буквенно-цифровом коде обозначения кратности используются буквы. Для резисторов применяют следующие обозначения кратности: 1 — буква R, 103 — К, 106 — M, а для конденсаторов; 10-12 — р, 10-9 — n, 10-6 — μ. Буквы занимают место запятой десятичного знака в номинальном значении. Например, 5,9 Ом — обозначение 5R9, 59 Ом — 59R, 1,5 кОм — 1К5, 59 кОм —59К, 1,5 МОм — 1М5, а также 1,5 пФ — 1р5, 33,2 пФ — 33р2.

Буквенно-цифровая маркировка резисторов и конденсаторов в СССР состоит из последовательно расположенных цифр, указывающих номинальное сопротивление (емкость), буквы, обозначающей единицу измерения (кратность) сопротивления при емкости и показывающей положение запятой десятичной дроби, и буквы, обозначающей допустимое отклонение от номинального значения. Для резисторов приняты следующие обозначения кратности номинального сопротивления: Е — омы, К — килоомы, М — мегомы, Г — гигаомы, Т — тераомы, а для номинальной емкости: П — пикофарады,  Н — нанофарады, М — микрофарады. Кодированные обозначения допускаемого отклонения сопротивления и емкости приведены в табл. 2.5. Например, резисторы с сопротивлением 68 Ом и 1,5 кОм и допустимым отклонением ±2 % имеют соответственно маркировку 68ЕЛ и 1К5Л, а емкость 1,5 мкф с допустимым отклонением ±20 % сокращение обозначается 1М5В. — Прим. ред.

 

Что можно сказать о катушке индуктивности как элементе схемы?

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

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

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

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

Рис. 2.9. Эквивалентная схема реальной катушки индуктивности

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

Q = X L /R = 2πfL/R.

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

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

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

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

 

Трансформатор как элемент цепи

Трансформатор является индуктивным элементом, состоящим по меньшей мере из двух обмоток, предназначенных для передачи энергии из первичной обмотки во вторичную. В электронных устройствах трансформатор чаще всего служит для повышения или понижения напряжения (в выпрямителях в устройствах питания), а также для согласования нагрузки, подключенной ко вторичной обмотке трансформатора, сопротивлением источника, подключенного к первичной обмотке. Часто трансформаторы используют в качестве элементов связи в усилителях. Мощности используемых в электронных устройствах трансформаторов редко превышают 100 Вт. Отношение числа витков вторичной обмотки n 2  к числу витков первичной n 1 называется передаточным отношением р или коэффициентом трансформации К тр трансформатора. Для идеального трансформатора, т. е. трансформатора без потерь, имеем следующие соотношения (рис. 2.11): передаточное отношение р = n 2 /n 1 = U 2 /U 1 ;  передаваемая мощность р = U22 /R 2  = p2U21 /R 2 .

Согласование сопротивления нагрузки R 2 с сопротивлением источника R1 бывает в том случае, когда сопротивление R 1 , «видимое» со стороны источника или пересчитанное на первичную обмотку трансформатора и зависящее от передаточного отношения трансформатора, равно сопротивлению источника

R = R 2 /p2 = R 1

Рис. 2.11. Трансформатор, нагруженный на сопротивление

 

Какие преобразователи встречаются в электронных устройствах?

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

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

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

 

На каком принципе работает микрофон?

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

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

Рис. 2.13. Упрощенная конструкция динамического микрофона:

1  — колеблющаяся мембрана; 2 — витки катушки; 3 — постоянный магнит

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

Рис. 2.14. Конструкция угольного микрофона:

1 — колеблющаяся мембрана; 2 — зерна угольного порошка; 3 — корпус

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

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

 

На каком принципе работает громкоговоритель?

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

Рис. 2.15. Упрощенная конструкция динамического громкоговорителя:

1  — колеблющаяся мембрана; 2 — колеблющаяся катушка; 3 — постоянный магнит; 4 — подвеска мембраны

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

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

 

На каком принципе работают преобразователи изображения?

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

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

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

 

Что такое электронные цепи и схемы?

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

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

 

Что такое линейные и пассивные цепи?

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

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

 

Что такое интегрирующая цепь?

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

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

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

 

Что такое дифференцирующая цепь?

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

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

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

 

Что такое цепь с параллельным резонансом?

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

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

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

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

Z рез = L/RC

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

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

 

Что такое цепь с последовательным резонансом?

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

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

 

Что такое частотная характеристика?

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

Примеры частотных и фазовых характеристик для нескольких цепей показаны на рис. 2.20. Для двух первых цепей приведено изменение отношения напряжений U 2 /U 1 , выраженное и децибелах, а для третьей — изменение тока, протекающего в цепи, в функции частоты.

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

 

Что такое линейные искажения цепи?

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

 

Что такое ширина полосы пропускания цепи?

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

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

Рис. 2.21. Определение ширины полосы цепи

 

Что такое импульсная характеристика цепи?

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

Пример сигнала отклика показан на рис. 2.22.

Рис. 2.22. Пример отклика единичный скачок

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

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

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