Обложка 1
Титульный
Аннотация
От издателя
Здравствуй, юный друг
Беседа первая. Истоки радиоэлектроники
Из глубины веков
Заглянем в микромир
О проводниках, непроводниках и полупроводниках
Электрический ток
Электричество и магнетизм: какая между ними связь
Переменный ток рождает электромагнитные волны
Зарождение радиотехники
Первые успехи радиодела в России
Беседа вторая. О колебаниях и волнах
Технике радиопередачи и радиоприема
Колебания и волны
Период и частота колебаний
О микрофоне и радиоволнах
Радиовещательные диапазоны волн
Радиопередача
Распространение радиоволн
Беседа третья. Твой первый радиоприемник
Антенна и заземление
Первый радиоприемник
Принципиальная электрическая схема твоего приемника
Конструкция приемника
Как приемник работает
Возможные неисправности
Беседа четвертая. Экскурсия в электротехнику
Электрический ток и его оценка
Электрическое сопротивление
Электрическое напряжение
Закон Ома
Индуктивное сопротивление
Мощность и работа тока
Трансформация переменного тока
Резисторы
Конденсаторы
Маркировка малогабаритных резисторов и конденсаторов
Коротко о плавком предохранителе
Осторожно - высокое напряжение
Беседа пятая. Полупроводниковые приборы широкого применения
Полупроводники и их свойства
Электропроводность полупроводника
Диоды
Светоизлучающий диод
Стабилитрон и его применение
Биполярные транзисторы
Транзистор - усилитель
Схемы включения и основные параметры биполярных транзисторов
Коротко о полевом транзисторе
О мерах предосторожности при монтаже транзисторов
Беседа шестая. Первый транзисторный приемник
От детекторного - к однотранзисторному
Варианты однотранзисторного приемника
Громкий радиоприем
Беседа седьмая. Измерительная техника первой необходимости
Измерительные пробники
Измерительный прибор магнитоэлектрической системы
Миллиамперметр
Вольтметр
Омметр
Милли-ампервольтомметр
Измерение основных параметров транзисторов
Беседа восьмая. Радиолюбительская мастерская
Рабочий стол
Искусство пайки
О некоторых материалах и приемах монтажа
О гнездах, зажимах и коммутационных устройствах
Катушки индуктивности
Магнитная антенна
Макетная панель
Печатный монтаж
Верстачная доска
Беседа девятая. Знакомство с микросхемами
Что такое микросхема
На аналоговой микросхеме
Цифровая микросхема
На одной цифровой микросхеме
Цифровые микросхемы КМОП
Коротко о монтаже микросхем и мерах предосторожности
Беседа десятая. Источники питания радиоаппаратуры
Гальванические элементы и батареи
Рынок электрохимических источников тока
Аккумуляторы и аккумуляторные батареи
Выпрямитель
Сетевой трансформатор
Сетевой блок питания
Модернизация блока питания
Беседа одиннадцатая. Усилители. Колебаний звуковой частоты
Структурная схема и основные параметры усилителя
Электретный микрофон и звукосниматели
Головки динамические прямого излучения и громкоговорители
Каскады усилителя
Простые двухкаскадные
Двусторонний телефон
Стабилизация режима работы транзистора
Двухтактный усилитель мощности
Двухкаскадный с повышенной выходной мощностью
Усилитель с оу в первом каскаде
Трехкаскадный с улучшенными характеристиками
На микросхеме К174УН7
На полевом транзисторе и микросхеме
Электрофон
УЗЧ мощностью 20 ВТ
Беседа двенадцатая. Приемники прямого усиления
От усилителя - к приемнику прямого усиления
Усилитель радиочастоты и магнитная антенна
Портативный приемник
Радиочастотный блок радиолы
Приемник «Мальчиш»
На микросхемах серии К118
Миниатюрный на цифровой микросхеме
Беседа тринадцатая. Супергетеродин
Принцип работы супергетеродина
Преобразователь частоты
Радиочастотный тракт супергетеродина
Трехдиапазонный с отдельным гетеродином
Супергетеродин «Кварц РП-209
Беседа четырнадцатая. О мультивибраторах и его «профессиях»
Транзисторный мультивибратор и его работа
Генераторы и переключатели
Мультивибратор в радиотехнических игрушках и аттракционах
Электронный «Соловей»
Одновибратор
Беседа пятнадцатая. Электроизмерительная лаборатория
Мостовой измеритель
Транзисторный вольтметр постоянного тока
Измерительные генераторы сигналов звуковой частоты
Простой низкочастотный частотомер
Беседа шестнадцатая. Стереофония
Стереоэффект. Что это такое
Стереофонический звукосниматель
Стереофония на головные телефоны
Стереофонический комплекс
Беседа семнадцатая. От логических элементов - к цифровому частотомеру и электронным часам
Индикатор уровней напряжения
Генератор испытательных импульсов
Триггеры
Счетчики импульсов и делители частоты
Блок цифровой индикации
Цифровой частотомер
Электронные часы с будильником
Беседа восемнадцатая. Автоматика
Фотоэлементы
Электромагнитные реле
Электронное реле
Фотореле
Автомат включения уличного освещения
Реле выдержки времени
Акустическое реле
Термостабилизатор
Электронный сторож
Кодовые замки
Автоматы световых эффектов
Игровые автоматы
Беседа девятнадцатая. Телеуправление моделями
Модель идет на свет
Дешифратор
Модель, управляемая звуком
Аппаратура радиоуправления моделями
Передатчик с кварцевой стабилизацией несущей частоты
Беседа двадцатая. Знакомство с электро- и цветомузыкой
О некоторых свойствах музыкального звука
Терменвокс
Электронный рояль
Электрогитара
О цветомузыке
Цветомузыкальная приставка
Светодинамическая установка
Электромузыкальный автомат на микросхеме УМС
Беседа двадцать первая. Приглашение в радиоспорт
Что такое «Лиса»
Радиокомпас
Приемник «Лисолова»
На соревнованиях
Радиоспортсмены-коротковолновики
Приемник коротковолновика-наблюдателя
Беседа двадцать вторая. Си-Би — диапазон гражданской связи
Простейшая Си-Би радиостанция
Современные Си-Би станции
Первые шаги в эфире
Какая нужна антенна
Заключение
Приложения
1. Международная система единиц
2. Условные буквенно-цифровые обозначения на электрических схемах
3. Номиналы конденсаторов и резисторов широкого применения
4. Цветовая маркировка постоянных резисторов
5. Гальванические элементы и батареи
6. Малогабаритные аккумуляторные батареи
7. Полупроводниковые диоды
8. Светоизлучающие диоды
9. Стабилитроны малой мощности
10. Биполярные транзисторы малой мощности
11. Полевые транзисторы
12. Трансформаторы типа ТВК
13. Головки динамические прямого излучения
14. Малогабаритные реле постоянного тока
15. Возможные замены элементов
16. Микросхемы для усилителей ЗЧ
Содержание
Выходные данные
Обложка 2
Текст
                    Издание  девятое,  переработанное
и  дополненное
 В.Г.  Борисов


В. Г. Борисов ЭНЦИКЛОПЕДИЯ юного РАДИОЛ ЮБИТЕЛЯ- КОНСТРУКТОРА Издание девятое, переработанное и дополненное СОЛОН-Р Москва 2001
В. Г. Борисов ЭНЦИКЛОПЕДИЯ юного РАДИОЛЮБИТЕЛЯ- КОНСТРУКТОРА Издание девятое, переработанное и дополненное В форме популярных бесед книга знакомит юного читателя с историей раз¬ вития радио, современной радиотехникой и электроникой. Книга содержит большое количество описаний различных по сложности любительских радио¬ вещательных приемников и автоматически действующих электронных уст¬ ройств и дает советы по изготовлению и умелому использованию радиотехни¬ ки в быту. Ответственный за выпуск Редактор Верстка Художник С. Иванов А. Гриф Н. Бармина Б. Каплуненко ISBN 5-93455-100-0 © СОЛОН-Р, 2001 © Борисов В. Г.
3 ОТ ИЗДАТЕЛЯ Эта книга — образец долголетия! Таких единицы среди популярных радиотехнических изданий. Ее страницы читали и перечитывали с ка¬ рандашом и с паяльником в руках твой дед, отец и старшие братья. Без преувеличения можно сказать, что для многих поколений она была на¬ стольным практическим путеводителем по миру радио, помощником и советчиком в выборе будущей профессии. Несмотря на то, что в твоих руках уже девятое издание, книга не устарела. Она о вечном и мудром в радиотехнике и электронике. Автор лишь на основе появившихся в по¬ следнее время новых — транзисторов и микросхем показал возможнос¬ ти современной радиоэлектроники, заменив для этого некоторые уста¬ ревшие любительские конструкции. Он наглядно демонстрирует юному радиолюбителю-конструктору, что мир микроэлектроники, в котором читатель делает первые шаги, непрерывно в движении. Эта книга уникальна и потому, что она создана не только талантли¬ вым популяризатором радиотехники, но и умным педагогом, который в свои беседы вложил многолетний опыт работы с молодежью. Отсюда из¬ вестные из школьной программы законы физики, электротехники, акус¬ тики, химии и, конечно, радио раскрываются на множестве заниматель¬ ных опытов и оживают в работающих "схемах" приемной, измеритель¬ ной, усилительной техники, в автоматических и телеуправляемых уст¬ ройствах, в первой простейшей СИ-БИ радиостанции. Готовя издание 2001-го года, автор, несмотря на свой огромный авто¬ ритет, не пренебрег советами учеников и коллег. Он внес ряд важных до¬ полнений, а также с благодарностью использовал предоставленный ему Ю. А. Виноградовым материал для беседы о СИ-БИ связи, схему стерео¬ фонического усилителя, разработанную В. А. Васильевым и схемы УНЧ, предложенные А. В. Родиным в приложении 16.
4 ЗДРАВСТВУЙ, ЮНЫЙ ДРУГ! От всей души приветствую твое желание включиться в ряды много¬ численной армии радиолюбителей. Как и твоим сверстникам, интере¬ сующимся радиотехникой, электроникой, радиотехническим конструи¬ рованием, сидящим сейчас за классной партой, радиолюбительство по¬ может закрепить на практике знания основ наук, получаемые в школе, приобщит к интереснейшему творческому труду, расширит общетех¬ нический кругозор. Но, юный друг, эта книга — всего лишь Букварь, который поможет сделать только первые практические шаги к познанию Большой радио¬ техники и ее непременной спутницы — электроники. Однако и на этом коротком участке пути к заветной цели тебя ожидают и трудности, которые придется преодолевать, и, конечно же, радости успехов и одо¬ брение близких и друзей. Сначала я познакомлю тебя с некоторыми событиями и явлениями, имеющими прямое отношение к истории и технике радио, научу стро¬ ить и налаживать простенькие радиоприемники, звукоусилители, изме¬ рительные приборы, на примере которых будешь познаващь азбучные истины основ электро- и радиотехники, накапливать опыт радиотех¬ нического конструирования. Не теряйся, если на этом этапе ты почув¬ ствуешь себя первоклассником, как это было несколько лет назад, когда впервые перешагнул порог школы. Это будут твои первые шаги к радио¬ электронике. Потом... Впрочем, не будем забегать вперед. Всему свое время. Сейчас же про¬ шу твердо запомнить главное: если хочешь стать радиолюбителем не на словах, а на деле, накапливай необходимые знания, опыт, вырабаты¬ вай в себе упорство и настойчивость в достижении цели. Не пасуй перед трудностями. Тогда на твоем пути к познанию чудесницы-радиотехни- ки будет открыта широкая дорога, придет уверенность в своих силах, а она непременно станет приносить радости творчества. Желаю тебе на этом этапе пути больших успехов! В. Борисов
БЕСЕДА ПЕРВАЯ ИСТОКИ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ Зарождению радио мы обязаны выдающемуся русскому ученому-физику Александру Сте¬ пановичу Попову. Созданное им более 100 лет назад беспроводное средство связи было логическим продолжением и развитием учения об электричестве, история которого ухо¬ дит в глубину веков. Но в этой первой беседе я не собираюсь посвящать тебя во все открытия, исследования и во все этапы практического использования магнитных и электрических явлений приро¬ ды, лежащих в основе радиотехники. Это было бы слишком длинно и, может быть, даже скучно сейчас для тебя. Я расскажу лишь о самом главном, на мой взгляд, из этой исто¬ рии — о наиболее важных явлениях природы, без знания которых ты не сможешь оценить и толком осмыслить работу даже самого простого радиотехнического устройства. ИЗ ГЛУБИНЫ ВЕКОВ Открытие электрических явлений легенда приписывает мудрейшему из мыслителей Древней Греции Фалесу, жившему более двух тысячелетий назад. ...Еще в те времена в окрестностях древнегреческого города Магнезии лю¬ ди находили на берегу моря камешки, притягивавшие легкие железные пред¬ меты. По имени этого города их называ¬ ли «магнитами» (вот откуда пришло к нам слово «магнит»). Фалес же обратил внимание и на не менее таинственные камешки, к тому же красивые и легкие. Эти привлекательные дары моря не притягивали, как магниты, железные
6 Беседа первая предметы, но обладали не менее любо¬ пытным свойством: если их натирали шерстяной тряпочкой, то к ним прили¬ пали пушинки, легкие кусочки сухого дерева, травы. Такие камешки, выбра¬ сываемые приливами и волнами мо¬ рей, мы сейчас называем янтарем. Древние же греки янтарь называли электроном. Отсюда и образовалось впоследствии слово «электричество». Это интересное явление природы, называемое электризацией тел трени¬ ем, ты можешь наблюдать, не отправ¬ ляясь к морю на поиски кусочков ока¬ меневшей смолы ископаемых расте¬ ний — янтаря. Натри пластмассовую расческу шерстяной тряпочкой и под¬ неси ее к мелким кусочкам тонкой бу¬ маги (рис. 1, а): они мгновенно прилип¬ нут к наэлектризованной расческе, а через некоторое время опадут на стол. Поднеси наэлектризованную расческу к волосам. Волосы тоже притянутся к расческе, что иногда может сопровож¬ даться даже появлением искр — сверх¬ миниатюрных молний. Проведи еще один опыт. На два спичечных коробка положи насухо протертое стекло, а под него — те же кусочки тонкой бумаги. Сложи шер¬ стяную тряпочку тампоном и натирай им стекло сверху (рис. 1, б). Ты уви¬ дишь, как запрыгают, запляшут под стеклом кусочки бумаги! Хотя и выгля¬ дит это как фокус, ничего загадочного здесь нет; натертые шерстяной тряпоч¬ кой расческа или стекло приобретают электрический заряд, благодаря кото¬ рому они, подобно магниту, притягива¬ ют легкие кусочки бумаги. Но ни древние греки, ни другие мыслители и философы на протяже¬ нии многих столетий не могли объяс¬ нить это свойство янтаря и стекла. В XVII в. немецкому ученому Отто Гери¬ ке удалось создать электрическую ма¬ шину, извлекавшую из натираемого шара, отлитого из серы, значительные искры, уколы которых могли быть да¬ же болезненными. Однако разгадка тайн «электрической жидкости», как в то время называли это электрическое явление, не была тогда найдена. Рис. 1. Наэлектризованная расческа притяги¬ вает пушинки, волоски, кусочки бумаги (а); под электризующимся стеклом кусочки бума¬ ги «танцуют» (б) Рис. 2. Лейденская банк^—конденсатор В середине XVII в. в Голландии, в Лейденском университете, ученые на¬ шли способ накопления электрических зарядов. Таким накопителем электриче¬ ства была «лейденская банка» (по назва¬ нию университета) — стеклянный со¬ суд, стенки которого снаружи и изнутри оклеены свинцовой фольгой (рис. 2).
Беседа первая 7 Лейденская банка, подключенная об¬ кладками к электрической машине, мог¬ ла накапливать и долго сохранять значи¬ тельное количество электричества. Если ее обкладки соединяли отрезком тол¬ стой проволоки, то в месте замыкания проскакивала сильная искра и накоп¬ ленный электрический заряд мгновенно исчезал. Если же обкладки заряженного прибора соединяли тонкой проволокой, она быстро нагревалась, вспыхивала и плавилась, т.е. перегорала, как мы часто говорим сейчас. Вывод мог быть один: по проволоке течет электрический ток, источником которого является электри¬ чески заряженная лейденская банка. Сейчас подобные приборы мы на¬ зываем электрическими конденсатора¬ ми (слово «конденсатор» означает «сгуститель»), а их не соединяющиеся между собой полоски фольги — об¬ кладками конденсаторов. Более совершенный, а главное, почти непрерывный источник электри¬ ческого тока изобрел в конце XVII в. итальянский физик Александр Вольта. Между небольшими дисками из меди и цинка он помещал суконку, смоченную раствором кислоты (рис. 3). Рис. 3. Элемент Вольта Пока прокладка влажная, между дисками и раствором происходит хи¬ мическая реакция, создающая в про¬ воднике, соединяющем диски, слабый электрический ток. Соединяя пары дисков в батарею, можно было полуг чать уже значительный электрический ток. Такие батареи называли «вольто¬ выми столбами». Они-то и положили начало электротехнике. Подобный источник тока мы назы¬ ваем гальваническим элементом — по имени Луиджи Гальвани, открывшего явление электрического тока, а соеди¬ ненные параллельно или последова¬ тельно элементы — батареями гальва¬ нических элементов. Практика показала, что существу¬ ют два вида электричества. Один из них, соответствующий электрическо¬ му заряду медной пластины, стали ус¬ ловно считать положительным, а вто¬ рой, соответствующий заряду цинко¬ вой пластины, — отрицательным. В со¬ ответствии с этим первую пластину — полюс источника тока — стали назы¬ вать положительным и обозначать зна¬ ком « + », а второй полюс — отрица¬ тельным и обозначать знаком « —». Условно стали также считать, что ток течет от положительного к отрицатель¬ ному полюсу элемента или батареи. Здесь я вынужден забежать немно¬ го вперед, чтобы ответить на вопрос, который, вероятно, у тебя уже возник: что такое электрический ток? ЗАГЛЯНЕМ В МИКРОМИР Электрический ток — это упорядо¬ ченное движение электрических заря¬ дов. Чтобы разобраться в этом явлении природы, нам придется мысленно про¬ никнуть в микромир вещества. Веществом, или материей, называ¬ ют все то, из чего состоят все сущест¬ вующие в природе предметы, тела: твердые, жидкие, газообразные. Все они образуются из атомов. Атомы чрезвычайно малы. Единица длины миллиметр совершенно непригодна для их измерения, так как она слиш¬ ком велика. Не годится для таких из¬ мерений ни тысячная доля миллимет¬ ра — микрон, ни миллимикрон, кото¬ рый в тысячу раз меньше микрона. Подходит только десятая доля милли¬ микрона — наномикрон. Диаметр ато¬ мов различных веществ составляет от 0,1 до 0,4 нм (Ю”10 м = 0,1 нм). Други¬ ми словами, на участке длиной 1 см могут свободно разместиться от 25 до 100 млн. атомов.
8 Беседа первая Рис. 4. Схематическое устройство атома водорода (а), атомов гелия (б) и кислорода (в). Орбиты эле¬ ктронов изображены в одной плоскости Некогда предполагали, что атом — мельчайшая неделимая частица веще¬ ства. Слово «атом» и означает «недели¬ мый». Но впоследствии ученые узнали, что и атом состоит из более мелких ча¬ стиц. В центре атома любого вещества находится ядро, размеры которого примерно в 100 тыс. раз меньше разме¬ ров самого атома. А потом оказалось, что и ядро состоит из еще более мелких частиц, которые были названы прото¬ нами и нейтронами. В настоящее время ученые успешно разрушают, или, как говорят, расщепляют ядра атомов и по¬ лучают огромную скрытую в них энер¬ гию — атомную. На атомных электро¬ станциях эта энергия превращается в энергию электрического тока. Атомная энергия приводит в движение морские корабли, например ледоколы, подвод¬ ные лодки. Атом можно представить как мир микроскопических частиц, вращаю¬ щихся вокруг своей оси и одна вокруг другой. А в центре этого микромира на¬ ходится плотное, массивное ядро, во¬ круг которого обращаются во много раз еще более мелкие, чем ядро, части¬ цы — электроны. Электроны образуют оболочку атома. Каковы размеры электронов? Чрез¬ вычайно малы. Если булавочную голо¬ вку мысленно увеличить до размера нашей планеты Земли, то при этом каждый атом металла, из которого сде¬ лана булавка, увеличился бы до разме¬ ра шара диаметром 1 м. И вот в центре такого фантастически увеличенного атома мы увидели бы его ядро — шарик размером в типографскую точку, во¬ круг которого вращались бы еле замет¬ ные пылинки — электроны. Если ты захочешь узнать размеры электрона, раздели число 3 на единицу с 12 нулями. Получишь примерный ди¬ аметр электрона, выраженный в мил¬ лиметрах. Электроны часто называют «части¬ цами». Однако это не следует понимать в том смысле, что электрон представля¬ ет собой нечто вроде твердого комочка или шарика. По современным пред¬ ставлениям электроны можно уподо¬ бить облачкам, окружающим атомное ядро и обращающимся вокруг него. Электрон как бы «размазан» по обо¬ лочке атома. Однако для наглядности объяснения физических явлений при¬ роды электроны часто условно, как бы символически, изображают на рисун¬ ках в виде шариков, вращающихся во¬ круг атомного ядра подобно искусст¬ венным спутникам вокруг Земли. Это¬ го будем придерживаться и мы. В атоме каждого химического эле¬ мента число электронов строго опреде¬ ленно, но неодинаково для разных хи¬ мических элементов. Самую простую конструкцию имеет атом газа водоро¬ да — его оболочка содержит всего один
Беседа первая 9 электрон (рис. 4, а). Оболочка атома ге¬ лия (рис. 4, б) (этим газом наполняют трубки для светящихся красным светом вывесок, рекламных надписей) имеет два электрона. Атомы других химичес¬ ких элементов содержат больше элек¬ тронов, причем их электронные обо¬ лочки многослойны. Атом кислорода, например, имеет восемь электронов, расположенных в двух слоях: в пер¬ вом — внутреннем, ближнем к ядру, слое движутся два электрона, а во вто¬ ром — внешнем, шесть (рис 4, в). У каж¬ дого атома железа по 26 электронов, а у каждого атома меди по 29. У атомов же¬ леза и меди электронные оболочки че¬ тырехслойные: в первом слое — два электрона, во втором и третьем по во¬ семь, а все остальные электроны нахо¬ дятся во внешнем, четвертом, слое. Электроны, находящиеся во внеш¬ нем слое оболочки атома, называют ва¬ лентными. Запомни — валентные. Мы не раз будем вспоминать о валентных электронах, особенно когда пойдет раз¬ говор о полупроводниковых приборах. О числе электронов в атомах раз¬ личных веществ ты можешь узнать из таблицы химических элементов, со¬ ставленной великим русским ученым Дмитрием Ивановичем Менделеевым. Эта таблица имеется в химическом и физическом кабинетах твоей школы. Пока же запомни — число протонов в ядре атома всегда равно тому числу эле¬ ктронов, которое должно быть в элек¬ тронной оболочке атома данного веще¬ ства. Каждый протон атомного ядра не¬ сет положительный (+) электрический заряд, а каждый электрон атомной обо¬ лочки — отрицательный ( —) электри¬ ческий заряд, равный заряду протона. Нейтроны, входящие в состав атомного ядра, не несут никакого заряда. Ты, конечно, не раз забавлялся под¬ ковообразным магнитом. Ведь только существованием невидимого магнит¬ ного поля, пронизывающего простран¬ ство вокруг его полюсов, можно объяс¬ нить явление притягивания им желез¬ ных предметов. Благодаря этому полю можно, например, заставить гвоздь держаться на столе вертикально, не ка¬ саясь его магнитом. А если попробо¬ вать соединить два магнита одноимен¬ ными полюсами? Они будут отталки¬ ваться! А разноименными? В этом слу¬ чае полюсы магнитов притянутся и прилипнут друг к другу. Подобным об¬ разом ведут себя и электрические за¬ ряды: одноименные заряды отталкива¬ ются, а разноименные притягиваются. Если электроны имеют заряд, про¬ тивоположный по знаку заряду прото¬ нов, значит, между ними в атоме все время действуют электрические силы, удерживающие электроны возле свое¬ го ядра. «А почему электроны не падают на ядро?» — спросишь ты. Потому, что они вращаются вокруг ядра с огромной скоростью. Не падает же на Землю Лу¬ на, хотя Земля и притягивает своего вечного спутника. Поскольку в атоме суммарный от¬ рицательный заряд всех электронов равен суммарному положительному заряду всех протонов, атом внешне не проявляет никаких электрических свойств. Говорят, что такой атом элект¬ рически нейтрален. Валентные электроны, находящие¬ ся на наибольшем удалении от ядра, удерживаются ядром слабее, чем более близкие к нему. При различных воз¬ действиях, например при нагревании, натирании или под влиянием света, ва¬ лентные электроны некоторых ве¬ ществ могут покидать свои атомы и да¬ же пределы тела, в которые они входи¬ ли. Такие электроны, покинувшие свои атомы, называют свободными. А что же происходит с атомом, по¬ терявшим один или несколько электро¬ нов? Его внутреннее электрическое равновесие нарушается. В нем начина¬ ет преобладать положительный заряд ядра, и атом в целом становится поло¬ жительным. Такой атом называют по¬ ложительным ионом. В этом случае он, как и магнит, стремится притянуть к себе оказавшиеся поблизости свобод¬
10 Беседа первая ные электроны или «отобрать» их у со¬ седних атомов, чтобы восполнить поте¬ рю и снова стать электрически нейт¬ ральным. А если в электронной оболоч¬ ке атома появится лишний электрон? Такой атом будет проявлять свойства отрицательного заряда. Это будет уже отрицательный ион. При первой же возможности он вытолкнет лишний электрон, чтобы вновь стать электри¬ чески нейтральным. «Родственные» атомы и атомы раз¬ ных химических элементов, соединя¬ ясь, образуют молекулы. Водород, на¬ пример, обычно состоит из молекул, в каждую из которых входят по два водо¬ родных атома. При этом электронные оболочки обоих атомов сливаются (рис. 5). В такой молекуле оба электро¬ на движутся вокруг двух атомных ядер. Здесь уже нельзя различить, какой из электронов какому из двух атомов при¬ надлежит. Если же два атома водорода соединить с одним атомом кислорода, то получится молекула воды. Все тела строятся на основе молекул. Бумага, например, на которой напечатана эта книга, «соткана» из молекул клетчатки, в которые входят атомы водорода, кис¬ лорода и углерода. Молекула, как и атом, электричес¬ ки нейтральна, если общее число элек¬ тронов в ней равно общему числу про¬ тонов, находящихся в ее атомных яд¬ рах. Если число электронов в молекуле будет меньше числа протонов, то моле¬ кула будет нести положительный за¬ ряд, а если число электронов больше числа протонов — отрицательный за¬ ряд. Если перенести каким-либо спосо¬ бом часть электронов из атомов или молекул одного тела в другое, то и во¬ круг этих тел, и в пространстве между ними возникнут электрические силы, или, как говорят, создастся электриче¬ ское поле. Вот тебе и разгадка «секрета» рас¬ чески, натертой шерстяной тряпочкой или шелком. При трении о шерсть рас¬ ческа отдает ей часть электрических зарядов, в результате чего сама элект¬ ризуется. Вокруг наэлектризованной расчески возникает электрическое по¬ ле, вследствие чего она и приобретает способность притягивать легкие пред¬ меты. Электрическое поле действует и между двумя частями одного и того же тела, например в куске металла, если в одной части его имеется избыток элек¬ тронов, а в другой — недостаток. Усло¬ вия для перемещения избыточных эле¬ ктронов возникают в той части тела, где их недостает. Рис. 5. При соединении двух атомов водорода в молекулу их электронные оболочки слива¬ ются Электрический заряд одного элек¬ трона ничтожно мал. Но если электро¬ нов много и если можно заставить их двигаться внутри тела в одну сторону, образуя поток отрицательных зарядов, получится то, что мы называем элект¬ рическим током. О ПРОВОДНИКАХ, НЕПРОВОДНИКАХ И ПОЛУПРОВОДНИКАХ Однако не в каждом теле есть усло¬ вия для прохождения электрического тока. Дело в том, что атомы и молекулы различных веществ обладают неодина¬ ковыми свойствами. В металлах, на¬ пример, электроны легко покидают оболочки и беспорядочно, хаотично движутся между атомами. В металлах особенно много свободных электро¬ нов. По существу металл состоит из по¬ ложительных ионов, расположенных в определенном порядке, пространство между которыми заполнено свободны¬ ми электронами (рис. 6). В металле не¬ возможно различить, какой электроц к какому из атомов относится, они сли¬ ваются в единое электронное «обла¬ ко». Огромное количество свободных электронов в металлах создает в них
Беседа первая 11 наиболее благоприятные условия для электрического тока. Нужно только ха¬ отическое движение электронов упо¬ рядочить, заставить их двигаться в од¬ ном направлении. Рис. 6. В металле, пространство между атома¬ ми заполнено свободными электронами В некоторых телах и веществах поч¬ ти нет свободных электронов, так как они прочно удерживаются ядрами. У молекул и атомов таких тел трудно «ото¬ брать» или «навязать» им лишние элек¬ троны. В этих телах нельзя получить электрический ток. Тела и вещества, в которых можно создавать электричес¬ кий ток, называют проводниками. Те же тела и вещества, в которых его со¬ здать нельзя, называют непроводника¬ ми тока, или диэлектриками. К провод¬ никам кроме металлов относятся также уголь, растворы солей, кислоты, щело¬ чи, живые организмы и многие другие тела и вещества. Причем в растворах со¬ лей электрический ток создается не только электронами, но и положитель¬ ными ионами. Диэлектриками являют¬ ся воздух, стекло, парафин, слюда, лаки, фарфор, резина, пластмассы, различ¬ ные смолы, маслянистые жидкости, су¬ хое дерево, сухая ткань, бумага и другие вещества. Фарфоровыми, например, де¬ лают изоляторы для электропроводки, лаки используют для покрытия прово¬ дов, чтобы изолировать провода друг от друга и от других предметов. Но есть еще большая группа ве¬ ществ, называемых полупроводниками. К полупроводникам, в частности, отно¬ сятся германий и кремний. По электро¬ проводности они занимают среднее ме¬ сто между проводниками и непроводни¬ ками. Считающиеся когда-то непригод¬ ными для практических целей, сейчас они стали основным материалом для производства современных полупро¬ водниковых приборов, например тран¬ зисторов, с которыми будет связана большая часть твоего творчества. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК Как заставить двигаться упорядо¬ ченно, в одном направлении, обилие свободных электронов, скажем, в нити накала электрической лампочки? Нуж¬ но создать в проводнике электрическое поле, подключив, например, проводник к гальваническому элементу или к бата¬ рее гальванических элементов. Устройство простейшего гальвани¬ ческого элемента, являющегося хими¬ ческим источником тока, показано на рис. 7. Элемент состоит из цинковой и медной пластинок, называемых элект¬ родами, которые помещены в электро¬ лит — раствор соли или кислоты, на¬ пример серной. В результате химичес¬ кой реакции, происходящей между электродами и электролитом, на цин¬ ковом электроде образуется избыток электронов, и он приобретает отрица¬ тельный электрический заряд, а на медном наоборот — недостаток элек¬ тронов, и медный электрод приобрета¬ ет положительный заряд. При этом между разноименными электрически¬ ми зарядами такого источника тока возникает электрическое поле, дейст¬ вует электродвижущая сила (сокра¬ щенно ЭДС) или напряжение. О разни¬ це между ЭДС и напряжением я рас¬ скажу тебе позже, во время экскурсии в электротехнику.
12 Беседа первая Ты уже знаешь, что полюсы эле¬ мента или батареи обозначают знака¬ ми «плюс» и «минус». Их ты видел, на¬ пример, возле жестяных выводных пластинок батареи, предназначенной для питания лампы накаливания кар¬ манного электрического фонаря. Меж¬ ду прочим, эта батарея также состоит из гальванических элементов, только не жидкостных, как элемент, показан¬ ный на рис. 7, а сухих. Там их три. Не¬ сколько элементов, соединенных меж¬ ду собой в единый источник тока, на¬ зывают батареей. Рис. 7. Устройство простейшего гальваничес¬ кого элемента и схематическое изображение замкнутой электрической цепи «ь Запомни: на электрических схемах отрицательный полюс элемента или ба¬ тареи принято обозначать короткой линией, положительный — удлинен¬ ной линией. Как только проводник окажется подключенным к полюсам элемента или батареи, в нем возникнет электри¬ ческое поле, под действием которого электроны, как по мостику, перекину¬ тому через овраг, будут двигаться туда, где их недостаток — от отрицательного полюса через проводник к положитель¬ ному полюсу источника электрической энергии. Это и есть упорядоченное дви¬ жение электронов в проводнике — эле¬ ктрический ток. Ток течет через про¬ водник потому, что в получившейся це¬ пи (положительный полюс элемента, проводники, отрицательный полюс эле¬ мента, электролит) действует электро¬ движущая сила. Такую простейшую электрическую цепь можно подразде¬ лить на два основных участка: внешний и внутренний. К внешнему участку це¬ пи относится все, что подключается к полюсам источника тока (на рис. 7 — лампа накаливания и соединительные проводники), а к внутреннему — та часть цепи, которая заключена внутри самого источника тока. Запомни: замкнутая электрическая цепь — обязательное условие для су¬ ществования в ней тока. В разомкну¬ той цепи ток не течет. Разноименные заряды можно сооб¬ щить двум изолированным телам, на¬ пример шарикам, подвешенным на шелковых нитях. Шарики будут притя¬ гиваться, но тока между ними не будет, так как их разделяет диэлектрик — воздух. Установлено, что электроны в про¬ воднике движутся от отрицательного полюса (где избыток их) к положитель¬ ному (где недостаток в них), однако и сейчас, как в прошлом веке, принято считать, что ток течет от плюса к мину¬ су, т.е. в направлении, обратном дви¬ жению электронов. Ты можешь спро¬ сить: почему бы сейчас не нарушить эту традицию? Дело в том, что это по¬ требовало бы переработки всех учеб¬ ников, всей технической литературы, имеющей прямое или косвенное отно¬ шение к электротехнике и радиотехни¬ ке. Условное направление тока, кроме того, положено учеными в основу ряда правил, связанных с определением многих электрических явлений. В то же время такая условность никаких особых неудобств не создает, если твердо помнить, что направление тока в проводниках противоположно на¬ правлению движения электронов. В тех же случаях, когда ток создается по¬ ложительными электрическими заря¬ дами, например в электролитах хими¬ ческих источников постоянного тока, ток «дырок» в полупроводниках (об этом разговор пойдет в пятой беседе),
Беседа первая 13 таких противоречий вообще нет, пото¬ му что направление движения положи¬ тельных зарядов совпадает с направле¬ нием тока. Пока элемент или батарея действу¬ ют, во внешнем участке электрической цепи ток течет в одном и том же направ¬ лении. Такой ток называют постоян¬ ным. Его можно изобразить графичес¬ ки, как показано на рис. 8. Точка пере¬ сечения горизонтальной и вертикаль¬ ной осей, обозначенная нулем, является исходной для графического изображе¬ ния времени t и количественного значе¬ ния тока I в электрической цепи. О чем может рассказать этот гра¬ фик? Сначала (отрезок времени Оа) то¬ ка в цепи вообще нет (ток равен нулю), так как к источнику тока не подключен внешний участок цепи. Ток появился, когда цепь замкнули (точка а). Он мгно¬ венно возрос до некоторого значения и не изменялся до тех пор, пока цепь бы¬ ла замкнута. Когда цепь разомкнули, ток мгновенно прекратился (точка б). Если электрическую цепь снова замк¬ нуть, в ней опять появится ток. Так при¬ мерно выглядит график импульса по¬ стоянного тока, текущего через лампу накаливания карманного электричес¬ кого фонаря, когда его включают на ко¬ роткие промежутки времени. Через соединительные проводники и нить лампы накаливания, изображен¬ ные на рис. 7, электроны движутся сле¬ ва направо — от минуса к плюсу. Но ес¬ ли полюсы элемента поменять места¬ ми, тогда электроны в том же внешнем участке цепи потекут справа налево, так как теперь минус окажется на пра¬ вом конце участка цепи, а плюс — на левом. Изменится только направление движения электронов, но ток и в этом случае будет постоянным. А если полюсы источника тока ме¬ нять местами очень быстро и к тому же ритмично? В этом случае электроны во внешнем участке цепи тоже будут по¬ переменно изменять направление сво¬ его движения. Сначала они потекут в одном направлении, затем, когда полю¬ сы поменяют местами, — в другом, об¬ ратном предыдущему, потом вновь в прямом, опять в обратном и т.д. Во внешней цепи будет течь уже не посто¬ янный, а как бы переменный ток. Запомни: в проводах электроосве¬ тительной сети течет переменный ток, а не постоянный, как в цепи электриче¬ ского карманного фонаря. Его выраба¬ тывают машины, называемые генера¬ торами переменного тока. Знаки элект¬ рических зарядов на полюсах генера¬ тора непрерывно меняются, но не скачком, как в нашем примере, а плав¬ но. Заряд того полюса генератора, ко¬ торый в некоторый момент времени был положительным, начинает убы¬ вать и через долю секунды становится отрицательным; отрицательный заряд сначала возрастает, потом начинает убывать, пока снова не окажется поло¬ жительным, и т.д. Одновременно меня¬ ется знак заряда и другого полюса. При этом напряжение и значение тока в электрической цепи также периодиче¬ ски изменяются. Графически переменный ток изоб¬ ражают волнистой линией — синусои¬ дой, показанной на рис. 9. Здесь верти¬ кальная ось со стрелкой, направленной вверх, соответствует одному направле¬ нию тока, названному мною «туда», а вниз — другому направлению тока, об¬ ратному первому— «обратно». О чем может рассказать такой гра¬ фик? Ток в цепи появляется в момент, обозначенный на графике точкой а. Он плавно увеличивается и течет в одном направлении — «туда», достигает наи¬ большего значения (точка б) и также плавно убывает до нуля (точка в). Ис¬ чезнув на мгновение, ток вновь появля¬ Рис. 8. Графическое изображение постоянного тока
14 Беседа первая ется, плавно возрастает и протекает в цепи, но уже в противоположном на¬ правлении — «обратно». Достигнув на¬ ибольшего значения (точка г), он снова уменьшается до нуля (точка д). И далее ток, также последовательно возрастая и уменьшаясь, все время меняет свои направление и значение. При переменном токе электроны в проводнике как бы колеблются из сто¬ роны в сторону. Поэтому переменный ток называют также электрическими колебаниями. Одним полным, или за¬ конченным, колебанием тока принято считать упорядоченное движение эле¬ ктронов в проводнике, соответствую¬ щее участку графика от а до д или от в до ж (рис. 9). Время, в течение которого происходит одно полное колебание, называют периодом, время половины колебания — полупериодом, а наиболь¬ шее значение тока во время каждого полупериода — амплитудой. Переменный ток выгодно отлича¬ ется от постоянного тем, что он легко поддается преобразованию. Так, на¬ пример, с помощью специального уст¬ ройства — трансформатора напряже¬ ние переменного тока можно повысить или, наоборот, понизить его. Перемен¬ ный ток, кроме того, можно выпря¬ мить — преобразовать в постоянный ток. Эти свойства переменного тока ты будешь широко использовать в своей радиолюбительской практике. Рис. 9. Графическое изображение переменного тока Все то, о чем я рассказал тебе сей¬ час, знает каждый старшеклассник и, разумеется, каждый радиолюбитель. Ты пользуешься благами электричест¬ ва, иногда даже расточительно, не за¬ думываясь над тем, что ученые всего- навсего каких-нибудь лет 100 назад только-только нащупали пути практи¬ ческого использования этого щедрого дара природы. ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНЕТИЗМ: КАКАЯ МЕЖДУ НИМИ СВЯЗЬ? Непосредственную связь между электричеством и магнетизмом открыл в 1819 г. датский профессор физики Ганс Эрстед. Проводя опыты, ученый обнаружил, что всякий раз, когда он включал ток, магнитная стрелка, нахо¬ дящаяся поблизости от проводника с током, стремилась повернуться перпен¬ дикулярно проводнику, а когда выклю¬ чал, магнитная стрелка возвращалась в исходное положение. Ученый сделал вывод: вокруг проводника с током воз¬ никает магнитное поле, которое воз¬ действует на магнитную стрелку. Ты можешь в этом убедиться, если сам проведешь аналогичный опыт. Дл5^ этого потребуются: батарея гальвани¬ ческих элементов, например 3336, и миниатюрная лампа накаливания, предназначаемые для карманного эле¬ ктрического фонаря, медный провод толщиной 0,2...0,3 мм в эмалевой, хлоп¬ чатобумажной или шелковой изоляции и компас. С помощью отрезков прово¬ да, удалив с их концов изоляцию, под¬ ключи к батарее лампу накаливания. Лампа горит, потому что образовалась электрическая цепь. Батарея в данном случае является источником питания этой цепи. Поднеси один из соедини¬ тельных проводников поближе к ком¬ пасу (рис. 10) и ты увидишь, как его магнитная стрелка сразу же станет по¬ перек проводника. Она укажет направ¬ ление круговых магнитных силовых линий, рожденных током. Наиболее сильное магнитное поле тока будет воз¬ ле самого проводника. По мере удале¬ ния от проводника магнитное поле, рассеиваясь, ослабевает. А если изменить направление тока в проводнике, поменяв местами под¬
Беседа первая 15 Рис. 10. При изменении направления тока в про¬ воднике меняется и направление линий магнит¬ ного поля ключение его к полюсам батареи? Из¬ менится и направление магнитных си¬ ловых линий — магнитная стрелка по¬ вернется в другую сторону. Значит, на¬ правление силовых линий магнитного поля, возбуждаемого током, зависит от направления тока в проводнике. Какова в этих опытах роль лампы накаливания? Она служит как бы ин¬ дикатором наличия тока в цепи и, кро¬ ме того, ограничивает ток в цепи. Если к батарее подключить только провод¬ ник, магнитное поле тока станет силь¬ нее, но батарея быстро разрядится. Если в проводнике течет постоян¬ ный ток неизменного значения, его магнитное поле также не будет изме¬ няться. Но если ток уменьшится, то слабее станет и его магнитное поле. Увеличится ток — усилится его магнит¬ ное поле, исчезнет ток — магнитное поле пропадет. Словом, ток и его маг¬ нитное поле неразрывно связаны и взаимно зависимы. Магнитное поле тока легко уси¬ лить, если проводник с током свернуть в катушку. Силовые линии магнитного поля такой катушки можно сгустить, если внутрь ее поместить гвоздь или железный стержень. Такая катушка с сердечником станет электромагнитом, способным притягивать сравнительно тяжелые железные предметы (рис. 11). Это свойство тока используется во множестве электрических приборов. А если магнитную стрелку поднес¬ ти к проводу с переменным током? Она останется неподвижной, даже если провод свернуть в катушку. Значит ли это, что вокруг проводника с перемен¬ ным током нет магнитного поля? Маг¬ нитное поле есть, но оно тоже пере¬ менное, магнитная же стрелка не будет отклоняться только вследствие своей неповоротливости — инерционности, она не будет успевать следовать за бы¬ стрыми изменениями магнитного поля. Рис. 11. Проводник с током, свернутый в ка¬ тушку, становится электромагнитом Первый электромагнит, основные черты которого сохранились во мно¬ гих современных электрических при¬ борах, например в электромагнитных реле, излучателях головных телефо¬ нов, изобрел английский ученый Стер- джен в 1821 г. А спустя два десятилетия
16 Беседа первая после этого события французский фи¬ зик Андре Ампер сделал новое, исклю¬ чительно важное по тому времени открытие. Он опытным путем устано¬ вил, что два параллельно расположен¬ ных проводника, по которым течет ток, способны совершать механичес¬ кую работу, если ток в обоих провод¬ никах течет в одном направлении, то они притягиваются, а если в противо¬ положных — отталкиваются. Догадываешься, почему так проис¬ ходит? В первом случае, когда направ¬ ление тока в обоих проводниках одина¬ ково, их магнитные поля, также имею¬ щие одинаковое направление, как бы стягиваются в единое поле, увлекая за собой проводники. Во втором случае магнитные поля вокруг проводников, имеющие теперь противоположные направления, отталкиваются и тем са¬ мым раздвигают проводники. В первой половине прошлого сто¬ летия ценнейший вклад в науку внес английский физик-самоучка Майкл Фарадей. Изучая связь между электри¬ ческим током и магнетизмом, он от¬ крыл явление электромагнитной ин¬ дукции. Суть его заключается в следу¬ ющем. Если внутрь катушки из изоли¬ рованной проволоки быстро ввести магнит, стрелка электроизмерительно¬ го прибора, подключенного к концам катушки, на мгновение отклонится от нулевой отметки на шкале прибора (рис. 12, а). При таком же быстром вве¬ дении магнита внутрь катушки, но уже в обратном направлении, стрелка при¬ й) бора также быстро отклонится в про¬ тивоположную сторону (рис. 12, б) и вернется в исходное положение. Вывод может быть один: магнитное поле пе¬ ресекает провод и возбуждает (инду¬ цирует) в нем движение свободных электронов — электрический ток. Впрочем, можно поступить иначе: пе¬ ремещать не магнит, а катушку вдоль неподвижного магнита. Результат бу¬ дет такой же. Рис. 13. Схема генератора переменного тока Магнит можно заменить катушкой, в которой течет постоянный ток. Маг¬ нитное поле этой катушки, вызванное током, при пересечении витков второй катушки также будет возбуждать в ней электродвижущую силу, создавая в ее цепи электрический ток. Явление электромагнитной индук¬ ции лежит в основе действия генерато¬ ра переменного тока, представляюще¬ го собой катушку из провода (ротор), вращающуюся между полюсами силь- 5) Рис. 12. Энергия магнитного поля создает движение электронов — электрический ток
Беседа первая 17 ного магнита или электромагнита (на рис. 13 катушка показана в виде одного витка провода). Вращаясь, катушка пе¬ ресекает силовые линии магнитного поля, и в ней индуцируется (вырабаты¬ вается) электрический ток. В 1837 г. русский академик Б. С. Яко¬ би открыл явление, обратное по дейст¬ вию генератора тока. Через катушку, по¬ мещенную в магнитном поле, ученый пропускал ток, и катушка начинала вра¬ щаться. Это был первый в мире электро¬ магнитный двигатель с вращающимся ротором. Фарадей, открывший закон элект¬ ромагнитной индукции, опытным пу¬ тем обнаружил еще одно очень важное явление — возможность передавать пе¬ ременный ток из катушки в катушку на расстояние без какой-либо прямой эле¬ ктрической связи между ними. Суть этого явления заключается в том, что переменный или прерывающийся (пульсирующий) ток, текущий в одной из катушек, преобразуется в перемен¬ ное магнитное поле, которое пересека¬ ет витки второй катушки и тем самым возбуждает в ней переменную ЭДС. На этой основе создан замечательный прибор — трансформатор, играющий очень важную роль в электро- и радиотехнике. ПЕРЕМЕННЫЙ ТОК РОЖДАЕТ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ Опыты Майкла Фарадея и его со¬ отечественника и последователя Клар¬ ка Максвелла привели ученых к выво¬ ду, что переменное магнитное поле, рождаемое непрерывно изменяющим¬ ся током, создает в окружающем про¬ странстве электрическое поле, кото¬ рое, в свою очередь, возбуждает маг¬ нитное поле, магнитное поле — элект¬ рическое и т.д. Взаимосвязанные, создаваемые друг другом, магнитное и электрическое поля образуют единое которое непрерывно, как бы отделяясь и удаляясь от места возбуждения его, распространяется во всем окружаю¬ щем пространстве со скоростью света, равной 300 ООО км/с. Явление возбуждения переменным током электромагнитных полей приня¬ то называть излучением электромаг¬ нитных колебаний, или излучением электромагнитных волн. Встречая на своем пути проводники, магнитные со¬ ставляющие электромагнитных коле¬ баний возбуждают в этих проводниках переменное электрическое поле, созда¬ ющее в них такой же переменный ток, как ток, возбудивший электромагнит¬ ные волны, только несравненно слабее. На этом замечательном явлении и ос¬ нована техника радиопередачи и ра¬ диоприема. Равенство скорости распростране¬ ния электромагнитных волн, создавае¬ мых переменным током, и скорости света не случайно, потому что световые лучи, как, между прочим, и тепловые, по своей природе тоже электромагнит¬ ные колебания. Мысль о родстве световых и элект¬ рических явлений высказал русский ученый Михаил Васильевич Ломоносов еще в середине XVIII в. Теорию электро¬ магнитных волн развил Кларк Максвелл в первой половине прошлого столетия. Однако только в 1888 г. немецкому уче¬ ному Генриху Герцу удалось опытным путем доказать сам факт существования электромагнитных волн и найти воз¬ можность обнаружить их. В его опыт¬ ной установке (рис. 14) излучателем эле¬ ктромагнитных волн был вибратор — два стержня с металлическими шарами на концах, источником напряжения пи¬ тания вибратора — индукционная ка¬ тушка Румкорфа (есть в каждом школь¬ ном физическом кабинете), а обнару¬ жителем электромагнитной энергии — резонатор, представляющий собой не¬ замкнутый виток провода, тоже с шара¬ ми на концах. Половинки вибратора за¬ ряжались до столь высокого напряже¬ ния, что между внутренними шарами
18 Беседа первая через воздух проскакивала электричес¬ кая искра — искусственная молния в миниатюре. Происходил электричес¬ кий разряд. В этот момент, длившийся малые доли секунды, вибратор излучал короткую серию быстропеременных затухающих, т.е. убывающих по ампли¬ туде, электромагнитных волн. Пересе¬ кая провод резонатора, расположенно¬ го поблизости, электромагнитная энер¬ гия возбуждала в нем электрические ко¬ лебания, о чем свидетельствовала очень слабая искра, появляющаяся между ша¬ рами резонатора. Еще разряд — и новая очередь затухающих электромагнит¬ ных колебаний возбуждала в резонато¬ ре слабый переменный ток. Рис. 14. Опытная установка Г. Герца для воз¬ буждения и обнаружения электромагнитных волн и графическое изображение затухающих электромагнитных волн. Так Генрих Герц нашел способ воз¬ буждения электромагнитных волн и их обнаружения. Но он не представлял се¬ бе путей практического использования своего открытия. ЗАРОЖДЕНИЕ РАДИОТЕХНИКИ Одним из первых, кто по достоин¬ ству оценил труды Герца и других уче¬ ных, занимавшихся исследованием электромагнитных колебаний, был преподаватель минного офицерского класса в Кронштадте Александр Степа¬ нович Попов. Читая лекции об электро¬ магнитных явлениях и сопровождая их демонстрацией приборов собственно¬ го изготовления, А. С. Попов высказал смелую по тому времени мысль о воз¬ можности использования электромаг¬ нитных волн для передачи сигналов на расстояние без проводов. Александр Степанович Попов Это было в последнем десятилетир прошлого века. В то время русский во¬ енный флот оснащался новой боевой техникой. Для преодоления морских просторов обновленному флоту нужны были более совершенные средства свя¬ зи. И русский ученый искал их. После множества опытов и экспериментов А. С. Попов создал прибор, реагиро¬ вавший на электромагнитные волны. Источником электромагнитных волн был такой же вибратор, как в опытной установке Герца, но дополненный отрезками проволоки для лучшего излу¬
Беседа первая 19 чения. Прием осуществлялся другим от¬ резком проволоки, соединенным с при¬ бором, сконструированным А. С. Попо¬ вым. Как только вибратор начинал излучать электромагнитную энергию, приемный прибор отзывался на нее трелью звонка. 25 апреля (7 мая) 1895 г. Александр Степанович в Петербурге (ныне Санкт- Петербург) на заседании Русского фи¬ зико-химического общества сделал до¬ клад об изобретенном способе приема электромагнитных волн без проводов. Тот исторический день конца девятнад¬ цатого века, когда А. С. Попов заявил о новом направлении науки и техники, мы отмечаем ежегодно как День радио. Продолжая опыты, А. С. Попов об¬ наружил, что на сконструированный им прибор действуют и атмосферные электрические разряды — молнии. Это навело ученого на мысль об использо¬ вании приемника для сигнализации о приближающихся грозах, что и было проверено в одной из петербургских обсерваторий. Рис. 15. Эскизный чертеж приемника А. С. Попова Эскизный чертеж исторического приемника А. С. Попова ты видишь на рис. 15. Всмотрись в него внимательно, попробуй разобраться в нем и понять, как приемник действует. Не считая ба¬ тареи, в приемнике три прибора: коге¬ рер (изобретен в 1880 г. французским ученым Эдуардом Бранли), электриче¬ ский звонок и электромагнитное ре¬ ле — электромагнит, притягивающий якорь, если через его обмотку течет ток. Когерер представляет собой стек¬ лянную трубку с мелкими металличес¬ кими опилками внутри. С помощью тонких металлических полосок он под¬ вешен между опорами 1 и 2. Через об¬ мотку реле одна контактная пластинка когерера соединена с положительным, а вторая — с отрицательным полюсами батареи. Это первая электрическая цепь приемника Если якорь реле при¬ жать к сердечнику, чтобы конец его коснулся винта 3, то образуется вторая электрическая цепь приемника — цепь электрического звонка. Когерер в разных условиях облада¬ ет неодинаковой проводимостью тока. Находящиеся в нем металлические опилки в обычных условиях оказыва¬ ют току большое сопротивление, т. е. плохо пропускают его. В это время ток в первой цепи, в которую включена об¬ мотка реле, настолько мал, что якорь реле не притягивается к сердечнику. Но как только на когерер начнут дейст¬ вовать электромагнитные волны, со¬ противление слоя опилок уменьшится, а ток первой цепи резко возрастет. В этот момент якорь реле притягивает¬ ся к сердечнику и, коснувшись винта 3, замыкает цепь электрического звонка. Сразу же притягивается якорь элект¬ ромагнита этой цепи, и молоточек уда¬ ряет по чашечке звонка. Но якорь эле¬ ктромагнита звонка отходит от кон¬ тактной пружинки и разрывает вторую цепь. Теперь молоточек звонка, отпу¬ щенный электромагнитом, ударяет по когереру и встряхивает опилки, вос¬ станавливая их большое сопротивле¬ ние. Если электромагнитные волны продолжают воздействовать на коге¬ рер, молоточек автоматически ударяет то по чашечке звонка, то по когереру. Когда А. С. Попов присоединял к когереру антенну, чувствительность приемника заметно повышалась. В этом случае приемник реагировал на разря¬ ды молнии, происходящие на расстоя¬ нии до 30 км. А так как приемник отзы¬
20 Беседа первая Радиостанция А. С. Попова на о. Гогланд вался не только на искусственно со¬ здаваемые электромагнитные волны, но и на те, которые возникают в атмо¬ сфере перед грозой, А. С. Попов назвал его грозоотметчиком. Спустя менее года после историче¬ ского заседания Русского физико-хи¬ мического общества, 24 марта 1896 г. произошло новое крупное событие в истории радио. В этот день А. С. По¬ пов докладывал ученым о возможности передачи и приема радиосигналов с за¬ писью на ленту телеграфного аппарата. Когда докладчик умолк, в аудитории послышался стук телеграфного аппа¬ рата, соединенного с приемником: Александр Степанович принимал ра¬ диограмму, передаваемую его ближай¬ шим помощником Петром Николаеви¬ чем Рыбкиным. Летом того же 1896 г. в печати по¬ явилось сообщение о том, что итальян¬ ский инженер Гульельмо Маркони па¬ тентует в Англии устройство для бес¬ проволочного телеграфа. Однако толь¬ ко годом позже, когда стали известны подробности приборов Маркони, оказа¬ лось, что его передающее устройство аналогично передатчику Г. Герца, а при¬ емник — копия приемника А. С. Попо¬ ва. Будучи предприимчивым человеком, Маркони сумел привлечь внимание к радиотелеграфии деловых кругов Ве¬ ликобритании и в 1897 г. организовал крупное Акционерное общество Мар¬ кони и К°. Большие материальные воз¬ можности и привлечение к работе мно¬ гих видных ученых и инженеров позво¬ лили Маркони добиться в будущем больших успехов в практической реали¬ зации радиотелеграфии. Продолжая совершенствовать свои приборы, А. С. Попов постепенно уве¬ личивал дальность радиосвязи. Весной 1897 г. были переданы радиосигналы с корабля на берег на расстояние 640 м. А в 1899 г., после открытия возможнос¬ ти приема радиосигналов с помощью телефонных трубок на слух, дальность радиосвязи достигла уже 35 км. Это был новый успех, послуживший толчком к развитию радиотелеграфа в России. Доказать жизненную необходи¬ мость нового средства связи А. С. По¬ пову помогли и непредвиденные обсто¬ ятельства. В ноябре 1899 г. во время
Беседа первая 21 снежного шторма у пустынных бере¬ гов о. Гогланд в Финском заливе сел на камни броненосец «Генерал-адмирал Апраксин». От острова до ближайшего на материке г. Котки (Финляндия) око¬ ло 44 км. А. С. Попов и П. Н. Рыбкин для обеспечения надежной двусторон¬ ней связи установили на острове и ма¬ терике приемно-передающие радио¬ станции. Линия радиосвязи действова¬ ла с февраля по апрель 1900 г. пока ве¬ лись спасательные работы. За это время было передано и принято 440 ра¬ диограмм. Одна из них оказала людям неоценимую услугу. Случилось это 6 февраля 1900 г. П. Н. Рыбкин, находившийся на о. Гог¬ ланд, принял от А. С. Попова из г. Котки радиограмму: «Командиру «Ермака». Около Лавенсаари оторвало льдину с рыбаками. Окажите помощь». Ледо¬ кол «Ермак» немедленно вышел на по¬ иски в море и снял с льдины 27 рыбаков. Люди были спасены благодаря радио. Работы А. С. Попова получили вы¬ сокую оценку не только в России, но и за рубежом: его приемник в 1900 г. был удостоен Большой золотой медали на Всемирной выставке в Париже. В сентябре того же 1900 г. начала дей¬ ствовать Кронштадтская радиомастер¬ ская, основанная Главным командиром Кронштадтского порта вице-адмира- лом С. О. Макаровым и А. С. Поповым. Одна из радиостанций, состоящая из искрового передатчика и детекторного приемника, изготовленных в этой ра¬ диомастерской, в 1903 г. была установ¬ лена на крейсере «Аврора». Велико значение трудов нашего со¬ отечественника А. С. Попова. Он пер¬ вым правильно оценил огромное прак¬ тическое значение электромагнитных волн, сумел поставить их на службу че¬ ловеку и тем самым положил начало новой эпохе в развитии мировой науки и техники — эпохе радиотехники. ПЕРВЫЕ УСПЕХИ РАДИОДЕЛА В РОССИИ В 1918 г. в Низшем Новгороде была создана радиолаборатория. Это, по су¬ ществу, был первый радиотехнический университет, сыгравший большую роль в развитии радиофикации и ра¬ диовещания в нашей стране. Нижегородской радиолаборатори¬ ей руководил крупнейший русский изо¬ бретатель в области радио, создатель первых мощных радиовещательных станций Михаил Александрович Бонч- Бруевич. Под его руководством было налажено производство радиоламп, а осенью 1920 г. закончена постройка первой радиотелефонной станции, пе¬ редававшей по радио живую человечес¬ кую речь на большие расстояния. В 1924 г. принимается постановле¬ ние «О частных приемных станциях», положившее начало широкой радиофи¬ кации страны, развитию радиовещания и радиолюбительства. В том же 1924 г. многочисленные друзья радио, увле¬ ченные радиотехникой, получили пер¬ вый номер своего журнала «Радиолю¬ битель». С него-то, переименованного позже в журнал «Радио», по существу, и началась летопись нашего радиолю¬ бительства. Начался выпуск радиопри¬ емников, деталей для самостоятельного изготовления радиоаппаратуры. Но, юный друг, радиовещание и радиосвязь не единственные области современной радио- техники. Радиотехника сегодня — это телевидение и радиолокация, радионавигация, ра¬ диоастрономия и телемеханика, звукозапись и многие другие отрасли и разделы науки и техники. С некоторыми из них я намерен познакомить тебя в следующих беседах. Нач¬ ну же с наиболее широкой области применения радиотехники — техники радиовещания.
БЕСЕДА ВТОРАЯ О КОЛЕБАНИЯХ И ВОЛНАХ, ТЕХНИКЕ РАДИОПЕРЕДАЧИ И РАДИОПРИЕМА Слово «радио» происходит от латинского radiare — излучать или испускать лучи. Радио¬ вещательная станция, например, подобно Солнцу излучает радиоволны во все стороны по радиусам. Лишь некоторые радиостанции специального назначения излучают радио¬ волны в каком-то одном направлении. Если бы ты пришел на территорию радиовеща¬ тельной станции, то, прежде всего, увидел бы вертикальную ажурную металлическую мачту или провода, поднятые высоко над землей. Это — антенна. Рядом или неподале¬ ку — здание, где находится передатчик, вырабатывающий электрические колебания вы¬ сокой частоты, которые антенна преобразует в энергию радиоволн. К передатчику от радиостудии, а она может находиться далеко от передатчика, идет подземный ка¬ бель — хорошо изолированные провода в прочной оболочке. В студии установлен микро¬ фон. Не только голос диктора, разговор людей и звуки музыки, но и шепот, шорохи мик¬ рофон мгновенно превращает в электрические колебания звуковой частоты, которые по кабелю поступают к передатчику, чтобы «внедриться» в его высокочастотные колеба¬ ния. Скольким еще преобразованиям подвергается переменный ток звуковой частоты, прежде чем приемник превратит его снова в звуки! Приемник будет первым твоим практическим шагом к познанию радиотехники. А что¬ бы этот шаг был уверенным, надо разобраться в сущности тех физических явлений, ко¬ торые лежат в основе техники радиопередачи и радиоприема, поговорить о природе зву¬ ка и несколько больше, чем в первой беседе, о переменном токе и его свойствах.
Беседа вторая 23 КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ Вокруг нас все время рождаются и затухают колебательные явления. Ко¬ леблется ветка, с которой слетела птица. Колеблются маятники часов, качели. Под действием ветра колеблются дере¬ вья, провода, подвешенные на столбах, колеблется вода в озерах и морях. Вот ты бросил на гладкую поверх¬ ность озера камень, и от него побежали волны (рис. 16). Что произошло? Части¬ цы воды в месте удара камня вдавились, вытеснив соседние частицы, и на по¬ верхности воды образовался кольцеоб¬ разный горб. Затем в месте падения камня вода поднялась вверх, но уже вы¬ ше прежнего уровня — за первым гор¬ бом появился второй, а между ними — впадина. Далее частицы воды продол¬ жают перемещаться попеременно вверх и вниз — колеблются, увлекая за собой все больше и больше соседних частиц воды. Образуются волны, расхо¬ дящиеся от места своего возникнове¬ ния концентрическими кругами. Подчеркиваю — частицы воды толь¬ ко колеблются, но не движутся вместе с волнами. В этом нетрудно убедиться, бросив на колеблющуюся поверхность воды щепку. Если нет ветра или течения воды, щепка будет лишь опускаться и подниматься над уровнем воды, не пе¬ ремещаясь вместе с волнами. Водяные волны могут быть больши¬ ми, т.е. сильными, или маленькими — слабыми. Сильными мы называем та¬ кие волны, которые имеют большой размах колебаний, как говорят, боль¬ шие амплитуды колебаний. Слабые волны имеют малые горбы — неболь¬ шую амплитуду. Чем больше амплиту¬ да возникших волн, тем большую энер¬ гию они несут в себе. Энергия волн, возникших от бро¬ шенного камня, относительно невели¬ ка, однако она может заставить коле¬ баться камыш и траву, растущие в озе¬ ре. Но мы знаем, какие большие раз¬ рушения берега могут производить морские волны, обладающие больши¬ ми амплитудами и, следовательно, большой энергией. Эти разрушения осуществляются именно той энерги¬ ей, которую волны непрерывно отда¬ ют берегу. Волны могут быть частыми или ред¬ кими. Чем меньше расстояние между гребнями бегущих волн, тем короче каждая взятая в отдельности волна; чем больше расстояние между волнами, тем длиннее волна. Длиной волны на воде мы называем расстояние между двумя соседнимк бегущими гребнями или впадинами. По мере удаления волн от места возникновения их амплитуды постепенно уменьшаются, затухают, но длина волн остается неизменной. Волны на воде можно также созда¬ вать, например, погружая в воду палку и ритмично, в такт с колебаниями во¬ ды, опуская и поднимая ее. И в этом случае волны будут затухающими. Но существовать они будут лишь до тех пор, пока мы не прекратим возмущать поверхность воды. А как возникают колебания обыч¬ ных качелей? Это ты хорошо знаешь: их надо подтолкнуть, вот они и будут качаться из стороны в сторону. Чем сильнее толчок, тем больше амплитуда колебаний. Эти колебания будут зату¬ хать, если не поддерживать их допол¬ нительными толчками. Такие и многие другие подобные механические коле¬ бания мы видим. В природе же больше невидимых колебаний, которые мы слышим, ощущаем в виде звука. Не всегда, например, можно заметить ко¬ лебания струны музыкального инстру¬ мента, но мы слышим, как она звучит. При порывах ветра в трубе возникает звук. Его создают колебательные дви¬ жения воздуха в трубе, которые мы не видим. Звучат камертон, стакан, лож¬ ка, тарелка, ученическое перо, лист бу¬ маги — они тоже колеблются. Да, юный друг, мы живем в мире звуков, потому что многие окружаю¬ щие нас тела, колеблясь, звучат. Как возникают звуковые волны в воздухе ? Воздух состоит из невидимых
24 Беседа вторая для глаз частиц. При ветре они могут переноситься на большие расстояния. Но они, кроме того, могут и колебаться. Например, если в воздухе сделать рез¬ кое движение палкой, то мы почувству¬ ем легкий порыв ветра и одновременно услышим слабый звук. Звук этот — ре¬ зультат колебаний частиц воздуха, воз¬ бужденных колебаниями палки. Проведи такой опыт. Оттяни стру¬ ну, например, гитары, а потом отпусти ее. Струна начнет дрожать — колебать¬ ся относительно своего первоначаль¬ ного положения покоя. Достаточно сильные колебания струны заметны на глаз. Слабые колебания струны можно только почувствовать, как легкое ще¬ котание, если прикоснуться к ней паль¬ цем. Пока струна колеблется, мы слы¬ шим звук. Как только струна успокоит¬ ся, звук затихнет. Рождение звука здесь — результат сгущения и разре¬ жения частиц воздуха. Колеблясь из стороны в сторону, струна теснит, как бы прессует перед собой частицы воз¬ духа, образуя в некотором его объеме области повышенного давления, а сза¬ ди, наоборот, области пониженного давления. Это и есть звуковые волны. Распространяясь в воздухе со скоро¬ стью около 340 м/с, они несут в себе некоторый запас энергии. В тот мо¬ мент, когда до уха доходит область по¬ вышенного давления звуковой волны, она надавливает на барабанную пере¬ понку, несколько прогибая ее внутрь. Когда же до уха доходит разреженная область звуковой волны, барабанная перепонка выгибается несколько нару¬ жу. Барабанная перепонка все время колеблется в такт с чередующимися областями повышенного и пониженно¬ го давления воздуха. Эти колебания пе¬ редаются по слуховому нерву в мозг, и мы воспринимаем их как звук. Чем больше амплитуды звуковых волн, тем больше энергии несут они в себе, тем громче воспринимаемый нами звук. Звуковые волны, как и водяные или электрические колебания, изобража¬ ют волнистой линией — синусоидой. Ее горбы соответствуют областям повы¬ шенного давления, а впадины — облас¬ тям пониженного давления воздуха. Область повышенного давления и сле¬ дующая за нею область пониженного давления образуют звуковую волну. Мы живем и в мире электромагнит¬ ных колебаний, излучаемых электриче¬ скими приборами и всеми проводами, в которых течет переменный ток, огром¬ ным числом антенн радиостанций, ат¬ мосферными электрическими разряда¬ ми, недрами Земли и бесконечным Кос¬ мосом. Только с помощью приборов, созданных человеком, они могут быть обнаружены и зафиксированы. ПЕРИОД И ЧАСТОТА КОЛЕБАНИЙ Важнейшим параметром, характе¬ ризующим механические, звуковые, электрические, электромагнитные и все другие виды колебаний, является период — время, в течение которого совершается одно полное колебание. Если, например, маятник часов-ходи- ков делает за 1 с два полных колебания, период каждого колебания равен 0,5 с. Период колебаний больших качелей около 2 с, а период колебаний струны может составлять от десятых до десяти¬ тысячных долей секунды.
Беседа вторая 25 Другим параметром, характеризу¬ ющим колебания, является частота (от слова «часто») — число, показываю¬ щее, сколько полных колебаний в се¬ кунду совершают маятник часов, зву¬ чащее тело, ток в проводнике и т.п. Ча¬ стоту колебаний оценивают единицей, носящей название герц (сокращенно пишут Гц). 1 Гц — это одно колебание в секунду. Если, например, звучащая струна совершает 440 полных колеба¬ ний в 1 с (при этом она создает тон «ля» третьей октавы), говорят, что частота ее колебаний 440 Гц. Частота перемен¬ ного тока электроосветительной сети 50 Гц. При таком токе электроны в про¬ водах сети в течение секунды текут по¬ переменно 50 раз в одном направлении и столько же раз в обратном, т.е. совер¬ шают за 1 с 50 полных колебаний. Более крупные единицы частоты — килогерц (пишуткГц), равный 1000 Гц, и мегагерц (пишут МГц), равный 1000 кГц или 1 000 000 Гц. По частоте колебаний звучащего тела можно судить о тоне, или высоте звука. Чем больше частота, тем выше тон звука, и, наоборот, чем меньше ча¬ стота, тем ниже тон звука. Наше ухо способно реагировать на сравнительно небольшую полосу (участок) частот звуковых колебаний — примерно от 20Ч|Гц до 20 кГц. Тем не менее, эта по¬ лоса частот вмещает всю обширней¬ шую гамму звуков, создаваемых голо¬ сом человека, симфоническим оркест¬ ром: от очень низких тонов, похожих на звук жужжания жука, до еле улови¬ мого высокого писка комара. Колеба¬ ния частотой до 20 Гц, называемые ин- фразвуковыми, и свыше 20 кГц, назы¬ ваемые ультразвуковыми, мы не слы¬ шим. А если бы барабанная перепонка нашего уха оказалась способной реаги¬ ровать и на ультразвуковые колебания, мы могли бы тогда услышать писк лету¬ чих мышей, голос дельфина. Дельфины издают и слышат ультразвуковые коле¬ бания с частотами до 180 кГц. Но, юный друг, не путай высоту, т.е. тон звука, с силой его. Высота звука зависит не от амплитуды, а от частоты колебаний. Толстая и длинная струна музыкального инструмента, например, создает низкий тон звука, т.е. колеб¬ лется медленнее, чем тонкая и корот¬ кая струна, создающая высокий тон звука. Разобраться в этом вопросе тебе поможет рис. 17. Рис. 17. Чем больше частота колебаний стру¬ ны, тем короче звуковые волны и тем выше тон звука В электро- и радиотехнике исполь¬ зуют переменные токи частотой от нескольких герц до тысяч гигагерц. Ан¬ тенны широковещательных радиостан¬ ций, например, питаются токами часто¬ той примерно от 150 кГц до 100 МГц. Эти быстропеременные колебания, на¬ зываемые колебаниями радиочастоты, и являются тем средством, с помощью ко¬ торого осуществляется передача звуков на большие расстояния без проводов. Весь огромный диапазон перемен¬ ных токов принято подразделять на не¬ сколько участков — поддиапазонов. Токи частотой от 20 Гц до 20 кГц, соот¬ ветствующие колебаниям, восприни¬ маемым нами как звуки разной то¬ нальности, называют токами (или ко¬ лебаниями) звуковой частоты, а токи частотой выше 20 кГц — токами ульт¬ развуковой частоты. Токи частотой от 100 кГц до 30 МГц называют токами высокой частоты, а токи частотой вы¬ ше 30 МГц — токами ультравысокой и сверхвысокой частоты. Запомни хорошенько эти границы и названия поддиапазонов частот пере¬ менных токов. Время
26 Беседа вторая О МИКРОФОНЕ И РАДИОВОЛНАХ Предположим, ты снимаешь труб¬ ку телефонного аппарата, набираешь или называешь нужный номер. Вскоре ты слышишь голос товарища, а он — твой. Какие электрические явления происходят во время вашего телефон¬ ного разговора? Звуковые колебания воздуха, со¬ зданные тобой, преобразуются микро¬ фоном в электрические колебания зву¬ ковой частоты, которые по проводам передаются к аппаратуре твоего собе¬ седника. Там, на другом конце линии, они с помощью излучателя телефона преобразуются в колебания воздуха, воспринимаемые твоим приятелем как звуки. В телефонии средством связи между аппаратами служат провода, а в радиовещании — радиоволны. В телефонии для преобразования звука в электрические колебания звуко¬ вой частоты используют обычно уголь¬ ные микрофоны, а в радиовещании — электродинамические, конденсаторные и электретные. Примером микрофона электродинамического типа может слу¬ жить, например, микрофон МД-42 и МД-47 (рис. 18), используемый радио¬ любителями в аппаратуре звукозаписи. Он имеет сильный постоянный магнит 2, напоминающий толстостенный ста¬ кан, с круглым сердечником-керном 3 в середине. Такой магнит, если разрезать его вдоль, похож на букву Ш. К стороне, противоположной «дну» магнита, при¬ креплен фланец 5 — стальная накладка с круглым отверстием в середине. Меж¬ ду фланцем и керном магнита образует¬ ся узкий воздушный кольцевой зазор, в котором действует сильное магнитное поле. В кольцевом магнитном поле, не касаясь ни керна, ни фланца, находится звуковая катушка 4 из изолированного провода. Катушка скреплена с мембра¬ ной б, сделанной из алюминиевой фоль¬ ги или пластмассы. Края мембраны гоф¬ рированы, благодаря чему она и скреп¬ ленная с ней звуковая катушка облада¬ ют подвижностью. Весь механизм мик¬ рофона находится в металлическом корпусе 1. В крышке корпуса сделаны отверстия для прохода звуковых волн. Принцип работы такого микрофона основан на свойствах электромагнит¬ ной индукции, о которой я рассказывал тебе в первой беседе. Пока катушка ми¬ крофона неподвижна, в ней не индуци¬ руются электрические колебания, хотя она и находится в самой гуще магнит¬ ных силовых линий. Но вот перед мик¬ рофоном зазвучала, например, струна. Сразу же в такт с областями понижен¬ ного и повышенного давления звуко¬ вых волн начинает колебаться мембра¬ на. Колеблясь, она увлекает за собой катушку. При этом катушка пересекает магнитные силовые линии и в ней инду¬ цируется переменное напряжение той же частоты, что и у звуковых колеба¬ ний. Чем выше тон звука, тем выше ча¬ стота этого тона. Чем громче звук, тем больше амплитуда электрических коле¬ баний звуковой частоты. Рис. 18. Внешний вид и устройство электроди¬ намического микрофона МД-42 и МД-47 В микрофонной подставке нахо¬ дится трансформатор 7, с помощью ко¬ торого напряжение звуковой частоты, созданное электромагнитной системой микрофона, повышается, далее усили¬ вается до необходимого уровня студий¬ ным усилителем и от него передается по проводам к передатчику.
Беседа вторая 27 «Сердцем» передатчика любой ра¬ диостанции является генератор — уст¬ ройство, вырабатывающее колебания высокой, но строго постоянной для дан¬ ной радиостанции частоты. Эти колеба¬ ния радиочастоты, усиленные до необ¬ ходимой мощности, поступают в антен¬ ну и возбуждают в окружающем ее пространстве электромагнитные коле¬ бания точно такой же частоты — радио¬ волны. Скорость удаления радиоволн от антенны радиостанции равна скоро¬ сти света — 300 ООО км/с, что почти в миллион раз быстрее распространения звука в воздухе. Это значит, что если на Московской радиовещательной стан¬ ции в некоторый момент времени включили передатчик, то ее радиовол¬ ны меньше чем за 1/30 с дойдут до Вла¬ дивостока, а звук за это время успеет распространиться всего на 10—11 м. Радиоволны распространяются не только в воздухе, но и там, где его нет, например в космическом пространст¬ ве. Этим они отличаются от звуковых волн, для которых совершенно необхо¬ дим воздух или какая-либо другая плот¬ ная среда, например вода. Когда радиовещательная станция начинает свои передачи, диктор иногда сообщает, что данная радиостанция ра¬ ботает на волне такой-то длины. Волну, бегущую по поверхности воды, мы ви¬ дим и при известной ловкости можем измерить ее длину. Длину же радио¬ волн можно измерить только с помо¬ щью специальных приборов или рас¬ считать математическим путем, если, конечно, известна частота тока, воз¬ буждающего эти волны. Длина радиоволны — это расстоя¬ ние, на которое распространяется энер¬ гия электромагнитного поля за период колебания тока в антенне радиостанции. Понимать это надо так. За время одного периода тока в антенне передатчика в пространстве вокруг нее возникает одна радиоволна. Чем выше частота тока, тем больше следующих друг за другом ра¬ диоволн излучается антенной в течение каждой секунды. Допустим, что частота тока в антенне радиостанции составляет 1 МГц. Значит, период этого тока и воз¬ бужденного им электромагнитного поля равен одной миллионной доле секунды. За 1 с радиоволна проходит расстояние 300 000 км, или 300 000 000 м. За одну миллионную долю секунды она пройдет расстояние в миллион раз меньше, т.е. 300 000 000 : 1 000 000. Следовательно, длина волны данной радиостанции рав¬ на 300 м. Итак, длина волны радиостанции зависит от частоты тока в ее антенне: чем больше частота тока, тем короче волна, и наоборот, чем меньше частота тока, тем длиннее волна. Чтобы узнать длину волны радиостанции, надо ско¬ рость распространения радиоволн, вы¬ раженную в метрах,/ разделить на час¬ тоту тока в ее антенне. И наоборот, что¬ бы узнать частоту тока в антенне радиостанции, надо скорость распро¬ странения радиоволн разделить на дли¬ ну волны этой радиостанции. Для перевода частоты тока пере¬ датчика в мегагерцах в длину волны в метрах и обратно удобно пользоваться такими формулами: А,(м) = ЗООЛ(МГц); Г(МГц) = 300А(м), где X (греческая буква «лямбда») — длина волны; f — частота колебаний; 300 — скорость распространения ра¬ диоволн, выраженная в тысячах кило¬ метров в секунду. Хочу тебя предупредить: не путай понятие о длине волны, на которой ра¬ ботает радиостанция, с дальностью ее действия, т.е. с расстоянием, на кото¬ ром передачи этой станции могут быть приняты. Дальность действия радио¬ станций, правда, зависит от длины вол¬ ны, но не отождествляется с нею. Так, передача станции, работающей на вол¬ не длиной в несколько десятков мет¬ ров, может быть услышана на расстоя¬ нии в несколько тысяч километров, но не всегда слышна на более близких расстояниях. В то же время передача радиостанции, работающей на волне длиной в сотни и тысячи метров, часто не слышна на таких больших расстоя¬
28 Беседа вторая ниях, на которых слышны передачи ко¬ ротковолновых станций. Итак, каждая радиовещательная станция работает на определенной, от¬ веденной для нее частоте, называемой несущей. Длины волн различных ра¬ диостанций неодинаковы, но строго постоянны для каждой из них. Это и да¬ ет возможность принимать передачи каждой радиостанции в отдельности, а не все одновременно. РАДИОВЕЩАТЕЛЬНЫЕ ДИАПАЗОНЫ ВОЛН Весьма широкий участок радио¬ волн, отведенный для радиовещатель¬ ных станций, условно подразделен на несколько диапазонов: длинноволно¬ вый (сокращенно ДВ), средневолно¬ вый (СВ), коротковолновый (КВ), ульт¬ ракоротковолновый (УКВ). Длинно¬ волновый диапазон охватывает радио¬ волны длиной от 735,3 до 2000 м, что соответствует частотам 408—150 кГц; средневолновый — радиоволны дли¬ ной от 186,9 до 571,4 м (радиочастоты 1605—525 кГц); коротковолновый — радиоволны длиной от 24,8 до 75,5 (радиочастоты 12,1—3,95 МГц); ульт¬ ракоротковолновый — радиоволны д/шной от 4,11 до 4,56 м (радиочастоты 3—65,8 МГц). Радиоволны УКВ диапазона назы¬ вают также метровыми волнами; вооб¬ ще же ультракороткими волнами назы¬ вают все волны короче 10 м. В этом ди¬ апазоне ведутся телевизионные пере¬ дачи, работают связные радиостанции, оборудованные на автомашинах по¬ жарной охраны, такси, медицинского обслуживания населения на дому, бе¬ зопасности уличного движения. Радиочастоты коротковолновых ве¬ щательных станций неравномерно рас¬ пределены по диапазону: больше всего их работает на волнах длиной около 25, 31, 41 и 50 м. Соответственно этому ко¬ ротковолновый радиовещательный ди¬ апазон подразделяется на 25-, 31-, 41- и 50-метровый поддиапазоны. По международному соглашению волна длиной 600 м (500 кГц) отведена для передачи сигналов бедствия кораб¬ лями в море — SOS. На этой волне ра¬ ботают все морские аварийные радио¬ передатчики, на эту волну настроены приемники спасательных станций и маяков. РАДИОПЕРЕДАЧА Если сложное техническое оснаще¬ ние радиовещательной станции изоб¬ разить упрощенно в виде условных знаков и прямоугольников, то получит¬ ся ее структурная схема в таком виде, как показано на рис. 19. Здесь пять ос¬ новных приборов и устройств: студий¬ ный микрофон, усилитель звуковой ча¬ стоты (34), генератор колебаний ра¬ диочастоты (РЧ), усилитель мощности колебаний радиочастоты и антенна, из¬ лучающая электромагнитную энергию радиоволн. Пока студийный микрофон не включен, в антенне станции течет ток высокой (несущей), но строго по¬ стоянной частоты и амплитуды (см. ле¬ вые части графиков на рис. 20). Антен¬ на при этом излучает радиоволны неиз¬ менной длины и мощности. Рис. 19. Структурная схема радиовещательной станции Но вот в студии включили микро¬ фон, и люди, находящиеся за десятки,
Беседа вторая 29 сотни и тысячи километров от радио¬ станции, услышали знакомый голос диктора. Что же в это время происходит в передатчике радиостанции? Колеба¬ ния звуковой частоты, созданные мик¬ рофоном и усиленные студийным уси¬ лителем 34, попадают в так называе¬ мый модулятор, входящий в усилитель мощности передатчика, и там, воздейст¬ вуя на ток высокой частоты генератора, изменяют его амплитуду колебаний. От этого изменяется излучаемая антенной передатчика электромагнитная энергия (см. первые части графиков на рис. 20). Чем больше частота тока, поступающе¬ го из радиостудии в передатчик, тем с большей частотой изменяются амплиту¬ ды тока в антенне. Рис. 20. При действии звука на микрофон ток высокой частоты в антенне передатчика изме¬ няется по амплитуде Так звук, преобразованный микро¬ фоном в электрические колебания зву¬ ковой частоты, получает «путевку» в эфир. Процесс изменения амплитуд вы¬ сокочастотных колебаний под действи¬ ем тока звуковой частоты называют амплитудной модуляцией (AM). Изме¬ няемые же по амплитуде токи высокой частоты в антенне и излучаемые ею ра¬ диоволны носят название модулиро¬ ванных колебаний радиочастоты. Кроме амплитудной модуляции су¬ ществует еще так называемая частот¬ ная модуляция (ЧМ). При таком виде модуляции изменяется частота, а амп¬ литуда колебаний радиочастоты в ан¬ тенне радиостанции остается неизмен¬ ной. Частотную модуляцию применя¬ ют, например, для передачи звукового сопровождения в телевидении, в ра¬ диовещании на УКВ. В радиовещании на ДВ, СВ и КВ используют только амп¬ литудную модуляцию. Радиоволны не могут быть обнару¬ жены ни одним органом наших чувств. Но если на их пути встречается провод¬ ник, они отдают ему часть своей энер¬ гии. На этом явлении и основан прием радиопередач. Улавливание энергии радиоволн приемником осуществляет его антенна. Отдавая антенне часть электромагнитной энергии, радиовол¬ ны индуцируют в ней модулированные колебания радиочастоты. В приемнике происходят процессы, обратные тем, которые осуществляют¬ ся в студии и на передатчике радиостан¬ ции. Если там звук последовательно преобразуется сначала в электрические колебания звуковой частоты, а затем в модулированные колебания радиочас¬ тоты, то при радиоприеме решается об¬ ратная задача: модулированные колеба¬ ния радиочастоты, возбужденные в ан¬ тенне, приемник преобразует в элект¬ рические колебания звуковой частоты, а затем в звук. В простейшем приемни¬ ке, работающем только благодаря энер¬ гии, уловленной антенной, модулиро¬ ванные колебания радиочастоты преоб¬ разуются в колебания звуковой частоты детектором, а эти колебания в звук — головными телефонами. Но ведь антенну приемника прони¬ зывают радиоволны множества радио¬ станций, возбуждая в ней модулиро¬ ванные колебания самых различных радиочастот. И если все эти радио сиг¬ налы преобразовать в звуки, то мы ус¬ лышали бы сотни голосов людей, разго¬ варивающих на разных языках. Вряд ли такой радиоприем нас устроил бы. Разумеется, интересно послушать пе¬ редачи разных станций, но только, ко¬ нечно, не все одновременно, а каждую в отдельности. А для этого из колеба¬ ний всех частот, возбуждающихся в
30 Беседа вторая антенне, надо выделить колебания с ча¬ стотой той радиостанции, передачи ко¬ торой мы хотим слушать. Эту задачу выполняет колебательный контур, яв¬ ляющийся обязательной частью как са¬ мого простого, так и самого сложного радиовещательного приемника. Имен¬ но с помощью колебательного контура ты будешь в следующей беседе настра¬ ивать свой первый приемник на сигна¬ лы радиостанций разной длины волны. РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН В заключение этой беседы, кото¬ рая, надеюсь, помогла тебе разобрать¬ ся в сущности радиопередачи и радио¬ приема, надо сказать о некоторых осо¬ бенностях распространения радио¬ волн. Дело в том, что радиоволны разных диапазонов обладают неодина¬ ковыми свойствами, влияющими на дальность их распространения. Волны одной длины преодолевают большие расстояния, волны другой длины «те¬ ряются» за пределами горизонта. Бы¬ вает так, что радиосигнал превосходно слышен где-то по ту сторону Земли или в Космосе, но его невозможно обнару¬ жить в нескольких десятках километ¬ ров от радиостанции. Если бы мы настроили приемники на несущие частоты рядом располо¬ женных радиостанций, работающих в диапазонах УКВ, КВ, СВ и ДВ, то, уда¬ ляясь от радиостанций, смогли бы на¬ блюдать такое явление: уже на рассто¬ янии в несколько десятков километров прекратился бы прием УКВ и КВ стан¬ ций, через 800—1000 км перестанут быть слышны передачи СВ, а через 1500—2000 км — и передачи ДВ стан¬ ции. Но на большем расстоянии можно услышать передачу КВ станции. Чем это объяснить? Что влияет на «дальнобойность» радиоволн разной длины? Земля и окружающая ее атмо¬ сфера. Земля — проводник тока, хотя и не такой хороший, как, скажем, медные провода. Земная атмосфера состоит из трех слоев. Первый слой, верхняя гра¬ ница которого кончается в 10... 12 км от поверхности Земли, называется тропо¬ сферой. Над ним, километров до 50 от поверхности Земли, находится второй слой — стратосфера. А выше, пример¬ но до 400 км над Землей, простирается третий слой — ионосфера (рис. 21). Ио¬ носфера играет решающую роль в рас¬ пространении радиоволн, особенно ко¬ ротких. Рис. 21. Пути радиоволн Воздух в ионосфере сильно разре¬ жен. Под действием солнечных излу¬ чений там из атомов газов выделяется много свободных электронов, в ре¬ зультате чего появляются положитель¬ ные ионы. Происходит, как говорят, ионизация верхнего слоя атмосферы. Ионизированный слой способен по¬ глощать радиоволны и искривлять их путь. В течение суток в зависимости от интенсивности солнечного излучения количество свободных электронов в ионизированном слое, его толщина и высота изменяются, а от этого изме¬ няются и электрические свойства это¬ го слоя. Антенны радиостанций излучают радиоволны вдоль поверхности Земли и вверх под различными углами к ней. Волны, идущие вдоль поверхности, на¬ зывают земными или поверхностными, под различными углами — пространст¬ венными. При передаче сигналов ДВ станций используется главным обра¬ зом энергия поверхностных волн, ко¬ торые хорошо огибают поверхность Земли. Но Земля, являясь проводни¬
Беседа вторая 31 ком, поглощает энергию радиоволн. Поэтому по мере удаления от ДВ стан¬ ции громкость приема ее передач по¬ степенно уменьшается и наконец при¬ ем совсем прекращается. Средние волны хуже огибают Зем¬ лю и, кроме того, сильнее, чем длин¬ ные, поглощаются ею. Этим-то и объ¬ ясняется меньшая «дальнобойность» СВ радиовещательных станций по сравнению с ДВ станциями. Так сигна¬ лы радиостанции, работающей на вол¬ не длиной 300—400 м, могут быть при¬ няты на расстоянии, в два-три раза меньшем, чем сигналы станции такой же мощности, но работающей на волне длиной 1500—2000 м. Чтобы повысить дальность действия СВ станций, прихо¬ дится увеличивать их мощность. В вечернее и ночное время суток передачи ДВ и СВ радиостанций мож¬ но слышать на больших расстояниях, чем днем. Дело в том, что излучаемая вверх часть энергии радиоволн этих станций днем бесследно теряется в атмосфере. После же захода Солнца нижний слой ионосферы искривляет их путь так, что они возвращаются к Земле на таких расстояниях, на кото¬ рых прием этих станций поверхност¬ ными волнами уже невозможен. Радиоволны КВ диапазона сильно поглощаются Землей и плохо огибают ее поверхность. Поэтому уже на рас¬ стоянии в несколько десятков километ¬ ров от радиостанций их поверхност¬ ные волны затухают. Но зато простран¬ ственные волны могут быть обнаруже¬ ны приемниками на расстоянии в несколько тысяч километров от них и даже в противоположной точке Земли. Искривление пути пространственных коротких волн происходит в ионосфе¬ ре. Войдя в ионосферу, они могут прой¬ ти в ней очень длинный путь и вернуть¬ ся на Землю далеко от радиостанции. Они могут совершить кругосветное пу¬ тешествие — их можно принять даже в том месте, где расположена передаю¬ щая станция. Этим и объясняется сек¬ рет хорошего распространения корот¬ ких волн на большие расстояния даже при малых мощностях передатчика. Но при распространении коротких волн могут образовываться зоны, где передачи КВ радиостанции вообще не слышны. Их называют зонами молча¬ ния (см. рис. 21). Протяженность зоны молчания зависит от длины волны и со¬ стояния ионосферы, которое, в свою очередь, зависит от интенсивности солнечного излучения. Ультракороткие волны по своим свойствам наиболее близки к световым лучам. Они в основном распространя¬ ются прямолинейно и сильно поглоща¬ ются землей, растительным миром, различными сооружениями, предмета¬ ми. Поэтому уверенный прием сигна¬ лов УКВ станций поверхностной вол¬ ной возможен главным образом лишь тогда, когда между антеннами передат¬ чика и приемника можно мысленно провести прямую линию, не встречаю¬ щую по всей длине каких-либо препят¬ ствий в виде гор, /возвышенностей, ле¬ сов. Ионосфера для УКВ подобна стек¬ лу для света — «прозрачна». Ультрако¬ роткие волны почти беспрепятственно проходят через нее. Поэтому такой ди¬ апазон радиоволн используют для свя¬ зи с искусственными спутниками Зем¬ ли и космическими кораблями. Но наземная дальность действия даже мощной УКВ радиостанции не превышает, как правило, 100—200 км. Лишь путь наиболее длинных волн это¬ го диапазона (8—9 м) несколько ис¬ кривляется нижним слоем ионосферы, как бы пригибая волны к земле. Поэто¬ му расстояние, на котором возможен прием сигналов УКВ передатчика, мо¬ жет быть большим. Иногда, однако, пе¬ редачи УКВ станций слышны на рас¬ стояниях в сотни и тысячи километров от них. Радиолюбители, увлеченные радиоспортом, помогают ученым раскрывать секреты рас- ространения УКВ.
БЕСЕДА ТРЕТЬЯ ТВОЙ ПЕРВЫЙ РАДИОПРИЕМНИК Практическое знакомство с радиотехникой обычно начинается с постройки самого про- стого радиовещательного приемника — детекторного. Советую и тебе не нарушать эту радиолюбительскую традицию. Но детекторный приемник, как, впрочем, и некото¬ рые простые транзисторные, не будет удовлетворительно работать без внешней ан¬ тенны и заземления. С них поэтому тебе и придется начать свои первые практические шаги в радиотехнике. АНТЕННА И ЗАЗЕМЛЕНИЕ Слово «антенна» пришло к нам из греческого языка. Греки называли ан¬ тенной щупальца или усики насекомых. Приемная антенна — это тоже щупаль¬ ца, которыми она «захватывает» из про¬ странства энергию радиоволн. Чем боль¬ ше энергии приемник получит от своей антенны, тем громче он будет работать. Это особенно важно для детекторного приемника, который работает исключи¬ тельно благодаря энергии радиоволн. Конструкций антенн много. Боль¬ шая часть из них — это длинные прово¬ да, поднятые высоко над землей. Такие антенны называют наружными, так как находятся снаружи зданий. Те же антен¬ ны, которые располагают внутри зда¬ ний, называют комнатными или внут¬ ренними. Наружные антенны по прием¬ ным свойствам лучше внутренних.
Беседа третья 33 Тебе, пока что начинающему ра¬ диолюбителю, рекомендую соорудить наружную антенну. Однако сначала сделай заземление. Дело в том, что под действием атмосферных разрядов в проводе наружной антенны могут на¬ капливаться столь значительные элект¬ рические заряды, что они будут ощу¬ щаться при прикосновении к проводу. Соединив же с землей провод будущей наружной антенны, ты отведешь заря¬ ды в землю. Рис. 22. Заземление Заземление. Возможно ближе к ок¬ ну, через которое ты предполагаешь вводить провода заземления и антен¬ ны, вырой яму такой глубины, где зем¬ ля всегда сохраняет влагу. В яму уложи какой-нибудь металлический предмет, например старое, но не заржавевшее ведро (рис. 22, а) или лист оцинкован¬ ного железа (рис. 22, б) размерами при¬ мерно 50x100 см, предварительно при¬ паяв к нему отрезок провода такой дли¬ ны, чтобы протянуть его до твоего ра¬ бочего места. Металлический предмет засыпь землей, но осторожно, чтобы не перерубить лопатой провод заземле¬ ния, и хорошо утрамбуй землю. После этого провод заземления прикрепи к стене дома скобами, сделанными из гвоздей или стальной проволоки. Если ты живешь в городе, то зазем¬ лением могут служить трубы водопро¬ вода, центрального парового или водя¬ ного отопления, так как они имеют хо¬ роший электрический контакт с зем¬ лей. Трубу (по возможности ближе к твоему рабочему месту) надо осторож¬ но зачистить до блеска напильником и туго обмотать этот участок трубы кон¬ цом зачищенного медного провода, ко¬ торый пойдет к приемнику. Надежный контакт провода с трубой можно сде¬ лать и с помощью металлического хо¬ мута (рис. 22, в). Наружная антенна. Лучше всего соорудить Г-образную антенну, напо¬ минающую внешним видом букву «Г» (рис. 23). Такая антенна состоит из про¬ вода длиной 20...40 м, подвешенного с помощью опор-мачт на высоту 10... 15 м над землей, и снижения — такого же провода, свисающего вниз, конец кото¬ рого подключают к радиоприемнику. Ту часть снижения, которую вводят в дом, называют вводом антенны. Чем длиннее горизонтальная часть антенны и чем выше она поднята над землей, тем лучше радиоприем. Для такой антенны удобно приме¬ нить антенный канатик — многожиль¬ ный провод, свитый из нескольких тон¬ ких медных проводов, или медную про¬ волоку толщиной 1,5...2 мм. В крайнем случае, можно использовать оцинко¬ ванную стальную или железную про¬ волоку такой же толщины. Более тон¬ кая проволока не годится, антенна из нее полупится непрочной. Непригодна для антедны алюминиевая проволока, так как на воздухе она становится хрупкой и обрывается. Желательно, чтобы горизонталь¬ ная часть, снижение и ввод антенны были сделаны одним отрезком прово¬ да. Если нет провода необходимой дли¬ ны, то соединяемые участки проводов нужно зачистить до блеска, прочно скрутить и обязательно пропаять места скруток. К приемнику 2 Зак. 261
34 Беседа третья Рис. 23. Устройство Г-образной антенны Определяя место подвески гори¬ зонтальной части антенны, учитывай возможность использования крыши своего дома. Близко к железной крыше дома и над деревьями антенну подве¬ шивать не рекомендуется. Если непо¬ далеку проходят провода электричес¬ кого освещения, то горизонтальную часть антенны располагай по возмож¬ ности перпендикулярно им и подальше от них. Имей в виду: категорически запре¬ щается подвешивать провод антенны над линиями электрического освеще¬ ния, телефонными и другими провода¬ ми, а также крепить шесты к водосточ¬ ным, вентиляционным и дымоходным трубам, телефонным столбам, столбам электрического освещения. Для мачт, устанавливаемых на кры¬ шах домов, нужны шесты длиной 3...4 м, диаметром у основания 8... 10 см, а у вершины 4...5 см. В сельской мест¬ ности в качестве одной из опор можно использовать дерево. К шестам, отсту¬ пая от вершины на 15...20 см, прикрепи по три отрезка стальной проволоки ддиной несколько больше длины шес¬ тов, они будут оттяжками. На вершине одного из шестов укрепи блок. Пропус¬ ти через него прочную веревку, а луч¬ ше тонкий металлический трос для подъема горизонтальной части антен¬ ны, а в дальнейшем для регулировки ее натяжения. Под мачты обязательно сделай дощатые опорные площадки с гнездами для их оснований. Устанавли¬ вать мачты удобнее вдвоем — один держит мачту в вертикальном положе¬ нии, а другой закрепляет ее оттяжки на костылях или гвоздях, вбитых в крышу. Если кровля железная, оттяжки можно крепить в закроях железа. Провод горизонтального луча ан¬ тенны подвешивай к мачтам на двух цепочках из антенных изоляторов (рис. 24, а) или фарфоровых роликах (рис. 24, б), используемых для комнат¬ ной электропроводки. В каждой цепоч¬ ке должно быть не менее чем по два изолятора. Одну цепочку крепи к вер¬ шине мачты без блока, вторую — к ве¬ ревке (тросу), перекинутой через блок на второй мачте. Разматывая провод, не выпускай моток из рук, следи за тем, чтобы на проводе не образовывались петли, пе¬ регибы. Ту часть провода, которая будет снижением, временно, пока не закон¬ чишь подъем и крепление горизонталь¬ ной части антенны, соедини с заземле¬ нием. Если для снижения приходится использовать отдельный отрезок прово¬ да, место его скрутки с горизонтальным
Беседа третья 35 лучом обязательно пропаяй. Сильно на¬ тягивать провод горизонтального луча не следует, так как'во время зимних мо¬ розов его длина заметно уменьшается, провод натягивается и может оборвать¬ ся или поломать опоры. Рис. 24. Цепочка изоляторов Чтобы снижение не болталось и не соприкасалось с кровлей или другими частями дома, укрепи на стене или на краю крыши шест или брусок с роликом и привяжи к нему провод снижения. Если в качестве одной опоры ан¬ тенны использовать дерево, то к его стволу нужно привязать шест с блоком на конце, как показано на рис. 23. Сво¬ бодный конец троса, пропущенный че¬ рез блок, к стволу не крепи — во время ветра качающееся дерево может обо¬ рвать провод антенны. К нему надо привязать какой-нибудь груз, напри¬ мер камень. Подбирая массу этого гру¬ за, легко добиться необходимого натя¬ жения горизонтального луча антенны. Если по каким-либо причинам тебе не удастся соорудить Г-образную ан¬ тенну на двух опорах, сделай ее в виде наклонного луча. Для этого потребует¬ ся одна опора высотой 10... 15 м. Второй конец провода крепи на изоляторе воз¬ ле окна, через которое антенну будешь вводить в дом. Если дом высокий, а ты живешь на первом или втором этаже, неплохой наружной антенной может быть провод, вертикально или с накло¬ ном свисающий к твоему окну. Наружная антенна может быть и од¬ номачтовой, например типа «метелка» (рис. 25). Она состоит из 40...80 прутков проволоки без изоляции толщиной 1,0...1,5 мм и длиной по 40...50 см. Прут¬ ки должны быть зачищены с одного конца и туго стянуты концом провода, предназначенного для снижения. Ниж¬ нюю часть метелки желательно залить расплавленным свинцом, чтобы обес¬ печить надежный контакт между от¬ дельными ее прутками. Пучок прутков надо вставить в отверстие большого фарфорового изолятора или толсто¬ стенный фарфоровый либо стеклян¬ ный стакан подходящего диаметра, а затем залить варом или смолой. Сво¬ бодные концы прутков расправляют наподобие метлы. Изолятор крепят к мачте железным хомутиком или прово¬ локой. Рис. 25. Антенна типа «метелка» Вводы антенны и заземления. В сельской местности для оборудования ввода наружной антенны кроме изоля¬ ционных материалов потребуется еще грозовой переключатель — небольшой рубильник с зубчатыми пластинками, образующими искровой промежуток. Провода снижения и заземления вводи внутрь комнаты через отверстия, про¬ сверленные в стене (рис. 26), оконной колодке или не открывающейся раме окна. Сверли их с небольшим накло¬ ном в сторону улицы, чтобы через них в комнату не затекала дождевая вода. Возможно ближе к этим отверстиям укрепи грозовой переключатель. В отверстие для антенного ввода с наружной стороны вставь фарфоро¬ вую воронку, а с внутренней — втулку. Вставь в них резиновую, поливинил¬
36 Беседа третья Рис. 26. Оборудование вводов антенны и заземления и установка грозового переключателя хлоридную или иную изоляционную трубку, а через трубку пропусти конец провода снижения. Если нет фарфоро¬ вых воронки и втулки, можно обойтись одной изоляционной трубкой. Провод заземления вводи без изо¬ ляционных материалов, только со сто¬ роны комнаты вставь в отверстие втул¬ ку, чтобы не испортить внешний вид стены. Ввод антенны укрепи на роли¬ ках и, сделав на конце провода петель¬ ку, закрепи ее под верхний зажим гро- зопереключателя. Ввод заземления прибей к стене проволочными скоба¬ ми. На конце провода заземления тоже сделай петельку и прочно зажми ее под винт ножа грозопереключателя. Далее заготовь два отрезка изолированного провода такой длины, чтобы дотянуть их до твоего рабочего места. Подойдет провод, применяемый для электросети. Концы проводов зачисть от изоляции. Один из них закрепи под нижний сво¬ бодный зажим грозопереключателя, другой — под его верхний зажим (с ко¬ торым соединен ввод антенны). Проти¬ воположными концами эти провода бу¬ дешь подключать к приемнику. Зачем нужен грозопереключатель? Чтобы отводить в землю электрические заряды, возникающие в проводах на¬ ружной антенны под действием различ¬ ных атмосферных явлений. Когда при¬ емником не пользуются, антенна долж¬ на быть заземлена — нож грозопере¬ ключателя устанавливают в верхнее положение. Перед началом радиопере¬ дач нож грозопереключателя переки¬ дывают вниз, переключая заземление на приемник. Если к радиопередаче на¬ чинают примешиваться значительные трески, являющиеся признаком при¬ ближения грозы (в это время заряды из антенны уходят в землю через искровой промежуток), радиоприем желательно прекратить, а антенну заземлить. При этом приемник перестает работать, а создающиеся в антенне электрические заряды через нож переключателя стека¬ ют в землю, не причиняя вреда ни при¬ емнику, ни слушателю. Этих предосторожностей вполне достаточно, чтобы не иметь неприятно¬ стей от наружной антенны во время грозы. Комнатная антенна. Для приема сигналов местной или отдаленной мощной радиовещательной станции можно пользоваться также комнатной антенной. Для ее устройства нужно в углах комнаты под потолком привер¬ нуть фарфоровые ролики и натянуть между ними изолированный или голый провод. Его можно протянуть вдоль од¬ ной, двух, трех или всех четырех стен комнаты. Один из концов провода пой¬ дет вниз, к приемнику. Такая антенна будет тем лучше, чем длиннее ее про¬ вод и чем выше над землей находится комната. Можно также соорудить спираль¬ ную комнатную антенну (рис. 27),
Беседа третья 37 представляющую собой изолирован¬ ный или голый провод длиной 10... 15 м, свитый в спираль на круглой болванке. Спиральную антенну нужно подвесить на шнуре или капроновой леске между стенами комнаты. Снижение к радио¬ приемнику можно сделать от любого конца или витка спирали. жень из феррита марки 400НН или 600НН диаметром 7...8 мм и длиной 120... 140 мм (такие стержни использу¬ ют для магнитных антенн транзистор¬ ных приемников), полупроводниковый точечный диод, который в приемнике будет детектором, несколько конденса¬ торов постоянной емкости и головные телефоны. Катушку индуктивности сделай сам. Остальные детали готовые. Диод может быть любым из серий Д9, Д2. Конденсаторы также любых ти¬ пов — слюдяные, керамические или бумажные емкостью от нескольких де¬ сятков до нескольких тысяч пикофарад (сокращенно: пФ). Головные телефоны высокоомные, т.е. с обмотками сопро¬ тивлением 1500...2200 Ом, например, типа ТОН-1 или ТА-4. Несколько поз¬ же, когда приступишь к эксперимен¬ там, нужны будут некоторые другие детали и материалы. Для катушки потребуется обмоточ¬ ный провод марки ПЭВ-1 (провод с эма¬ левой высокопрочной изоляцией в один слой), ПЭВ-2 (тоже, но с изоляци¬ ей в два слоя) или ПЭЛ (провод с эмале¬ вой лакостойкой изоляцией) диамет¬ ром 0,15...0,2 мм. Обмоточные провода этих марок и их диаметр обозначают так: ПЭВ-1 0,15; ПЭВ-2 0,18; ПЭЛ 0,2. Го¬ дятся обмоточные провода и других ма¬ рок, например ПБД — с изоляцией из двух (буква Д) слоев хлопчатобумаж¬ Рис. 28. Самодельная катушка индуктивности (а), ферритовый стержень (б), точечный диод (в), конденсаторы (г) и головные телефоны (д), необходимые для опытного приемника Рис. 27. Комнатная спиральная антенна Грозопереключатель для комнат¬ ной антенны не нужен. ПЕРВЫЙ РАДИОПРИЕМНИК Главное достоинство этого вариан¬ та простейшего радиоприемного уст¬ ройства заключается в том, что в нем легко делать любые изменения и до¬ полнения, исправлять ошибки путем переключения соединительных про¬ водников, поскольку все его детали бу¬ дут лежать перед тобой в развернутом виде. Опыты с ним помогут тебе понять основные принципы работы любого радиовещательного приемника и полу¬ чить некоторые практические навыки радиотехнического конструирования. Для такого приемника понадобятся (рис. 28): катушка индуктивности, стер¬
38 Беседа третья ной пряжи (буква Б) или ПЭЛШО — с эмалевой лакостойкой изоляцией и од¬ ним (буква О) слоем натурального шел¬ ка (буква ТТТ). Важно лишь, чтобы изо¬ ляция провода была не попорченной, иначе между витками катушки может возникнуть замыкание, чего допускать нельзя. Внутренний диаметр каркаса катуш¬ ки, склеенный из писчей бумаги в 3-4 слоя, должен быть таким, чтобы в него с небольшим трением входил феррито- вый стержень. В связи с этим условием советую тебе ферритовый стержень ис¬ пользовать в качестве болванки для за¬ готовки каркаса катушки. Делай это так. Предварительно обверни стержень одним-двумя слоями тонкой бумаги, чтобы в дальнейшем к нему приклеился каркас. Затем обверни стержень один раз полоской писчей бумаги шириной около 100 мм. Внутреннюю сторону ос¬ тавшейся части бумаги намажь тонким и ровным слоем клея БФ-2 или «Мо¬ мент», плотно закатай в нее стержень и, не снимая каркас со стержня, немного подсуши его. Когда каркас подсохнет, сними его со стержня, удали бумажную прослойку и досуши в теплом месте — готовый каркас должен быть жестким. Прежде чем катушку наматывать, вставь в каркас ферритовый стержень. Провод сильно не натягивай, иначе каркас сожмется и из него будет труд¬ но вытащить стержень. Всего на кар¬ кас надо намотать в один ряд 300 вит¬ ков провода, делая через каждые 50 витков отводы в виде петель. Получит¬ ся однослойная шестисекционная ка¬ тушка индуктивности с двумя крайни¬ ми выводами и пятью отводами. Чтобы крайние витки провода готовой катуш¬ ки не спадали, закрепи их на каркасе колечками, нарезанными из резиновой или поливинилхлоридной трубки, или обмотай нитками. Дополнительно вит¬ ки провода катушки можно скрепить тонким слоем клея БФ-2. Концы карка¬ са аккуратно подрежь острым ножом. Бывает, что во время намотки ка¬ тушки провод оборвется или одного от¬ резка провода не хватит на всю катуш¬ ку. В таком случае концы провода, ко¬ торые нужно соединить, должны быть очищены от изоляции, крепко скруче¬ ны, пропаяны и обязательно обмотаны тонкой изоляционной лентой. Если со¬ единение приходится возле отвода, то лучше не жалеть нескольких витков провода и сделать его в петле. Рис. 29. Соединение деталей опытного прием¬ ника Вот теперь, юный друг, приступай к сборке своего первого радиоприемника (рис. 29). Концы выводов и отводов ка¬ тушки необходимо зачистить от изоля¬ ции, только осторожно, чтобы не по¬ рвать провод. Один из крайних выводов назовем началом катушки и обозначим буквой н. Соедини его с диодом. Второй крайний вывод катушки, ее конец к, со¬ едини с одним из контактных штырьков шнура головных телефонов. Оставшие¬ ся свободными вывод диода и штырек телефонов тоже соедини между собой. К проводнику, идущему от начала ка¬ тушки к диоду, прочно прикрути провод антенны, предварительно зачистив его от изоляции. Этот проводник приемни¬ ка будем называть антенным. К провод¬ нику, соединяющему конец катушки с телефонами, прикрути провод заземле¬ ния. Это будет заземленный проводник. Во время опытов его придется переклю¬ чать с одного вывода катушки на другой (на рис. 29 показано штриховой линией со стрелкой), не изменяя при этом со¬ единения заземления с телефонами. Совершим «прогулку» по цепям по¬ лучившегося приемника. От начала ка¬
Беседа третья 39 тушки н по антенному проводнику мы попадаем к диоду, а от него — к голо¬ вным телефонам. Через телефоны, да¬ лее по заземленному проводнику и че¬ рез все витки катушки приходим к от¬ правной точке н. Получилась замкну¬ тая электрическая цепь, состоящая из катушки, диода и телефонов. Ее назы¬ вают детекторной. Если в этой цепи где-либо окажется обрыв, плохой кон¬ такт между деталями или соединитель¬ ными проводниками, например не¬ прочная скрутка, приемник, естествен¬ но, работать не будет. Кратчайший путь из антенны в зем¬ лю — через катушку. По этому пути пойдет ток высокой частоты, возбуж¬ даемый в антенне радиоволнами. Этот ток создаст на концах катушки высоко¬ частотное напряжение, которое вызо¬ вет ток такой же частоты во всей детек¬ торной цепи. Цепь, состоящую из антенны, ка¬ тушки и заземления, называют антен¬ ной или антенным контуром. Обрати внимание, контурная катушка прием¬ ника входит как в антенную, так и в де¬ текторную цепи. После такой прогулки по цепям приемника можно перейти к его испы¬ танию. Надень на голову телефоны, прижми их плотнее к ушам, прислу¬ шайся. Возможно, сразу ты ничего не услышишь даже при заведомо хоро¬ ших антенне и заземлении, предвари¬ тельно проверенных диоде и телефо¬ нах. Это потому, что приемник, види¬ мо, не настроен на несущую частоту радиовещательной станции, сигналы которой хорошо слышны в вашем рай¬ оне, или ты попал в перерыв передачи. Настраивать такой приемник можно изменением числа витков катушки, включаемых в антенный контур. На рис. 29 в антенный контур вклю¬ чены все 300 витков катушки. Но если заземленный проводник отсоединить от конца катушки и присоединить, на¬ пример, к отводу 5, то в контур будет включено уже не 300, а 250 витков. Ес¬ ли же этот проводник переключить на отвод 4, в контур будет включено 200 витков. При переключении его на от¬ вод 3 в антенный контур будет включе¬ но 150 витков и т.д. При этом нижние секции окажутся не включенными в контур и в работе приемника участво¬ вать не будут. Таким образом, пере¬ ключением заземленного проводника ты можешь включать в контур разное число витков через 50 витков. Запомни: чем больше длина волны радиовещательной станции, на кото¬ рую можно настроить приемник, тем большее число витков катушки должно быть включено в антенный контур. Твой опытный приемник можно на¬ страивать на радиовещательные стан¬ ции как СВ, так и ДВ диапазонов. Но, разумеется, передачи не всякой стан¬ ции ты можешь принять. На слабые сигналы отдаленных станций детектор¬ ный приемник реагировать не смо¬ жет — мала чувствительность. Теперь займись настройкой прием¬ ника путем присоединения заземлен¬ ного проводника сначала к отводу 5, за¬ тем к отводу 4 и так до отвода 1. Одно¬ временно следи, чтобы отводы катушки и соединительные проводники не со¬ прикасались, а контакты в скрутках не нарушались. Иначе приемник совсем не будет работать или в телефонах бу¬ дут слышны трески, шорохи, мешаю¬ щие приему. Электрические контакты будут надежнее, если места соедине¬ ний проводников и деталей пропаять. Настроив приемник на одну стан¬ цию, запомни число витков, включен¬ ных в контур, при котором станция слышна с наибольшей громкостью. По¬ том попытайся «найти» таким же спо¬ собом другую станцию. Надеюсь, что ты добился некоторо¬ го успеха. Попробуй улучшить работу приемника. Не изменяя настройки приемника, присоедини параллельно телефонам (между его контактными штырьками) конденсатор. Емкость это¬ го конденсатора, называемого в дан¬ ном случае блокировочным, может быть от 1000 до 3000 пФ. При этом
40 Беседа третья громкость звучания телефонов должна несколько увеличиться. А если радио¬ вещательные станции находятся более чем в 150...200 км от того места, где ты живешь, блокировочный конденсатор включай в самом начале опыта. Способ настройки приемника толь¬ ко скачкообразным изменением числа витков катушки очень прост. Но он не всегда позволяет настроить приемник точно на несущую частоту станции. Точной настройки можно добиться до¬ полнительным способом, например ... с помощью гвоздя. Попробуй! Настрой приемник уже знакомым тебе способом на волну радиостанции и введи внутрь каркаса катушки толстый гвоздь или подходящего диаметра же¬ лезный стержень. Что получилось? Громкость приема немного возрастет или, наоборот, уменьшится. Вытащи гвоздь из катушки — громкость станет прежней. Теперь медленно вводи гвоздь в катушку и также медленно извлекай его из катушки — громкость работы приемника будет немного, но плавно изменяться. Опытным путем можно найти такое положение металлического предмета в катушке, при котором гром¬ кость звучания будет наилучшей. Этот опыт позволяет сделать вы¬ вод, что металлический стержень, по¬ мещенный в катушку, влияет на наст¬ ройку контура. С таким способом наст¬ ройки приемника, только, разумеется, с применением лучшего, чем гвоздь, ферромагнитного сердечника, ты по¬ знакомишься еще в этой беседе. А пока предлагаю следующий опыт: настроить приемник на сигналы радиовещатель¬ ной станции с помощью конденсатора переменной емкости. Для удобства проведения этого и нескольких последующих опытов с де¬ текторным приемником на фанерной дощечке размерами примерно 30x70 мм смонтируй колодку со штепсельными гнездами, два зажима, блокировочный конденсатор, соединив их под дощеч¬ кой, как показано на рис. 30. Колодку с гнездами устанавливай на дощечке так: просверли в ней два отверстия диамет¬ ром 6...8 мм с расстоянием 20 мм между центрами и вставь в них «хвосты» штепсельных гнезд. Колодку укрепи на дощечке шурупами или винтами с гай¬ ками. Начало катушки и антенну под¬ ключи к зажиму, с которым соединен диод, а ко второму зажиму, соединен¬ ному с гнездом телефонов, подключи конец катушки и заземление. Конденсатор переменной емкости может быть как с воздушным, так и с твердым диэлектриком. Но функцию конденсатора переменной емкости могут выполнять две металлические пла¬ стины размерами примерно 150x150 мм, вырезанные, например, из жести боль¬ ших консервных банок. К пластинам припаяй проводники длиной по 250...300 мм. С помощью этих провод¬ ников одну пластину соедини с зажи¬ мом антенны, а другую — с зажимом заземления. Положи пластины на стол одну возле другой, но так, чтобы они не соприкасались, и настрой прием¬ ник на радиостанцию только переклю¬ чением секций катушки заземленным проводником. Теперь поднеси зазем¬ ленную пластину к пластине, соеди¬ ненной с антенной. Если громкость бу¬ дет увеличиваться, сближай пластины и, наконец, положи одну пластину на другую, проложив между ними лист сухой бумаги (чтобы не было электри¬ ческого контакта). Найди такое взаим¬ ное расположение пластин, при кото¬ ром будет точная настройка. Если же Рис. 30. Настройка приемника самодельным конденсатором переменной емкости
Беседа третья 41 при сближении пластин громкость приема будет уменьшаться, переклю¬ чи заземленный проводник на ближ¬ ний к началу катушки отвод и вновь сближай пластины, добиваясь наи¬ большей громкости. В этом опыте настройка приемника на несущую частоту радиостанции осу¬ ществлялась двумя способами: грубо — изменением индуктивности катушки путем переключения ее секций, точ¬ но — изменением емкости пластинча¬ того конденсатора. Запомни: индуктивность катушки и емкость конденсатора при настройке приемника на радиостанцию взаимо¬ связаны. Одну и ту же радиостанцию можно слушать при включении в ан¬ тенный контур приемника большего числа витков, т.е. большей индуктивно¬ сти катушки, но при меньшей емкости конденсатора либо, наоборот, при меньшей индуктивности катушки, но большей емкости конденсатора. прежней громкости звучания телефо¬ нов. Если до включения в контур до¬ полнительного конденсатора во время приема одной станции прослушива¬ лась еще какая-то другая, близкая по частоте радиостанция, теперь она бу¬ дет слышна много слабее, а возможно, и совсем не будет мешать. Приемник стал четче выделять сигналы той стан¬ ции, на которую настроен, или, как го¬ ворят, улучшилась его селективность, т.е. избирательность. Вместо конденсатора постоянной емкости включи между антенной и приемником конденсатор переменной емкости. С его помощью ты сможешь не только изменять селективность при¬ емника, но, возможно, и настраивать его на разные станции. Рис. 31. Конденсатор, включенный в цепь ан¬ тенны, улучшает селективность приемника Теперь снова настрой приемник на какую-либо радиостанцию, запомни громкость приема передачи, а затем, не изменяя настройки, включи между ан¬ тенной и антенным зажимом конденса¬ тор емкостью 47...62 пФ (рис. 31). Что получилось? Громкость приема не¬ сколько уменьшилась. Произошло это потому, что конденсатор, включенный в цепь антенны, изменил параметры всего контура. Подстрой контур кон¬ денсатором переменной емкости до Рис. 32. Приемник с настройкой ферритовым стержнем Следующий опыт — настройка приемника ферритовым стержнем (рис. 32). Пластинчатый конденсатор удали, а вместо него между зажимами антенны и заземления, т.е. параллель¬ но катушке, включи слюдяной или ке¬ рамический конденсатор емкостью 120... 150 пФ. Прижми телефоны по¬ плотнее к ушам, сосредоточься и очень медленно вводи ферритовый стержень внутрь каркаса катушки. Постепенно углубляя стержень в катушку, ты дол¬ жен услышать передачи всех тех ра¬ диовещательных станций, прием кото¬
42 Беседа третья рых возможен в вашей местности на детекторный приемник. Чем длиннее волна радиостанции, тем глубже дол¬ жен быть введен стержень в катушку. Опытным путем найди такое положе¬ ние стержня в катушке, при котором наиболее громко слышны сигналы станции, и сделай на стержне соответ¬ ствующую пометку карандашом. Поль¬ зуясь ею как делениями шкалы, ты сможешь быстро настроить приемник на волну этой станции. Продолжая опыт с использованием ферритового стержня, подключи па¬ раллельно катушке другой конден¬ сатор емкостью 390...470 пФ. Как это повлияло на настройку приемника? Громкость осталась прежней, но для настройки на ту же станцию стержень приходится меньше вводить в катушку. Совсем удали конденсатор, оставив включенной только катушку. Что полу¬ чилось? Чтобы настраивать приемник на ту же станцию, стержень надо глуб¬ же вводить в катушку. Какие выводы можно сделать, про¬ водя эксперименты с таким вариантом детекторного приемника? Основных два. Во-первых, ферритовый стержень значительно сильнее, чем металличес¬ кий предмет, влияет на индуктивность катушки, а значит, и на настройку кон¬ тура. Во-вторых, с помощью феррито¬ вого стержня можно плавно и точно настраивать контур приемника на же¬ лательную радиостанцию. Еще один эксперимент. Антенну и заземление отключи от приемника, между ними включи диод, а параллель¬ но — телефоны без блокировочного конденсатора. Вот и весь приемник. Ра¬ ботает? Тихо, вероятно? К тому же, возможно, одновременно слышны пе¬ редачи двух-трех радиовещательных станций. От такого приемника ожидать лучшего не следует. Ты, наверное, заметил, что когда дотрагиваешься рукой до деталей или соединительных проводников, гром¬ кость работы немного изменяется. Это объясняется расстройкой антенного контура, вносимой в него электричес¬ кой емкостью твоего тела. Может случиться, что у тебя не окажется ферритового стержня. В та¬ ком случае для приемника и настройки его используй так называемый варио¬ метр, описанный в восьмой беседе (см. рис. 140). ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СХЕМА ТВОЕГО ПРИЕМНИКА Чтобы правильно соединить детали приемника, ты пользовался рисунками. На них катушку, телефоны, диод-де¬ тектор и другие детали, приборы и со¬ единения ты видел такими, какими они выглядят в натуре. Это очень удобно для начала, пока приходится иметь де¬ ло с совсем простыми радиотехничес¬ кими конструкциями, состоящими из малого числа деталей. Но если попы¬ таться изобразить таким способом уст¬ ройство современного приемника, то получится такая «паутина» деталей и проводов, в которой невозможно разо¬ браться. Чтобы этого избежать, любой электроприбор или радиоаппарат изо¬ бражают схематически, т.е. в виде уп¬ рощенного чертежа — схемы. Так де¬ лают не только в электро- и радиотех¬ нике. Посмотри, например, на геогра¬ фическую карту. Судоходная могучая красавица Волга со всеми ее грандиоз¬ ными сооружениями изображена на карте извилистой змейкой. Даже такие большие города, как Москва, Санкт- Петербург, Нижний Новгород, Екате¬ ринбург, Владивосток и многие другие показаны на карте всего лишь кружка¬ ми разного диаметра. Леса, равнины, горы, моря, каналы изображены на ней тоже упрощенно — схематически. Различают три основных вида схем: структурные, принципиальные электрические и схемы электрических соединений. Структурная схема представляет собой упрощенный чертеж, на кото¬ ром группы деталей и приборов, вы¬
Беседа третья 43 полняющие определенные функции радиотехнического устройства, изоб¬ ражают условно прямоугольниками или иными символами. Структурная схема дает лишь общее представление о работе этого устройства, о его струк¬ туре и связях между его функциональ¬ ными группами. Примером структур¬ ной схемы может служить рис. 19, по которому я в предыдущей беседе рас¬ сказывал тебе о работе радиовещатель¬ ной станции. Можно ли таким способом изобра¬ зить устройство детекторного прием¬ ника? Конечно, можно. Нарисуй в один ряд четыре прямоугольника и соедини их между собой линиями со стрелками, идущими слева направо. В крайний ле¬ вый прямоугольник впиши слово «Ан¬ тенна», в следующий за ним прямо¬ угольник — «Колебательный контур», в третий прямоугольник — «Детектор», в четвертый — «Телефоны». Получится структурная схема детекторного при¬ емника. «Прочитать» ее можно так: мо¬ дулированные колебания радиочасто¬ ты, возбужденные в антенне, поступа¬ ют в колебательный контур приемника, а затем к детектору, детектор выделяет из принятого сигнала колебания звуко¬ вой частоты, которые телефоны преоб¬ разуют в звук. Принципиальную электрическую схему чаще называют принципиаль¬ ной или просто схемой. На ней все де¬ тали радиотехнического устройства и порядок их соединения изображают условными знаками, символизирую¬ щими эти детали линиями. «Читая» принципиальную схему как географи¬ ческую карту или чертеж какого-то ме¬ ханизма, нетрудно разобраться в цепях и принципе работы устройства. Но она не дает представления о размерах уст¬ ройства и размещении его деталей на монтажных платах. Схема соединений, в отличие от принципиальной, информирует, как расположены в конструкции и соеди¬ нены между собой детали устройства. Собирая приемник, усилитель или лю¬ бой другой радиоаппарат, радиолюби¬ тель располагает детали и проводники примерно так, как показано на реко¬ мендованной схеме соединений. Но монтаж и все соединения деталей про¬ веряют по принципиальной схеме уст¬ ройства. Уметь грамотно чертить и читать радиосхемы — совершенно обязатель¬ ное условие для каждого, кто хочет стать радиолюбителем. На рис. 33 ты видишь уже знако¬ мые тебе детали и устройства и некото¬ рые другие, с которыми придется иметь дело в дальнейшем. А рядом в кружках — их условные графические обозначения на принципиальных схе¬ мах. Любую катушку индуктивности без сердечника независимо от ее кон¬ струкции и числа витков на принципи¬ альной схеме изображают в виде вол¬ нистой линии. Отводы катушек пока¬ зывают черточками. Если катушка имеет неподвижный ферромагнитный сердечник (ферритовый стержень), увеличивающий ее индуктивность, его обозначают прямой линией вдоль изо¬ бражения катушки. Если таким сердеч¬ ником настраивают контур приемни¬ ка, как это было в опытном приемнике, его на схеме обозначают тоже прямой, но вместе с катушкой пересекают стрелкой. Подстроечный ферромаг¬ нитный стержень катушки обозначают короткой жирной чертой, пересекаю¬ щейся Т-образным символом. Любой конденсатор постоянной емкости изображают двумя короткими параллельными линиями, символизи¬ рующими две изолированные одна от другой пластины. Если конденсатор ок¬ сидный (о таких конденсаторах погово¬ рим позже), его положительную об¬ кладку обозначают дополнительным знаком « + ». Конденсаторы перемен¬ ной емкости изображают так же, как конденсаторы постоянной емкости, но пересеченными наискось стрелкой, символизирующей переменность емко¬ сти этого прибора. Гнезда для подклю¬ чения провода антенны, головных теле-
44 Беседа третья Рис. 33. Условные графические обозначения некоторых радиотехнических деталей, приборов и ус¬ тройств на принципиальных схемах
Беседа третья 45 фонов или каких-то других устройств либо деталей обозначают значками в виде вилки, а зажимы кружками. Новым для тебя является переклю¬ чатель. Вместо того, чтобы при наст¬ ройке приемника раскручивать и скру¬ чивать проводники, как ты это делал во время опытов с детекторным приемни¬ ком, выводы и отводы катушки можно переключать простейшим ползунко- вым, движковым или иной конструк¬ ции переключателем. Проводники, которыми соединяют детали, обозначают прямыми линиями. Если линии сходятся и в месте их пере¬ сечения стоит точка, значит, проводни¬ ки соединены. Отсутствие точки в мес¬ те пересечения проводников говорит о том, что они не должны соединяться. На принципиальных схемах рядом с условными обозначениями радиоде¬ талей, приборов, коммутационных и других устройств пишут присвоенные им латинские буквы. Например, всем конденсаторам независимо от их кон¬ структивных особенностей и примене¬ ния присвоена буква С, резисторам — буква R, катушкам — буква L, полупро¬ водниковым диодам — буквы VD, тран¬ зисторам — буквы VT, антеннам — буква W, гнездам и другим соедини¬ тельным устройствам — буква X, голо¬ вным телефонам, головкам громкого¬ ворителей, микрофонам и другим пре¬ образователям электрических или зву¬ ковых колебаний — соответственно буквы BF, BA, ВМ, батареям гальвани¬ ческих элементов или аккумулято¬ ров — буквы GB, лампам накалива¬ ния — буквы EL, светодиодам — HL и т.д. Кроме того, на схемах детали нуме¬ руют, т.е. рядом с буквой, присвоенной детали, пишут цифру, например Cl, LI, L2, Rl, VT1 и т.д. Для упрощения прин¬ ципиальных схем на них иногда не по¬ казывают антенну, головные телефо¬ ны, ограничиваясь только обозначени¬ ями гнезд или зажимов для их подклю¬ чения, но тогда возле них пишут соответствующие буквы с цифрами Wl, BF1. Более подробно о принятой у нас системе буквенно-цифрового обозначе¬ ния деталей на принципиальных элект¬ рических схемах радиоаппаратуры го¬ ворится в приложении 2 в конце книги. Вот теперь, зная условные позици¬ онные обозначения деталей, детек¬ торные приемники, с которыми ты экс¬ периментировал, можно изобразить принципиальными схемами. Принципиальная схема первого ва¬ рианта опытного приемника показана на рис. 34, а. Его ты настраивал измене¬ нием числа секций катушки, входящих в контур, путем переключения заземлен¬ ного проводника. Поэтому в схему вве¬ ден переключатель SA1. Вспомни нашу прогулку по цепям приемника и совер¬ ши ее еще раз, но уже по принципиаль¬ ной схеме. От начала катушки L1, обо¬ значенной на схеме черной точкой, ты попадешь к диоду VD 1 и через него — к телефонам BF1, далее через телефоны по заземленному проводнику, переклю¬ чатель SA1 и витки катушки LI — к ис¬ Рис. 34. Принципиальные схемы вариантов опытного приемника с настройкой переключением от¬ водов катушки (а), конденсатором переменной емкости (б), ферритовым стержнем (в)
46 Беседа третья ходной точке. Это детекторная цепь. Для токов высокой частоты путь из антенны в землю идет через секции катушки и переключатель. Это — антенный кон¬ тур. Приемник настраивается на радио¬ станцию скачкообразным изменением числа витков, включаемых в контур. Па¬ раллельно телефонам подключен блоки¬ ровочный конденсатор Са. На схеме штриховыми линиями показан конденсатор Са. В приемнике такой детали не было. Но символизи¬ рующая его электрическая емкость присутствовала — она образовывалась антенной и заземлением и как бы под¬ ключалась к настраиваемому контуру. Принципиальная схема одного из последующих вариантов опытного приемника показана на рис. 34, б. Его входной настраиваемый контур состо¬ ит из катушки L1, имеющей один от¬ вод, введенного тобой конденсатора переменной емкости С2, антенного ус¬ тройства и антенного конденсатора С1. Включение в контур только верхней (по схеме) секции катушки соответст¬ вует приему радиостанций СВ диапазо¬ на, включение обеих секций — приему радиостанций ДВ диапазона. Таким об¬ разом, в приемнике переход с одного диапазона на другой осуществляется переключателем SA1, а плавная наст¬ ройка в каждом диапазоне — конден¬ сатором переменной емкости С2. Последним вариантом был прием¬ ник, настраиваемый ферритовым стержнем. Его принципиальную схему ты видишь на рис. 34, б. Колебательный контур образуют катушка L1 и конден¬ сатор постоянной емкости С2. Катуш¬ ка не имеет отводов, значит, приемник однодиапазонный. Для приема радио¬ станций другого диапазона в контур надо включить катушку, рассчитанную на прием станций этого диапазона. Для подключения головных телефонов пре¬ дусмотрены гнезда BF1. КОНСТРУКЦИЯ ПРИЕМНИКА В принципе детекторный прием¬ ник утратил былое практическое зна¬ чение. Сегодня им уже никого не уди¬ вишь. Таково веление времени. Но для тебя, как и для всех начинающих люби¬ телей, он ценен как учебное пособие по основам радиотехники, на котором, кроме того, можно освоить и некото¬ рые навыки радиомонтажных работ. Поэтому, полагаю, тебе будет полезно довести приемник до простой закон¬ ченной конструкции. Возможная конструкция приемника первого варианта (по схеме рис. 34, в) показана на рис. 35. Диод VD1, выполня¬ ющий функцию детектора, может быть любым из серий Д2, Д9. Емкость конден¬ сатора С1, блокирующего телефоны BF1, может быть от 2200 до 6800 пФ. Пе¬ реключатель SA1 — самодельный пол- зункового типа (см. беседу «Радиолюби¬ тельская мастерская»). Приемник монтируй на фанерной панели размерами примерно 60x100 мм. Снизу по краям прибей бруски высотой по 10... 15 мм, которые будут служить Рис. 35. Приемник с настройкой переключением секций контурной катушки
Беседа третья 47 стойками. Сверху на панели будут пере¬ ключатель, двухгнездная колодка для включения телефонов, зажимы антен¬ ны и заземления, под панелью — диод VD1, блокировочный конденсатор С1 и контурная катушка L1. Отводы и выво¬ ды катушки соединены с контактами переключателя и зажимом антенны. Закончив монтаж, проверь проч¬ ность всех соединений и их правиль¬ ность по принципиальной схеме, вклю¬ чи телефоны, присоедини антенну и за¬ земление и приступай к испытанию приемника. Может случиться, что наи¬ более длинноволновая радиостанция будет слышна слабо даже тогда, когда в контур включены все секции катушки. В таком случае между зажимами антен¬ ны и заземления придется включить до¬ полнительный конденсатор емкостью 100...270 пФ. А если одновременно про¬ слушиваются передачи двух радиостан¬ ций, то для улучшения селективности приемника в цепь антенны включи кон¬ денсатор емкостью 47...62 пФ. Рис. 36. Приемник с настройкой ферритовым стержнем В конструкции, показанной на рис. 36, ты должен узнать третий вари¬ ант опытного приемника — с настрой¬ кой ферритовым стержнем (по схеме на рис. 34, в). Только тогда контурная катушка находилась на столе и ты под¬ ключал ее выводы к детекторной при¬ ставке, здесь же она концами каркаса вклеена в отверстия стоек аналогич¬ ной приставки. Приемник настраива¬ ется только ферритовым стержнем. На стержне сделаны метки, соответствую¬ щие его положению в каркасе катушки при настройке на разные станции. Если в вашей местности хорошо слышны передачи радиостанций в ос¬ новном только ДВ диапазона, в прием¬ нике используй опытную катушку. Ес¬ ли же лучше слышны радиостанции СВ диапазона, тогда надо сделать другую катушку, рассчитанную на прием стан¬ ций этого диапазона. Конструкция катушки СВ диапазона такая же. Длина ее каркаса, также скле¬ енного на ферритовом стержне, может быть 80...90 мм. Катушка должна содер¬ жать 80—90 витков провода ПЭВ-1 или ПЭВ-2 диаметром 0,2...0,3 мм, но уло¬ женных на каркас вразрядку (с неболь¬ шим расстоянием между витками) с та¬ ким расчетом, чтобы общая длина на¬ мотки составила 60...70 мм. При такой намотке можно точнее настраивать контур на волну радиостанции, особен¬ но работающую в наиболее коротко¬ волновом участке этого диапазона. В этом ты еще убедишься. Диод VD1, как и в предыдущем приемнике, серии Д9 или Д2 с любым буквенным индексом. Емкость конден¬ сатора С1 может быть 47...62 пФ, кон¬ денсатора СЗ — 2200...6800 пФ. Кон¬ денсатор С2 подбери опытным путем (на схеме рис. 34, в отмечен звездоч¬ кой); его емкость (от 100 до 470 пФ) должна быть такой, чтобы наиболее длинноволновая радиостанция прини- алась при почти полностью введенном внутрь каркаса ферритовом стержне. Как пользоваться таким приемником, ты уже знаешь. Если в вашей местности хорошо слышны передачи всего лишь одной радиостанции, скажем только местной, ты можешь сделать более простой де¬ текторный приемник — с фиксирован¬ ной настройкой, например, по схеме, показанной на рис. 37. Такой приемник не имеет ручек настройки. Его один раз настраивают на выбранную стан¬ цию, и он всегда готов для приема этой станции.
48 Беседа третья Рис. 37. Принципиальная схема детекторного приемника с фиксированной настройкой на одну радиостанцию Настроить приемник на местную станцию можно ферритовым подстро¬ енным стержнем катушки L1 (на схеме подстроечник символизирует короткая жирная черточка, пересекающаяся «молоточком») и подбором конден¬ сатора С1 емкостью от 100 до 300 пФ. Можно использовать уже имеющуюся у тебя катушку с ферритовым стерж¬ нем, который будет выполнять функ¬ цию подстроечника. Но, разумеется, можно намотать новую, более корот¬ кую катушку, а в качестве подстроеч¬ ника использовать отрезок ферритово- го стержня по длине каркаса катушки. Укрепи его на панели приемника непо¬ движно, а настраивать контур на волну радиостанции будешь перемещением катушки вдоль ферритового стержня. Настроив таким способом контур, за¬ крепи каркас катушки на стержне кап¬ лей клея. Пользуясь таким приемником, по¬ мни, что в его контур входят емкость и индуктивность антенны. Поэтому при подключении к нему другой антенны контур придется снова подстраивать. Вот теперь, когда закончены экспе¬ рименты с простейшим радиоприем¬ ным устройством, настало время пого¬ ворить о самой сущности работы дета¬ лей, узлов и приемника в целом. КАК ПРИЕМНИК РАБОТАЕТ? Твой первый приемник состоит из трех основных элементов, обеспечива¬ ющих ему работоспособность. Эти эле¬ менты — колебательный контур, детек¬ тор и телефоны. Колебательный кон¬ тур, в который входила антенна с за¬ землением, обеспечивал приемнику настройку на волну радиостанции, де¬ тектор преобразовывал модулирован¬ ные колебания радиочастоты в колеба¬ ния звуковой частоты, которые теле¬ фоны преобразовывали в звук. Без этих элементов или без любого из них радиоприем невозможен. В чем сущность действия этих обя¬ зательных элементов радиоприемного устройства? Колебательный контур. Простей¬ ший колебательный контур (рис. 38) состоит из катушки L и конденсатора С, образующих замкнутую электриче¬ скую цепь. При некоторых условиях в контуре могут возникать и существо¬ вать электрические колебания. Поэто¬ му его и называют колебательным кон¬ туром. Рис. 38. Простейший электрический колеба¬ тельный контур Приходилось ли тебе наблюдать та¬ кое явление: в момент выключения пи¬ тания электроосветительной лампы между размыкающимися контактами выключателя появляется искра. Если случайно соединить выводы полюсов батареи электрического карманного фонарика (чего нужно избегать), в мо¬ мент их разъединения между ними также проскакивает маленькая искра. А на заводах, в цехах фабрик, где ру¬ бильниками разрывают электрические цепи, по которым текут токи большой силы, искры могут быть столь значи¬ тельными, что приходится принимать меры, чтобы они не причинили вреда человеку, выключающему ток. Почему возникают эти искры? Из первой беседы ты уже знаешь, что вокруг проводника с током сущест¬
Беседа третья 49 вует магнитное поле, которое можно изобразить в виде замкнутых магнит¬ ных силовых линий, пронизывающих окружающее его пространство. Обна¬ ружить это поле, если оно постоянное, можно с помощью магнитной стрелки компаса. Если отключить проводник от источника тока, то его исчезающее маг¬ нитное поле, рассеиваясь в пространст¬ ве, будет индуцировать токи в ближай¬ ших от него других проводниках. Ток индуцируется и в том проводнике, ко¬ торый создал это магнитное поле. А так как он находится в самой гуще своих же магнитных силовых линий, в нем бу¬ дет индуцироваться более сильный ток, чем в любом другом проводнике. На¬ правление этого тока будет таким же, каким оно было в момент разрыва про¬ водника. Иначе говоря, исчезающее магнитное поле будет поддерживать со¬ здающий его ток до тех пор, пока оно само не исчезнет, т.е. полностью не из¬ расходуется содержащаяся в нем энер¬ гия. Следовательно, ток в проводнике течет и после того, как выключен источ¬ ник тока, но, разумеется, недолго — ни¬ чтожно малую долю секунды. Но ведь в разомкнутой цепи движе¬ ние электронов невозможно, возра¬ зишь ты. Да, это так. Но после размыка¬ ния цепи электрический ток может не¬ которое время течь через воздушный промежуток между разъединенными концами проводника, между контакта¬ ми выключателя или рубильника. Вот этот ток через воздух и образует элект¬ рическую искру. Это явление называют самоиндук¬ цией, а электрическую силу (не путай с явлением индукции, знакомым тебе по первой беседе), которая под действием исчезающего магнитного поля поддер¬ живает в нем ток, — электродвижущей силой самоиндукции или сокращенно ЭДС самоиндукции. Чем больше ЭДС самоиндукции, тем значительнее мо¬ жет быть искра в месте разрыва элект¬ рической цепи. Явление самоиндукции наблюдает¬ ся не только при выключении, но и при включении тока. В пространстве, окру¬ жающем проводник, магнитное поле возникает сразу при включении тока. Вначале оно слабое, но затем очень бы¬ стро усиливается. Усиливающееся маг¬ нитное поле тока также возбуждает ток самоиндукции, но этот ток направ¬ лен навстречу основному току. Ток са¬ моиндукции мешает мгновенному уве¬ личению основного тока и росту маг¬ нитного поля. Однако через короткий промежуток времени основной ток в проводнике преодолевает встречный ток самоиндукции и достигает наи¬ большего значения, магнитное поле становится постоянным, и действие са¬ моиндукции прекращается. Явление самоиндукции можно сравнивать с явлением инерции. Сан¬ ки, например, трудно сдвинуть с места. Но когда они наберут скорость, запа¬ сутся кинетической энергией — энер¬ гией движения, их невозможно остано¬ вить мгновенно. При торможении сан¬ ки продолжают скользить до тех пор, пока запасенная ими энергия движе¬ ния не израсходуется на преодоление трения о снег. Все ли проводники обладают оди¬ наковой самоиндукцией? Нет! Чем длиннее проводник, тем значительнее самоиндукция. В проводнике, сверну¬ том в катушку, явление самоиндукции сказывается сильнее, чем в прямоли¬ нейном проводнике, так как магнитное поле каждого витка катушки наводит ток не только в этом витке, но и в со¬ седних витках этой катушки. Чем боль¬ ше длина провода в катушке, тем доль¬ ше будет существовать в нем ток само¬ индукции после выключения основно¬ го тока. И наоборот, потребуется больше времени после включения ос¬ новного тока, чтобы ток в цепи увели¬ чился до определенного значения и ус¬ тановилось постоянное по силе магнит¬ ное поле. Запомни: свойство проводников влиять на ток в цепи при изменении его значения называют индуктивнос¬ тью, а катушки, в которых наиболее
50 Беседа третья сильно проявляется это свойство, — катушками самоиндукции или индук¬ тивности. Чем больше число витков и размеры катушки, тем больше ее ин¬ дуктивность, тем значительнее влияет она на ток в электрической цепи. Итак, катушка индуктивности пре¬ пятствует как нарастанию, так и убы¬ ванию тока в электрической цепи. Если она находится в цепи постоянного то¬ ка, влияние ее сказывается только при включении и выключении тока. В цепи же переменного тока, где беспрерывно изменяются ток и его магнитное поле, ЭДС самоиндукции катушки действует все время, пока течет ток. Это электри¬ ческое явление и используется в пер¬ вом элементе колебательного контура приемника — катушке индуктивности. Вторым элементом колебательного контура приемника является «накопи¬ тель» электрических зарядов — кон¬ денсатор. Простейший конденсатор представляет собой два проводника электрического тока, например две ме¬ таллические пластины, называемые обкладками конденсатора, разделен¬ ные диэлектриком, например возду¬ хом или бумагой. Таким конденсато¬ ром ты уже пользовался во время опы¬ тов с простейшим приемником. Чем больше площадь обкладок и чем ближе они расположены друг к другу, тем больше электрическая емкость кон¬ денсатора. Если к обкладкам конденсатора под¬ ключить источник постоянного тока (рис. 39, а), то в образовавшейся цепи возникнет кратковременный ток и конденсатор зарядится до напряжения, равного напряжению источника тока. Ты можешь спросить: почему в це¬ пи, где есть диэлектрик, возникает ток? Когда мы присоединяем к конден¬ сатору источник постоянного тока, свободные электроны в проводниках образовавшейся цепи начинают дви¬ гаться в сторону положительного по¬ люса источника тока, образуя кратко¬ временный поток электронов во всей цепи. В результате обкладка конденса¬ тора, которая соединена с положитель¬ ным полюсом источника тока, обедня¬ ется свободными электронами и заря¬ жается положительно, а другая обклад¬ ка обогащается свободными электро¬ нами и, следовательно, заряжается отрицательно. Как только конденсатор зарядится, кратковременный ток в це¬ пи, называемый током зарядки конден¬ сатора, прекратится. Если источник тока отключить от конденсатора, то конденсатор окажется заряженным (рис. 39, б). Переходу из¬ быточных электронов с одной обкладки на другую препятствует диэлектрик. Между обкладками конденсатора тока не будет, а накопленная им электричес¬ кая энергия будет сосредоточена в элек¬ трическом поле диэлектрика. Но стоит обкладки заряженного конденсатора соединить каким-либо проводником (рис. 39, в), «лишние» электроны отри¬ цательно заряженной обкладки перей¬ дут по этому проводнику на другую об¬ кладку, где их недостает, и конденсатор разрядится. В этом случае в образовав¬ шейся цепи также возникает кратко¬ временный ток, называемый током раз¬ рядки конденсатора. Если емкость кон¬ денсатора большая и он заряжен до зна¬ чительного напряжения, момент его разрядки сопровождается появлением значительной искры и треска. Рис. 39. Зарядка и разрядка конденсатора Свойство конденсатора накапли¬ вать электрические заряды и разря¬ жаться через подключенные к нему проводники используется в колеба¬ тельном контуре радиоприемника. А теперь, юный друг, вспомни обыкновенные качели. На них можно раскачиваться так, что «дух захватыва¬
Беседа третья 51 ет». Что для этого надо сделать? Снача¬ ла подтолкнуть, чтобы вывести качели из положения покоя, а затем прикла¬ дывать некоторую силу, но обязатель¬ но только в такт с их колебаниями. Без особого труда можно добиться силь¬ ных размахов качелей и получить большие амплитуды колебаний. Даже маленький мальчик может раскачать на качелях взрослого человека, если будет прикладывать свою силу умею¬ чи. Раскачав качели посильнее, чтобы добиться больших амплитуд колеба¬ ний, перестанем подталкивать их. Что произойдет дальше? За счет запасен¬ ной энергии они некоторое время сво¬ бодно качаются, амплитуда их колеба¬ ний постепенно убывает, как говорят, колебания затухают, и, наконец, каче¬ ли остановятся. При свободных колебаниях каче¬ лей, как и свободно подвешенного ма¬ ятника, запасенная — потенциаль¬ ная — энергия переходит в кинетичес¬ кую — энергию движения, которая в крайней верхней точке вновь перехо¬ дит в потенциальную, а через долю се¬ кунды — опять в кинетическую. И так до тех пор, пока не израсходуется весь запас энергии на преодоление трения веревок в местах подвеса качелей и со¬ противления воздуха. При сколь угод¬ но большом запасе энергии свободные колебания всегда являются затухаю¬ щими: с каждым колебанием их ампли¬ туда уменьшается и колебания посте¬ пенно совсем затухают — качели оста¬ навливаются. Но период, т.е. время, в течение которого происходит одно ко¬ лебание, а значит, и частота колебаний, остаются постоянными. Однако, если качели все время под¬ талкивать в такт с их колебаниями и тем самым пополнять потери энергии, расходуемой на преодоление различ¬ ных тормозящих сил, колебания станут незатухающими. Это уже не свобод¬ ные, а вынужденные колебания. Они будут длиться до тех пор, пока не пере¬ станет действовать внешняя подталки¬ вающая сила. Я вспомнил здесь о качелях потому, что физические явления, происходя¬ щие в такой механической колебатель¬ ной системе, очень схожи с явлениями в электрическом колебательном конту¬ ре. Чтобы в контуре возникли электри¬ ческие колебания, ему надо сообщить энергию, которая «подтолкнула» бы в нем электроны. Это можно сделать, за¬ рядив, например, его конденсатор. Разорвем выключателем SA коле¬ бательный контур и подключим к об¬ кладкам его конденсатора источник постоянного тока, как показано на рис. 40 слева. Конденсатор зарядится до напряжения батареи GB. Затем от¬ ключим батарею от конденсатора, а контур замкнем выключателем SA. Яв¬ ления, которые теперь будут происхо¬ дить в контуре, изображены графичес¬ ки на рис. 40 справа. В момент замыкания контура вы¬ ключателем верхняя обкладка конден¬ сатора имеет положительный заряд, а нижняя — отрицательный (рис. 40, а). В это время (точка 0 на графике) тока в контуре нет, а вся энергия, накоп¬ ленная конденсатором, сосредоточе¬ на в электрическом поле его диэлект¬ рика. При замыкании конденсатора на катушку конденсатор начнет раз¬ ряжаться. В катушке появляется ток, а вокруг ее витков — магнитное поле. К моменту полной разрядки конденса¬ тора (рис. 40, б), отмеченному на гра¬ фике цифрой 1, когда напряжение на его обкладках уменьшится до нуля, ток в катушке и энергия магнитного поля достигнут наибольших значе¬ ний. Казалось бы, что в этот момент ток в контуре должен был прекра¬ титься. Этого, однако, не произойдет, так как от действия ЭДС самоиндук¬ ции, стремящейся поддержать ток, движение электронов в контуре будет продолжаться. Но только до тех пор, пока не израсходуется вся энергия магнитного поля. В катушке в это вре¬ мя будет течь убывающий по значе¬ нию, но первоначального направле¬ ния индуцированный ток.
52 Беседа третья К моменту, отмеченному на графи¬ ке цифрой 2, когда энергия магнитного поля израсходуется, конденсатор вновь окажется заряженным, только теперь на его нижней обкладке будет положи¬ тельный заряд, а на верхней — отрица¬ тельный (рис. 40, в). Теперь электроны начнут обратное движение — в направ¬ лении от верхней обкладки через ка¬ тушку к нижней обкладке конденсато¬ ра. К моменту 3 (рис. 40, г) конденсатор разрядится, а магнитное поле катушки достигнет наибольшего значения. И опять ЭДС самоиндукции «погонит» по проводу катушки электроны, перезаря¬ жая тем самым конденсатор. В момент времени 4 (рис. 40, д) со¬ стояние электронов в контуре будет таким же, как в первоначальный мо¬ мент 0. Закончилось одно полное коле¬ бание. Естественно, что заряженный конденсатор вновь будет разряжаться на катушку, перезаряжаться и про¬ изойдут второе, за ним третье, четвер¬ тое и т.д. колебания. Другими словами, в контуре возникнет переменный элек¬ трический ток, электрические колеба¬ ния. Но этот колебательный процесс в контуре не бесконечен. Он продолжа¬ ется до тех пор, пока вся энергия, полу¬ ченная конденсатором от батареи, не израсходуется на преодоление сопро¬ тивления провода катушки контура. Колебания в контуре свободные и, сле¬ довательно, затухающие. Какова частота таких колебаний электронов в контуре? Чтобы подроб¬ нее разобраться в этом вопросе, сове¬ тую провести такой опыт с простейшим маятником. Подвесь на нитке длиной 100 см шарик, слепленный из пластили¬ на, или иной груз массой в 20...40 г (на рис. 41 длина маятника обозначена ла¬ тинской буквой 1). Выведи маятник из положения равновесия и, пользуясь ча¬ сами с секундной стрелкой, сосчитай, сколько полных колебаний он делает за 1 мин. Примерно 30. Следовательно, ча¬ стота колебаний этого маятника равна 0,5 Гц, а период 2 с. За период потенци¬ альная энергия маятника дважды пере¬ ходит в кинетическую, а кинетическая в потенциальную. Укороти нить напо¬ ловину. Частота маятника увеличится примерно в 1,5 раза и во столько же раз уменьшится период колебаний. Этот опыт позволяет сделать вы¬ вод — с уменьшением длины маятника частота его собственных колебаний увеличивается, а период пропорцио¬ нально уменьшается. Изменяя длину подвески маятника, добейся, чтобы его частота колебаний равнялась 1 Гц. Это должно быть при длине нити около 25 см. При этом пери¬ од колебаний маятника будет равен 1 с. Рис. 40. Электрические колебания в контуре
Беседа третья 53 Каким бы ты ни пытался создать перво¬ начальный размах маятника, частота его колебаний будет неизменной. Но стоит только укоротить или удлинить нитку, как частота колебаний сразу из¬ менится. При одной и той же длине нитки всегда будет одна и та же часто¬ та колебаний. Это собственная частота колебаний маятника. Получить задан¬ ную частоту колебаний можно, подби¬ рая длину нити. Рис. 41. Графики колебаний простейшего ма¬ ятника Колебания нитяного маятника — затухающие. Они могут стать незату¬ хающими только в том случае, если ма¬ ятник в такт с его колебаниями слегка подталкивать, компенсируя таким об¬ разом ту энергию, которую он затрачи¬ вает на преодоление сопротивления, оказываемого ему воздухом, энергию трения и земное притяжение. Собственная частота характерна и для электрического колебательного контура. Он зависит, во-первых, от ин¬ дуктивности катушки. Чем больше чис¬ ло витков и диаметр катушки, тем боль¬ ше ее индуктивность, тем больше будет длительность периода каждого колеба¬ ния. Собственная частота колебаний в контуре будет соответственно меньше. И наоборот, с уменьшением индуктив¬ ности катушки сократится период ко¬ лебаний — возрастет собственная час¬ тота колебаний в контуре. Во-вторых, собственная частота колебаний в кон¬ туре зависит от емкости его конденса¬ тора. Чем емкость больше, тем больший заряд может накопить конденсатор, тем больше потребуется времени для его перезарядки, тем меньше частота колебаний в контуре. С уменьшением емкости конденсатора частота колеба¬ ний в контуре возрастает. Таким обра¬ зом, собственную частоту затухающих колебаний в контуре можно регулиро¬ вать изменением индуктивности ка¬ тушки или емкости конденсатора. Но в электрическом контуре, как и в механической колебательной систе¬ ме, можно получить и незатухающие, т.е. вынужденные колебания, если при каждом колебании пополнять контур дополнительными порциями электри¬ ческой энергии от какого-либо источ¬ ника переменного тока. Каким же образом в контуре при¬ емника возбуждаются и поддержива¬ ются незатухающие электрические ко¬ лебания? Колебания радиочастоты, возбуждающиеся в антенне приемни¬ ка, сообщают контуру первоначальный заряд, они же и поддерживают ритмич¬ ные колебания электронов в контуре. Но наиболее сильные незатухающие колебания в контуре приемника возни¬ кают только в момент резонанса собст¬ венной частоты контура с частотой то¬ ка в антенне. Как это понимать? Люди старшего поколения расска¬ зывают, будто в Петербурге от шедших в ногу солдат обвалился Египетский мост. А могло это случиться, видимо, при таких обстоятельствах. Все солда¬ ты ритмично шагали по мосту. Мост от этого стал раскачиваться — колебать¬ ся. По случайному стечению обстоя¬ тельств собственная частота колеба¬ ний моста совпала с частотой шага сол¬ дат, и мост, как говорят, вошел в резо¬ нанс. Ритм строя сообщал мосту все новые и новые порции энергии. В ре¬ зультате мост настолько раскачался, что обрушился: слаженность воинско¬ го строя нанесла вред мосту. Если бы резонанса собственной частоты коле¬ баний моста с частотой шага солдат не было, с мостом ничего бы не случилось. Поэтому, между прочим, при прохож¬ дении солдат по слабым мостам приня¬ то подавать команду «сбить ногу».
54 Беседа третья А вот опыт. Подойди к какому-ни¬ будь струнному музыкальному инстру¬ менту и громко крикни «а»: какая-то из струн отзовется — зазвучит. Та из них, которая окажется в резонансе с часто¬ той этого звука, будет колебаться силь¬ нее остальных струн — она-то и отзо¬ вется на звук. Рис. 42. Опыт, иллюстрирующий явление ре¬ зонанса Еще один опыт — с маятником. На¬ тяни горизонтально нетолстую верев¬ ку. Привяжи к ней тот же маятник из нити и пластилина (рис. 42). Перекинь через веревку еще один такой же маят¬ ник, но с более длинной ниткой. Длину подвески этого маятника можно изме¬ нять, подтягивая рукой свободный ко¬ нец нитки. Приведи маятник в колеба¬ тельное движение. При этом первый маятник тоже станет колебаться, но с меньшей амплитудой. Не останавливая колебаний второго маятника, посте¬ пенно уменьшай длину его подвески — амплитуда колебаний первого маятни¬ ка будет увеличиваться. В этом опыте, иллюстрирующем резонанс механиче¬ ских колебаний, первый маятник явля¬ ется приемником колебаний, возбуж¬ даемых вторым маятником. Причиной, вынуждающей первый маятник коле¬ баться, являются периодические коле¬ бания растяжки с частотой, равной частоте колебаний второго маятника. Вынужденные колебания первого ма¬ ятника будут иметь максимальную амплитуду лишь тогда, когда его собст¬ венная частота совпадет с частотой ко¬ лебаний второго. Такие или подобные явления, толь¬ ко, разумеется, электрического проис¬ хождения, наблюдаются и в колеба¬ тельном контуре приемника. От дейст¬ вия волн многих радиостанций в при¬ емной антенне возбуждаются токи са¬ мых разных частот. Нам же из всех ко¬ лебаний радиочастот надо выбрать только несущую частоту той радио¬ станции, передачи которой мы хотим слушать. Для этого следует так подо¬ брать число витков катушки и емкость конденсатора колебательного контура, чтобы его собственная частота совпа¬ дала с частотой тока, создаваемого в антенне радиоволнами интересующей нас станции. В этом случае в контуре возникнут наиболее сильные колеба¬ ния с несущей частотой той радиостан¬ ции, на волну которой он настроен. Это и есть настройка контура приемника в резонанс с частотой передающей стан¬ ции. При этом сигналы других станций совсем не слышны или прослушивают¬ ся очень тихо, так как возбуждаемые ими колебания в контуре будут во мно¬ го раз более слабыми. Таким образом, настраивая контур своего первого приемника в резонанс с несущей частотой радиостанции, ты с его помощью как бы отбирал, выделял колебания частоты только этой стан¬ ции. Чем лучше контур будет выделять нужные колебания из антенны, тем вы¬ ше селективность приемника, тем сла¬ бее будут помехи со стороны других радиостанций. Рис. 43. Антенна и заземление — открытый колебательный контур До сих пор мы говорили о замкну¬ том колебательном контуре, т.е. конту¬ ре, собственная частота которого опре¬ деляется только индуктивностью ка¬
Беседа третья 55 тушки и емкостью конденсатора, обра¬ зующих его. Однако во входной контур приемника входят также антенна и за¬ земление. Это уже не замкнутый, а от¬ крытый колебательный контур. Дело в том, что провод антенны и земля яв¬ ляются «обкладками» конденсатора (рис. 43), обладающего некоторой элек¬ трической емкостью. В зависимости от длины провода и высоты антенны над землей эта емкость может составлять несколько сотен пикофарад. Такой кон¬ денсатор на рис. 34, а был показан штриховыми линиями. Но ведь антенну и землю можно рассматривать и как не¬ полный виток большой катушки. Стало быть, антенна и заземление, взятые вместе, обладают еще и индуктивнос¬ тью. А емкость совместно с индуктивно¬ стью образуют колебательный контур. Такой контур,'являющийся откры¬ тым колебательным контуром, тоже обладает собственной частотой колеба¬ ний. Включая между антенной и зем¬ лей катушки индуктивности и конден¬ саторы, мы можем изменять его собст¬ венную частоту, настраивать его в резонанс с частотами разных радио¬ станций. Как это делается на практике, ты уже знаешь. Я не ошибусь, если скажу, что коле¬ бательный контур является «сердцем» радиоприемника. И не только радио¬ приемника. В этом ты еще убедишься. Перехожу ко второму элементу приемника — детектору. Детектор. В твоем первом приемни¬ ке роль детектора выполнял диод. По¬ дробно о его устройстве и работе мы поговорим в шестой беседе. Сейчас же лишь скажу, что он является двухэлект¬ родным полупроводниковым прибо¬ ром, обладающим односторонней элек¬ тропроводностью: хорошо проводит ток одного направления и плохо — ток обратного направления. Для простоты же объяснения работы диода как детек¬ тора будем считать, что ток обратного направления он вообще не проводит и является для него как бы изолятором. Это свойство диода иллюстрирует гра¬ фик, изображенный на рис. 44: диод беспрепятственно пропускает через се¬ бя положительные полуволны перемен¬ ного тока и совсем не пропускает отри¬ цательные полуволны, он их как бы срезает. В результате такого действия диода переменный ток преобразуется в пульсирующий — ток одного направле¬ ния, но изменяющийся по значению с частотой пропускаемого через него то¬ ка. Этот преобразовательный процесс, называемый выпрямлением перемен¬ ного тока, лежит в основе детектирова¬ нии принятых радиосигналов. Рис. 45. Графики, иллюстрирующие детекти¬ рование модулированных колебаний радиоча¬ стоты Посмотри на графики, показанные на рис. 45. Они иллюстрируют процес¬ сы, происходящие в знакомой тебе де¬ текторной цепи простейшего прием¬ ника. Под действием радиоволн в кон¬ туре приемника возбуждаются моду¬ лированные колебания радиочастоты (рис. 45, в). К контуру подключена цепь, состоящая из диода и телефонов. Для этой цепи колебательный контур является источником переменного то¬ ка радиочастоты. Поскольку диод про¬ пускает ток только одного направле- Рис. 44. Диод преобразует переменный ток в пульсирующий
56 Беседа третья ни я, то модулированные колебания ра¬ диочастоты, поступающие в его цепь, будут им выпрямлены (рис. 45, б) или, говоря иначе, продетектированы. Если провести штриховую линию, огибаю¬ щую вершины выпрямленного тока, то получится «рисунок» тока звуковой частоты, которым модулирован ток, поступающий в антенну радиостанции во время передачи. Ток, получившийся в результате де¬ тектирования, состоит из импульсов радиочастоты, амплитуды которых из¬ меняются со звуковой частотой. Его можно рассматривать как суммарный ток и разложить на две составляющие: высокочастотную и низкочастотную. Их называют соответственно высоко¬ частотной и низкочастотной составля¬ ющей звуковой частоты пульсирующе¬ го тока. В простейшем приемнике низ¬ кочастотная составляющая звуковой частоты идет через телефоны и преоб¬ разуется ими в звук. Головной телефон — третье, по¬ следнее, звено простейшего приемни¬ ка, которое, образно выражаясь, «вы¬ дает готовую продукцию» — звук. Это один из старейших электрических приборов, почти без изменения сохра¬ нивший свои основные черты до на¬ ших дней. Для детекторных и многих про¬ стейших транзисторных приемников используют головные телефоны, на¬ пример, типов ТОН-1, ТГ-1, ТА-4. Это два последовательно соединенных те¬ лефона, удерживающихся на оголовье. Отвернем крышку одного из телефо¬ нов (рис. 46, а). Под ней находится круглая жестяная пластинка — мемб¬ рана. Сняв осторожно мембрану, мы увидим две катушки, насаженные на полюсные наконечники постоянного магнита, впрессованного в корпус. Ка¬ тушки соединены последовательно, а крайние выводы их припаяны к стер¬ женькам, к которым с наружной сторо¬ ны с помощью зажимных винтов под¬ ключен шнур с однополюсными штеп¬ сельными вилками. Полюсные наконечники Рис. 46. Устройство {а) и работа (б) электро¬ магнитного телефона Как работает телефон? Мембрана, создающая звук, находится возле по¬ люсных наконечников магнита и опи¬ рается на бортики корпуса (рис. 46, б). Под действием поля магнита она не¬ много прогибается в середине, но не прикасается к полюсным наконечни¬ кам магнита (на рис. 46, б сплошная ли¬ ния). Когда через катушки телефона течет ток, он создает вокруг катушек магнитное поле, которое взаимодейст¬ вует с полем постоянного магнита. Си¬ ла этого единого магнитного поля, а значит, и сила притяжения мембраны к полюсным наконечникам зависит от направления тока в катушках. При од¬ ном направлении, когда направления магнитных силовых линий катушек и магнита совпадают и их поля складыва¬ ются, мембрана сильнее притягивается к полюсам магнита (на рис. 46, б ниж¬ няя штриховая линия). При другом на¬ правлении тока силовые линии кату¬ шек и магнита направлены встречно и общее поле становится слабее, чем по¬ ле магнита. В этом случае мембрана слабее притягивается полюсными на¬ конечниками и, выпрямляясь, несколь¬ ко удаляется от них (на рис. 46, б верх¬ няя штриховая линия). Если через ка¬
Беседа третья 57 тушки телефона пропускать перемен¬ ный ток звуковой частоты, суммарное магнитное поле станет то усиливаться, то ослабляться, а мембрана будет то приближаться к полюсным наконечни¬ кам магнита, то отходить от них, т.е. ко¬ лебаться с частотой тока. Колеблясь, мембрана создаст в окружающем про¬ странстве звуковые волны. С первого взгляда может показать¬ ся, что постоянный магнит в телефоне не нужен, катушки можно надеть на железную ненамагниченную подковку. Но это не так. И вот почему. Железная подковка, намагничиваемая только то¬ ком в катушках, будет притягивать мембрану независимо от того, идет ток через катушки в одном направлении или другом. Значит, за один период пе¬ ременного тока мембрана притянется во время первого полупериода, отойдет от него и еще раз притянется во время второго полупериода, т.е. за один пери¬ од переменного тока (рис. 47, а) она сде¬ лает два колебания (рис 47, б). Если, на¬ пример, частота тока 500 Гц, то мембра¬ на телефона за 1 с сделает 500x2 = 1000 колебаний и ток звука исказится — бу¬ дет вдвое выше. Вряд ли нас устроит та¬ кой телефон. С постоянным же магнитом дело обстоит иначе: при одном полупериоде происходит усиление магнитного по¬ ля — уже притянутая мембрана про¬ гнется еще больше, при другом полупе¬ риоде поле ослабевает и мембрана, вы¬ прямляясь, отходит дальше от полюсов магнита. Таким образом, при наличии постоянного магнита мембрана за один период переменного тока делает толь¬ ко одно колебание (рис. 47, б) и теле¬ фон не искажает звук. Постоянный магнит, кроме того, повышает гром¬ кость звучания телефона. Теперь разберем такой вопрос: за¬ чем параллельно головным телефонам подключают блокировочный конденса¬ тор? Какова его роль? Электрическая емкость блокиро¬ вочного конденсатора такова, что че¬ рез него свободно проходят токи высо¬ кой частоты, а токам звуковой частоты он оказывает значительное сопротив¬ ление. Телефоны, наоборот, хорошо пропускают токи звуковой частоты и оказывают большое сопротивление то¬ кам высокой частоты. На этом участке детекторной цепи высокочастотный пульсирующий ток разделяется (на рис. 48 — в точке а) на составляющие, которые далее идут: высокочастот¬ ная — через блокировочный конденса¬ тор С, а составляющая звуковой часто¬ ты — через телефоны В. Затем состав¬ ляющие соединяются (на рис. 48 — в точке б) и далее опять идут вместе. Рис. 47. Графики, иллюстрирующие работу электромагнитного телефона: а — переменный ток в телефоне, б — колеба¬ ние мембраны в телефоне без постоянного магнита; в — ток в телефоне с постоянным магнитом Рис. 48. В точке а детекторной цепи составля¬ ющие высокочастотного пульсирующего тока разделяются, а в точке б соединяются
58 Беседа третья Назначение блокировочного кон¬ денсатора можно объяснить еще так. Телефон из-за инертности мембраны не может отзываться на каждый высо¬ кочастотный импульс тока в детектор¬ ной цепи. Значит, чтобы телефон рабо¬ тал, надо как-то «сгладить» высокочас¬ тотные импульсы, «заполнить» прова¬ лы тока между ними. Эта задача и решается с помощью блокировочного конденсатора следующим образом. От¬ дельные высокочастотные импульсы заряжают конденсатор. В моменты между импульсами конденсатор разря¬ жается через телефон, заполняя таким образом «провалы» между импульсами. В результате через телефон идет ток од¬ ного направления, но изменяющийся по значению со звуковой частотой, ко¬ торый и преобразуется им в звук. Еще короче о роли блокировочного конденсатора можно сказать так: он фильтрует сигнал звуковой частоты, выделенный диодом, т.е. «очищает» его от составляющей радиочастоты. Почему же детекторный приемник работал во время самого первого опыта (см. рис. 29), когда блокировочного конденсатора не было? Его компенси¬ ровала емкость, сосредоточенная меж¬ ду проводами шнура и витками кату¬ шек телефонов. Но эта емкость значи¬ тельно меньше емкости специально подключаемого конденсатора. В этом случае ток через детектор будет мень¬ шим, чем при наличии блокировочного конденсатора, и передача слышна сла¬ бее. Это особенно заметно при приеме отдаленных станций. Качество работы телефона оцени¬ вают главным образом с точки зрения его чувствительности — способности реагировать на слабые колебания элек¬ трического тока. Чем слабее колеба¬ ния, на которые отзывается телефон, тем выше его чувствительность. Чувствительность телефона зави¬ сит от числа витков в его катушках и качества магнита. Два телефона с со¬ вершенно одинаковыми магнитами, но с катушками, содержащими неодина¬ ковое число витков, различны по чув¬ ствительности. Лучшей чувствительно¬ стью будет обладать тот из них, в кото¬ ром использованы катушки с большим числом витков. Чувствительность теле¬ фона зависит также от положения мембраны относительно полюсных на¬ конечников магнита. Наилучшая чув¬ ствительность его будет в том случае, когда мембрана находится очень близ¬ ко к полюсным наконечникам, но, виб¬ рируя, не прикасается к ним. Телефоны принято подразделять на высокоомные — с большим числом вит¬ ков в катушках, и низкоомные — с от¬ носительно небольшим числом витков. Для детекторного приемника пригодны только высокоомные телефоны. Ка¬ тушки каждого телефона типа ТОН-1, например, намотаны эмалированным проводом толщиной 0,06 мм и имеют по 4000 витков. Их сопротивление посто¬ янному току около 2200 Ом. Это число, характеризующее телефоны, выштам- повано на их корпусах. Поскольку два телефона соединены последовательно, их общее сопротивление постоянному току составляет 4400 Ом. Сопротивле¬ ние постоянному току низкоомных те¬ лефонов, например типа ТА-56, может быть 50...60 Ом. Низкоомные телефоны можно использовать для некоторых транзисторных приемников. Как проверить исправность и чув¬ ствительность головных телефонов? Прижми их к ушам. Смочи слюной штепсельные вилки на конце шнура, а затем коснись ими друг друга — в теле¬ фонах должен быть слышен слабый щелчок. Чем сильнее этот щелчок, тем чувствительнее телефоны. Щелчки по¬ лучаются потому, что смоченный кон¬ такт между металлическими вилками представляет собой очень слабый ис¬ точник тока. Грубо проверить телефоны можно с помощью батареи для карманного электрического фонарика. При под¬ ключении телефонов к батарее и от¬ ключении от нее должны быть слышны резкие щелчки. Если щелчков нет, зна¬
Беседа третья 59 чит, где-то в катушках или шнуре име¬ ется обрыв или плохой контакт. ВОЗМОЖНЫЕ НЕИСПРАВНОСТИ Детекторный приемник прост. Од¬ нако и в нем, как и в сложном приемни¬ ке, могут быть неполадки, которые на¬ до уметь находить и устранять. Меньше всего неисправностей бы¬ вает, как правило, в приемнике, детали которого укреплены прочно, монтаж выполнен аккуратно, а все соединения надежно пропаяны. Но если все же приемник перестал работать или работает с перебоями, значит, где-то обрыв, ненадежный или совсем плохой контакт, произошло ко¬ роткое замыкание. Надо прежде всего посмотреть, нет ли внешних повреж¬ дений в катушке, хорошо ли присоеди¬ нены антенна и заземление, в порядке ли переключатель. Проверь исправ¬ ность антенны, заземления и их вво¬ дов, посмотри, не соприкасается ли провод антенны с каким-либо предме¬ том, через который может быть утечка тока из антенны в землю помимо при¬ емника. Если внешних повреждений в приемнике, антенне и заземлении не обнаружено, значит, где-то нарушился контакт в самом приемнике. Чаще все¬ го плохие контакты появляются в пе¬ реключателях из-за отвертывания гаек и винтов во время настройки, плохой зачистки монтажного провода в мес¬ тах соединений. При этом приемник вообще перестает работать или его пе¬ редачи принимаются со значительным треском. Неисправность может быть и в са¬ мой катушке, если она намотана не из целого отрезка провода и места соеди¬ нения не пропаяны. Так бывает часто, если приемник долго находился в сы¬ ром месте: от сырости соединения окисляются, нарушаются электричес¬ кие контакты. Какие еще могут быть неисправно¬ сти в приемнике? Посмотри на схему своего прием¬ ника и ответь на такие вопросы: Будет ли работать приемник, если блокиро¬ вочный конденсатор окажется «проби¬ тым» (его обкладки соединены)? Что произойдет, если соединятся проводни¬ ки шнура головных телефонов? Будет ли работать приемник, если случайно соединятся начало и конец контурной катушки или надломятся ее отводы? Задай себе еще ряд подобных во¬ просов и ответь на них. Тогда тебе бу¬ дет легче отыскивать неисправности в приемнике и устранять их. В седьмой беседе ты узнаешь о пробниках и приборах, с помощью ко¬ торых облегчается оценка качества де¬ талей, контактов, соединений. Ими то¬ же можно воспользоваться для отыска¬ ния неисправностей в детекторном приемнике. Следующим шагом практического освоения радиоприемной техники будет постройка однотранзисторного устройства, обеспечивающего более громкое, чем детекторный приемник, звучание головных телефонов. Но прежде надо будет поглубже «заглянуть» в электротехнику, поговорить об устройстве и работе транзисторов, других приборах и радиотехнических деталях, без чего этот шаг может стать ненадежным.
60 БЕСЕДА ЧЕТВЕРТАЯ ЭКСКУРСИЯ В ЭЛЕКТРОТЕХНИКУ Рассказывая в предыдущих беседах об истории электро- и радиотехники, о сущности ра¬ диопередачи и радиоприема, о работе детекторного приемника, я обходился лишь по¬ верхностным объяснением тех или иных электрических явлений, прибегая к аналогиям, примерам. Да и твой первый приемник состоял всего из нескольких деталей. Дальнейшее знакомство с радиотехникой, монтаж более сложных радиотехнических приборов и устройств потребуют более широких знаний электротехники и некоторых законов ее, умения рассчитывать хотя бы простые электрические цепи. Кроме того, те¬ бе придется иметь дело с новыми, пока что незнакомыми деталями и приборами, уст¬ ройство и принцип работы которых надо знать. Поэтому-то я и предлагаю тебе в этой беседе совершить своеобразную «экскурсию» в электротехнику. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК И ЕГО ОЦЕНКА Характеризуя количественное зна¬ чение электрического тока, я иногда пользовался такой терминологией, как, например, «малый ток», «большой ток». На первых порах такая оценка тока как-то устраивала тебя, но она совер¬ шенно непригодна для характеристики тока с точки зрения работы, которую он может выполнять. Когда мы говорим о работе тока, под этим подразумеваем, что его энер¬ гия преобразуется в какой-либо иной вид энергии: тепло, свет, химическую
Беседа четвертая 61 или механическую энергию. Чем боль¬ ше поток электронов, тем значитель¬ нее ток и его работа. Иногда говорят, «сила тока» или просто «ток». Таким образом, слово «ток» имеет два значе¬ ния. Оно обозначает само явление дви¬ жения электрических зарядов в про¬ воднике, а также служит оценкой ко¬ личества электричества, проходящего по проводнику. Ток (или значение тока) условно оценивают числом электронов, проходя¬ щих по проводнику в течение 1 с. Число это огромно. Через нить накала горящей лампочки электрического карманного фонарика, например, ежесекундно про¬ ходит около 2 ООО ООО ООО ООО ООО ООО эле¬ ктронов. Вполне понятно, что характе¬ ризовать ток количеством электронов неудобно, так как пришлось бы иметь дело с очень большими числами. За еди¬ ницу электрического тока принят ампер (сокращенно пишут А). Так ее назвали в честь французского физика и математи¬ ка А. Ампера (1775—1836 гг.), изучавше¬ го законы механического взаимодей¬ ствия проводников с током и другие эле¬ ктрические явления. Ток 1 А — это ток такого значения, при котором через поперечное сечение проводника за 1 с проходит б 250 ООО ООО ООО ООО ООО элек¬ тронов. В математических выражениях ток обозначают латинской буквой I или i (чи¬ тается «и»). Например, пишут: I = 2 А или i = 0,5 А. Наряду с ампером применяют бо¬ лее мелкие единицы значения тока: миллиампер (пишут мА), равный 0,001 А, и микроампер (пишут мкА), равный 0,000001 А, или 0,001 мА. Сле¬ довательно, 1 А равен 1000 мА, или 1 000 000 мкА. Приборы, служащие для измере¬ ния токов, называют соответственно амперметрами, миллиамперметрами, микроамперметрами. Их включают в электрическую цепь последовательно с потребителем тока, т.е. в разрыв внеш¬ ней цепи (рис. 49). На схемах эти при¬ боры изображают кружками с присво¬ енными им буквами внутри: А (ампер¬ метр), мА (миллиамперметр) и мкА (ми¬ кроамперметр), а рядом пишут РА, что означает измеритель тока. Измери¬ тельный прибор рассчитан на ток не больше некоторого предельного для данного прибора. Прибор нельзя вклю¬ чать в цепь, в которой течет ток, превы¬ шающий это значение, иначе он может испортиться. Рис. 49. Амперметр (миллиамперметр, микро¬ амперметр) включают в электрическую цепь последовательно с потребителем тока У тебя может возникнуть вопрос: как оценить переменный ток, направ¬ ление и значение которого непре¬ рывно изменяются? Переменный ток обычно оценивают по его действующе¬ му значению. Это такое значение тока, которое соответствует постоянному току, производящему такую же работу. Действующее значение переменного тока составляет примерно 0,7 ампли¬ тудного, т.е. максимального значения. ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ Говоря о проводниках, мы имеем в виду вещества, материалы и, прежде всего, металлы, относительно хорошо проводящие ток. Однако не все вещест¬ ва, называемые проводниками, одина¬ ково хорошо проводят электрический ток, т.е. они, как говорят, обладают неодинаковой электропроводимостью. Объясняется это тем, что при своем дви¬ жении свободные электроны сталкива¬ ются с атомами и молекулами вещества, причем в одних веществах атомы и мо-
62 Беседа четвертая лекулы сильнее мешают движению эле¬ ктронов, а в других — меньше. Говоря иначе, одни вещества оказывают элект¬ рическому току большее сопротивле¬ ние, а другие — меньшее. Из всех мате¬ риалов, широко применяемых в элект- ро- и радиотехнике, наименьшее сопро¬ тивление оказывает медь. Поэтому-то электрические провода и делают чаще всего из меди. Еще меньшее сопротив¬ ление имеет серебро, но это очень доро¬ гой металл. Железо, алюминий и раз¬ ные металлические сплавы обладают большим сопротивлением, т.е. худшей электропроводимостью. Сопротивление проводника зави¬ сит не только от свойств его материала, но и от размера самого проводника. Толстый проводник обладает меньшим сопротивлением, чем тонкий из такого же материала; короткий проводник имеет меньшее сопротивление, длин¬ ный — большее, так же, как широкая и короткая труба оказывает меньшее препятствие движению воды, чем тон¬ кая и длинная. Кроме того, сопротивле¬ ние металлического проводника зави¬ сит от его температуры: чем ниже тем¬ пература проводника, тем меньше его сопротивление. За единицу электрического сопро¬ тивления принят ом (пишут Ом) — по имени немецкого физика Г. Ома. Со¬ противление 1 Ом — сравнительно небольшая электрическая величина. Та¬ кое сопротивление току оказывает, на¬ пример, отрезок медного провода диа¬ метром 0,15 мм и длиной 1 м. Сопротив¬ ление нити накала лампочки карманно¬ го электрического фонаря около 10 Ом, нагревательного элемента электро¬ плитки — несколько десятков Ом. В ра¬ диотехнике чаще приходится иметь де¬ ло с большим, чем ом или несколько десятков Ом, сопротивлением. Сопро¬ тивление высокоомного телефона, на¬ пример, больше 2000 Ом; сопротивле¬ ние полупроводникового диода, вклю¬ ченного в не пропускающем ток на¬ правлении, несколько сотен тысяч ом. Знаешь, какое сопротивление электри¬ ческому току оказывает твое тело? От 1000 до 20 000 Ом. А сопротивление ре¬ зисторов — специальных деталей, о ко¬ торых я буду еще говорить в этой бесе¬ де, могут быть до нескольких миллио¬ нов ом и больше. Эти детали, как ты уже знаешь (по рис. 33), на схемах обо¬ значают в виде прямоугольников. В математических формулах со¬ противление обозначают латинской буквой R. Такую же букву ставят и воз¬ ле графических обозначений резисто¬ ров на схемах. Для выражения больших сопротив¬ лений резисторов используют более крупные единицы: килоом (сокращен¬ но пишут кОм), равный 1000 Ом, и ме- гаом (сокращенно пишут МОм), рав¬ ный 1 000 000 Ом, или 1000 кОм. Сопротивления проводников, элек¬ трических цепей, резисторов или дру¬ гих деталей измеряют специальными приборами — омметрами. На схемах омметр обозначают кружком с гречес¬ кой буквой Q (омега) внутри. ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ НАПРЯЖЕНИЕ За единицу электрического напря¬ жения, электродвижущей силы (ЭДС) принят вольт (в честь итальянского фи¬ зика А. Вольта). В формулах напряже¬ ние обозначают латинской буквой U (читается «у»), а саму единицу напря¬ жения — вольт — буквой В. Например, пишут: U = 4,5 В; U = 220 В. Единица вольт характеризует на¬ пряжение на концах проводника, уча¬ стке электрической цепи или полюсах источника тока. Напряжение 1 В — это такая электрическая величина, которая в проводнике сопротивлением 1 Ом со¬ здает ток, равный 1 А. Батарея 3336 (иногда пишут с бук¬ вой Л в конце обозначения, что означа¬ ет «летняя»), предназначенная для пло¬ ского карманного электрического фо¬ наря, как ты уже знаешь, состоит из трех элементов, соединенных последо¬
Беседа четвертая 63 вательно. На этикетке батареи можно прочитать, что ее напряжение 4,5 В. Значит, напряжение каждого из эле¬ ментов батареи 1,5 В. Напряжение ба¬ тареи «Крона» или «Корунд» 9 В, а на¬ пряжение электроосветительной сети может быть 127 или 220 В. Напряжение измеряют вольтмет¬ ром, подключая прибор одноименны¬ ми зажимами к полюсам источника то¬ ка или параллельно участку цепи, рези¬ стору или другой нагрузке, на которой необходимо измерить действующее на ней напряжение (рис. 50). На схемах вольтметр обозначают латинской бук¬ вой V в кружке, а рядом — PU. Для оценки напряжения применяют и бо¬ лее крупную единицу — киловольт (пи¬ шут кВ), соответствующую 1000 В, а также более мелкие единицы — милли¬ вольт (пишут мВ), равный 0,001 В, и ми¬ кровольт (пишутмкВ), равный 0,001 мВ. Эти напряжения измеряют соответст¬ венно киловольтметрами, милливольт¬ метрами и микровольтметрами. Такие приборы, как и вольтметры, подключа¬ ют параллельно источникам тока или участкам цепей, на которых надо изме¬ рить напряжение. Рис. 50. Вольтметр подключают параллельно нагрузке или источнику тока, питающего эле¬ ктрическую цепь Выясним теперь, в чем разница по¬ нятий «напряжение» и «электродвижу¬ щая сила». Электродвижущей силой называют напряжение, действующее между по¬ люсами источника тока, пока к нему не подключена внешняя цепь — например, нагрузка, лампочка накаливания или резистор. Как только будет подключена внешняя цепь и в ней возникнет ток, на¬ пряжение между полюсами источника тока станет меньше. Так, например, но¬ вый, еще не работавший гальваничес¬ кий элемент имеет ЭДС не менее 1,5 В. При подключении к нему нагрузки на¬ пряжение на его полюсах становится равным примерно 1,3...1,4 В. По мере расходования энергии элемента на пи¬ тание внешней цепи его напряжение постепенно уменьшается. Элемент счи¬ тается разрядившимся и, следователь¬ но, негодным для дальнейшего приме¬ нения, когда напряжение снизится до 0,7 В, хотя, если отключить внешнюю цепь, его ЭДС будет больше этого на¬ пряжения. А как оценивают переменное на¬ пряжение? Когда говорят о перемен¬ ном напряжении, например о напря¬ жении электроосветительной сети, то имеют в виду его действующее значе¬ ние, составляющее примерно, как и действующее значение переменного тока, 0,7 амплитудного. ЗАКОН ОМА На рис. 51 показана схема знако¬ мой тебе простейшей электрической цепи. Эта замкнутая цепь состоит из трех элементов: источника напряже¬ ния — батареи GB, потребителя тока — нагрузки R, которой может быть, на¬ пример, нить накала электрической лампы или резистор, и проводников, соединяющих источник напряжения с нагрузкой. Между прочим, если эту цепь дополнить выключателем, то по¬ лучится полная схема карманного эле¬ ктрического фонаря. Рис. 51. Простейшая электрическая цепь Нагрузка R, обладающая опреде¬ ленным сопротивлением, является уча¬
64 Беседа четвертая стком цепи. Значение тока на этом уча¬ стке цепи зависит от действующего на нем напряжения и его сопротивления: чем больше напряжение и меньше со¬ противление, тем больший ток будет идти по участку цепи. Эта зависимость тока от напряжения и сопротивления выражается следующей формулой: 1= U/R, где I — ток, выраженный в амперах, А; U — напряжение в вольтах, В; R — со¬ противление в омах, Ом. Читается это математическое выражение так: ток в участке цепи прямо пропорционален напряжению на нем и обратно пропор¬ ционален его сопротивлению. Это ос¬ новной закон электротехники, именуе¬ мый законом Ома (по фамилии Г. Ома) для участка электрической цепи. Закон Ома можно записать еще так: U = IP или R = U/I. Используя закон Ома, можно по двум известным электрическим вели¬ чинам узнать неизвестную третью. Вот несколько примеров практического применения закона Ома. Первый пример. На участке цепи, об¬ ладающем сопротивлением 5 Ом, дейст¬ вует напряжение 25 В. Надо узнать зна¬ чение тока на этом участке цепи. Решение: I = U/R = 25/5 = 5 А. Второй пример. На участке цепи действует напряжение 12 В, создавая в нем ток, равный 20 мА. Каково сопро¬ тивление этого участка цепи? Прежде всего, ток 20 мА нужно вы¬ разить в амперах. Это будет 0,02 А. Тог¬ да R= U/I= 12/0,02= 600 Ом. Третий пример. Через участок це¬ пи сопротивлением 10 кОм течет ток 20 мА. Каково напряжение, действую¬ щее на этом участке цепи? Здесь, как и в предыдущем приме¬ ре, ток должен быть выражен в ампе¬ рах (20 мА = 0,02 А), а сопротивление в омах (10 кОм = 10 000 Ом). Следова¬ тельно, U = IR = 0,02 х 10 000 = 200 В. На цоколе лампы накаливания пло¬ ского карманного фонаря выштампова- но: 0,28 А и 3,5 В. О чем говорят эти све¬ дения? О том, что лампочка МН 3,5-0,28 будет нормально светиться при токе 0,28 А, который обусловливается на¬ пряжением 3,5 В. Пользуясь законом Ома, нетрудно подсчитать, что нака¬ ленная нить лампочки имеет сопротив¬ ление R = U/I = 3,5/0,28 = 12,5 Ом. Это, подчеркиваю, сопротивление накаленной нити лампочки. А сопро¬ тивление остывшей нити значительно меньше. Закон Ома справедлив не только для участка, но и для всей электричес¬ кой цепи. В этом случае в значение R подставляется суммарное сопротивле¬ ние всех элементов цепи, в том числе и внутреннее сопротивление источника тока. Однако при простейших расчетах цепей обычно пренебрегают сопротив¬ лением соединительных проводников и внутренним сопротивлением источ¬ ника тока. В связи с этим приведу еще один пример. Напряжение электроо¬ светительной сети 220 В. Какой ток по¬ течет в цепи, если сопротивление на¬ грузки равно 1000 Ом? Решение: I = U/R = 220/1000 = 0,22 А. Примерно такой ток потребляет электрический паяльник. Всеми этими формулами, вытекаю¬ щими из закона Ома, можно пользо¬ ваться и для расчета цепей переменно¬ го тока, но при условии, что в цепях нет катушек индуктивности и конденсато¬ ров. Теперь рассмотрим такой вопрос: как влияет на ток резистор, включае¬ мый в цепь последовательно с нагруз¬ кой или параллельно ей? Разберем такой конкретный при¬ мер. У тебя есть лампочка от электри¬ ческого фонаря, нить которой рассчи¬ тана на напряжение 2,5 В при токе накала 0,15 А, т.е. миниатюрная типа МН2,5-0,15. Можно ли ее питать от ба¬ тареи 3336, начальное напряжение ко¬ торой 4,5 В? Нетрудно подсчитать, что сопротивление накаленной нити этой лампочки при номинальном напряже¬ нии (2,5 В) будет около 15 Ом. И если
Беседа четвертая 65 но сравнить с потоком воды в реке. Русло реки на различных участках мо¬ жет быть широким или узким, глубо¬ ким или мелким. Однако за определен¬ ный промежуток времени через попе¬ речное сечение любого участка русла реки всегда проходит одинаковое ко¬ личество воды. Добавочный резистор, включае¬ мый в цепь последовательно с нагруз¬ кой (как, например, на рис. 52), можно рассматривать как резистор, «гася¬ щий» часть напряжения, действующе¬ го в цепи. Напряжение, которое гасит¬ ся добавочным резистором или, как го¬ ворят, падает на нем, будет тем боль¬ шим, чем больше сопротивление этого резистора. Зная ток и сопротивление добавочного резистора, падение на¬ пряжения на нем легко подсчитать по знакомой тебе формуле U = IR. Здесь U — падение напряжения, В; I — ток в цепи, A; R — сопротивление добавоч¬ ного резистора, Ом. Применительно к нашему примеру резистор R (рис. 52) погасил избыток напряжения: U = IR = 0,15 х 15 = 2 В. Остальное напряжение батареи падало на нити лампочки. Необходимое сопротивление рези¬ стора можно найти по другой знакомой тебе формуле: R = U/I, где R — искомое сопротивление доба¬ вочного резистора, Ом; U — напряже¬ ние, которое необходимо погасить, В; I — ток в цепи, А. Для нашего примера (рис. 52) сопро¬ тивление добавочного резистора долж¬ но быть: R = U/I = 2/0,15 — 15 Ом. Из¬ меняя сопротивление, можно умень¬ шать или увеличивать напряжение, которое падает на добавочном резис¬ торе, и таким образом регулировать ток в цепи. Но добавочный резистор R в такой цепи может быть переменным, т.е. ре¬ зистором, сопротивление которого можно изменять (рис. 53). В этом слу¬ чае с помощью движка резистора R1 можно плавно изменять напряжение, питать ее от свежей батареи 3336, то через нить накала, по закону Ома, по¬ течет ток, вдвое превышающий тот ток, на который она рассчитана. Такой пе¬ регрузки нить не выдержит, она пере¬ калится и разрушится. Но эту лампоч¬ ку все же можно питать от батареи 3336, если последовательно в цепь включить добавочный резистор сопро¬ тивлением 13... 15 Ом, как это показано на рис. 52. В этом случае общее сопро¬ тивление внешней цепи будет равно примерно 30 Ом, т.е. 15 Ом — сопро¬ тивление нити лампочки EL плюс 15 Ом — сопротивление добавочного резистора R. В цепи, следовательно, потечет ток, равный примерно 0,15 А, т.е. такой же, на который рассчитана нить накала. Эту лампочку можно пи¬ тать от батареи и с более высоким на¬ пряжением и даже от электроосвети¬ тельной сети, если подобрать резистор соответствующего сопротивления. Рис. 52. Добавочный резистор, включенный в цепь, ограничивает ток в этой цепи В этом примере добавочный резис¬ тор ограничивает ток в цепи до нужно¬ го нам значения. Чем больше будет его сопротивление, тем меньше будет и ток в цепи. В данном случае в цепь было включено последовательно два сопро¬ тивления: нити накала лампочки и со¬ противление резистора. А при последо¬ вательном соединении сопротивлений ток одинаков во всех точках цепи. Можно включать амперметр в любую точку цепи, и всюду он будет показы¬ вать одно значение. Это явление мож¬
66 Беседа четвертая подводимое к нагрузке R2, а значит, плавно регулировать ток, протекаю¬ щий через эту нагрузку. Включенный таким образом переменный резистор называют реостатом. С помощью рео¬ статов регулируют токи в цепях прием¬ ников и усилителей. Во многих киноте¬ атрах реостаты используют для плавно¬ го гашения света в зрительном зале. Есть, однако, и другой способ под¬ ключения нагрузки к источнику тока с избыточным напряжением — тоже с помощью переменного резистора, но включенного потенциометром, т.е. де¬ лителем напряжения, как показано на рис. 54. Здесь R1 — резистор, включен¬ ный потенциометром, a R2 — нагрузка, которой может быть та же лампочка накаливания или какой-то другой при¬ бор. На резисторе R1 происходит паде¬ ние напряжения источника тока, кото¬ рое частично или полностью может быть подано к на грузке R2. Когда дви¬ жок резистора находится в крайнем нижнем положении, к нагрузке напря¬ жение вообще не подается (если это лампочка, она гореть не будет). По ме¬ ре перемещения движка резистора вверх мы будем подавать все большее напряжение к нагрузке R2 (если это лампочка, ее нить будет накаливаться). Когда же движок резистора R1 окажет¬ ся в крайнем верхнем положении, к на¬ грузке R2 будет подано все напряже¬ ние источника тока (если R2 — лампоч¬ ка карманного фонаря, а напряжение источника тока большое, нить лампоч¬ ки перегорит). Можно опытным путем найти такое положение движка пере¬ менного резистора, при котором к на¬ грузке будет подано необходимое ей напряжение. Переменные резисторы, включае¬ мые потенциометрами, широко ис¬ пользуют для регулирования громкос¬ ти в приемниках и усилителях колеба¬ ний звуковой частоты. Резистор может быть непосредст¬ венно подключен параллельно нагруз¬ ке. В таком случае ток на этом участке цепи разветвляется и идет двумя парал¬ дельными путями: через добавочный резистор и через основную нагрузку. Наибольший ток будет в ветви с наи¬ меньшим сопротивлением. Сумма же токов обеих ветвей равна току, расхо¬ дуемому на питание внешней цепи. Рис. 54. Регулирование напряжения на нагрузке R2 цепи с помощью переменного резистора R1 К параллельному соединению при¬ бегают, когда надо ограничить ток не во всей цепи, как при последователь¬ ном включении добавочного резисто¬ ра, а только в каком-то участке ее. До¬ бавочные резисторы подключают, на¬ пример, параллельно миллиампермет¬ рам, чтобы ими можно было измерять большие токи. Такие резисторы назы¬ вают шунтирующими, или шунтами. Слово шунт означает «ответвление». ИНДУКТИВНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ В цепи переменного тока на значе¬ ние тока влияет не только сопротивле¬ ние проводника, включенного в цепь, но и его индуктивность. Поэтому в це¬ пях переменного тока различают так называемое омическое или активное сопротивление, определяемое свойст¬ вами материала проводника, и индук¬ тивное сопротивление, определяемое индуктивностью проводника. Прямой проводник обладает сравнительно не¬ большой индуктивностью. Но если этот проводник свернуть в катушку, его индуктивность увеличится. При этом увеличится и сопротивление, ока- Рис. 53. Регулирование тока в цепи резистором
Беседа четвертая 67 зываемое им переменному току, — ток в цепи уменьшится. С увеличением ча¬ стоты тока индуктивное сопротивле¬ ние катушки тоже увеличивается. Запомни: сопротивление катушки индуктивности переменному току воз¬ растает с увеличением ее индуктивнос¬ ти и частоты проходящего по ней тока. Это свойство катушки используют в различных цепях приемников, когда требуется ограничить ток высокой час¬ тоты или выделить колебания высокой частоты, в выпрямителях переменного тока и во многих других случаях, с ко¬ торыми тебе придется постоянно стал¬ киваться на практике. Единицей индуктивности является генри (Гн). Индуктивностью 1 Гн обла¬ дает такая катушка, у которой при из¬ менении тока в ней на 1 А в течение 1 с развивается ЭДС самоиндукции, рав¬ ная 1 В. Этой единицей пользуются для определения индуктивности катушек, которые включают в цепи токов звуко¬ вой частоты. Индуктивность катушек, используемых в колебательных конту¬ рах, измеряют в тысячных долях генри, называемых миллигенри (мГн), или еще в тысячу раз меньше единицей — микрогенри (мкГн). МОЩНОСТЬ И РАБОТА ТОКА На нагрев нити накала электролам¬ пы, электропаяльника, электроплитки или иного прибора затрачивается не¬ которое количество электроэнергии. Эту энергию, отдаваемую источником тока (или получаемую от него нагруз¬ кой) в течение 1 с, называют мощнос¬ тью тока. За единицу мощности тока принят ватт (Вт). Ватт — это мощность, которую развивает постоянный ток 1А при напряжении 1В. В формулах мощ¬ ность тока обозначают латинской бук¬ вой Р (читается «пэ»). Электрическую мощность в ваттах получают умноже¬ нием напряжения в вольтах на ток в амперах, т.е. Р = U х I. Если, например, источник постоян¬ ного тока напряжением 4,5 В создает в цепи ток 0,1 А, то мощность тока будет: р = U х I = 4,5 х 0,1 = 0,45 Вт. Поль¬ зуясь этой формулой, можно подсчи¬ тать мощность, потребляемую лампоч¬ кой МНЗ,5-0,28, если 3,5 В умножить на 0,28 А. Получим около 1 Вт. Изменив эту формулу так: I = P/U, можно узнать ток, протекающий через электрический прибор, если известны потребляемая им мощность и подводи¬ мое к нему напряжение. Каков, напри¬ мер, ток, идущий через электрический паяльник, если известно, что при на¬ пряжении 220 В он потребляет мощ¬ ность 40 Вт? I = р/и = 40/220 = 0,18 А. Если известны ток и сопротивле¬ ние цепи, но неизвестно напряжение, мощность можно подсчитать по такой формуле: Р = I2R. Когда же известны напряжение, действующее в цепи, и сопротивление этой цепи, то для под¬ счета мощности используют такую формулу: Р = U2/R. Но ватт — сравнительно небольшая единица мощности. Когда приходится иметь дело с электрическими устройст¬ вами, приборами или машинами, по¬ требляющими токи в десятки, сотни ампер, используют единицу мощности киловатт (пишут кВт), равную 1000 Вт. Мощности электродвигателей завод¬ ских станков, например, могут состав¬ лять от нескольких единиц до десятков киловатт. Количественный расход электро¬ энергии оценивают ватт-секундой, ха¬ рактеризующей единицу энергии — джоуль. Расход электроэнергии опре¬ деляют умножением мощности, по¬ требляемой прибором, на время его ра¬ боты в секундах. Если, например, лам¬ почка плоского электрического фона¬ рика (ее мощность, как ты уже знаешь, около 1 Вт) горела 25 с, значит расход энергии составил 25 ватт-секунд. Одна¬ ко ватт-секунда — величина очень ма¬ лая. Поэтому на практике используют более крупные единицы расхода элект¬ роэнергии: ватт-час, гектоватт-час и киловатт-час.
68 Беседа четвертая Чтобы расход энергии был выра¬ жен в ватт-часах или киловатт-часах, нужно соответственно мощность в ваттах или киловаттах умножить на время в часах. Если, например, при¬ бор потребляет мощность 0,5 кВт в те¬ чение 2 ч, то расход энергии составит 0,5 х 2 = 1 кВт*ч; 1 кВт*ч энергии будет также израсходован, если цепь будет потреблять (или расходовать) мощность 2 кВт в течение получаса, 4 кВт в течение четверти часа и т. д. Электрический счетчик, установлен¬ ный в доме или квартире, где ты жи¬ вешь, учитывает расход электроэнер¬ гии в киловатт-часах. Умножив пока¬ зания счетчика на стоимость 1 кВт • ч, ты узнаешь, на какую сумму израсхо¬ довано энергии за неделю, месяц. При работе с гальваническими эле¬ ментами или батареями говорят об их электрической емкости в ампер-часах, которая выражается произведением значения разрядного тока на длитель¬ ность работы в часах. Начальная ем¬ кость батареи 3336, например, 0,5 А*ч. Подсчитай, сколько времени будет ба¬ тарея непрерывно работать, если раз¬ ряжать ее током 0,28 А (ток лампочки МНЗ,5-0,28) ? Примерно один и три чет¬ верти часа. Если же эту батарею разря¬ жать более интенсивно, например то¬ ком 0,5 А, она будет работать меньше 1 ч. Таким образом, зная емкость галь¬ ванического элемента или батареи и токи, потребляемые их нагрузками, можно подсчитать примерное время, в течение которого будут работать эти химические источники тока. Начальная емкость, а также реко¬ мендуемый разрядный ток или сопро¬ тивление внешней цепи, определяю¬ щее разрядный ток элемента или бата¬ реи, указывают иногда на их этикетках или в справочной литературе. ТРАНСФОРМАЦИЯ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА Переменный ток выгодно отличает¬ ся от постоянного тока тем, что он хоро¬ шо поддается трансформированию, т.е. преобразованию тока относительно высокого напряжения в ток более низ¬ кого напряжения или наоборот. Транс¬ форматоры позволяют передавать пе¬ ременный ток по проводам на большие расстояния с малыми потерями энер¬ гии. Для этого переменное напряже¬ ние, вырабатываемое на электростан¬ циях генераторами, с помощью транс¬ форматоров повышают до напряжения в несколько сотен тысяч вольт и «посы¬ лают» по линиям электропередачи (ЛЭП) в различных направлениях. С по¬ вышением напряжения уменьшается сила тока в ЛЭП при одной и той же пе¬ редаваемой мощности, что и приводит к снижению потерь и позволяет приме¬ нять провода меньшего сечения. В горо¬ дах и селах на расстоянии сотен и ты¬ сяч километров от электростанций это напряжение понижают трансформато¬ рами до более низкого, которым и пита¬ ют лампочки освещения, электродвига¬ тели и другие электрические приборы. Трансформаторы широко приме¬ няют и в радиотехнике. Схематическое устройство про¬ стейшего трансформатора показано на рис. 55. Он состоит из двух катушек из изолированного провода, называемых обмотками, насаженных на магнито- провод, собранный из пластин специ¬ альной, так называемой трансформа¬ торной, стали. Обмотки трансформато¬ ра изображают на схемах так же, как катушки индуктивности, а магнитопро- вод — линией между ними. Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции. Пере¬ менный ток, текущий по одной из об¬ моток трансформатора, создает вокруг нее и в магнитопроводе переменное магнитное поле. Это поле пересекает витки другой обмотки трансформатора и индуцирует в ней переменное напря¬ жение той же частоты. Если к этой об¬ мотке подключить какую-либо нагруз¬ ку, например лампу накаливания, то в получившейся замкнутой цепи потечет переменный ток — лампа станет го¬
Беседа четвертая 69 реть. Обмотку, к которой подводится переменное напряжение, предназна¬ ченное для трансформирования, назы¬ вают первичной, а обмотку, в которой индуцируется переменное напряже¬ ние, — вторичной. Рис. 55. Трансформатор с магнитопроводом из стали: а — устройство в упрощенном виде; б — гра¬ фическое обозначение на схемах Напряжение, которое получается на концах вторичной обмотки, зависит от соотношения чисел витков в обмот¬ ках. При одинаковом числе витков на¬ пряжение на вторичной обмотке при¬ близительно равно напряжению, под¬ веденному к первичной обмотке. Если вторичная обмотка трансформатора содержит меньшее число витков, чем первичная, то и напряжение ее мень¬ ше, чем напряжение, подводимое к первичной обмотке. И наоборот, если вторичная обмотка содержит больше витков, чем первичная, то развиваемое в ней напряжение будет больше напря¬ жения, подводимого к первичной об¬ мотке. В первом случае трансформатор будет понижать, во втором — повы¬ шать переменное напряжение. Напряжение, индуцируемое во вторичной обмотке, можно достаточно точно подсчитать по отношению чисел витков обмоток трансформатора: во сколько раз она имеет большее (или меньшее) число витков по сравнению с числом витков первичной обмотки, во столько же раз напряжение на ней бу¬ дет больше (или меньше) по сравнению с напряжением, подводимым к первич¬ ной обмотке. Так, если одна обмотка трансформатора имеет 1000 витков, а вторая 2000 витков, то, включив пер¬ вую обмотку в сеть переменного тока с напряжением 220 В, мы получим во второй обмотке напряжение 440 В — это повышающий трансформатор. Ес¬ ли же напряжение 220 В подвести к об¬ мотке, имеющей 2000 витков, то в об¬ мотке, содержащей 1000 витков, мы по¬ лучим напряжение 110 В — это пони¬ жающий трансформатор. Обмотка, имеющая 2000 витков, в первом случае будет вторичной, а во втором случае — первичной. Для наглядности обмотки I и II, показанные на рис. 55, размещены на разных кернах магнитопровода. На самом деле такое делают довольно ред¬ ко. Наоборот. Для наилучшего выпол¬ нения трансформатором своей основ¬ ной функции — передачи энергии с минимальными потерями — его обмот¬ ки стремятся максимально сблизить. И наматывают их чаще всего на общем керне Ш-образного магнитопровода. А если две, три, четыре обмотки содер¬ жат равное число витков, то нередко их намотку ведут одновременно — в два, три, четыре провода. Такие как бы вло¬ женные одна в другую обмотки имеют максимально возможную связь. С этой же целью в трансформаторах, намо¬ танных на кольцевых магнитопрово- дах, каждую из обмоток стремятся воз¬ можно равномернее распределить по всему магнитопроводу. Но, пользуясь трансформатором, ты не должен забывать о том, что мощ¬ ность тока (Р = UI), которую можно получить в цепи вторичной обмотки, никогда не превышает мощности тока первичной обмотки. Это значит, что получить от вторичной обмотки одну и ту же мощность можно, повышая на¬ пряжение и уменьшая ток либо потреб¬ ляя от нее пониженное напряжение при увеличенном токе. Следовательно, повышая напряжение, мы проигрыва¬ ем в значении тока, а выигрывая в зна¬ чении тока, обязательно проигрываем в напряжении. Для питания радиоаппаратуры от сети переменного тока часто использу¬ ют трансформаторы с несколькими вторичными обмотками с различным числом витков. С помощью таких
70 Беседа четвертая трансформаторов, называемых сете¬ выми, или трансформаторами питания, получают несколько напряжений, пи¬ тающих разные цепи. Наибольшая мощность тока, кото¬ рая может быть трансформирована, за¬ висит от размера магнитопровода трансформатора и диаметра провода, из которого выполнены обмотки. Чем больше объем магнитопровода, тем большая мощность тока может быть трансформирована. Практически же в трансформаторе всегда бесполезно те¬ ряется часть мощности. Поэтому мощ¬ ность в цепи вторичной обмотки (или сумма мощностей, получаемых от всех вторичных обмоток) всегда несколько меньше мощности, потребляемой пер¬ вичной обмоткой. Но запомни: трансформаторы по¬ стоянный ток не трансформируют. Ес¬ ли, однако, в первичной обмотке транс¬ форматора течет пульсирующий ток, то во вторичной обмотке будет индуци¬ роваться переменное напряжение, час¬ тота которого равна частоте пульсаций тока в первичной обмотке. Это свойст¬ во трансформатора используется для индуктивной связи между разными це¬ пями, разделения пульсирующего тока на его составляющие и ряда других це¬ лей, о которых разговор будет впереди. Все трансформаторы со стальными магнитопроводами и магнитопровода- ми из железоникелевых сплавов (пер¬ маллоя) называют низкочастотными, так как они пригодны только для пре¬ образования переменного напряжения низкочастотного диапазона. На схемах низкочастотные трансформаторы обо¬ значают буквой Т, а их обмотки — рим¬ скими цифрами I, II и т.д. Принцип действия высокочастот¬ ных трансформаторов, предназначае¬ мых для трансформации колебаний высокой частоты, также основан на электромагнитной индукции. Они мо¬ гут быть как с сердечниками, так и без сердечников. Их обмотки (катушки) располагают на одном или разных кар¬ касах, но обязательно близко одну к другой (рис. 56). При появлении тока высокой частоты в одной из катушек вокруг нее возникает быстроперемен¬ ное магнитное поле, которое индуци¬ рует во второй катушке напряжение такой же частоты. Как и в низкочастот¬ ных трансформаторах, напряжение во вторичной катушке зависит от соотно¬ шения чисел витков в катушках. Рис. 56. Высокочастотные трансформаторы без сердечников (слева — катушки трансфор¬ матора с общим каркасом, справа — катушки трансформатора на отдельных каркасах, в се¬ редине — обозначение на схемах) Рис. 57. Высокочастотные трансформаторы с магнитодиэлектрическими сердечниками (сле¬ ва — со стержневым, справа — с кольцевым (тороидальным) сердечником) Для усиления связи между катуш¬ ками в высокочастотных трансформа¬ торах используют магнитопроводы в виде стержней или колец (рис 57), пред¬ ставляющие собой спрессованную мас¬ су из неметаллических материалов Их называют магнитодиэлектрическими или высокочастотными. Наиболее рас¬ пространены ферритовые магнитопро¬ воды. С одним из таких магнитопрово- дов — ферритовым стержнем — ты уже имел дело во второй беседе. Фер¬ ритовый магнитопровод не только уси¬ ливает связь между катушками, но и по¬ вышает их индуктивность, поэтому они могут иметь меньше витков по сравне¬ нию с катушками трансформатора без магнитопровода. Магнитопровод высокочастотного трансформатора независимо от его
Беседа четвертая 71 конструкции и формы обозначают на схемах так же, как магнитопровод низ¬ кочастотного трансформатора, — пря¬ мой линией между катушками, а об¬ мотки, как и катушки колебательных контуров, — латинскими буквами L. РЕЗИСТОРЫ Эти детали, пожалуй, наиболее многочисленны в радиоаппаратуре. В транзисторном приемнике средней сложности, например, их может быть два-три десятка. Используют же их для ограничения тока в цепях, для созда¬ ния на отдельных участках цепей паде¬ ний напряжений, для разделения пуль¬ сирующего тока на его составляющие, для регулирования громкости, тембра звука и т.д. Для резисторов сравнительно не¬ больших сопротивлениий, рассчитан¬ ных на токи в несколько десятков мил¬ лиампер, используют тонкую проволо¬ ку из никелина, нихрома и некоторых других металлических сплавов. Это проволочные резисторы. Для резисто¬ ров больших сопротивлений, рассчи¬ танных на сравнительно небольшие то¬ ки, используют различные сплавы ме¬ таллов и углерод, которые тонкими слоями наносят на изоляционные мате¬ риалы. Эти резисторы называют не¬ проволочными. Как проволочные, так и непрово¬ лочные резисторы могут быть постоян¬ ными, с неизменными сопротивления¬ ми, и переменными, сопротивления ко¬ торых в процессе работы можно изме¬ нять от некоторых минимальных до их максимальных значений. Основные характеристики резисто¬ ра: номинальное, т.е. указанное на его корпусе, сопротивление, номинальная мощность рассеяния и наибольшее воз¬ можное отклонение действительного сопротивления от номинального. Мощ¬ ностью рассеяния резистора называют ту наибольшую мощность тока, кото¬ рую он может длительное время выдер¬ живать и рассеивать в виде тепла без ущерба для его работы. Если, например, через резистор сопротивлением 100 Ом течет ток 0,1 А, то он рассеивает мощ¬ ность 1 Вт. Если резистор не рассчитан на такую мощность, то он может быстро сгореть. Номинальная мощность рассе¬ яния — это, по существу, характеристи¬ ка электрической прочности резистора. Наша промышленность выпускает постоянные и переменные резисторы разных конструкций и номиналов, от нескольких ом до десятков и сотен ме- гаом. Из постоянных наиболее распро¬ странены металлопленочные резисто¬ ры МЛТ (металлизованные лакирован¬ ные теплостойкие). Конструкция рези¬ стора этого типа показана в несколько увеличенном виде на рис 58, а. Его ос¬ новой служит керамическая трубка, на поверхность которой нанесен слой спе¬ циального сплава, образующего токо¬ проводящую пленку толщиной 0,1 мкм. У высокоомных резисторов этот слой может иметь форму спирали. На концы стержня с токопроводящим покрытием напрессованы металлические колпач¬ ки, к которым приварены контактные выводы резистора. Сверху корпус ре¬ зистора покрыт влагостойкой цветной эмалью. Рис. 58. Постоянные резисторы
72 Беседа четвертая Резисторы МАТ изготовляют на мощности рассеяния 2, 1, 0,5, 0,25 и 0,125 Вт. Их обозначают соответствен¬ но МЛТ-2, МЛТ-1, МЛТ-0,5, МЛТ-0,25 и МЛТ-0,125. Внешний вид этих резис¬ торов и условные обозначения мощно¬ стей рассеяния на принципиальных схемах показаны на рис 58, б и в. Со временем ты научишься распознавать мощности рассеяния резисторов по их внешнему виду. Наибольшее возможное отклоне¬ ние действительного сопротивления резистора от номинального выражают в процентах. Если, например, номинал резистора 100 кОм с допуском ±10%, это значит, что его фактическое сопро¬ тивление может быть от 90 до 110 кОм. Номиналы постоянных резисторов ши¬ рокого применения, выпускаемых на¬ шей промышленностью, указаны в приложении 3, помещенном в конце книги. Таблица этого приложения бу¬ дет твоим справочным листком. Она подскажет тебе, резисторы каких но¬ миналов и допусков можно искать в магазинах или у товарищей. Переменный непроволочный рези¬ стор устроен так (на рис. 59 резистор СП I показан без защитной крышки): к круглому пластмассовому основанию приклеена дужка из гетинакса, покры¬ тая тонким слоем сажи, перемешан¬ ной с лаком. Этот слой, обладающий сопротивлением, и является собствен¬ но резистором. От обоих концов слоя сделаны выводы. В центр основания впрессована втулка. В ней вращается ось, а вместе с осью фигурная гетинак- совая пластинка. На внешнем конце пластинки укреплена токосъемная щетка (ползунок) из нескольких пру¬ жинящих проволочек, которая соеди¬ нена со средним выводным лепестком. При вращении оси щетка перемещает¬ ся по слою сажи на дужке, вследствие чего изменяется сопротивление между средним и крайними выводами. Свер¬ ху резистор закрыт металлической крышкой, предохраняющей его от по¬ вреждений. Рис. 59. Конструкции и графическое обозначе¬ ние переменных резисторов на схемах Так или примерно так устроены почти все переменные резисторы, в том числе типов СП (сопротивление переменное), СПО (сопротивление пе¬ ременное объемное) и ВК. Резисторы ТК отличаются от резисторов ВК толь¬ ко тем, что на их крышках смонтирова¬ ны выключатели, используемые для включения источников питания. Прин¬ ципиально так же устроены и малога¬ баритные дисковые переменные рези¬ сторы, например типа СПЗ-Зв. Переменные непроволочные рези¬ сторы изготовляют с номинальными сопротивлениями, начиная с 47 Ом, с допусками отклонения от номинала ±20, 25 и 30%. На принципиальных схемах, чтобы не загромождать их, используют систе¬ му сокращенных обозначений сопро¬ тивлений резисторов, при которой на¬ именования единиц их сопротивлений (Ом, кОм, МОм) при числах не ставят. Такая система обозначения номиналь¬
Беседа четвертая 73 ных сопротивлении резисторов приме¬ нена и в этой книге. Сопротивления резисторов от 1 до 999 Ом обозначают на принципиаль¬ ных схемах целыми числами, соответ¬ ствующими омам, а сопротивления резисторов от 1 до 999 кОм — цифра¬ ми, указывающими число килоом, с буквой «к». Большие сопротивления резисторов указывают в мегаомах с буквой «М». Вот несколько примеров обозначения сопротивлений резисто¬ ров на схемах: R1 270 соответствует 270 Ом, R2 6,8 к — 6800 Ом, R3 56 к — 56 кОм (56 ООО Ом), R4 220 к — 220 кОм (0,22 МОм), R5 1,5 М — 1,5 МОм. Рис. 60. Последовательное {а) и параллельное (б) соединения резисторов Сразу же сделаю оговорку — для подавляющего большинства радиолю¬ бительских конструкций без ущерба для их работы допустимо отклонение от указанных на схемах номиналов ре¬ зисторов в пределах ±10... 15%. Это значит, что резистор сопротивлением, например, 5,1 кОм может быть заменен резистором ближайшего к нему номи¬ нала, т.е. резистором с номиналом 4,7 или 5,6 кОм. Представь себе такой случай. Тебе нужен резистор определенного сопро¬ тивления. А у тебя нет такого, но есть резисторы других номиналов. Можно ли из них составить резистор нужного сопротивления? Можно, конечно, если знать элементарный расчет последова¬ тельного и параллельного соединений сопротивлений электрических цепей и резисторов. При последовательном со¬ единении резисторов (рис. 60, а) их об¬ щее сопротивление Ro6l4 равно сумме сопротивлений всех соединенных в эту цепочку резисторов, т.е. КобЩ = Rl + R2 + R3hta. Например, если R1 = 15 кОм и R2 = 33 кОм, то их общее сопротивле¬ ние Ro6l4 = 15 + 33 = 48 кОм (ближай¬ шие номиналы 47 и 51 кОм). При параллельном соединении ре¬ зисторов (рис. 60, б) их общее сопро¬ тивление Робщ уменьшается и всегда меньше сопротивления каждого от¬ дельно взятого резистора. Результиру¬ ющее сопротивление цепи из парал¬ лельно соединенных резисторов рас¬ считывают по такой формуле: Кбщ = R1 Х R2/(R1 + R2)' Допустим, что R1 = 20 кОм, а R2 = 30 кОм. Общее сопротивление участка цепи, состоящей из этих двух резисторов, равно: R, общ = R1 X R2/(R1 + R2) = 20 X 30/(20 + 30) = 12 кОм. Когда параллельно соединяют два резистора с одинаковыми номиналами, их общее сопротивление равно поло¬ вине сопротивления каждого из них. Если параллельно соединить не два, а большее число резисторов, то их об¬ щее сопротивление вычисляют по фор¬ муле:. 1/Кобщ= 1/R1 + 1/R.2 +... + 1/Rn КОНДЕНСАТОРЫ Как и резисторы, конденсаторы от¬ носятся к наиболее многочисленным элементам радиотехнических уст¬ ройств. О некоторых свойствах кон¬ денсатора — накопителя электричес¬ ких зарядов — я тебе уже рассказывал. Тогда же говорил, что емкость конден¬ сатора будет тем значительнее, чем больше площадь его обкладок и чем тоньше слой диэлектрика между ними. Основной единицей электричес¬ кой емкости является фарада (сокра¬ щенно Ф), названная так в честь анг¬ лийского физика М. Фарадея. Однако 1 ф — это очень большая электричес-
74 Беседа четвертая кая емкость. Земной шар, например, обладает емкостью меньше 1 Ф. В элек- тро- и радиотехнике пользуются еди¬ ницей емкости, равной миллионной до¬ ле фарады, которую называют микро¬ фарадой (сокращенно мкФ). В одной фараде 1 ООО ООО мкФ, т.е. 1 мкФ = 0,000001 Ф. Но и эта единица емкости часто оказывается слишком большой. Поэтому существует еще более мелкая единица емкости, именуемая пикофа¬ радой (сокращенно пФ), представляю¬ щая собой миллионную долю микро¬ фарады, т.е. 0,000001 мкФ, 1 мкФ = 1 000 000 пФ. Все конденсаторы, будь то постоян¬ ные или переменные, характеризуют¬ ся, прежде всего, их емкостями, выра¬ женными соответственно в пикофара¬ дах, микрофарадах. На принципиальных схемах ем¬ кость конденсаторов от 1 до 9999 пФ указывают целыми числами, соответст¬ вующими их емкостям в этих единицах без обозначения пФ, а емкость конден¬ саторов от 10 000 пФ и больше — в до¬ лях микрофарады или микрофарадах с обозначением мк. Вот несколько при¬ меров обозначения емкостей конденса¬ торов на схемах: С1 47 (47 пФ), С2 3300 (3300 пФ), СЗ 0,047 мк (47 000 пФ), С4 0,1 мк, С5 0,47 мк, Сб 20 мк. Ты уже знаешь, что конденсатор в простейшем виде представляет собой две пластинки, разделенные диэлект¬ риком. Если конденсатор включить в цепь постоянного тока, то ток в этой цепи прекратится. Да это и понятно: через изолятор, которым является диэ¬ лектрик конденсатора, постоянный ток течь не может. Включение конденсато¬ ра в цепь постоянного тока равнознач¬ но разрыву ее (мы не принимаем во внимание момент включения, когда в цепи появляется кратковременный ток зарядки конденсатора). Иначе ведет себя конденсатор в цепи переменного тока. Вспомни, что полярность напря¬ жения на зажимах источника перемен¬ ного тока периодически меняется. Зна¬ чит, если включить конденсатор в цепь, питаемую от такого источника тока, его обкладки будут попеременно пере¬ заряжаться с частотой этого тока. В ре¬ зультате в цепи будет протекать пере¬ менный ток. Конденсатор подобно резистору и катушке оказывает переменному току сопротивление, но разное для токов различных частот. Он может хорошо пропускать токи высокой частоты и одновременно быть почти изолятором для токов низкой частоты. Радиолю¬ бители, например, иногда вместо на¬ ружных антенн используют провода электроосветительной сети, подклю¬ чая приемники к ним через конденса¬ тор емкостью 220...510 пФ. Случайно ли выбрана такая емкость конденсато¬ ра? Нет! Конденсатор такой емкости хорошо пропускает токи высокой час¬ тоты, необходимые для работы прием¬ ника, но оказывает большое сопро¬ тивление переменному току частотой 50 Гц, текущему в сети. В этом случае конденсатор становится своеобраз¬ ным фильтром, пропускающим ток вы¬ сокой частоты и задерживающим ток низкой частоты. Емкостное сопротивление конден¬ сатора переменному току зависит от его емкости и частоты тока: чем боль¬ ше емкость конденсатора и частота то¬ ка, тем меньше его емкостное сопро¬ тивление. Это сопротивление конден¬ сатора можно с достаточной точностью определить по такой упрощенной фор¬ муле: Rc = 1/6 fC, где Rc — емкостное сопротивление конденсатора, Ом; f — частота тока, Гц; С — емкость данного конденсатора, Ф; цифра 6 — округленное до целых еди¬ ниц значение 2я (точнее 6,28, так как я = 3,14). Пользуясь этой формулой, давай узнаем, как ведет себя конденсатор по отношению к переменным токам, если применить провода электросети в качестве антенны. Допустим, что ем¬ кость этого конденсатора 500 пФ
Беседа четвертая 75 (500 пФ = 0,0000000005 Ф). Частота то¬ ка электросети 50 Гц. За среднюю не¬ сущую частоту радиостанции примем 1 МГц (1 000 000 Гц), что соответствует волне длиной 300 м. Какое сопротивле¬ ние оказывает этот конденсатор ра¬ диочастоте? Rc= 1/(6 х 1 000 000 х 0,0000000005) = 300 Ом. А переменному току электросети? Rc = 1/(6 х 50 х 0,0000000005) = = 7 МОм. Следовательно, конденсатор емко¬ стью 500 пФ оказывает току высокой частоты в 20 000 раз меньшее сопро¬ тивление, чем току низкой частоты. Убедительно? Конденсатор меньшей емкости оказывает переменному току сети еще большее сопротивление. Запомни: емкостное сопротивле¬ ние конденсатора переменному току уменьшается с увеличением его емкос¬ ти и частоты тока и, наоборот, увеличи¬ вается с уменьшением его емкости и частоты тока. Свойство конденсатора не пропус¬ кать постоянный ток и проводить по- разному переменные токи различных частот используют для разделения пуль¬ сирующих токов на их составляющие, задержания токов одних частот и про¬ пускания токов других частот. Этим свойством конденсаторов ты будешь ча¬ сто пользоваться в своих конструкциях. Разновидностей конденсаторов по¬ стоянной емкости, выпускаемых на¬ шей промышленностью, много. В зави¬ симости от используемого в них диэ¬ лектрика различают конденсаторы керамические, слюдяные, бумажные, металлобумажные, оксидные (элект¬ ролитические). Основных характерис¬ тик, по которым судят о пригодности конденсаторов для тех или иных це¬ лей, три: номинальная емкость, т.е. ем¬ кость, указанная на корпусе данного конденсатора, номинальное напряже¬ ние и допустимое отклонение (в про¬ центах) от номинальной емкости. Но¬ минальным напряжением называют такое напряжение постоянного тока, при котором конденсатор может рабо¬ тать длительное время, не изменяя сво¬ их характеристик. Превышение номи¬ нального (иногда называют «рабо¬ чим») напряжения ведет к сокраще¬ нию срока работы конденсатора и даже пробою его диэлектрика. В нашей стране действует система сокращенного обозначения конденса¬ торов и их основных характеристик, состоящая из буквенных и цифровых индексов, например: К10П-1, К50-6. Первый индекс системы обозначе¬ ния — буква К — начальная буква сло¬ ва «конденсатор». Второй индекс — двузначное число, характеризующее конденсаторы по виду диэлектрика, на¬ пример: 10 — керамические на номи¬ нальное напряжение ниже 1600 В; 31 — слюдяные малой мощности; 40 — бу¬ мажные с обкладками из фольги (но¬ минальное напряжение ниже 1600 В); 50 — оксидные алюминиевые. Третий индекс — буква, характеризующая на¬ значение конденсатора: П — для рабо¬ ты в цепях постоянного и переменного токов; Ч — для работы в цепях пере¬ менного тока. Четвертый индекс — по¬ рядковый номер варианта конденсато¬ ров одной группы по виду диэлектрика. Зная эту систему буквенно-цифро¬ вых индексов, нетрудно составить представление об основных характе¬ ристиках того или иного конденсатора. Например: К10П-1 — конденсатор по¬ стоянной емкости (индекс К), керами¬ ческий на номинальное напряжение ниже 1600 В (индекс 10), предназначен для работы в цепях постоянного и пе¬ ременного токов (индекс П), первый вариант разработки (четвертый ин¬ декс — цифра 1); К50-6 — конденсатор (К) оксидный алюминиевый (50) для печатного монтажа. Вместе с тем продолжает действо¬ вать и ранее принятая упрощенная си¬ стема буквенной маркировки конден¬ саторов по виду диэлектрика и конст¬ руктивному выполнению. Например: КТК — конденсатор трубчатый кера¬ мический;
76 Беседа четвертая КСО — конденсатор слюдяной спрес¬ сованный; БМ — бумажный малогабаритный. Как устроены конденсаторы посто¬ янной емкости? Внешний вид некоторых керамиче¬ ских конденсаторов постоянной емкос¬ ти показан на рис. 61. У них диэлектри¬ ком служит специальная керамика, об¬ кладками — тонкие слои посеребренно¬ го металла, нанесенные на поверхности керамики, а выводами — латунные по¬ серебренные проволочки или полоски, припаянные к обкладкам. Сверху кор¬ пуса конденсаторы покрыты эмалью. Наиболее распространены диско¬ вые керамические конденсаторы КД-1, К10-7 и трубчатые КТ-1, КТ-2. У кон¬ денсаторов типа КТ одна обкладка на¬ несена на внутреннюю, а вторая — на внешнюю поверхность тонкостенной керамической трубочки. Иногда труб¬ чатые конденсаторы помещают в гер¬ метичные фарфоровые «футлярчики» с металлическими колпачками на кон¬ цах. Это конденсаторы типа КТК. Керамические конденсаторы обла¬ дают сравнительно небольшими емко¬ стями — до нескольких тысяч пикофа¬ рад. Их ставят в те цепи, в которых те¬ чет ток высокой частоты (цепь антен¬ ны, колебательный контур), для связи между ними. Чтобы получить конденсатор не¬ больших размеров, но обладающий от¬ носительно большой емкостью, его де¬ лают не из двух, а из нескольких плас¬ тин, сложенных в стопку и отделенных друг от друга диэлектриком (рис. 62). В этом случае каждая пара расположен¬ ных рядом пластин образует конденса¬ тор. Соединяя эти пары пластин парал¬ лельно, получают конденсатор значи¬ тельной емкости. Так устроены все конденсаторы со слюдяным диэлектри¬ ком. Их пластинками обкладками слу¬ жат листочки из алюминиевой фольги или слои серебра, нанесенные непо¬ средственно на слюду, а выводами — отрезки посеребренной проволоки. Та¬ кие конденсаторы спрессованы пласт¬ массой. Это конденсаторы КСО. В их Рис. 62. Слюдяные конденсаторы Рис. 63. Бумажные и металлобумажные кон¬ денсаторы постоянной емкости Рис. 61. Дисковые и трубчатые керамиче¬ ские конденсаторы
Беседа четвертая 77 обозначении есть цифра, характеризу¬ ющая форму и размеры конденсато¬ ров, например КСО-1, КСО-5. Чем больше значение цифры, тем больше размеры конденсатора. Некоторые слюдяные конденсаторы выпускают в керамических влагонепроницаемых корпусах. Их называют конденсатора¬ ми типа С ГМ. Емкость слюдяных конденсаторов бывает от 47 до 50 ООО пФ (0,5 мкФ). Как и керамические, они предназначены для высокочастотных цепей, а также для использования в качестве блокиро¬ вочных и для связи между высокочас¬ тотными цепями. В бумажных конденсаторах (рис. 63) диэлектриком служит специально обра¬ ботанная тонкая бумага, а обкладка¬ ми — фольга. Полоски бумаги вместе с обкладками свертывают в рулон и поме¬ щают в картонный или металлический корпус. Чем шире и длиннее обкладки, тем больше емкость конденсатора. Бумажные конденсаторы применя¬ ют главным образом в низкочастотных цепях, а также для блокировки источ¬ ников питания. Конденсаторы БМ заключают в ме¬ таллические трубочки, которые с тор¬ цов заливают специальной смолой. Конденсаторы К40П 1 (КБ) имеют кар¬ тонные цилиндрические корпуса. У конденсаторов КБГ-И фарфоровые корпуса с металлическими торцовыми колпачками, соединенными с обклад¬ ками, от которых отходят узкие вывод¬ ные лепестки. Диэлектриком конденсаторов типа МБМ (металлобумажный малогабарит¬ ный) служит лакированная конденса¬ торная бумага, а обкладками — слои металла толщиной меньше микрона, нанесенные на одну сторону бумаги. Характерная особенность конденсато¬ ров этого типа — способность самовос- станавливаться после электрического пробоя диэлектрика. Номиналы керамических, слюдя¬ ных, бумажных, металло бумажных конденсаторов постоянной емкости, выпускаемых нашей промышленнос¬ тью, сведены в таблицу приложения 3. Особую группу конденсаторов по¬ стоянной емкости составляют оксид¬ ные конденсаторы (рис 64). По внут¬ реннему устройству оксидный конден¬ сатор несколько напоминает бумаж¬ ный. В нем имеются две ленты из алюминиевой фольги. Поверхность од¬ ной из них покрыта тончайшим слоем окиси. Между алюминиевыми лентами проложена лента из пористой бумаги, пропитанной специальной густой жид¬ костью — электролитом. Эту четырех¬ слойную полосу скатывают в рулон и помещают в алюминиевый цилиндри¬ ческий стакан или патрончик. Диэлектриком конденсатора слу¬ жит слой окиси. Положительной об¬ кладкой (анодом) служит та лента, ко¬ торая имеет слой окиси. Она соединя¬ ется с изолированным от корпуса выводным лепестком. Вторая, отрица¬ тельная обкладка (катод) — бумага, пропитанная электролитом через лен¬ ту, на которой нет слоя окиси, соединя¬ ется с металлическим корпусом. Таким образом, корпус является выводом от¬ рицательной, а изолированный от него лепесток — выводом положительной обкладки оксидного конденсатора. Так, в частности, устроены конденса¬ торы типов КЭ, К50-3. Конденсаторы Рис. 64. Оксидные конденсаторы
78 Беседа четвертая КЭ-2 отличаются от конденсаторов КЭ только пластмассовой втулкой с резь¬ бой и гайкой для крепления на панели. Алюминиевые корпуса конденсаторов К50-3 имеют форму патрончика диаме¬ тром 4,5...6 и длиной 15...20 мм. Выво¬ ды — проволочные. Аналогично устро¬ ены и конденсаторы К50-6. Но у них выводы электродов (обкладок) изоли¬ рованы от корпусов. Оксидные конденсаторы обладают большими емкостями — от долей до не¬ скольких тысяч микрофарад. Они предназначены для работы в цепях с пульсирующими токами, например в фильтрах выпрямителей переменного тока, для связи между низкочастотны¬ ми цепями. При этом отрицательный электрод конденсатора соединяют с от¬ рицательным полюсом цепи, а положи¬ тельный — с ее положительным полю¬ сом. При несоблюдении полярности включения оксидный конденсатор мо¬ жет выйти из строя. Номинальные емкости и номиналь¬ ные напряжения оксидных конденса¬ торов пишут на их корпусах. Фактиче¬ ская же емкость может быть значи¬ тельно больше номинальной. Оксидные конденсаторы выпуска¬ ют на номинальные напряжения от не¬ скольких вольт до 30...50 В и от 150 до 450...500 В. В связи с этим их подразде¬ ляют на две группы — низковольтные и высоковольтные. Конденсаторы пер¬ вой группы используют в цепях со сравнительно небольшим напряжени¬ ем, а конденсаторы второй группы — в цепях с относительно высоким напря¬ жением. На принципиальных схемах оксид¬ ные конденсаторы изображают так же, как другие конденсаторы постоянной емкости, — двумя черточками, но воз¬ ле положительной обкладки ставят знак « + ». Здесь же указывают его но¬ минальную емкость и номинальное на¬ пряжение, например СЗ 20 мк х 15 В. Подбирая конденсаторы для своих конструкций, всегда обращай внима¬ ние на их номинальные напряжения. В цепи с меньшим напряжением, чем но¬ минальное, конденсаторы включать можно, но в цепи с напряжением, пре¬ вышающим номинальное, их включать нельзя. Если на обкладках конденсато¬ ра окажется напряжение, превышаю¬ щее его номинальное напряжение, то диэлектрик пробьется. Пробитый кон¬ денсатор непригоден для работы. Конденсаторы постоянной емкос¬ ти, как и резисторы, можно соединять параллельно или последовательно. К соединению конденсаторов прибегают чаще всего в тех случаях, когда под ру¬ ками нет конденсаторов нужного но¬ минала, но имеются другие, из которых можно составить необходимую ем¬ кость. Если конденсаторы соединять параллельно (рис. 65, а), то их общая емкость будет равна сумме емкостей всех соединенных конденсаторов, т.е. Собщ = С1 +С2 + С3ит.д. Так, если С1 = 33 пФ и С2 = 47 пФ, то общая емкость этих двух конденса¬ торов будет: Рис. 65. Параллельное (а) и последовательное (б) соединение конденсаторов Рис. 66. Простейший конденсатор перемен¬ ной емкости
Беседа четвертая 79 Собщ = 33 + 47 = 80 пФ. При последовательном соединении конденсаторов (рис. 65, б) их общая ем¬ кость всегда меньше наименьшей ем¬ кости, включенной в цепочку. Она под¬ считывается по формуле: Собщ = С1хС2/(С1 + С2). Например, допустим, что С1 = = 220 пФ, а С2 = 330 пФ; тогда Собщ = = 220 х 330/(220 + 330) = 132 пФ. Ког¬ да соединяют последовательно два кон¬ денсатора одинаковой емкости, их об¬ щая емкость будет вдвое меньше емко¬ сти каждого из них. Если последова¬ тельно включены не два, а большее число конденсаторов, то их общую ем¬ кость вычисляют по формуле: 1/СобЩ = 1/С1. + 1/С2...1/Сп Теперь о конденсаторах перемен¬ ной емкости. Устройство простейшего конденса¬ тора переменной емкости ты видишь на рис. 66. Одна его обкладка — статор — неподвижна. Вторая — ротор — скреп¬ лена с осью. При вращении оси площадь перекрытия обкладок, а вместе с нею и емкость конденсатора изменяются. Конденсаторы переменной емкости, применяемые в настраиваемых колеба¬ тельных контурах приемников, состоят из двух групп пластин (рис. 67, а), сде¬ ланных из листового алюминия или ла¬ туни. Пластины ротора соединены осью. Статорные пластины также соеди¬ нены и изолированы от ротора. При вращении оси пластины статорной группы постепенно входят в воздуш¬ ные зазоры между пластинами ротор¬ ной группы, отчего емкость конденса¬ Рис. 67. Конденсаторы переменной емкости с воздушным диэлектриком (а) и твердым диэ¬ лектриком (б) тора плавно изменяется. Когда пласти¬ ны ротора полностью выведены из за¬ зоров между пластинами статора, ем¬ кость конденсатора наименьшая, ее называют начальной емкостью конден¬ сатора. Когда роторные пластины пол¬ ностью введены между пластинами статора, емкость конденсатора будет наибольшей, т.е. максимальной для данного конденсатора. Максимальная емкость конденсатора будет тем боль¬ ше, чем больше в нем пластин и чем меньше расстояние между подвижны¬ ми и неподвижными пластинами. В конденсаторах, показанных на рис. 66 и 67, а, диэлектриком служит воздух. В малогабаритных же конденса¬ торах переменной емкости (рис. 67, б) диэлектриками могут быть бумага, пластмассовые пленки, керамика. Та¬ кие конденсаторы называют конденса¬ торами переменной емкости с твердым диэлектриком. При меньших размерах, чем конденсаторы с воздушным диэлек¬ триком, они могут иметь значительные максимальные емкости. Именно такие конденсаторы и применяют для наст¬ ройки колебательных контуров малога¬ баритных транзисторных приемников. Наиболее распространены конден¬ саторы переменной емкости, имеющие начальную емкость в несколько пико¬ фарад и наибольшую 240...490 пФ. Не исключено, что один из таких конден¬ саторов ты уже использовал для наст¬ ройки твоего первого радиоприемника. В приемниках с двумя настраиваю¬ щимися колебательными контурами используют блоки конденсаторов пе- Рис. 68. Конструкции блока конденсаторов переменной емкости
80 Беседа четвертая ременной емкости (КПЕ). В блоке КПЕ, показанном на рис. 68, имеются два конденсатора, роторы которых имеют общую ось. При вращении оси одно¬ временно изменяются емкости обоих конденсаторов. Одиночные конденсаторы и блоки конденсаторов переменной емкости с воздушным диэлектриком требуют к себе бережного отношения. Даже не¬ значительное искривление или иное повреждение пластин приводит к замы¬ канию между ними. Исправление же пластин конденсатора — дело сложное. К числу конденсаторов с твердым диэлектриком относятся и подстроеч- ные конденсаторы, являющиеся разно¬ видностью конденсаторов переменной емкости. Чаще всего такие конденсато¬ ры используют для подстройки конту¬ ров в резонанс, поэтому их называют подстроечными. Конструкции наиболее распрост¬ раненных подстроечных конденсато¬ ров показаны на рис. 69. Каждый из них состоит из сравнительно массив¬ ного керамического основания и тон¬ кого керамического диска. На поверх¬ ность основания (под диском) и на диск нанесены в виде секторов металличес¬ кие слои, являющиеся обкладками кон¬ денсатора. При вращении диска вокруг оси изменяется площадь перекрытия секторов-обкладок, изменяется ем¬ кость конденсатора. Рис. 69. Построечные конденсаторы и их гра¬ фическое обозначение Емкость подстроечных конденсато¬ ров указывают на их корпусах в виде дробного числа, где числитель — наи¬ меньшая, а знаменатель — наибольшая емкость данного конденсатора. Если, например, на конденсаторе указано 6/30, то это значит, что наименьшая его емкость 6 пФ, а наибольшая 30 пФ. Подстроечные конденсаторы обычно имеют наименьшую емкость 2...5 пФ, а наибольшую до 100... 150 пФ. Некото¬ рые из них, например КПК-2, можно использовать в качестве конденсато¬ ров переменной емкости для настрой¬ ки простых одноконтурных приемни¬ ков, о чем я расскажу позже. МАРКИРОВКА МАЛОГАБАРИТНЫХ РЕЗИСТОРОВ И КОНДЕНСАТОРОВ На резисторах и конденсаторах от¬ носительно больших размеров их но¬ минальные сопротивления или емкос¬ ти маркируют, применяя общеприня¬ тые сокращенные обозначения единиц электрических величин, а рядом — воз¬ можное отклонение от номинала в про¬ центах, например: 470±10%, 33±20%. Для обозначения же этих параметров малогабаритных резисторов и конден¬ саторов применяют специальный код, слагающийся из условных буквенных и цифровых знаков. По такой системе единицу сопро¬ тивления ом сокращенно обозначают буквой Е, килоом — буквой К, мега- ом — буквой М. Сопротивления резис¬ торов от 100 до 910 Ом выражают в до¬ лях килоома, а сопротивления от 100 000 до 910 000 Ом — в долях мегао- ма. Если номинальное сопротивление резистора выражают целым числом, то буквенное обозначение единицы изме¬ рения ставят после этого числа, напри¬ мер: ЗЗЕ (33 Ом), 47К (47 кОм), 1М (1 МОм). Когда же сопротивление ре¬ зистора выражают десятичной дробью меньше единицы, то буквенное обозна¬ чение единицы измерения располага¬ ют перед числом, например: К22 (220 Ом), М47 (470 кОм). Выражая со¬ противление резистора целым числом с десятичной дробью, целое число ста¬ вят впереди буквы, а десятичную дробь — после буквы, символизирую¬ щей единицы измерения (буква заме¬ няет запятую после целого числа). При¬
Беседа четвертая 81 меры: 1Е5 (1,5 Ом), 2К2 (2,2 кОм), 1М5 (1,5 МОм). Допустимое отклонение наносят после обозначения номинального со¬ противления следующими буквами: Допуск, % ±20 ±10 ±5 Маркировка В С И Предположим, на малогабаритном резисторе обозначено: 1М5И. Это зна¬ чит, что его номинальное сопротивле¬ ние 1,5 МОм, допустимое отклонение от номинала ±5%. Номинальные емкости конденсато¬ ров до 91 пФ выражают в пикофарадах, используя для обозначения этой еди¬ ницы емкости букву П. Емкости от 100 до 9100 пФ выражают в долях нанофа¬ рады (1 нФ = 1000 пФ, или 0,001 мкФ), а от 0,01 до 0,091 мкФ — в нанофарадах, обозначая нанофараду буквой Н. Емко¬ сти от 0,1 мкФ и больше выражают в микрофарадах, используя для обозна¬ чения этой единицы емкости букву М. Если емкость конденсатора выражают целым числом, то буквенное обозначе¬ ние емкости ставят после этого числа, например: 12П (12 пФ), 15Н (15 НФ = 15 000 пФ, или 0,015 мкФ), ЮМ (ЮмкФ). Чтобы номинальную емкость кон¬ денсатора выразить десятичной дро¬ бью, буквенное обозначение единицы емкости располагают перед числом: Н15 (0,15нФ = 150пФ),М22 (0,22мкФ). Для выражения емкости конденсатора целым числом с десятичной дробью буквенное обозначение единицы ставят между целым числом и десятичной дро¬ бью, заменяя ею запятую, например: 1П2 (1,2 пФ), 4Н7 (4,7 нФ = 4700 пФ), 1М5 (1,5 мкФ). Допустимое отклонение маркиру¬ ют после обозначения номинальной емкости цифрами в процентах, пико¬ фарадах или буквенным кодом, кото¬ рый приводим здесь в сокращенном виде: Допуск, % ±30 ±20 ±10 ±5 ±2 ±1 Маркировка Ф В С И Л Р Вот несколько примеров обозначе¬ ния параметров малогабаритных кон¬ денсаторов: 1Н5В (1500 пФ, допуск ±20%), 5П6Л (5,6 пФ, допуск ±2%), 1М5Ф (1,5 мкФ, допуск ±30%). Не исключено, что тебе уже прихо¬ дилось видеть постоянные резисторы, «украшенные» разноцветными пояска¬ ми или точками на корпусах. Это тоже система условного обозначения пара¬ метров резисторов, введенная в нашей стране сравнительно недавно. Разо¬ браться в ней тебе поможет приложе¬ ние 4, которое найдешь в конце книги. КОРОТКО О ПЛАВКОМ ПРЕДОХРАНИТЕЛЕ Этот прибор представляет собой отрезок проволоки, толщина которой рассчитана на пропускание тока неко¬ торого определенного значения, на¬ пример 0,25 А. Он предохраняет источ¬ ник тока от перегрузки. Предохраните¬ ли имеют все электросети, иногда штепсельные розетки, радиоконструк¬ ции, питающиеся от электроосвети¬ тельной сети. Рис. 70. Плавкие предохранители Плавкий предохранитель вставля¬ ют в разрыв электрической цепи, чтобы через него проходил весь ток, потреб¬ ляемый нагрузкой этой цепи. Пока ток не превышает допустимой нормы, про¬ волока предохранителя чуть теплая или совсем холодная. Но как только в цепи появится недопустимо большая нагруз¬ ка или произойдет короткое замыка¬ ние, ток резко возрастет, расплавит проволоку и цепь автоматически разо¬ рвется. Патрон плавкого предохраните¬ ля, используемого в осветительной эле¬ ктросети, устроен так же, как патрон электролампы. В него ввертывают фар¬
82 Беседа четвертая форовую «пробку» (рис. 70 — слева), внутри которой имеется свинцовая проволока. Один конец ее припаян к металлическому донышку пробки, а другой — к металлическому цилиндру с резьбой, которым предохранитель ввертывают в патрон. Проволока плавкого предохраните¬ ля радиоконструкции (на рис. 70 — справа) заключена в стеклянную тру¬ бочку и концами припаяна к металличе¬ ским колпачкам, выполняющим роль контактов. Этими контактами предохра¬ нитель вставляют в специальный патрон (держатель) или между двумя металли¬ ческими стоечками, к которым подведе¬ ны провода защищаемой от перегрузок сети. Ток плавления 1^ тонкого медного провода (диаметром не более 0,2 мм) можно рассчитать по формуле: 1^ (А) = [d(MM) - 0,005] / 0,034 Причину, вызвавшую перегорание предохранителя, надо найти, устранить и только после этого, соблюдая осто¬ рожность, можно вставлять в электри¬ ческую цепь новый предохранитель. ОСТОРОЖНО - ВЫСОКОЕ НАПРЯЖЕНИЕ! Да, юный друг, всегда, когда при¬ ходится иметь дело с электросетью, на¬ до быть особенно внимательным, осто¬ рожным и никогда не забывать о дей¬ ствующем в ней опасном высоком на¬ пряжении. Иногда, балуясь или хвастая, ребя¬ та касаются рукой оголенного провода или контактов штепсельной розетки. Вроде ничего опасного. Но может слу¬ читься непоправимое, потому что элек¬ тросеть не любит шуток. «Эффект» та¬ кого «опыта» всецело зависит от элект¬ рического сопротивления тела челове¬ ка и изоляции его от земли, влажности пола, на котором он стоит. У разных людей в разном возрасте и при различ¬ ном состоянии всего организма элект¬ рическое сопротивление тела может быть от тысячи до нескольких десятков тысяч ом. И если человек со сравни¬ тельно небольшим сопротивлением те¬ ла коснется провода электросети, че¬ рез него может пройти значительный ток, который может стать причиной электрической травмы. Простой расчет: если напряжение сети 220 В, а сопротивление тела 22 кОм, то ток по закону Ома будет равен 220:22000 = 0,01 А. Такой ток для чело¬ века опасен, но не смертелен. А если со¬ противление мало — всего 2,2 кОм? Тогда ток возрастет до 220:2200 = 0,1 А. Такой ток уже смертельно опасен! Как предотвратить неприятности, которые может причинить электросеть? Прежде всего — никогда, ни при ка¬ ких условиях не касайся руками ого¬ ленных участков проводов электроо¬ светительной сети, монтажа или кон¬ тактных соединений монтируемой или налаживаемой аппаратуры, питаю¬ щейся от сети. А если понадобится за- изолировать провод, улучшить контак¬ ты штепсельной розетки, делай это только после обесточивания сети вы¬ ключателем на квартирном электро¬ распределительном щитке. При налаживании приемника или усилителя с питанием от сети щуп из¬ мерительного прибора (или инстру¬ мент) держи одной рукой во избежание прикосновения токонесущих провод¬ ников обеими руками. Прежде чем за¬ менить испортившуюся деталь или вне¬ сти изменения в монтаж, полностью от¬ ключи приемник, усилитель или питаю¬ щий их выпрямитель от сети. На этом я прерываю беседу. Но «экскурсия» в электротехнику еще не закончена. Впере¬ ди — другие электрические явления, закономерности и приборы, с которыми тебе по¬ стоянно придется иметь дело.
83 БЕСЕДА ПЯТАЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ ШИРОКОГО ПРИМЕНЕНИЯ Ты, юный друг, современник технической революции во всех областях радиоэлектроники. Суть ее заключается в том, что на смену электронным лампам, многие десятилетия за¬ нимавшим доминирующее положение в радиоаппаратуре различного назначения, пришли транзисторы, а их теперь все больше теснят полупроводниковые приборы новейшего по¬ коления — микросхемы. Предком одного из наиболее характерных представителей «ар¬ мии» усилительных полупроводниковых приборов —транзистора — был так называемый генерирующий детектор, изобретенный еще в 1922 г. радиофизиком О. В. Лосевым. Этот прибор, представляющий собой кристалл полупроводника с двумя примьисающими к нему проволочками — при определенных условиях мог генерировать и усиливать электричес¬ кие колебания. Но он тогда из-за несовершенства не мог конкурировать с электронной лампой. Достойного полупроводникового соперника электронной лампе, названного тран¬ зистором, создали в 1948 г. американские ученые Браттейн, Бардин и Шокли. В нашей стране большой вклад в разработку полупроводниковых приборов внесли А. Ф. Иоффе, А Д. Ландау, Б. И. Давыдова, В. Е. Лошкарев и ряд других ученых и инженеров, многие на¬ учные коллективы. Чтобы понять сущность явлений, происходящих в современных полу¬ проводниковых приборах, нам придется «заглянуть» в структуру полупроводника, разо¬ браться в причинах образования в нем электрического тока. Но перед этим хорошо бы тебе вспомнить ту часть первой беседы, где я рассказывал о строении атомов.
84 Беседа пятая ПОЛУПРОВОДНИКИ и их СВОЙСТВА Напомню: по электрическим свой¬ ствам полупроводники занимают сред¬ нее место между проводниками и не¬ проводниками тока. К сказанному до¬ бавлю, что к группе полупроводников относится гораздо больше веществ, чем к группам проводников и непро¬ водников, взятых вместе. К полупро¬ водникам, нашедшим практическое применение в технике, относятся гер¬ маний, кремний, селен, закись меди и некоторые другие вещества. Но для по¬ лупроводниковых приборов использу¬ ют главным образом германий, крем¬ ний и арсенид галлия. Каковы наиболее характерные свойства полупроводников, отличаю¬ щие их от проводников и непровод¬ ников тока? Электропроводность полу¬ проводников сильно зависит от окружа¬ ющей температуры. При очень низкой температуре, близкой к абсолютному нулю (~273°С), они ведут себя по отно¬ шению к электрическому току как изо¬ ляторы, Большинство же проводников, наоборот, при такой температуре ста¬ новятся сверхпроводимыми, т.е. почти не оказывают току никакого сопротив¬ ления. С повышением температуры проводников их сопротивление элект¬ рическому току увеличивается, а со¬ противление полупроводников умень¬ шается. Электропроводность провод¬ ников не изменяется при действии на них света. Электропроводность же по¬ лупроводников под действием света, так называемая фотопроводность, по¬ вышается. Полупроводники могут пре¬ образовывать энергию света в электри¬ ческий ток. Проводникам же это со¬ вершенно не свойственно. Электро¬ проводность полупроводников резко увеличивается при введении в них ато¬ мов некоторых других элементов. Эле¬ ктропроводность же проводников при введении в них примесей ухудшается. Эти и некоторые другие свойства полу¬ проводников были известны давно, од¬ нако широко использовать их стали сравнительно недавно. Германий и кремний, являющиеся исходными материалами многих совре¬ менных полупроводниковых приборов, имеют во внешних слоях своих оболо¬ чек по четыре валентных электрона. Всего же в атоме германия 32 электро¬ на, а в атоме кремния 14. Но 28 электро¬ нов атома германия и 10 электронов атома кремния, находящиеся во внут¬ ренних слоях их оболочек, прочно удерживаются ядрами и ни при каких обстоятельствах не отрываются от них. Только четыре валентных электрона атомов этих полупроводников могут, да и то не всегда, стать свободными. За¬ помни: четыре! Атом же полупроводни¬ ка, потерявший хотя бы один электрон, становится положительным ионом. Рис. 71. Схема взаимосвязи атомов в кристал¬ ле полупроводника В полупроводнике атомы располо¬ жены в строгом порядке: каждый атом окружен четырьмя такими же атома¬ ми. Они к тому же расположены на¬ столько близко друг к другу, что их ва¬ лентные электроны образуют единые орбиты, проходящие вокруг всех со¬ седних атомов, связывая их в единое вещество. Такую взаимосвязь атомов в кристалле полупроводника можно представить себе в виде плоской схе¬ мы, как показано на рис. 71. Здесь боль¬ шие шарики со знаком « + » условно изображают ядра атомов с внутренни¬ ми слоями электронной оболочки (по¬
Беседа пятая 85 ложительные ионы), а маленькие ша¬ рики — валентные электроны. Каждый атом, как видишь, окружен четырьмя точно такими же атомами. Любой из атомов связан с каждым соседним дву¬ мя валентными электронами, один из которых «свой», а второй заимствован у «соседа». Это двухэлектронная, или валентная, связь. Самая прочная связь! В свою очередь, внешний слой элек¬ тронной оболочки каждого атома содер¬ жит восемь электронов: четыре своих и по одному от четырех соседних атомов. Здесь уже невозможно различить, ка¬ кой из валентных электронов в атоме «свой», а какой «чужой», поскольку они сделались общими. При такой связи атомов во всей массе кристалла герма¬ ния или кремния можно считать, что кристалл полупроводника представляет собой одну большую молекулу. ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ПОЛУПРОВОДНИКА Схему взаимосвязи атомов в полу¬ проводнике можно для наглядности уп¬ ростить, изобразив ее так, как это сде¬ лано на рис. 72. Здесь ядра атомов с внутренними электронными оболочка¬ ми показаны в виде кружков со знаком плюс, а межатомные связи — двумя ли¬ ниями, символизирующими валентные электроны. При температуре, близкой к абсолютному нулю, полупроводник ведет себя как абсолютный непровод¬ ник, потому что в нем нет свободных электронов. Но при повышении темпе¬ ратуры связь валентных электронов с атомными ядрами ослабевает и некото¬ рые из них вследствие теплового дви¬ жения могут покидать свои атомы. Вырвавшийся из межатомной связи электрон становится свободным (на рис. 72 — черные точки), а там, где он был до этого, образуется пустое место. Это пустое место в межатомной связи полупроводника условно называют дыркой (на рис. 72 — разорвавшиеся линии электронов). Чем выше темпера¬ тура полупроводника, тем больше в нем появляется свободных электронов и дырок. Таким образом, образование в массе полупроводника дырки связано с уходом из оболочки атома валентного электрона, а возникновение дырки со¬ ответствует появлению положительно¬ го электрического заряда, равного от¬ рицательному заряду электрона. Рис. 72. Упрощенная схема структуры полу¬ проводника А теперь рассмотри рис. 73. На нем схематично изображено явление воз¬ никновения тока в полупроводнике. Причиной возникновения тока служит напряжение, приложенное к полупро¬ воднику (на рис. 73 источник напряже¬ ния символизируют знаки « + » и «—»). Вследствие тепловых явлений во всей массе полупроводника высвобождает¬ ся из межатомных связей некоторое количество электронов (на рис. 73 они обозначены точками со стрелками). Электроны, освободившиеся вблизи положительного полюса источника напряжения, притягиваются этим по¬ люсом и уходят из массы полупровод¬ ника, оставляя после себя дырки. Элек¬ троны, ушедшие из межатомных свя¬ зей, на некотором удалении от положи¬ тельного полюса тоже притягиваются им и движутся в его сторону. Но, встре¬ тив на своем пути дырки, электроны как бы «впрыгивают» в них (рис. 73, а), происходит заполнение некоторых ме¬ жатомных связей. А ближние к отрица¬ тельному полюсу дырки заполняются
86 Беседа пятая другими электронами, вырвавшимися из атомов, расположенных еще ближе к отрицательному полюсу (рис. 73, б). Пока в полупроводнике действует эле¬ ктрическое поле, этот процесс продол¬ жается: нарушаются одни межатомные связи — из них уходят валентные элек¬ троны, возникают дырки — и заполня¬ ются другие межатомные связи — в дырки «впрыгивают» электроны, осво¬ бодившиеся из каких-то других межа¬ томных связей (рис. 73, б-г). Рассматривая эти схемы, ты, ко¬ нечно, заметил: электроны движутся в направлении от отрицательного полю¬ са источника напряжения к положи¬ тельному, а дырки перемещаются от положительного полюса к отрицатель¬ ному. Это явление можно сравнить с такой хорошо знакомой тебе карти¬ ной. Урок физкультуры начинается с построения. Но несколько ребят вы¬ шло из строя: образовались пустые ме¬ ста — «дырки». Физрук подает коман¬ ду: «Сомкнуть строй!». Ребята по оче¬ реди перемещаются вправо, заполняя пустые места. Что получается? Ребята один за другим перемещаются к пра¬ вому флангу, а пустые места — в сто¬ рону левого. При температуре выше абсолютно¬ го нуля в полупроводнике непрерывно возникают и исчезают свободные элек¬ троны и дырки даже тогда, когда нет внешних электрических полей. Но эле¬ ктроны и дырки движутся хаотически в разные стороны и не уходят за преде¬ лы полупроводника. В чистом полупро¬ воднике число высвободившихся в каждый момент времени электронов равно числу образующихся при этом дырок. Общее же их число при комнат¬ ной температуре относительно невели¬ ко. Поэтому электропроводность тако¬ го полупроводника, называемая собст¬ венной, мала. Иными словами, такой полупроводник оказывает электричес¬ кому току довольно большое сопротив¬ ление. Но если в чистый полупровод¬ ник добавить даже ничтожное количе¬ ство примеси в виде атомов других эле¬ ментов, электропроводность его резко повысится. При этом в зависимости от структуры атомов примесных элемен¬ тов электропроводность полупровод¬ ника будет электронной или дырочной. Чем различаются эти два вида элек¬ тропроводности полупроводника? Если какой-либо атом в кристалле полупроводника заменить атомом сурь¬ мы, имеющим во внешнем слое элек¬ тронной оболочки пять валентных эле¬ ктронов, этот атом-«пришелец» че¬ тырьмя электронами свяжется с че- Рис. 73. Схема движения электронов и дырок в полупроводнике
Беседа пятая 87 тырьмя соседними атомами полупро¬ водника. Пятый же валентный элек¬ трон атома сурьмы окажется «лишним» и станет свободным. Чем больше в по¬ лупроводник будет введено атомов сурьмы, тем больше в его массе окажет¬ ся свободных электронов. Следователь¬ но, полупроводник с примесью сурьмы приближается по своим свойствам к металлу: для того чтобы через него про¬ ходил электрический ток, в нем не обя¬ зательно должны разрушаться межа¬ томные связи. Полупроводники, обла¬ дающие такими свойствами, называют полупроводниками с электропроводно¬ стью типа п или, короче, полупроводни¬ ками n-типа. Здесь латинская буква п — начальная буква латинского слова «negativ» (негатив), что значит «отрица¬ тельный». Этот термин в данном случае нужно понимать в том смысле, что в по¬ лупроводнике типа п основными носи¬ телями тока являются отрицательные заряды, т.е. электроны. Совсем иная картина получится, если в том же полупроводнике имеют¬ ся атомы с тремя валентными электро¬ нами, например атомы индия. Каждый атом металла индия своими тремя элек¬ тронами заполнит связи только с тремя соседними атомами полупроводника, а для заполнения связи с четвертым ато¬ мом у него не хватает одного электро¬ на. Образуется дырка. Она, конечно, может заполниться каким-либо элек¬ троном, вырвавшимся из валентной связи с другими атомами полупровод¬ ника. Однако независимо от того, где будут дырки, в массе полупроводника с примесью индия не будет хватать элек¬ тронов для их заполнения. И, чем боль¬ ше будет введено в полупроводник примесных атомов индия, тем больше в нем образуется дырок. Чтобы в таком полупроводнике электроны могли перемещаться, совер¬ шенно обязательно должны разру¬ шаться валентные связи между атома¬ ми. Вырвавшиеся из них электроны или же электроны, поступившие в по¬ лупроводник извне, движутся от дырки к дырке. А во всей массе полупровод¬ ника в любой момент времени число дырок будет больше общего числа сво¬ бодных электронов. Полупроводники, обладающие таким свойством, называ¬ ют полупроводниками с дырочной эле¬ ктропроводностью или полупроводни¬ ками типа р. Латинская буква р — пер¬ вая буква латинского слова «positiv» (позитив), что значит «положитель¬ ный». Этот термин в данном случае нужно понимать в том смысле, что яв¬ ление электрического тока в массе по¬ лупроводника типа р сопровождается непрерывным возникновением и ис¬ чезновением положительных заря¬ дов — дырок. Перемещаясь в массе по¬ лупроводника, дырки как бы являются носителями тока. Полупроводники типа р, как и по¬ лупроводники типа п, обладают во мно¬ го раз лучшей электропроводностью по сравнению с чистыми полупроводни¬ ками. Надо сказать, что практически не существует как совершенно чистых полупроводников, так и полупроводни¬ ков с абсолютной электропроводнос¬ тью типов п и р. В полупроводнике с примесью индия обязательно есть не¬ большое количество атомов некоторых других элементов, придающих ему эле¬ ктронную проводимость, а в полупро¬ воднике с примесью сурьмы есть ато¬ мы элементов, создающих в нем ды¬ рочную электропроводность. Напри¬ мер, в полупроводнике, имеющем в целом электропроводность типа п, есть дырки, которые могут заполняться сво¬ бодными электронами примесных ато¬ мов сурьмы. Вследствие этого электро¬ проводность полупроводника несколь¬ ко ухудшится, но в целом он сохранит электронную проводимость. Аналогич¬ ное явление будет наблюдаться и в том случае, если в полупроводник с дыроч¬ ным характером электропроводности попадут свободные электроны. Поэто¬ му полупроводниками типа п принято считать такие полупроводники, в кото¬ рых основными носителями тока явля-
88 Беседа пятая Рис. 74. Схематическое устройство и работа полупроводникового диода ются электроны (преобладает элек¬ тронная электропроводность), а полу¬ проводниками типа р — полупроводни¬ ки, в которых основными носителями тока являются дырки (преобладает ды¬ рочная электропроводность). Теперь, когда ты имеешь некоторое представление о явлениях, происходя¬ щих в полупроводниках, тебе нетрудно будет понять принцип действия полу¬ проводниковых приборов. Начнем с предшественников тран¬ зистора — полупроводниковых диодов. ДИОДЫ Сегодня в «семейство» диодов вхо¬ дит не один десяток полупроводнико¬ вых приборов, носящих название «ди¬ од». Но здесь речь пойдет лишь о дио¬ дах, с которыми тебе в первую очередь придется иметь дело. Схематично диод можно предста¬ вить как две пластинки полупроводни¬ ка, одна из которых обладает электро¬ проводностью типа р, а другая — типа п. На рис. 74, а дырки, преобладающие в пластинке типа р, условно изображены кружками, а электроны, преобладаю¬ щие в пластинке типа п, — черными шариками таких же размеров. Эти две области — два электрода диода: анод и катод. Анодом, т.е. положительным электродом, является область типа р, а катодом, т.е. отрицательным электро¬ дом, — область типа п. На внешние по¬ верхности пластин нанесены контакт¬ ные металлические слои, к которым припаяны проволочные выводы элект¬ родов диода. Такой полупроводниковый прибор может находиться в одном из двух со¬ стояний: открытом, когда он хорошо проводит ток, и закрытом, когда он плохо проводит ток. Если к его элект¬ родам подключить источник постоян¬ ного тока, например гальванический элемент, но так, чтобы его положитель¬ ный полюс был соединен с анодом дио¬ да, т.е. с областью типа р, а отрицатель¬ ный — с катодом, т.е. с областью типа п (рис. 74, б), то диод окажется в откры¬ том состоянии и в образовавшейся це¬ пи пойдет ток, значение которого зави¬ сит от приложенного к нему напряже¬ ния и свойств диода. При такой поляр¬ ности подключения батареи электроны в области типа п перемещаются от ми¬ нуса к плюсу, т.е. в сторону области ти¬ па р, а дырки в области типа р движут¬ ся навстречу электронам — от плюса к минусу. Встречаясь на границе облас¬ тей, называемой электронно-дыроч¬ ным переходом или, короче, р-n пере¬ ходом, электроны как бы «впрыгива¬ ют» в дырки, в результате и те, и другие при встрече прекращают свое сущест¬ вование. Металлический контакт, со¬ единенный с отрицательным полюсом элемента, может отдать области типа п практически неограниченное количе¬ ство электронов, пополняя убыль элек¬ тронов в этой области, а контакт, со¬ единенный с положительным полюсом элемента, может принять из области типа р такое же количество электро¬
Беседа пятая 89 нов, что равнозначно введению в него соответствующего количества дырок. В этом случае сопротивление р-n пере¬ хода мало, вследствие чего через диод идет ток, называемый прямым током. Чем больше площадь р-n перехода и на¬ пряжение источника питания, тем больше этот прямой ток. Если полюсы элемента поменять местами, как это сделано на рис. 74, в, диод окажется в закрытом состоянии. В этом случае электрические заряды в диоде поведут себя иначе. Теперь, уда¬ ляясь от р-n перехода, электроны в об¬ ласти типа п будут перемещаться к по¬ ложительному, а дырки в области типа р — к отрицательному контактам дио¬ да. В результате граница областей с различными типами электропроводно¬ сти как бы расширится, образовав зо¬ ну, обедненную электронами и дырка¬ ми (на рис. 74, в она заштрихована) и, следовательно, оказывающую току очень большое сопротивление. Однако в этой зоне небольшой обмен носите¬ лями тока между областями диода все же будет происходить. Поэтому через диод пойдет ток, но во много раз мень¬ ший, чем прямой. Этот ток называют обратным током диода. На графиках, характеризующих работу диода, прямой ток обозначают 1пр, а обратный 10бр. А если диод включить в цепь с пере¬ менным током? Он будет открываться при положительных полупериодах на аноде, свободно пропуская ток одного направления — прямой ток 1пр, и за¬ крываться при отрицательных полупе¬ риодах на аноде, почти не пропуская ток противоположного направления — обратный ток 1обр. Эти свойства диодов и используют в выпрямителях для пре¬ образования переменного тока в по¬ стоянный. Напряжение, при котором диод от¬ крывается и через него идет прямой ток, называют прямым (пишут Unp) или пропускным, а напряжение обратной полярности, при котором диод закры¬ вается и через него идет обратный ток, называют обратным (пишут Uo6p) или непропускным. При прямом напряже¬ нии сопротивление диода хорошего ка¬ чества не превышает нескольких де¬ сятков ом, при обратном же напряже¬ нии его сопротивление достигнет де¬ сятков, сотен килоом и даже мегаом. В этом нетрудно убедиться, если обрат¬ ное сопротивление диода измерить ом¬ метром. Внутреннее сопротивление от¬ крытого диода — величина непосто¬ янная и зависит от прямого напряже¬ ния, приложенного к диоду: чем боль¬ ше это напряжение, тем больше пря¬ мой ток через диод, тем меньше его пропускное сопротивление. Судить о сопротивлении диода можно по паде¬ нию напряжения на нем и току через него. Так, если через диод идет прямой ток 1пр = 100 мА (0,1 А) и при этом на нем падает напряжение 1 В, то (по за¬ кону Ома) прямое сопротивление дио¬ да будет: R = U/I = 1/0,1 = 10 Ом. В закрытом состоянии на диоде па¬ дает почти все прикладываемое к нему напряжение, обратный ток через него чрезвычайно мал, а сопротивление, следовательно, велико. Зависимость тока через диод от значения и полярности приложенного к нему напряжения изображают в виде кривой, называемой вольт-амперной характеристикой диода. Такую харак¬ теристику ты видишь на рис. 75. Здесь по вертикальной оси вверх отложены значения прямого тока I , а вниз — об¬ ратного тока 1обр. По горизонтальной оси вправо обозначены значения пря¬ мого напряжения Unp, влево — обрат¬ ного напряжения Uo6p. На вольт-амперной характеристи¬ ке диода различают прямую ветвь (в правой верхней части), соответствую¬ щую прямому току через диод, и обрат¬ ную ветвь, соответствующую обратно¬ му току. Из нее видно, что ток 1обр дио¬ да в сотни раз больше тока 1обр. Так, уже при прямом напряжении Unp = = 0,5 В ток 1обр = 50 мА (точка а на ха¬ рактеристике), при Unp = 1 В он возра¬
90 Беседа пятая стает до 150 мА (точка б на характерис¬ тике), а при обратном напряжении иобр — 100 В обратный ток 1обр не пре¬ вышает 0,5 мА (500 мкА). Подсчитай, во сколько раз при одном и том же пря¬ мом и обратном напряжении прямой ток больше обратного. Рис. 75. Вольт-амперная характеристика гер¬ маниевого диода Прямая ветвь идет круто вверх, как бы прижимаясь к вертикальной оси. Она характеризует обратный рост пря¬ мого тока через диод с увеличением прямого напряжения. Обратная же ветвь, как видишь, идет почти парал¬ лельно горизонтальной оси, характери¬ зуя медленный рост обратного тока. Наличие заметного обратного тока — недостаток диодов. Примерно такие вольт-амперные характеристики имеют все германие¬ вые диоды. Вольтамперные характери¬ стики кремниевых диодов чуть сдвину¬ ты вправо. Объясняется это тем, что германиевый диод открывается и начи¬ нает проводить ток при прямом напря¬ жении 0,1...0,2 В, а кремниевый при 0,5...0,6 В. Прибор, на примере которого я рассказал тебе о свойствах диода, со¬ стоял из двух пластин полупроводни¬ ков разной электропроводности, со¬ единенных между собой плоскостями. Подобные диоды называют плоскост¬ ными. В действительности же плоско¬ стной диод представляет собой одну пластинку полупроводника, в объеме которой созданы две области разной электропроводности. Технология изго¬ товления таких диодов заключается в следующем. На поверхности квадрат¬ ной пластинки площадью 2...4 мм2 и толщиной в несколько долей миллиме¬ тра, вырезанной из кристалла полупро¬ водника с электронной электропровод¬ ностью, расплавляют маленький кусо¬ чек индия. Индий крепко сплавляется с пластинкой. При этом атомы индия проникают (диффундируют) в толщу пластинки, образуя в ней область с преобладанием дырочной электропро¬ водности (рис. 76, а). Получается полу¬ проводниковый прибор с двумя облас¬ тями различного типа электропровод¬ ности, а между ними р-n переход. Кон¬ тактами электродов диода служат капелька индия и металлический диск с выводными проводниками. Так устроены наиболее распрост¬ раненные плоскостные германиевые и кремниевые диоды. Внешний вид неко- Рис. 76. Схематическое устройство {а) и внешний вид некоторых плоскостных диодов (б)
Беседа пятая 91 торых из них показан на рис. 76, б. Приборы заключены в цельнометалли¬ ческие корпуса со стеклянными изоля¬ торами, что позволяет использовать их для работы в условиях повышенной влажности. Диоды, рассчитанные на значительные прямые токи, имеют винты с гайками для крепления их на монтажных панелях или шасси радио¬ технических устройств. Плоскостные диоды предназначены в основном для работы в выпрямителях переменного тока блоков питания ра¬ диоаппаратуры, поэтому их называют еще выпрямительными диодами. Конструированию блоков питания радиотехнических устройств питаю¬ щихся от электроосветительной сети будет посвящена специальная беседа — десятая. Сейчас же я познакомлю тебя только с самим принципом преобразо¬ вания переменного тока в постоянный. Схему простейшего выпрямителя переменного тока ты видишь на рис. 77, а. На вход выпрямителя подает¬ ся переменное напряжение электроо¬ светительной сети. К выходу выпрями¬ теля подключен резистор (RJ символи¬ зирующий нагрузку, питающуюся от выпрямителя. Функцию выпрямляю¬ щего элемента выполняет диод VD. Сущность работы такого выпрямителя иллюстрируют графики, помещенные на том же рисунке. При положитель¬ ных полупериодах напряжения на ано¬ де диод открывается. В эти моменты времени через диод, а значит, и через нагрузку, подключенную к выпрямите¬ лю, течет прямой ток диода 1пр. При от¬ рицательных полупериодах напряже¬ ния на аноде диод закрывается и во всей цепи, в которую он включен, те¬ чет незначительный обратный ток дио¬ да 1об . Диод как бы отсекает большую часть отрицательных полуволн пере¬ менного тока (на рис. 77, а показано штриховыми линиями). И вот резуль¬ тат: через нагрузку (RH) подключенную к сети через диод VD, течет уже не пе¬ ременный, а пульсирующий ток — ток одного направления, но изменяющий¬ ся по значению с частотой 50 Гц. Это и есть выпрямление переменного тока. Таким образом, диод является прибо¬ ром, обладающим резко выраженной односторонней проводимостью элект¬ рического тока. И если пренебречь ма¬ лым обратным током, который у ис¬ правных диодов не превышает малых долей миллиампера, можно считать, что диод является односторонним про¬ водником тока. Можно ли таким током питать на¬ грузку? Можно, он ведь выпрямлен¬ ный. Но не каждую. Лампу накалива¬ ния, например, можно, если, конечно, выходное напряжение не будет превы¬ шать то напряжение, на которое лампа Рис. 77. Однополупериодный выпрямитель и графики, иллюстрирующие его работу
92 Беседа пятая рассчитана. Ее нить будет накаливать¬ ся не постоянно, а импульсами, следу¬ ющими с частотой 50 Гц. Из-за тепло¬ вой инерции нить не будет успевать ос¬ тывать в промежутки между импульса¬ ми, поэтому никаких мерцаний света мы не заметим. А вот приемник питать таким током нельзя, потому что в цепях его усили¬ тельных приборов ток тоже будет пуль¬ сировать с такой же частотой. В резуль¬ тате в телефонах или головке громкого¬ ворителя на выходе приемника будет прослушиваться гул низкого тона с час¬ тотой 50 Гц, называемый фоном пере¬ менного тока. Этот недостаток можно частично устранить, если на выходе вы¬ прямителя параллельно нагрузке под¬ ключить оксидный конденсатор, как это показано на рис. 77, б. Такой конденса¬ тор выпрямителя называют фильтрую¬ щим. Заряжаясь от импульсов тока, кон¬ денсатор Сф в момент спадания тока или его исчезновения (между импульса¬ ми) разряжается через нагрузку (RJ. Ес¬ ли конденсатор достаточно большой ем¬ кости, то за время между импульсами тока он не будет успевать полностью разряжаться и в нагрузке будет непре¬ рывно поддерживаться ток. Ток, поддер¬ живаемый за счет зарядки конденсато¬ ра, показан на рис. 77, б сплошной вол¬ нистой линией. В принципе приемник или усилитель можно питать таким то¬ ком, но он будет «фонить», так как пуль¬ сации тока все еще очень ощутимы. В таком выпрямителе полезно ис¬ пользуется энергия только одной поло¬ вины периода переменного тока. Такое выпрямление переменного тока назы¬ вают однополупериодным, а выпрями¬ тели — однополупериодными выпря¬ мителями. Теперь о точечном диоде. Внешний вид одного из таких при¬ боров и его устройство (в значительно увеличенном виде) показаны на рис. 78. Это диод серии Д9. Такой или ему по¬ добный диод, например Д2, тебе уже знаком — я рекомендовал использовать его в твоем первом приемнике в качест¬ ве детектора. Выпрямительным элемен¬ том прибора служит контакт между тонкой и очень маленькой (площадью около 1 мм2) пластинкой полупроводни¬ ка германия или кремния типа п и ост¬ рием вольфрамовой проволочки, упи¬ рающимся в пластинку. Они припаяны к отрезкам посеребренной проволоки длиной примерно по 50 мм, являющи¬ мися выводами диода. Вся конструкция находится внутри стеклянной трубочки диаметром около 3 и длиной меньше 10 мм, запаянной с концов. После сбор¬ ки диод формуют — пропускают через контакт между пластиной полупровод¬ ника и острием вольфрамовой прово¬ лочки ток определенного значения. При этом под острием проволочки в кристалле полупроводника образуется небольшая область с дырочной элект¬ ропроводностью. Получается электрон¬ но-дырочный переход, обладающий од¬ носторонней проводимостью тока. Пластинка полупроводника является катодом, а вольфрамовая проволочка — анодом точечного диода. О принципе работы точечного дио¬ да как детектора ты уже знаешь из тре¬ тьей беседы. Плоскостные и точечные диоды маркируют буквами и цифрами, на¬ пример: Д226Б, Д9В, Д18. Буква Д в маркировке прибора означает «диод», цифры, следующие за нею, — завод¬ ской порядковый номер конструкции. Буквы, стоящие в конце обозначения диодов, указывают на разновидности групп приборов. Полярность включения плоскост¬ ных диодов обычно обозначают на их корпусах символом диода. Вывод анода диодов серии Д9 обозначают цветными метками на их корпусах. Электроды то¬ чечного диода серии Д2 обозначают символом диода на одном из его лен¬ точных выводов. У точечного диода площадь сопри¬ косновения острия проволочки с по¬ верхностью пластинки полупроводни¬ ка чрезвычайно мала — не более 50 мкм2. Поэтому токи, которые точеч¬
Беседа пятая 93 ные диоды могут выпрямлять в течение продолжительного времени, малы. То¬ чечные диоды радиолюбители исполь¬ зуют в основном для детектирования модулированных колебаний высокой частоты, поэтому их часто называют высокочастотными. Рис. 78. Схематическое устройство и внешний вид точечного диода серии Д9 Как для плоскостных, так и для то¬ чечных диодов существуют максималь¬ но допустимые значения прямого и об¬ ратного токов, зависящие от прямого и обратного напряжений и определяю¬ щие их выпрямительные свойства и электрическую прочность. Это их ос¬ новные параметры. Плоскостной диод Д226В, например, может продолжи¬ тельное время выпрямлять ток до 300 мА. Но если его включить в цепь, потребляющую ток более 300 мА, он будет нагреваться, что неизбежно при¬ ведет к тепловому пробою р-n перехо¬ да и выходу диода из строя. Диод будет пробит и в том случае, если он окажет¬ ся в цепи, в которой на него будет пода¬ ваться обратное напряжение более чем 400 В. Допустимый выпрямленный ток для точечного диода Д9А 65 мА, а допу¬ стимое обратное напряжение 10 В, ос¬ новные параметры полупроводнико¬ вых диодов указывают в их паспортах и справочных таблицах. Превышение предельных значений приводит к вы¬ ходу приборов из строя. Основные параметры наиболее распространенных точечных и плоско¬ стных полупроводниковых диодов ты найдешь в приложении 7. А теперь, чтобы лучше закрепить в памяти твое представление о свойствах диодов, предлагаю провести такой опыт. В электрическую цепь, составлен¬ ную из батареи 3336 и лампочки накали¬ вания, рассчитанной на напряжение 3,5 В и ток накала 0,28 А, включи любой плоскостной диод из серии Д226 или Д7 с любым буквенным индексом, но так, чтобы анод диода был соединен непо¬ средственно или через лампочку с поло¬ жительным выводом батареи, а катод — с отрицательным выводом (рис. 79, а). Лампочка должна гореть почти так же, как если бы диода не было в цепи. Изме¬ ни порядок включения электродов дио¬ да в цепь на обратный (рис. 79, б). Те¬ перь лампочка гореть не должна. А если горит, значит, диод оказался с проби¬ тым р-n переходом. Такой диод можно разломать, чтобы посмотреть, как он ус¬ троен, — для работы как выпрямитель он все равно непригоден. Но, надеюсь, диод был хорошим и опыт удался. Рис. 79. Опыты с плоскостным диодом Почему при первом включении дио¬ да в цепь лампочка горела, а при втором не горела? В первом случае диод был от¬ крыт, так как на него подавалось прямое напряжение Unp сопротивление диода было мало и через него протекал пря¬ мой ток 1прГ значение которого опреде¬ лялось нагрузкой цепи — лампочкой. Во втором случае диод был закрыт, так как к нему прикладывалось обратное на¬ пряжение Uo6p, равное напряжению ба¬ тареи. Сопротивление диода было очень большое, и в цепи тек лишь незна¬ чительный обратный ток 1обр, который не мог накалить нить лампочки.
94 Беседа пятая В этом опыте лампочка выполняла двоякую функцию. Она, во-первых, была индикатором наличия тока в це¬ пи, а во-вторых, ограничивала ток в це¬ пи до 0,28 А и таким образом защищала диод от перегрузки. СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИЙ ДИОД Этот полупроводниковый прибор из «семейства» диодов обычно называ¬ ют короче — светодиодом. Он, как и уже знакомый тебе сплавной или точеч¬ ный диод, пропускает ток только в од¬ ном направлении — от анода к катоду. Но, в отличие от диода, при некотором вполне определенном значении тока, текущего через него, внутри светодиода появляется свечение, хорошо видное через прозрачный корпус или часть его. Именно благодаря этому свойству све¬ тодиоды широко используют в качестве световых индикаторов наличия тока в цепях различной аппаратуры, электро¬ измерительных приборах. Условное графическое обозначение светодиода и устройство светодиодов АА102 и АЛ307, наиболее популярных у радиолюбителей, показаны на рис. 80, а. Окружность в обозначении светодиода символизирует герметичный корпус, а две стрелки, направленные под углом вверх — оптическое излучение. Пози¬ ционное обозначение светодиодов на схемах — латинские буквы HL. Основа светодиода — пластинка монокристаллического материала, в которой технологически создан р-n пе¬ реход. Область р перехода — анод, а область п — катод светодиода. К кон¬ тактным площадкам этих электродов приварены плоские или цилиндричес¬ кие выводы, которыми светодиоды подключают к тем или иным цепям ра¬ диотехнического устройства, напри¬ мер, к источнику питания транзис¬ торного приемника. Кристаллическую пластинку светодиода АЛ307 гермети¬ зируют прозрачной пластмассой в виде конуса, оканчивающегося сферой, вы¬ полняющей роль линзы. В светодиодах АЛ 102 кристалл обволакивают слоем прозрачной пластмассы, помещают в металлический корпус, а в торец корпу¬ са вставляют стеклянное окно. Как только через р-n переход прибора начи¬ нает проходить постоянный или пуль¬ сирующий ток, в переходе выделяется энергия в виде фотонов, воспринимае¬ мая нами как световое излучение. В зависимости от назначения и по¬ лупроводникового материала, исполь¬ зуемого для светодиода, его спектр из¬ лучения может быть как в видимой, так и в невидимой, то есть инфракрас¬ ной, части светового диапазона. В све¬ тодиодах, работающих в видимой час¬ ти диапазона, для красного, зеленого или желтого свечения используют ар- сенид и фосфид галлия, карбид крем¬ ния и их двойные и даже тройные со¬ единения. Условное обозначение светодиодов состоит из четырех знаков. Первый знак — цифра или буква, характеризу¬ Рис. 80. Устройство светодиодов серий AJI307, АД 102 (а) и светодиод в роли индикатора включе¬ ния питания радиоприемника (б)
Беседа пятая 95 ющая исходный полупроводниковый материал прибора: 2 или К — кремний или его соединения; 3 или А — соеди¬ нения галлия. Второй знак — буква Л (излучатель) характеризует подкласс прибора. Третий элемент обозначе¬ ния — число, указывающее функцио¬ нальное назначение, качественные свойства, а также порядковый номер разработки светодиода: от 101 до 199 — инфракрасного диапазона излучения, от 301 до 399 — видимого диапазона. Параметры и цоколевка некоторых светодиодов, с которыми тебе наибо¬ лее часто придется иметь дело, приве¬ дены в приложении 8. Основных пара¬ метров два: постоянное прямое напря¬ жение Unp, падающее на светодиоде при пропускании через него прямого тока 1пр, и максимально допустимый прямой ток 1пр макс. Превышение значе¬ ния любого из этих параметров свето¬ диода ведет к выходу его из строя. Для закрепления в памяти свойств и принципа работы светодиода хорошо бы прямо сейчас, в порядке опыта, най¬ ти ему практическое применение. До¬ пустим, что в твоем распоряжении есть радиоприемник, питающийся от источ¬ ника постоянного тока напряжением 9 В, но в нем нет светового индикатора, сигнализирующего о том, что напряже¬ ние питания на приемник подано. Та¬ ким индикатором может стать светоди¬ од, подключенный к токонесущим про¬ водникам приемника после выключа¬ теля питания. Предположим, что в твоем «хозяйстве» каким-то образом оказался светодиод АЛ102А. Но его па¬ раметр Unp, значение которого превы¬ шать нельзя, 2,8 В, что почти втрое больше напряжения источника пита¬ ния приемника. И все же он может вы¬ полнять функцию индикатора, если по¬ следовательно с ним включить резис¬ тор Rrac (рис. 80, б), гасящий избыточ¬ ное для данного светодиода прямое напряжение. Каково должно быть сопротивле¬ ние этого резистора? По закону Ома — примерно 1 кОм, чтобы при прямом то¬ ке 1пр, равном 5 мА, погасить б В. В этом случае при замыкании контактов вы¬ ключателя SA светодиод HL тут же вспыхнет и будет светиться красным огоньком, пока контакты выключателя вновь не окажутся разомкнутыми. Теперь поговорим о стабилитроне, занимающем в «семействе» диодов особое положение. СТАБИЛИТРОН И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ Этот полупроводниковый прибор тоже диод, кремниевый, но предназна¬ чен он не для выпрямления переменно¬ го тока, хотя и может выполнять такую функцию, а для стабилизации, т.е. под¬ держания постоянства напряжения в цепях питания радиоэлектронной ап¬ паратуры. Внешний вид одной из кон¬ струкций наиболее распространенных среди радиолюбителей стабилитронов и условное графическое обозначение стабилитронов показаны на рис. 81, а. По устройству и принципу работы кремниевые стабилитроны широкого применения аналогичны плоскостным выпрямительным диодам. Но работает стабилитрон не на прямом, как выпря¬ мительные или высокочастотные дио¬ ды, а на том участке обратной ветви вольт-амперной характеристики, где незначительное обратное напряжение вызывает значительное увеличение об¬ ратного тока через прибор. Разобрать¬ ся в сущности действия стабилитрона тебе поможет его вольт-амперная ха¬ рактеристика, показанная на рис. 81,6. Здесь (как и на рис. 75) по горизонталь¬ ной оси отложены в некотором мас¬ штабе обратное напряжение Uo6p, а по вертикальной оси вниз — обратный ток 10бр. Напряжение на стабилитрон подают в обратной полярности, т.е. включают так, чтобы его анод был со¬ единен с отрицательным полюсом ис¬ точника питания. При таком включе¬ нии через стабилитрон течет обратный ток 1обр. По мере увеличения обратного напряжения обратный ток растет
96 Беседа пятая очень медленно — характеристика идет почти параллельно оси Uo6p. Но при некотором напряжении Uo6p (на рис. 81,6 — около 8 В) р-n переход ста¬ билитрона пробивается, и через него начинает течь значительный обратный ток. Теперь вольт-амперная характери¬ стика резко поворачивает и идет вниз почти параллельно оси 1обр. Этот учас¬ ток и является для стабилитрона рабо¬ чим. Пробой же р-n перехода не ведет к порче прибора, если ток через него не превышает некоторого допустимого значения. Рис. 81. Стабилитрон и его графическое обо¬ значение на схемах («а), вольт-амперная харак¬ теристика стабилитрона (б) и схема парамет¬ рического стабилизатора напряжения (в) На рис. 81, в приведена схема воз¬ можного практического применения стабилитрона. Это так называемый па¬ раметрический стабилизатор напря¬ жения. При таком включении через стабилизатор VD течет обратный ток 1обр, создающийся источником пита¬ ния, напряжение которого может из¬ меняться в значительных пределах. Под действием этого напряжения ток 10бр| текущий через стабилитрон, тоже изменяется, а напряжение на нем, а значит, и на подключенной к нему на¬ грузке RH остается практически неиз¬ менным — стабильным. Резистор R ог¬ раничивает максимально допустимый ток, текущий через стабилитрон. Со стабилизаторами напряжения тебе неоднократно придется иметь де¬ ло на практике. Вот наиболее важные параметры стабилитрона: напряжение стабилиза¬ ции UCT, ток стабилизации 1ст, мини¬ мальный ток стабилизации ICT min, и максимальный ток стабилизации 1сттах. Напряжение стабилизации UCT — это то напряжение, которое создается между выводами стабилизатора в рабо¬ чем режиме. Наша промышленность выпускает кремниевые стабилитроны на напряжение стабилизации от не¬ скольких вольт до 180 В. Минимальный ток стабилизации ICT min — это наименьший ток через прибор, при котором начинается ус¬ тойчивая работа в режиме пробоя (на рис. 81, а — штриховая линия ICTmin). С уменьшением этого тока прибор пере¬ стает стабилизировать напряжение. Максимально допустимый ток стабилизации ICT тах — это наиболь¬ ший ток через прибор (не путай с то¬ ком, текущим в цепи, питающейся от стабилизатора напряжения), при кото¬ ром температура его р-n перехода не превышает допустимой (на рис. 81, а — штриховая линия ICT тах). Превышение тока ICT тах ведет к тепловому пробою р-n перехода и, естественно, к выходу прибора из строя. Основные параметры некоторых стабилитронов, наиболее часто исполь¬ зуемых в радиолюбительских конст¬ рукциях, приведены в приложении 9. В сетевом блоке питания, например, о котором я буду рассказывать в десятой
Беседа пятая 97 беседе, будет использован стабилитрон Д813. Напряжение его стабилизации (при 1ст = 5 мА) может быть от 11,5 до 14 в- ^xmin = 3 мА, 1сттах = 20 мА, мак- симальная рассеиваемая мощность Pmax (UCT Х ^ттах) ~ 280 мВт' Перейдем к транзисторам. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ Полупроводниковые приборы, на¬ зываемые транзисторами, подразде¬ ляют на две группы: биполярные и по¬ левые. Транзисторы первой группы, чтобы как-то отличить их от второй группы, часто называют обычными транзисторами. С них, используемых наиболее широко, я и начну рассказ. Рис. 82. Схематическое устройство и графиче¬ ское обозначение на схемах транзисторов структуры р-п-р (а) и п-р-п (б) Термин «транзистор» образован из двух английских слов transfer — преоб¬ разователь и resistor — сопротивление. В упрощенном виде биполярный тран¬ зистор представляет собой пластинку полупроводника с тремя (как в слоеном пироге) чередующимися областями разной электропроводности (рис. 82), которые образуют два р п перехода. Две крайние области обладают элект¬ ропроводностью другого типа. У каж¬ дой области свой контактный вывод. Если в крайних областях преобладает дырочная электропроводность, а в средней электронная (рис. 82, а), то та¬ кой прибор называют транзистором структуры р-п-р. У транзистора струк¬ туры п-р-п, наоборот, по краям распо¬ ложены области с электронной элект¬ ропроводностью, а между ними — об¬ ласть с дырочной электропроводнос¬ тью (рис. 82, б). Прикрой листком бумаги любую из крайних областей транзисторов, изоб¬ раженных схематически на рис. 82. Что получилось? Оставшиеся две области есть не что иное, как плоскостной диод. Если прикрыть другую крайнюю об¬ ласть, то тоже получится диод. Значит, транзистор можно представить себе как два плоскостных диода с одной общей областью, включенных навстречу друг другу. Общую (среднюю) область тран¬ зистора называют базой, одну крайнюю область — эмиттером, вторую край¬ нюю область — коллектором. Это три электрода транзистора. Во время рабо¬ ты транзистора его эмиттер вводит (эмиттирует) в базу дырки (в транзисто¬ ре структуры р-п-р) или электроны (в транзисторе структуры п-р-п), коллек¬ тор собирает эти электрические заряды, вводимые в базу эмиттером. Различие в обозначениях транзисторов разных структур на схемах заключается лишь в направлении стрелки эмиттера: в р-п-р транзисторах она обращена в сторону базы, а в п-р-п транзисторах — от базы. Электронно-дырочные переходы в транзисторе могут быть получены так же, как в плоскостных диодах. Напри¬ мер, чтобы изготовить транзистор структуры р-п-р, берут тонкую плас¬ тинку германия с электронной элект¬ ропроводностью и наплавляют на ее поверхности кусочки индия. Атомы индия диффундируют (проникают) в тело пластинки, образуя в ней две обла¬ сти типа р — эмиттер и коллектор, а между ними остается очень тонкая (не¬ сколько микрон) прослойка полупро¬ водника типа п — база. Транзисторы, изготовляемые по такой технологии, называют сплавными. Запомни наименования р-n перехо¬ дов транзистора: между коллектором и базой — коллекторный, между эмитте¬ ром и базой — эмиттерный. Схематическое устройство и кон¬ струкция сплавного транзистора пока¬ заны на рис. 83. Прибор собран на ме¬ таллическом диске диаметром менее 10 мм. Сверху к этому диску приварен 4 Зак 261
98 Беседа пятая кристаллодержатель, являющийся вну¬ тренним выводом базы, а снизу — ее наружный проволочный вывод. Внут¬ ренние выводы коллектора и эмиттера приварены к проволочкам, которые впаяны в стеклянные изоляторы и слу¬ жат внешними выводами этих элект¬ родов. Цельнометаллический колпак защищает прибор от механических по¬ вреждений и влияния света. Так уст¬ роены наиболее распространенные ма¬ ломощные низкочастотные транзисто¬ ры серий МП39, МП40, МП41, МП42 и их разновидности. Здесь буква М в обозначении говорит о том, что корпус транзистора холодносварной, буква П — первоначальная буква слова «пло¬ скостной», а цифры — порядковые за¬ водские номера приборов. В конце обозначения могут быть буквы А, Б, В (например, МП39Б), указывающие раз¬ новидность транзистора данной серии. Рис. 83. Устройство и конструкция сплавного транзистора структуры р-п-р Существуют другие способы изго¬ товления транзисторов, например диф- фузионно-сплавной (рис. 84). Коллек¬ тором транзистора, изготовленного по такой технологии, служит пластинка исходного полупроводника. На поверх¬ ность пластинки наплавляют очень близко один от другого два маленьких шарика примесных элементов. Во вре¬ мя нагрева до строго определенной температуры происходит диффузия примесных элементов в пластинку по¬ лупроводника. При этом один шарик (на рис. 84 — правый) образует в кол¬ лекторе тонкую базовую область, а второй (на рис. 84 — левый) — эмит- терную область. В результате в плас¬ тинке исходного полупроводника по¬ лучаются два р-n перехода, образую¬ щие транзистор структуры р-п-р. По такой технологии изготовляют, в част¬ ности, наиболее массовые маломощ¬ ные высокочастотные транзисторы се¬ рий ГТ308, ГТ309, ГТ310. Рис. 84. Устройство диффузионно-сплавного транзистора структуры р-п-р В настоящее время действует сис¬ тема маркировки транзисторов, по ко¬ торой выпускаемые серийно приборы имеют обозначения, состоящие из че¬ тырех элементов, например: ГТ109А, КТ315В, ГТ403И. Первый элемент этой системы обозначения — буква Г, К или А (или цифра 1, 2 и 3) — характеризует полупроводниковый материал транзи¬ стора и температурные условия работы прибора. Буква Г (или цифра 1) присва¬ ивается германиевым транзисторам, буква К (или цифра 2) — кремниевым транзисторам, буква А (или цифра 3) — транзисторам, полупроводниковым материалом которых служит арсенид галлия. Цифра, стоящая вместо буквы, указывает на то, что данный транзис¬ тор может работать при повышенных температурах (германиевый — выше + 60°С, кремниевый — выше +85°С). Второй элемент — буква Т — на¬ чальная буква слова «транзистор». Третий элемент — трехзначное число от 101 до 999 — указывает поряд¬ ковый номер разработки и назначение прибора. Это число присваивается транзистору в зависимости от мощнос¬ ти и частотных свойств. Четвертый элемент обозначения — буква, указывающая разновидность транзисторов данной серии. Вот некоторые примеры расшиф¬ ровки обозначений транзисторов по этой системе: ГТ109А — германиевый
Беседа пятая 99 маломощный низкочастотный транзи¬ стор, разновидность А; ГТ404Г — гер¬ маниевый средней мощности низкоча¬ стотный транзистор, разновидность Г; КТ315В — кремниевый маломощный высокочастотный транзистор, разно¬ видность В. Наряду с такой системой продолжает действовать и прежняя си¬ стема обозначения транзисторов, на¬ пример: П27, П401, П213, МП39 и т.д. Объясняется это тем, что такие или по¬ добные транзисторы были разработа¬ ны до введения современной марки¬ ровки полупроводниковых приборов. Таблица А Транзистор Низкая частота (до 3 МГц) Средняя частота (3...30 МГц) Высокая частота (свыше 30 МГц) Малой мощности (до 0,3 Вт) Средней мощности (0,3...3 Вт) Большой мощности (свыше 3 Вт) 101...199 401...499 701...799 201...299 501...599 801...899 301...399 601...699 901...999 Внешний вид некоторых биполярных транзисторов, наиболее широко исполь¬ зуемых радиолюбителями, показан на рис. 85. Маломощный низкочастотный транзистор ГТ109 (структуры р-п-р) имеет в диаметре всего 3,4 мм, его масса 0,1 г. Транзисторы этой серии предназ¬ начены для миниатюрных радиовеща¬ тельных приемников. Их используют также в слуховых аппаратах, в элек¬ тронных медицинских приборах. Диа¬ метр транзисторов ГТ309 (р-п-р) 7,4 мм, масса 0,5 г. Такие транзисторы приме¬ няют в различных малогабаритных эле¬ ктронных устройствах для усиления и генерирования колебаний высокой час¬ тоты. Транзисторы КТ315 (п-р-п) выпус¬ кают в пластмассовых корпусах. Разме¬ ры корпуса 7x9x3 мм, масса 0,2 г. Эти маломощные транзисторы предназна¬ чены для усиления и генерирования ко¬ лебаний высокой частоты. Транзисторы серий МП39—МП42 (р-п-р) — самые массовые среди мало¬ мощных низкочастотных транзисторов. Точно так же выглядят аналогичные им, но структуры п-р-п, транзисторы МП35—МП38. Диаметр корпуса любого из этих транзисторов 11,5 мм, масса — не более 2 г. Наиболее широко их ис¬ пользуют в усилителях звуковой часто¬ ты. Так выглядят и маломощные высо¬ кочастотные р-п-р транзисторы серий П401—П403, П416, П423, используемые в радиовещательных приемниках для усиления высокочастотных сигналов. Транзистор ГТ402 (р-п-р) — пред¬ ставитель низкочастотных транзисто¬ ров средней мощности. Такую же кон¬ струкцию имеет его «близнец» ГТ404, но он структуры п-р-п. Высота корпу¬ сов таких транзисторов 18 мм, масса — не более 5 г. Их, обычно в паре, исполь¬ Рис. 85. Внешний вид некоторых транзисторов
100 Беседа пятая зуют в каскадах усиления мощности колебаний звуковой частоты. Транзистор П213 (германиевый структуры р-п-р) — один из мощных низкочастотных транзисторов, широ¬ ко используемых в оконечных каска¬ дах усилителей звуковой частоты. Диа¬ метр этого, а также аналогичных ему транзисторов серий П214—П216 и не¬ которых других, 24 мм, масса — не бо¬ лее 20 г. Такие транзисторы крепят на шасси или панелях с помощью флан¬ цев. Во время работы они нагреваются, поэтому их обычно ставят на специаль¬ ные теплоотводящие радиаторы, уве¬ личивающие поверхность охлаждения. Транзистор КТ814 (кремниевый структуры р-п-р) тоже большой мощ¬ ности, но он среднечастотный. Корпус пластмассовый, масса — не более 1 г. Винтом, пропущенным через отвер¬ стие в корпусе, его крепят к металличе¬ ской пластинке, выполняющей функ¬ цию теплоотводящего радиатора. Точ¬ но такую конструкцию имеют и р-п-р транзисторы КТ815, используемые вместе с транзистором КТ814 в усили¬ телях мощности. А теперь — несколько опытов, ил¬ люстрирующих свойства и принцип работы биполярных транзисторов. ТРАНЗИСТОР - УСИЛИТЕЛЬ В начале этой части беседы я сказал, что биполярный транзистор можно представить себе как два включенных встречно плоскостных диода, совмещен¬ ных в одной пластинке полупроводника. В этом нетрудно убедиться на опытах, для которых потребуется любой герма¬ ниевый транзистор структуры р-п-р, на¬ пример МП39 или подобный ему тран¬ зистор серий МП40—МП42. Между коллектором и базой транзистора вклю¬ чи последовательно соединенные бата¬ рею 3336 и лампочку от карманного фо¬ наря, рассчитанную на напряжение 2,5 В и ток накала 0,075 или 0,15 А (рис. 86). Если положительный полюс батареи GB окажется соединенным (че¬ рез лампочку) с коллектором, а отрица¬ тельный — с базой (рис. 86, а), то лам¬ почка должна гореть. При другой поляр¬ ности включения батареи (рис. 86, б) лампочка гореть не будет. Как объяснить эти явления? Снача¬ ла на коллекторный р-n переход ты по¬ давал прямое, т.е. пропускное, напря¬ жение. В этом случае коллекторный р- п переход открыт, его сопротивление мало и через него течет прямой ток коллектора 1к. Значение этого тока в данном случае определяется, в основ¬ ном, сопротивлением нити накала лам¬ почки и внутренним сопротивлением батареи. При другом включении бата¬ реи ее напряжение подавалось на кол¬ лекторный переход в обратном, не про¬ пускном направлении. В этом случае переход закрыт, его сопротивление ве¬ лико и через него течет лишь неболь¬ шой обратный ток коллектора 1КБО- У исправных маломощных низкочастот¬ ных транзисторов обратный ток кол¬ лектора не превышает 30 мкА. Такой Рис. 86. Опыты с биполярным транзистором
Беседа пятая 101 ток, естественно, не мог накалить нить лампочки, поэтому она не горела. Проведи аналогичный опыт с эмит- терным р-n переходом. Результат будет таким же: при обратном напряжении переход будет закрыт — лампочка не горит, а при прямом напряжении он будет открыт — лампочка горит. Следующий опыт, иллюстрирую¬ щий один из режимов работы транзис¬ тора, проводи по схеме, показанной на рис. 87. Между эмиттером и коллекто¬ ром транзистора включи последова¬ тельно соединенные батарею 3336 и ту же лампочку накаливания. Положи¬ тельный полюс батареи должен соеди¬ няться с эмиттером, а отрицатель¬ ный — с коллектором (через нить нака¬ ла). Горит лампочка? Нет, не горит. Со¬ едини проволочной перемычкой базу с эмиттером, как показано на схеме штриховой линией. Лампочка, вклю¬ ченная в коллекторную цепь транзис¬ тора, тоже не будет гореть. Удали пере¬ мычку, а вместо нее подключи к этим электродам последовательно соеди¬ ненные резистор R6 сопротивлением 200...300 Ом и один гальванический элемент G6, например, типа 332, но так, чтобы минус элемента был на базе, а плюс — на эмиттере. Теперь лампочка должна гореть. Поменяй местами по¬ лярность подключения элемента к этим электродам транзистора. В этом случае лампочка гореть не должна. По¬ втори несколько раз этот опыт, и ты убедишься в том, что лампочка в кол¬ лекторной цепи будет гореть только тогда, когда на базе транзистора отно¬ сительно эмиттера действует отрица¬ тельное напряжение. Разберемся в этих опытах. В пер¬ вом из них, когда ты, соединив пере¬ мычкой базу с эмиттером, замкнул на¬ коротко эмиттерный переход, коллек¬ торный переход стал просто диодом, на который подавалось обратное напря¬ жение. Через транзистор шел лишь не¬ значительный обратный ток коллек¬ торного перехода, который не мог на¬ калить нить лампочки. В это время транзистор находился в закрытом со¬ стоянии. Затем, удалив перемычку, ты восстановил эмиттерный переход. Первым включением элемента между базой и эмиттером ты подал на эмит¬ терный переход прямое напряжение. Эмиттерный переход открылся, и че¬ рез него пошел прямой ток, который открыл второй переход транзистора — коллекторный. Транзистор оказался открытым, и по цепи эмиттер—база— коллектор пошел коллекторный ток транзистора 1к, который во много раз больше тока цепи эмиттер—база. Он- то и накалил нить лампочки. Когда же ты изменил полярность включения эле¬ мента на обратную, то его напряжение закрыло эмиттерный переход, а вместе с тем закрылся и коллекторный пере¬ ход. При этом ток транзистора почти прекратился (шел только обратный ток коллектора) и лампочка не горела. Какова роль резистора R6. В прин¬ ципе этого резистора может и не быть. Я же рекомендовал включить его ис¬ ключительно для того, чтобы ограни¬ чить ток в базовой цепи. Иначе через Рис. 87. Опыт, иллюстрирующий работу транзистора в режиме переключения
102 Беседа пятая эмиттерный переход пойдет слишком большой прямой ток, в результате чего может произойти тепловой пробой пе¬ рехода и транзистор выйдет из строя. Если бы при проведении этих опы¬ тов в базовую и коллекторную цепи были включены измерительные при¬ боры, то при закрытом транзисторе то¬ ков в его цепях почти не было бы. При открытом же транзисторе ток базы 1Б был бы не более 2...3 мА, а ток коллек¬ тора 1к составлял 60...75 мА. Это озна¬ чает, что транзистор может быть уси¬ лителем тока. В этих опытах транзистор был в од¬ ном из двух состояний — открытом или закрытом. Переключение транзистора из одного состояния в другое происхо¬ дило под действием напряжения на базе UB. Такой режим работы транзистора, проиллюстрированный графиками на рис. 87, называют режимом переключе¬ ния или, что то же самое, ключевым. Та¬ кой режим работы транзисторов ис¬ пользуют в основном в приборах и уст¬ ройствах электронной автоматики. В радиовещательных приемниках и усилителях колебаний звуковой часто¬ ты транзисторы работают в режиме усиления. Отличается он от режима пе¬ реключения тем, что, используя малые токи в базовой цепи, мы можем управ¬ лять значительно большими токами в коллекторной цепи транзистора. Про¬ иллюстрировать работу транзистора в режиме усиления можно следующим опытом (рис. 88). В коллекторную цепь транзистора VT включи электромаг¬ нитный телефон BF1, а между базой и минусом источника питания GB (бата¬ рея 3336) — резистор R6 сопротивлени¬ ем 200...250 кОм. Второй телефон BF2 подключи к участку база—эмиттер транзистора, но через конденсатор связи Ссв емкостью 0,1...0,5 мкФ. У те¬ бя получится простейший усилитель, который может выполнять, например, роль одностороннего телефонного ап¬ парата. Если твой приятель будет не¬ громко говорить перед телефоном BF2, включенным на входе усилителя, его разговор ты будешь слышать в телефо¬ нах BF1, включенных на выходе усили¬ теля. На вход усилителя вместо телефо¬ на BF2 можно включить звукоснима¬ тель и проиграть грампластинку. Тогда в телефонах BF1 будут хорошо слышны звуки мелодии или голос певца, запи¬ санные на грампластинке. Рис. 88. Опыт, иллюстрирующий работу тран¬ зистора в режиме усиления Каковы здесь функции резистора R6 и конденсатора Ссв? Через резистор R6 на базу транзистора от батареи пи¬ тания GB подается небольшое отрица¬ тельное напряжение, называемое на¬ пряжением смещения, которое откры¬ вает транзистор и тем самым обеспечи¬ вает ему работу в режиме усиления. Без начального напряжения смещения эмиттерный р-п переход транзистора будет закрыт и, подобно диоду, станет «срезать» положительные полуперио- ды входного напряжения, отчего уси¬ ление будет сопровождаться искаже¬ ниями. А конденсатор Ссв выполняет функцию связующего элемента между телефоном BF2 и базой транзистора. Он беспрепятственно пропускает ко¬
Беседа пятая 103 лебания звуковой частоты и преграж¬ дает путь постоянному току из базовой цепи к телефону. Без такого раздели¬ тельного конденсатора база транзисто¬ ра по постоянному току оказалась бы соединенной с эмиттером и режим усиления был бы нарушен. В этом опыте на вход усилителя по¬ давалось переменное напряжение зву¬ ковой частоты, источником которого был телефон, преобразующий, как мик¬ рофон, звуковые колебания в электри¬ ческие (на рис. 88 — график а). Это на¬ пряжение создавало в цепи эмиттер— база колебания постоянного тока (гра¬ фик б), которые управляли значительно большим током в коллекторной цепи (график в). Происходило усиление вход¬ ного сигнала. Усиленный же транзисто¬ ром сигнал преобразовывался телефо¬ нами BF1, включенными в цепь коллек¬ тора, в звуковые колебания. Транзистор работал в режиме усиления. Процесс усиления в общих чертах происходит следующим образом. При отсутствии напряжения входного сиг¬ нала в цепях базы и коллектора текут небольшие токи (на рис. 88 — левые участки графиков бив), определяемые напряжением источника питания, на¬ пряжением смещения на базе и усили¬ тельными свойствами транзистора. Как только в цепи базы появляется сигнал, соответственно ему начинают изме¬ няться и токи в цепях транзистора: во время отрицательных полупериодов, когда суммарное отрицательное напря¬ жение на базе возрастает, токи цепей увеличиваются, а во время положитель¬ ных полупериодов, когда напряжения сигнала и смещения противоположны и, следовательно, отрицательное напря¬ жение на базе уменьшается, токи в обе¬ их цепях тоже уменьшаются. Происхо¬ дит усиление по напряжению и току. Если нагрузкой транзистора будут не телефоны, а резистор, то создающееся на нем напряжение переменной со¬ ставляющей усиленного сигнала мож¬ но будет подать во входную цепь второ¬ го транзистора для дополнительного усиления. Один транзистор может уси¬ лить сигнал в 30...50 раз. Точно так работают и транзисторы структуры п-р-п. Но для них полярность включения батареи, питающей цепи ба¬ зы и коллектора, должна быть не такой, как у р-п-р транзисторов, а обратной. Запомни: для работы транзистора в режиме усиления на его базу (относи¬ тельно эмиттера) вместе с напряжени¬ ем усиливаемого сигнала обязательно должно подаваться постоянное напря¬ жение смещения, открывающее тран¬ зистор. Для германиевых транзисторов оно должно составлять 0,1...0,2 В, а для кремниевых транзисторов 0,5...0,7 В. Напряжение смещения на базу не по¬ дают лишь в тех случаях, когда эмит- терный переход транзистора использу¬ ют для детектирования радиочастотно¬ го модулированного сигнала. СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ И ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРОВ Итак, биполярный транзистор неза¬ висимо от его структуры является тре¬ хэлектродным прибором Его электро¬ ды — эмиттер, коллектор и база. Для ис¬ пользования транзистора в качестве усилителя напряжения, тока или мощ¬ ности входной сигнал, который надо усилить, подают на два каких-либо элек¬ трода и с двух электродов снимают уси¬ ленный сигнал. При этом один из элект¬ родов обязательно будет общим. Он-то и определяет название способа включе¬ ния транзистора: по схеме общего эмит¬ тера (ОЭ), по схеме общего коллектора (ОК), по схеме общей базы (ОБ). Включение транзистора по схеме ОЭ показано на рис. 89, а. Напряжение источника питания UH п на коллектор транзистора VT подают через резистор являющийся нагрузкой транзисто¬ ра, на эмиттер — через общий «зазем¬ ленный» проводник, обозначаемый на схемах знаком «_Ь>. Входной сигнал че¬ рез конденсатор связи Ссв подают к вы¬
104 Беседа пятая Рис. 89. Схемы включения транзисторов водам базы и эмиттера, т.е. к участку база—эмиттер транзистора, а усилен¬ ный сигнал снимают с выводов эмитте¬ ра и коллектора. Эмиттер, следователь¬ но, при таком включении транзистора является общим для входной и выход¬ ной цепей. Вспомни схемы и рисунки, которы¬ ми в этой беседе ты пользовался, за¬ ставляя транзистор работать в режи¬ мах усиления и переключения. Да, транзистор ты включал по схеме ОЭ. И это не случайно — транзистор, вклю¬ ченный таким способом, в зависимос¬ ти от его усилительных свойств может дать 10...200-кратное усиление сигнала по напряжению и 20... 100-кратное уси¬ ление сигнала по току. Благодаря этому способ включения транзистора по схе¬ ме О Э пользуется у радиолюбителей наибольшей популярностью. Существенным недостатком усили¬ тельного каскада на транзисторе, включенном по такой схеме, является его сравнительно малое входное сопро¬ тивление — всего 500... 1000 Ом, что ус¬ ложняет согласование усилительных каскадов, транзисторы которых вклю¬ чают по такой же схеме. Объясняется это тем, что в данном случае эмиттер- ный р-n переход транзистора включен в прямом, т.е. пропускном, направле¬ нии. А сопротивление пропускного пе¬ рехода, зависящее от прикладываемого к нему напряжения, всегда мало. Что же касается выходного сопротивления такого каскада, то оно достаточно боль¬ шое (2...20 кОм) и зависит от сопротив¬ ления нагрузки RK и усилительных свойств транзистора. Включение транзистора по схеме О К ты видишь на рис. 89, б. Входной сигнал подают на базу и эмиттер через эмиттерный резистор R3, который явля¬ ется частью коллекторной цепи. С это¬ го же резистора, выполняющего функ¬ цию нагрузки транзистора, снимают и выходной сигнал. Таким образом, этот участок коллекторной цепи оказывает¬ ся общим для входной и выходной це¬ пей, поэтому и название способа вклю¬ чения транзистора — ОК. Каскад с транзистором, включенным по такой схеме, по напряжению дает усиление меньше единицы. Усиление же по току получается примерно такое же, как если бы транзистор был включен по схеме ОЭ. Но зато входное сопротивле¬ ние такого каскада может составлять 10...500 кОм, что хорошо согласуется с большим выходным сопротивлением каскада на транзисторе, включенном по схеме ОЭ. По существу, каскад не дает усиления по напряжению, а лишь как бы повторяет подведенный к нему сигнал. Поэтому транзисторы, вклю¬ чаемые по такой схеме, называют так¬ же эмиттерными повторителями. Поче¬ му эмиттерными? Потому, что выход¬ ное напряжение на эмиттере транзис¬ тора практически полностью повторяет входное напряжение. Почему каскад не усиливает напря¬ жение? Давай соединим резистором цепь базы транзистора с нижним (по схеме) выводом эмиттерного резисто-
Беседа пятая 105 pa R3, как показано на рис. 89, б штри¬ ховыми линиями. Это резистор — эк¬ вивалент внутреннего сопротивления источника входного сигнала RBX, на¬ пример микрофона или звукоснимате¬ ля. Таким образом, эмиттерная цепь оказывается связанной через резистор RBX с базой. Когда на вход усилителя по¬ дается напряжение сигнала, на резис¬ торе R3, являющемся нагрузкой транзи¬ стора, выделяется напряжение усилен¬ ного сигнала, которое через резистор Rbx оказывается приложенным к базе в противофазе. При этом между эмиттер- ной и базовой цепями возникает очень сильная отрицательная обратная связь, сводящая на нет усиление каскада. Это по напряжению. А по току усиление по¬ лучается такое же, как и при включе¬ нии транзистора по схеме ОЭ. Теперь о включении транзистора по схеме ОБ (рис. 89, в). В этом случае база через конденсатор Сб по перемен¬ ному току заземлена, т.е. соединена с общим проводником питания. Входной сигнал через конденсатор Сев подают на эмиттер и базу, а усиленный сигнал снимают с коллектора и с заземленной базы. База, таким образом, является общим электродом входной и выходной цепей каскада. Такой каскад дает уси¬ ление по току меньше единицы, а по на¬ пряжению — такое же, как транзистор, включенный по схеме ОЭ (10...200). Из- за очень малого входного сопротивле¬ ния, не превышающего нескольких де¬ сятков Ом (30... 100 Ом), включение транзистора по схеме ОБ используют главным образом в генераторах элект¬ рических колебаний, в сверхрегенера- тивных каскадах, применяемых, напри¬ мер, в аппаратуре радиоуправления мо-. делями, о чем у нас разговор впереди. Ты чаще всего будешь пользовать¬ ся включением транзистора по схеме ОЭ, реже — по схеме ОК. Но это толь¬ ко способы включения. А режим рабо¬ ты транзистора как усилителя опреде¬ ляется напряжениями на его электро¬ дах, токами в его цепях и, конечно, па¬ раметрами самого транзистора. Качество и усилительные свойства биполярных транзисторов оценивают по нескольким электрическим параме¬ трам, которые измеряют с помощью специальных приборов. Тебя же с практической точки зрения в первую очередь должны интересовать три ос¬ новных параметра: обратный ток кол¬ лектора 1КБО статический коэффици¬ ент передачи тока h213 (читают так: аш два один э) и граничная частота коэф¬ фициента передачи тока frp. Обратный ток коллектора 1КБО — это неуправляемый ток через коллек¬ торный р-n переход, создающийся нео¬ сновными носителями тока транзисто¬ ра. Он характеризует качество транзи¬ стора: чем численное значение параме- тра 1КБО меньше, тем выше качество транзистора. У маломощных низкочас¬ тотных транзисторов, например серий МП39—МП42, 1КБО не должен превы¬ шать 30 мкА, а у маломощных высоко¬ частотных, например серии КТ315, — 1 мкА. Транзисторы с большими значе¬ ниями 1КБО в работе неустойчивы. Статический коэффициент пере¬ дачи тока h2l3 характеризует усили¬ тельные свойства транзистора. Стати¬ ческим его называют потому, что этот параметр измеряют при неизменных напряжениях на его электродах и неиз¬ менных токах в его цепях. Большая (за¬ главная) бутсва «Э» в этом выражении указывает на то, что при измерении транзистор включают по схеме ОЭ. Ко¬ эффициент h213 характеризуется отно¬ шением постоянного тока коллектора к постоянному току базы при заданных постоянном обратном напряжении кол¬ лектор—эмиттер и токе эмиттера. Чем больше численное значение коэффици¬ ента h213, тем большее усиление сигнала может обеспечить данный транзистор. Граничная частота коэффициента передачи тока /гр, выраженная в кило¬ герцах или мегагерцах, позволяет су¬ дить о возможности использования транзистора для усиления колебаний тех или иных частот. Граничная часто¬ та f транзистора МП39, например,
106 Беседа пятая 500 кГц, а транзисторов П401—П403 — больше 30 МГц. Практически транзис¬ торы используют для усиления частот значительно меньше граничных, так как с повышением частоты коэффици¬ ент h213 транзистора уменьшается. При конструировании радиотехни¬ ческих устройств надо учитывать и та¬ кие параметры транзисторов, как мак¬ симально допустимое напряжение кол¬ лектор—эмиттер UK3 тах, максимально допустимый ток коллектора IK тах, а также максимально допустимую рассе¬ иваемую мощность коллектора транзи¬ стора Рк тах — мощность, превращаю¬ щуюся внутри транзистора в тепло. Многие конструкции, описанные в этой книге, выполнены на биполярных транзисторах структуры р-п-р, Но лю¬ бая из них может быть переведена на более распространенные сегодня п-р-п транзисторы. Общий принцип перевода описыва¬ емого устройства с р-п-р на п-р-п тран¬ зисторы прост: нужно изменить поляр¬ ность включения источника питания оксидных конденсаторов, диодов (в том числе светодиодов, фотодиодов, стаби¬ литронов и т.д.). На принципиальной схеме изображение этих элементов ус¬ тройства как бы «переворачивают» на 180 градусов. Но все это, конечно, при условии, что заменяющие п-р-п транзи¬ сторы по своим параметрам будут не хуже заменяемых р-п-р транзисторов. Основные сведения о параметрах маломощных биполярных транзисто¬ ров широкого применения ты найдешь в приложении 10. Теперь... КОРОТКО О ПОЛЕВОМ ТРАНЗИСТОРЕ В этом полупроводниковом прибо¬ ре управление рабочим током осуще¬ ствляется не током во входной (базо¬ вой) цепи, как в биполярном транзис¬ торе, а воздействием на носители тока электрического поля. Отсюда и назва¬ ние транзистора «полевой». Схематическое устройство и кон¬ струкция одного из полевых транзис¬ торов показаны на рис. 90. Основой та¬ кого транзистора служит пластинка кремния с электропроводностью типа р, в которой создана тонкая область с электропроводностью типа р. Пластин¬ ку прибора называют затвором, а р-об- ласть в ней — каналом. С одной сторо¬ ны канал заканчивается истоком, с другой — стоком, тоже областью типа р, но с повышенной концентрацией дырок. Между затвором и каналом со¬ здается р-n переход. От затвора, истока и стока сделаны контактные выводы. Если к истоку подключить положи¬ тельный, а к стоку — отрицательный полюсы батареи питания (на рис. 90 — батарея GB), то в канале появится ток, создающийся движением дырок от ис¬ тока к стоку, Этот ток, называемый то¬ ком стока 1с, зависит не только от на¬ пряжения этой батареи, но и от напря¬ жения, действующего между источни¬ ком и затвором (на рис. 90 — элемент G). И вот почему. Когда на затворе от¬ носительно истока действует положи- Рис. 90. Схематическое устройство, графическое обозначение и конструкция полевого транзистора с р-n переходом и каналом р типа
Беседа пятая 107 тельное закрывающее напряжение, обедненная область р-n перехода рас¬ ширяется (на рис. 90 показано штрихо¬ выми линиями). От этого канал сужает¬ ся, его сопротивление увеличивается, из-за чего ток стока уменьшается. С уменьшением же положительного на¬ пряжения на затворе обедненная об¬ ласть р-n перехода, наоборот, сужает¬ ся, канал расширяется, и ток снова уве¬ личивается. Если на затвор вместе с по¬ ложительным напряжением смещения подать сигнал звуковой частоты, в цепи стока возникнет пульсирующий ток, а на нагрузке, включенной в эту цепь, — напряжение усиленного сигнала. Так, в упрощенном виде устроены и работают низкочастотные полевые транзисторы с р-n переходом и кана¬ лом типа р, например транзисторы се¬ рий КП102, КП103. Здесь буквы К и П означают «кремниевый полевой», а ци¬ фры характеризуют частотные свойст¬ ва транзистора (см. таблицу А). Принципиально так же устроен и работает полевой транзистор с кана¬ лом типа п. Затвор транзистора такой структуры обладает дырочной электро¬ проводностью, поэтому на него отно¬ сительно истока должно подаваться от¬ рицательное напряжение смещения, а на сток (тоже относительно истока) — положительное напряжение источни¬ ка питания. На условном графическом изображении полевого транзистора с каналом типа п стрелка на линии затво¬ ра направлена в сторону истока, а не от истока, как в обозначении транзистора с каналом типа р. Полевой транзистор — тоже трехэ¬ лектродный прибор. Поэтому его, как и биполярный транзистор, включать в усилительный каскад можно тремя способами: по схеме общего стока (ОС), по схеме общего истока (ОИ) и по схеме общего затвора (03). В радиолю¬ бительской практике применяют в ос¬ новном только первые два способа вклю¬ чения, позволяющие с наибольшей эф¬ фективностью использовать полевые транзисторы. Усилительный каскад на полевом транзисторе обладает очень большим, исчисляемым мегаомами, входным со¬ противлением. Это позволяет подавать на его вход высокочастотные и низко¬ частотные сигналы от источников с большим внутренним сопротивлением, например от пьезокерамического зву¬ коснимателя, не опасаясь искажения или ухудшения усиления входного сиг¬ нала. В этом главное преимущество по¬ левых транзисторов по сравнению с биполярными. Усилительные свойства полевого транзистора характеризуются крутиз¬ ной характеристики S — отношением изменения тока стока к изменению напряжения на затворе при коротком замыкании по переменному току на вы¬ ходе транзистора, включенного по схе¬ ме ОИ. Численное значение параметра S выражают в миллиамперах на вольт; для различных транзисторов оно может составлять от 0,1...0,2 до 10...15мА/В и больше. Чем больше крутизна, тем большее усиление сигнала может дать транзистор. Другой параметр полевого транзи¬ стора — напряжение отсечки изи отс. Это обратное напряжение на р-n пере¬ ходе затвор—канал, при котором ток через этот переход уменьшается до ну¬ ля. У различных транзисторов напря¬ жение отсечки может составлять от 0,5 до 10 В. Эти параметры, а также предельно допустимые эксплуатационные параме¬ тры работы некоторых полевых транзи¬ сторов широкого применения приведе¬ ны в приложении 11 в конце книги. Вот то наиболее существенное, что вкратце можно рассказать о полевых транзисторах. О МЕРАХ ПРЕДОСТОРОЖНОСТИ Л ри МОНТАЖЕ ТРАНЗИСТОРОВ Надежная работа конструируемой радиоаппаратуры зависит не только от качества используемых в ней транзис¬
108 Беседа пятая торов, но и от соблюдения правил их монтажа. Выводы транзисторов перед монта¬ жом выпрямляют, зачищают от окислов, залуживают, изгибают по определенной форме (формуют) и, если надо, укорачи¬ вают. При этом вывод у корпуса придер¬ живают пинцетом или плоскогубцами, чтобы не обломить. Изгиб проволочных выводов маломощных транзисторов до¬ пустим с радиусом 1,5...2 мм на расстоя¬ нии не менее 3 мм от корпуса с обяза¬ тельным придерживанием у корпуса пинцетом или плоскогубцами, чтобы не выкрошить стеклянные изоляторы. Вы¬ воды транзисторов не рекомендуется укорачивать более чем до 15 мм. Необходимо помнить, что транзис¬ торы, как, впрочем, и все полупровод¬ никовые приборы, чувствительны к пе¬ регреву, а перегрев влияет на измене¬ ние их параметров Поэтому припаи¬ вать выводы транзисторов надо паяльником мощностью не более 40 В Для улучшения отвода тепла от транзи¬ стора во время пайки его выводы при¬ держивают пинцетом или плоскогуб¬ цами, выполняющими функцию допол¬ нительного теплоотвода. Процесс пай¬ ки должен быть кратковременным — не более 3...5 с, а повторную пайку того же соединения (если, конечно, в этом есть необходимость) следует прово¬ дить не ранее, чем через 2...3 мин. Пробивное напряжение р-n пере¬ ходов многих маломощных биполяр¬ ных и полевых транзисторов измеряет¬ ся единицами вольта и даже меньше. И если рабочая часть паяльника имеет недостаточную изоляцию от нагрева¬ тельной обмотки, то он может стать причиной порчи транзистора. Поэтому при монтаже транзисторов желательно пользоваться низковольтным паяльни¬ ком, питая его от понижающего транс¬ форматора и, кроме того, заземляя корпус паяльника снаружи. При монтаже полевых транзисторов не следует забывать их возможности — пробоя их статическим электричеством и даже напряжением наводок. Электри¬ ческий заряд, возникший на твоем теле, если ты стоишь на полу, не проводящем ток, может в момент прикосновения к транзистору создать электрический им¬ пульс, достаточный для вывода транзис¬ тора из строя. Поэтому при монтаже по¬ левых транзисторов особенно желатель¬ но пользоваться низковольтным паяль¬ ником, его жало следует заземлять и перед пайкой замыкать накоротко все выводы отрезком оголенного провода. Полезно, кроме того, перед монтажом и во время монтажа полевых транзисто¬ ров самому радиолюбителю периодиче¬ ски «разряжаться», касаясь рукой за¬ земления на несколько секунд. Вообще же электрический паяль¬ ник, который будет постоянным рабо¬ чим инструментом во всех твоих радио¬ монтажных делах, может причинить не¬ приятность не только транзистору или другому полупроводниковому прибору, но и лично тебе, если один из его токо¬ несущих проводов или нагревательный элемент окажется соединенным с ме¬ таллическим корпусом. Пользоваться таким паяльником опасно — можно по¬ пасть под высокое напряжение электро¬ осветительной сети. Поэтому время от времени проверяй с помощью омметра, не появился ли электрический контакт между корпусом и штепсельной вилкой на конце шнура питания паяльника. В этой беседе я рассказал тебе в основном лишь о шести видах полупроводниковых при¬ боров: сплавном и точечном диодах, светодиоде, стабилитроне, биполярном и полевом транзисторах. Это, пожалуй, наиболее «ходовые» элементы любительских радиотехни¬ ческих устройств. Но не единственные! В «семейство» полупроводниковых диодов, ис¬ пользуемых радиолюбителями для своих конструкций, входят и такие приборы, как, на¬ пример, тринисторы, фотодиоды, фоторезисторы, фототранзисторы. Об устройстве и принципах работы этих и некоторых других полупроводниковых приборов я буду рас¬ сказывать применительно к их практическому использованию. А микросхемам и приме¬ нению их в радиолюбительских конструкциях будет посвящена специальная беседа.
БЕСЕДА ШЕСТАЯ ПЕРВЫЙ ТРАНЗИСТОРНЫЙ ПРИЕМНИК Твоим самым первым радиотехническим устройством был детекторный приемник. Ра- ботал он исключительно за счет энергии радиоволн, улавливаемых антенной. Транзис¬ торный приемник, о котором речь пойдет в этой беседе, тоже простое устройство, но для его питания совершенно необходим источник постоянного тока. Потребляя его энергию, транзистор будет усиливать сигналы радиостанций, что позволит слушать их программы со значительно большей громкостью, чем на детекторном приемнике. ОТ ДЕТЕКТОРНОГО - К ОДНОТРАНЗИСТОРНОМУ Принципиальная электрическая схема твоего первого транзисторного приемника может быть такой, как та, что изображена на рис. 91. В ней все те¬ бе знакомо. Ее левая часть, отделенная от правой штриховой линией, это де¬ текторный приемник с настройкой ко¬ лебательного контура конденсатором переменной емкости С2, только в детек¬ торную цепь вместо телефонов вклю¬ чен резистор R1. Правая часть — одно¬ каскадный усилитель колебаний звуко¬ вой частоты (34). Оксидный конденса¬ тор С4 служит связующим элементом между ними. Независимо от способа на¬ стройки колебательного контура — ферритовым сердечником или конден¬ сатором переменной емкости — модули¬ рованные колебания радиочастоты бу¬ дут образованы диодом VD1. Резистор R1 выполняет роль нагрузки детектора.
110 Беседа шестая Создающиеся на нем колебания звуко¬ вой частоты через конденсатор С4 по¬ ступают на базу транзистора VT1, включенного по схеме ОЭ, а после уси¬ ления головными телефонами BF1, включенными в коллекторную цепь, преобразуются в звуковые колебания. Источником питания служит бата¬ рея GB1 напряжением 4,5 В, например батарея 3336, или составленная из трех элементов 332 (соединить последова¬ тельно). Но таким источником может быть также сетевой блок питания, о ко¬ тором я расскажу в десятой беседе. Обращаю внимание на полярность включения оксидного конденсатора С4. На базе транзистора, а он в нашем примере структуры р-п-р по отноше¬ нию к «заземленному» проводнику, от¬ рицательное напряжение равно при¬ мерно 0,1 В. Поэтому этот конденсатор должен подключаться к базе отрица¬ тельной обкладкой, т.е. обязательно нужно соблюдать полярность оксидно¬ го конденсатора. Рис. 91. Детекторный приемник с однокаскад¬ ным усилителем 34 По предыдущей беседе ты уже зна¬ ешь, что для нормальной работы тран¬ зистора на его базу кроме входного сиг¬ нала подают еще открывающее его на¬ пряжение смещения: для транзистора структуры р-п-р отрицательное, для транзистора структуры п-р-п положи¬ тельное. Наиболее простой способ пода¬ чи напряжения смещения — это соеди¬ нение базы транзистора с соответству¬ ющим проводником источника питания через резистор. В данном случае такую функцию выполняет резистор R2. В усилителе можно использовать любой из германиевых транзисторов серий МП39—МП42, ГТ308. А чтобы германиевый транзистор открыть, на его базу относительно эмиттера доста¬ точно подать всего 0,1 В. Нетрудно под¬ считать (по закону Ома), что такое на¬ пряжение можно создать на эмиттер- ном переходе, сопротивление которого примем равным 1000 Ом, ток 100 мкА (0,001 А). При этом в зависимости от коэффициента передачи тока h213 кол¬ лекторный ток транзистора может до¬ стигать 0,8... 1 мА. Примерно в такой ре¬ жим работы и ставят обычно маломощ¬ ный транзистор, чтобы он при усиле¬ нии не искажал сигнал. Дальнейшее увеличение напряжения смещения, а значит, и тока коллектора не имеет смысла, так как от этого усиление сиг¬ нала не возрастет, а лишь увеличится расход энергии на питание транзисто¬ ра. А если напряжение смещения на базе окажется слишком большим? Транзистор также будет искажать сиг¬ нал и, кроме того, станет нагреваться из-за большого тока коллектора. Такой ток должен быть и в коллекторной це¬ пи маломощного кремниевого транзис¬ тора, но при напряжении смещения на базе 0,5...0,6 В. Коллекторный ток, соответствую¬ щий работе транзистора в режиме уси¬ ления, радиолюбители обычно уста¬ навливают подбором резистора, через который на базу подается напряжение смещения. На схеме этот резистор обо¬ значают звездочкой, символизирую¬ щей подбор. Проводник коллекторной цепи этого транзистора пересекают двумя косыми линиями — крестом, а возле него указывают ориентировоч¬ ный ток покоя, т.е. коллекторный ток транзистора в отсутствие сигнала на базе. Это — статический режим рабо¬ ты транзистора. При подаче сигнала на вход усилителя коллекторный ток ста¬ нет изменяться, и тем значительнее, чем больше напряжение входного сиг¬ нала. Это — динамический режим ра¬ боты транзистора. Ориентировочное сопротивление резистора смещения R2, отмеченного
Беседа шестая 111 звездочкой, можно подсчитать прос¬ тым умножением сопротивления на¬ грузки на удвоенное значение коэф¬ фициента передачи тока транзистора, используемого в усилителе. Предполо¬ жим, коэффициент h213 транзистора равен 50, а сопротивление излучателей высокоомного головного телефона, со¬ единенных последовательно, составля¬ ет 4 кОм. Следовательно, сопротивле¬ ние резистора R2 усилителя твоего первого транзисторного приемника должно быть примерно 400 кОм. Но это, повторяю, ориентировочное со¬ противление резистора смещения. Во время подгонки заданного режима оно в зависимости от коэффициента h213 транзистора может значительно отли¬ чаться от расчетного. Детали усилителя и резистор R1 смонтируй на картонной панели при¬ мерно в том порядке, как показано на рис. 92. Выводы деталей пропускай че¬ рез отверстия в панели и, не наращи¬ вая, соединяй снизу. Места соединений обязательно пропаивай. Не ошибись: при включении транзистора его кол¬ лекторный вывод должен соединяться через телефоны с отрицательным по¬ люсом батареи питания, эмиттерный — непосредственно с заземленным (плю¬ совым) проводником, а базовый — че¬ рез конденсатор С4 с верхним (по схе¬ ме) выводом резистора R1. В усилителе используй транзистор со статическим коэффициентом пере¬ дачи тока h213, равным 50...60. Конден¬ сатор С4 — типа К50-6 или К50-3 на но¬ минальное напряжение не менее 6 В. Через резисторы R1 и R2 текут незна¬ чительные токи, поэтому их выбирают на мощность рассеяния 0,125 Вт (МАТ- 0,125). Сопротивление резистора R1 может быть в пределах 6,8... 10 кОм. Если в усилителе будешь использо¬ вать транзистор структуры п-р-п, на¬ пример КТ315, то не забудь изменить полярность включения батареи пита¬ ния и оксидного конденсатора С4. Прежде чем подключить батарею, проверь монтаж усилителя по принци¬ пиальной схеме — нет ли ошибок? К входу усилителя подключи выход лю¬ бого из тех детекторных приемников, с которыми ты экспериментировал в третьей беседе. Подключи к контуру приемника антенну и заземление, а па¬ раллельно резистору R1 — высокоом¬ ные головные телефоны. Настрой при¬ емник на местную радиостанцию. За¬ тем телефоны включи в коллекторную цепь транзистора, а резистор R2 вре¬ менно замени двумя соединенными по¬ следовательно резисторами: постоян¬ ным с номинальным сопротивлением 20...30 кОм и переменным с сопротив¬ лением 220...300 кОм. Постоянный ре¬ зистор в этой цепочке нужен для того, чтобы избежать попадания на базу транзистора полного напряжения ба¬ тареи, из-за чего он может испортить¬ ся. Движок переменного резистора, включенного реостатом, поставь в по¬ ложение наибольшего введенного со¬ противления (по схеме на рис. 92 — в крайнее верхнее), а затем, подсоеди¬ нив батарею, медленно уменьшай со¬ противление переменного резистора. При этом громкость звучания телефо¬ нов должна постепенно нарастать, но только до некоторого предела, после которого появятся искажения и звук в телефонах пропадет. Поставь движок переменного резистора в такое поло¬ жение, когда звук в телефонах наибо¬ лее громкий и неискаженный. Рис. 92. Монтаж усилителя и схема подгонки режима работы транзистора с помощью пере¬ менного резистора Установка режима работы транзис¬ тора «на слух» — наиболее простой способ налаживания усилителя прием¬ ника. Лучше, однако, делать это с помо¬
112 Беседа шестая щью миллиамперметра, включенного в разрыв коллекторной цепи транзисто¬ ра, отмеченный на схеме крестом. По¬ степенно уменьшая сопротивление ре¬ зистора в базовой цепи транзистора, надо добиваться, чтобы ток в коллек¬ торной цепи был 0,7...0,8 мА. Такой ток будет соответствовать нормальному режиму работы транзистора. Если при наибольшей громкости усилитель бу¬ дет возбуждаться (в телефонах появят¬ ся звуки высокой тональности, ухуд¬ шающие качество радиоприема), то параллельно телефонам или между коллектором транзистора и заземлен¬ ным проводником источника питания включи конденсатор емкостью при¬ мерно 0,01 мкФ (на схеме рис. 91 он по¬ казан штриховыми линиями). Свистя¬ щие звуки должны исчезнуть. Заменяя его конденсаторами других емкостей, примерно до 0,05 мкФ, можно опыт¬ ным путем подобрать наиболее прият¬ ный тон звучания телефонов. Можно ли в коллекторную цепь транзистора включить низкоомные го¬ ловные телефоны или электромагнит¬ ный телефонный капсюль ДЭМ-4м? Можно! Режим работы транзистора и в этом случае устанавливай временной цепочкой построечных резисторов, до¬ биваясь наибольшей громкости звуча¬ ния телефонов. Но теперь ток в коллек¬ торной цепи будет немного больше, чем с высокоомными телефонами. Можно пойти и по другому пути: в коллектор¬ ную цепь транзистора включить резис¬ тор, а головные телефоны, будь они вы¬ сокоомными или низкоомными — без¬ различно (или телефонный капсюль ДЭМ-4м) подключить через конденса¬ тор параллельно участку эмиттер—кол¬ лектор транзистора, как показано на рис. 93. В этом случае резистор R3 будет выполнять функцию нагрузки транзис¬ тора. Создающиеся на нем колебания звуковой частоты, т.е. низкочастотная составляющая коллекторного тока, че¬ рез конденсатор С5 будут поступать к телефонам BF1 и преобразовываться ими в звуковые колебания. Конденса¬ тор С5 может быть оксидным емкостью 1...5 мкФ на номинальное напряжение не менее, чем напряжение источника питания UH п Если транзистор структу¬ ры р-п-р, то оксидный конденсатор вы¬ водом отрицательной обкладки должен подключаться к коллектору транзисто¬ ра, а выводом положительной обклад¬ ки — к телефонам. Каким должно быть сопротивление нагрузочного резистора R3? Такое, что¬ бы в режиме покоя на коллекторе отно¬ сительно эмиттера, т.е. на участке эмит¬ тер—коллектор, было напряжение, равное примерно половине напряже¬ ния источника питания. При этом эф¬ фективность работы транзистора будет наилучшей. Такому условию отвечают резисторы сопротивлением в несколь¬ ко килоом, обычно от 3 до 5,1 кОм. И в этом случае режим работы транзистора устанавливай подбором сопротивления цепочки резисторов в его базовой цепи. Рис. 93. Схема усилителя с резистивной на¬ грузкой На этом, по существу, и заканчива¬ ется процесс налаживания усилителя. Остается только измерить омметром суммарное сопротивление временной цепочки резисторов, впаять в базовую цепь транзистора резистор такого же или ближайшего номинала, еще раз проверить работу приемника и смон¬ тировать детали детекторного прием¬ ника и усилителя на постоянной пане¬ ли. Но этим, если захочешь, ты зай¬ мешься позже самостоятельно. Сейчас же я предлагаю проверить в работе не¬ которые варианты однотранзисторно¬ го приемника.
Беседа шестая 113 ВАРИАНТЫ ОДНОТРАНЗИСТОРНОГО ПРИЕМНИКА Прежде всего включи в цепь пита¬ ния последовательно еще одну бата¬ рею 3336, чтобы увеличить напряже¬ ние источника питания до 9 В, и точно так же переменным резистором добей¬ ся наиболее громкого и неискаженного приема сигналов той же радиостанции. Теперь телефоны будут звучать немно¬ го громче. Это потому, что, увеличивая напряжение источника питания, ты тем самым повышаешь напряжение на коллекторе