РАДИОЭЛЕКТРОНИКА И ЭЛЕКТРОТЕХНИКА

Если энергия колебаний переходит из одного контура в другой, то такие контуры называются связанными.
Иначе говоря, контуры являются связанными в том случае когда колебания, происходящие в одном из них, воздействуют на другой контур и вызывают в нем колебательный процесс.

Чем больше энергии переходит из одного контура в другой, т.е. чем сильнее воздействует один контур на другой, тем сильнее связь между ними.

Величина связи характеризуется коэффициентом связи Ксв, который может иметь значения от 0 до 1 (от 0 до 100%). Если связь отсутствует, то ксв = 0. В радиоцепях ксв имеет обычно величину от долей процента до нескольких процентов, изредка до нескольких десятков процентов.

Существует несколько различных видов связи.

Индуктивная или трансформаторная связь. Эта связь применяется наиболее часто и образуется с помощью взаимной индукции между катушками контуров (рис.1 ).

Контур L1C1, получающий энергию от генератора, называется первичным контуром. Контур L2C2, получающий энергию от первичного контура, называется вторичным контуром.

Принцип индуктивной связи заключается в там, что ток первичного контура I1, проходя через катушку L1, создает вокруг нее магнитное поле, силовые линии которого пересекают витки катушки L2 и возбуждают в ней индуктированную эдс, а последняя создает во вторичном контуре ток I2. Таким образом, при индуктивной связи энергия передается из одного контура в другой магнитным полем. Любой трансформатор является примером индуктивной связи. Две катушки, индуктивно связывающие высокочастотные контуры, называют трансформатором высокой частоты.

Индуктивная связь может быть постоянной или переменной. Постоянная индуктивная связь оформляется в виде двух однослойных или многослойных катушек, намотанных обычно на одном каркасе друг возле друга. Для переменной индуктивной связи нужно менять расстояние между катушками или их взаимное расположение. Переменную индуктивную связь изображают на схемах стрелкой, пересекающей катушки
(рис.1 а).

Выясним физический смысл коэффициента связи при индуктивной связи. Если L1 и L2 одинаковы и других катушек в контурах нет, то коэффициент связи показывает, какую долю полного магнитного потока Ф1 катушки L1 составляет магнитный поток Фсв, пронизывающий обе катушки, т.е. связывающий обе цепи. Например, если Фсв составляет 20% от Ф1, то Kсв = 0,2.

Для получения максимального тока и напряжения в контурах их настраивают в резонанс. В первичном контуре может быть либо резонанс напряжений, либо резонанс токов в зависимости от способа соединения генератора с этим контуром.

Во вторичном контуре при индуктивной связи, как правило, получается резонанс напряжений.
Это объясняется тем, что в качестве генератора во вторичном контуре работает сама катушка L2. Она включена в контур последовательно, значит, в цепи будет резонанс напряжений.

Практически связанные контуры настраивают в резонанс для получения наибольшего тока во вторичном контуре следующим порядком. Сначала настраивают первичный контур до получения максимума тока в нем, затем настраивают вторичный контур в резонанс с первичным контуром. После настройки вторичного контура надо еще раз подстроить первичный контур, так как вторичный контур при настройке несколько влияет на первичный и нарушает резонанс в нем. Вообще всякое изменение настройки одного из контуров оказывает влияние на другой контур (изменяет его настройку). Приходится дополнительно подстраивать каждый контур, чтобы восстановить резонанс.

Для настройки в резонанс двух контуров, имеющих постоянную связь, их конденсаторы переменной емкости объединяют в один агрегат, т.е. роторы насаживают на общую ось. На схемах такой агрегат показывают путем соединения стрелок конденсаторов штриховой линией (рис.1 б).

Емкости контуров выравнивают с помощью небольших надстроечных (полупеременных) конденсаторов, емкость которых можно регулировать в некоторых пределах. Они присоединяются параллельно основным конденсаторам (рис.1 б).

Индуктивности катушек выравнивают, регулируя положение находящегося внутри катушки сердечника из магнитодиэлектрика (карбонильное железо, альсифер, феррит и др). На схеме (рис.1 б) показано условное изображение сердечников.

Рассматривая работу связанных контуров, необходимо учитывать воздействие вторичного контура на первичный. Ток I2, возникший во вторичном контуре, создает в катушке L2 магнитный поток, пересекающий какой-то своей частью витки катушки L1 и индуктирующий в ней некоторую эдс. Эта эдс противодействует первичному току I1 и уменьшает его. Иначе можно сказать, что вторичный контур вносит в первичный дополнительное сопротивление, называемое вносимым сопротивлением. Когда вторичный контур настроен на частоту генератора, то он вносит в первичный контур только активное сопротивление, которое тем больше, чем сильнее связь. Величина этого сопротивления характеризует переход некоторого количества энергии из первичного контура во вторичный. А когда вторичный контур не настроен точно на частоту генератора, то он вносит в первичный контур не только активное, но и реактивное сопротивление, индуктивное или емкостное, в зависимости от того, в какую сторону расстроен вторичный контур. Таким образом, вторичный контур, будучи сам расстроенным, нарушает настройку первичного контура.

Если у двух настроенных в резонанс связанных контуров снять зависимость тока или напряжения вторичного контура от частоты генератора, то получится кривая резонанса системы двух связанных контуров. Форма ее зависит от величины связи. Чем слабее связь, тем острее резонанс (рис.2). При увеличении связи кривая становится более тупой и, начиная с некоторого значения связи, принимает характерный двугорбый вид. Величина связи, при которой получается переход кривой резонанса от одногорбой формы к двугорбой, называется критической связью.

При одинаковых контурах ток, напряжение и мощность колебаний во вторичном контуре при критической связи имеют наибольшие значения по сравнению с их величинами при более слабой или более сильной связи. Поэтому критическую связь иначе называют оптимальной, т.е. наивыгоднейшей. Но она является наивыгоднейшей только в смысле получения наибольшей мощности во вторичном контуре.

В случае одинаковых контуров коэффициент оптимальной связи равен величине затухания каждого контура. Если, например, связанные контуры имеют каждый в отдельности S = 0,02, то оптимальная связь получится при Kсв— 0,02 = 2%.

Когда связь меньше критической, то ее считают слабой. При слабой связи кривая резонанса имеет почти такую же форму, как и в случае одиночного контура. Связь больше критической считается сильной. Если усиливать связь свыше критического значения, то провал в резонансной кривой становится больше и разница по частоте между горбами увеличивается (рис.2).

Критическая или сильная связь (при небольшом провале между горбами) дает значительное расширение полосы пропускания и используется в радиоприемных устройствах. Для сильной связи характерна передача энергии из первичного контура во вторичный с высоким кпд (выше 50%), т.е. мощность во вторичном контуре больше, чем мощность, теряемая в первичном контуре. Вследствие этого сильная связь применяется при больших мощностях в радиопередатчиках. Слабая связь применяется тогда, когда не требуется передать во вторичный контур большую мощность с высоким кпд, но зато важно, чтобы вторичный контур мало влиял на первичный. Такая связь находит себе применение в радиоизмерениях.

В этом полупроводниковом приборе управление рабочим током осуществляется не током во входной (базовой) цепи, как в биполярном транзисторе, а воздействием на носители тока электрического поля. Отсюда и название транзистора «полевой». Схематическое устройство и конструкция полевого транзистора с р — n переходом показаны на (рис. 6). Основой такого транзистора служит пластина кремния с электропроводностью типа n, в которой имеется тонкая область с электропроводностью типа р. Пластину прибора называют затвором, а область типа р в ней — каналом. С одной стороны канал заканчивается истоком, с другой стоком — тоже областью типа р, но с повышенной концентрацией дырок. Между затвором и каналом создается р — n переход. От затвора, истока и стока сделаны контактные выводы. Если к истоку подключить положительный, а к стоку — отрицательный полюсы батареи питания (на рис. 6 — батарея GB), то в канале появится ток, создающийся движением дырок от истока к стоку. Этот ток, называемый током стока Iс, зависит не только от напряжения этой батареи, но и от напряжения, действующего между источником и затвором (на рис. 6 — элемент G). И вот почему. Когда на затворе относительно истока действует положительное закрывающее напряжение, обедненная область р — n перехода расширяется (на рис. 6 показано штриховыми линиями). От этого канал сужается, его сопротивление увеличивается, из — за чего ток стока уменьшается. С уменьшением положительного напряжения на затворе обедненная область р — n перехода, наоборот, сужается, канал расширяется, и ток снова увеличивается. Если на затвор вместе с положительным напряжением смещения подавать низкочастотный или высокочастотный сигнал, в цепи стока возникнет пульсирующий ток, а на нагрузке, включенной в эту цепь, — напряжение усиленного сигнала. Так, в упрощенном виде устроены и работают полевые транзисторы с каналом типа р, например транзисторы КП102, КП103 (буквы К и П означают «кремниевый полевой»). Принципиально так же устроен и работает полевой транзистор с каналом типа n. Затвор транзистора такой структуры обладает дырочной электропроводностью, поэтому на него относительно истока должно подаваться отрицательное напряжение смещения, а на сток (тоже относительно истока) — положительное напряжение источника питания. На условном графическом изображении полевого транзистора с каналом типа n стрелка на линии затвора направлена в сторону истока, а не от истока, как в обозначении транзистора с каналом типа р. Полевой транзистор — тоже трехэлектродный 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 (ОЗ). В радиолюбительской практике применяют в основном только первые два способа включения, позволяющие с наибольшей эффективностью использовать полевые транзисторы. Усилительный каскад на полевом транзисторе обладает очень большим, исчисляемым мегаомами, входным сопротивлением. Это позволяет подавать на его вход высокочастотные и низкочастотные сигналы от источников с большим внутренним сопротивлением, например от пьезокерамическрго звукоснимателя, не опасаясь искажения или ухудшения усиления входного сигнала. В этом главное преимущество полевых транзисторов по сравнению с биполярными. Усилительные свойства полевого транзистора характеризуют крутизной характеристики S — отношением изменения тока стока к изменению напряжения на затворе при коротком замыкании по переменному току на выходе транзистора, включенного по схеме ОИ. Численное значение параметра S выражают в миллиамперах на вольт; для различных транзисторов оно может составлять от 0,1 — 0,2 до 10 — 15 мА/В и больше. Чем больше крутизна, тем большее усиление сигнала может дать транзистор.

Рис. 6 Конструкция и графическое изображение полевого транзистора с каналом типа (p).

Другой параметр полевого транзистора — напряжение отсечки Uзи.отс. — Это обратное напряжение на р — n переходе затвор — канал, при котором ток через этот переход уменьшается до нуля. У различных транзисторов напряжение отсечки может составлять от 0,5 до 10 В. О полевых транзисторах и их уникальных свойствах можно говорить еще много, я попытался рассказать о наиболее существенных. Полевым транзисторам посвящены целые учебники, поэтому для более детального изучения их свойств и области применения, нужно будет самостоятельно разыскать литературу и детально изучить.

Практическая работа будет основываться на опытах с биполярным транзистором, и от того как четко вы освоите данный урок будет зависеть успешность выполнения ваших первых пробных конструкций из раздела схемы начинающим.

Применяются два основных типа линий: линия из двух одинаковых параллельных проводов, которую для краткости называют симметричной, и коаксиальная линия.

Достоинствами симметричной линии являются простота устройства и симметричность, которая в некоторых случаях необходим а, например, если линия связана с симметричной антенной.

Недостатком симметричной линии является антенный эффект, т. е. способность излучать и принимать волны.

Хотя токи в проводах симметричной линии имеют противоположное направление, все же некоторое излучение волн есть, так как провода находятся на расстоянии друг от друга и компенсация их полей получается неполной. Чем больше расстояние между проводами, тем сильнее излучение и тем лучше линия принимает волны.

Симметричная линия должна иметь хорошую изоляцию проводов друг от друга и каждого провода от земли. Для сохранения симметричности линии важно, чтобы ее провода были одинаково расположены относительно земли и различных местных предметов.

Волновое сопротивление симметричной линии Zo зависит от отношения расстояния между центрами проводов b к диаметру провода d. Например, для b/d = 4 получается Zo = 250 ом, а для b*d = 75 величина Zo возрастает до 600 ом.

Если требуется симметричная линия с меньшим волновым сопротивлением, то ее делают из двух плоских лент. Значение Zo такой линии зависит от отношения ширины ленты D к расстоянию между лентами b. Для Db = 1 величина Zo составляет 150 ом, а для Db = 3 она снижается до 20 ом. Приведенные значения Zо относятся к воздушным линиям. При наличии твердой изоляции потери в линии возрастают, а скорость распространения волн и волновое сопротивление уменьшаются в (корень из эпсилон раз) раз, где эпсилон — диэлектрическая проницаемость изоляции. Обычно уменьшение получается примерно в 1,5—1,8 раза.

Широкое применение нашла коаксиальная линия. Она состоит из внутреннего провода, вокруг которого располагается внешний провод в виде трубки (рис. 1). В гибких кабелях этим проводом является оплетка из медных проводов, обычно покрытая оболочкой из пластмассы. Между внутренним и внешним проводами находятся изоляторы в виде шайб из высокочастотной керамики или пластмассы. Иногда все внутреннее пространство заполняется гибкой пластмассой.

Коаксиальная линия является несимметричной. По своему устройству она сложнее и дороже, чем симметричная линия, но зато имеет ряд преимуществ. Потери энергии на излучение в такой линии практически отсутствуют, так как электромагнитное поле находится только внутри линии. На (рис 1 б) показаны для коаксиальной линии электрические силовые линии, идущие радиально, и магнитные силовые линии в виде концентрических окружностей. Внешний провод является экраном, и поэтому коаксиальная линия не излучает и не принимает волны, т. е. не обладает антенным эффектом. Весьма удобно также то, что ток высокой частоты во внешнем проводе проходит только по его внутренней поверхности. Внешняя поверхность не несет на себе тока и имеет нулевой потенциал. Ее не требуется изолировать от земли, что облегчает прокладку линии.
Следует отметить, что потери в проводах коаксиальной линии меньше, чем в проводах симметричной линии. Это объясняется тем, что активное сопротивление внешнего провода коаксиальной линии, благодаря его большой поверхности, значительно меньше, нежели у обычных проводов.

Волновое сопротивление коаксиальной линии зависит от отношения диаметров D/d обоих проводов. Чем меньше это отношение, тем больше емкость линии и тем меньше волновое сопротивление. Например, для воздушной коаксиальной линии при4 Dd = 1,5 величина 2,0 составляет 25 ом, а при Dd= 8 она возрастает до 125 ом.

Уменьшение 20 из-за наличия изолирующих шайб получается примерно на 15%, а от сплошной изоляции — в 1,5—1,8 раза. В большинстве случаев коаксиальные высокочастотные кабели делаются с волновым сопротивлением от 50 до 75 ом.

Эта связь осуществляется с помощью конденсатора связи Ссв (рис.1) и, следовательно, энергия переходит из первичного контура во вторичный через электрическое поле. Емкостная связь часто возникает между цепями там, где она не нужна, и нарушает нормальную работу схемы. Такую связь называют паразитной. Нередко приходится принимать меры для устранения или уменьшения подобной нежелательной связи. Схема (рис.1 а), в которой конденсатор связи Ссв не входит в состав первичного и вторичного контуров, называется внешней емкостной связью. Схема (рис.1 б) называется внутренней емкостной связью, так как конденсатор связи включен и в первичный и во вторичный контуры последовательно с каждым конденсатором этих контуров С1 и С2. Для изменения величины связи конденсатор Ссв должен иметь переменную емкость.

В схеме с внешней емкостной связью напряжение первичного контура действует через конденсатор связи на вторичный

контур и создает в нем ток. Чем больше емкость Ссв , тем меньше ее сопротивление переменному току и тем сильнее связь. Практически, чтобы связь была слабой, емкость Ссв должна быть порядка единиц пикофарад (много меньше, чем С1 и С2). Паразитная связь между различными цепями осуществляется по схеме внешней емкостной связи, так как для этого достаточна очень малая емкость. Индуктивная связь всегда сопровождается некоторой внешней емкостной связью из-за емкости между катушками и подводящими проводами.

В схеме с внутренней емкостной связью (рис.1 б) напряжение, которое получается на конденсаторе Ссв при прохождении через него тока I1, действует на цепь вторичного контура C2L2 и создает в последнем ток I2. Иначе можно сказать, что в точке 1 (или 2) происходит (разветвление тока и часть его идет во вторичный контур. В противоположность схеме (рис.1 а) здесь для увеличения связи нужно уменьшить емкость Ссв. Тогда сопротивление конденсатора Ссв току I1 возрастет, увеличится падение напряжения в нем, а так как оно действует во вторичном контуре, то возрастет и ток I2. Для осуществления слабой связи в данной схеме берут Ссв порядка тысяч и даже десятков тысяч пикофарад (много больше, чем С1 и С2).