ВинРадиоФорум - первый радиолюбительский портал Винничины      VinRadioForum - the first radioamateur portal of the Vinnitsa region

ВинРадиоФорум

Объявление

Винницкий телеграфЪ

Информация о пользователе

Привет, Гость! Войдите или зарегистрируйтесь.


Вы здесь » ВинРадиоФорум » Начинающим » "Беседы для начинающих радиолюбителей" от UA3FT


"Беседы для начинающих радиолюбителей" от UA3FT

Сообщений 1 страница 8 из 8

1

Клуб "ЭФИР".

МЫ СДАЕМ ЭКЗАМЕН
Беседа 1.
Цикл наших публикаций адресован тем, кто выбрал коротковолновое любительство. Одна из первых задач на этом пути -- оформление разрешения на радиостанцию. В зависимости от квалификации любитель может получить разрешение на радиостанцию соответствующей категории -- их 4, для начинающих предназначена четвертая. "Четверокатегорником" можно стать уже в 8 лет! Квалификация определяется по результатам экзамена на знание основ электро- и радиотехники, техники безопасности и правил работы в эфире. Чтобы сдать экзамен, надо подать завление в местное управление Госсвязьнадзора. Стоит выяснить, есть ли в вашем городе действующий радиоклуб -- там всегда помогут советом, расскажут о порядке приема экзаменов. Если же вы живете на селе, далеко от центров организованного любительства, сдавать экзамен можно и заочно. Мы хотим помочь вам сдать экзамен, пройдя вместе курс начальной подготовки. Из-за большой разницы возрастов читателей придется начать с самых азов. Пусть вам что-то окажется уже знакомым из школьных уроков физики -- не беда: лишний раз проверьте свои знания.
В основе всего, о чем пойдет речь, лежат электрические явления. Еще древние греки заметили, что кусочки янтаря, если их потереть, притягивают мелкие предметы (как мы сейчас говорим, электризуются). От греческого названия янтаря "электрон" и родился термин электричество. Смысл электризации в приобретении телом при трении электрического ЗАРЯДА -- вы, несомненно, не раз ощущали, стягивая с себя рубашку из синтетики, его легкие уколы, слышали треск разрядов. В темноте же можно увидеть даже искры. Попутно удалось установить, что заряды бывают двух видов, двух знаков, как северный и южный полюсы у магнита. Незыблемо правило: заряженные одинаковым зарядом тела отталкиваются, заряженные разными -- притягиваются (что и наблюдали древние греки). Заряды получили условное название положительного и отрицательного.
А ведь трением можно получать электричество, скажете вы. И будете правы. До сих пор существуют лабораторные электростатические машины -- вам их демонстрировал учитель физики (или это у вас еще впереди). Но такие слабосильные машины не способны даже зажечь крохотную лампочку, единственно, что они могут (кроме демонстрации игрушечных громов и молний) -- это передать свой заряд другому телу. Допустим, нам зачем-то понадобилось этот заряд накопить, "перелив" его в какую-то "тару". Было замечено, что такой "тарой" может быть стеклянная банка, обклеена снаружи и внутри фольгой. За свою способность собирать, накапливать и "сгущать" (конденсировать) заряд этот прибор получил название КОНДЕНСАТОР. В современных радиоустройствах конденсатор стал одним из основных элементов. Правда, своего прародителя-банку он внешне совершенно не напоминает, а в части эффективности, другими словами, достигаемой ЕМКОСТИ, превосходит его во много раз.
Как же получать электричество, чтобы горели лампы, могли работать телевизоры, магнитофоны? Вот один из способов. Был найден принцип, успешно использующийся и сегодня: преобразовать энергию химической реакции в электрическую. Луиджи Гальвани создал элемент, состоящий из медной и цинковой пластин, разделенных пропитанной кислотой материей. Медную пластину стали условно называть положительным полюсом, цинковую -- отрицательным. Этот элемент, названный по имени ученого ГАЛЬВАНИЧЕСКИМ, -- один из возможных источников электричества. Принцип его действия остался прежним и поныне, хотя конструкция и применяемые материалы, конечно, существенно изменились. Из гальванических элементов, соединяя их тем или иным способом для получения необходимых результатов, часто создают БАТАРЕИ.
Здесь приходится сменить тему и забраться вглубь материи (не той, из которой шьют одежду, а материи, из которой состоит наш материальный мир, то есть, вещества). Все, что нас окружает: вода и воздух, камни и почва, животные и растения -- состоит из элементарных "кирпичиков" - атомов. Атомы -- одинаковые или разных химических элементов -- чаще всего объединяются в молекулы. Упрощенно, атом похож на модель типа нашей солнечной системы: в середине ядро, вокруг него обращаются на орбитах электроны (рис.1.1). Силы тяготения, скрепляющие солнечную систему и придающие ей стабильность, в нашей модели заменяют силы притяжения зарядов: ядро заряжено положительно, электроны -- отрицательно. Эти заряды уравновешивают друг друга, так как их число равно, поэтому атом в целом заряда не несет, он нейтрален. Атомы могут быть простыми и сложными, с одним электроном у водорода и десятками у трансурановых элементов. Электроны могут прочно удерживаться на орбите, а могут легко отрываться от нее. Таких электронов, называемых свободными, особенно много в металлах. Они беспорядочно дрейфуют и мельтешат, как мухи в рое, до тех пор, пока что-то не заставит их свое движение упорядочить. И это что-то --- приложенные заряды. Отрицательные электроны потянутся к положительному заряду, потечет ТОК. Электрический ток в металле -- это упорядоченное движение свободных электронов.
Таким образом, электроны -- это носители единичных отрицательных зарядов. Уже упомянутая электризация янтаря и других материалов (вроде вашей синтетической рубашки) вызывается "отрывом" при трении электронов от их орбит. Атом же, потерявший электрон, оказывается заряженным положительно. При взаимном трении происходит разделение зарядов -- они соберутся на трущихся друг об друга предметах. В итоге оба предмета заряжены. Чем сильнее материалы электризуются (то есть, чем больше электронов и положительно заряженных "остатков" атомов удается получить при трении), тем большие будут накопленные заряды. Мерилом величины заряда служит ПОТЕНЦИАЛ.
Вы конечно заметили, что отдельные слова выписаны у нас большими буквами. Так выделены основные понятия, до смысла которых надо докопаться. Обозначено ключевое слово, к каждому можно добавить определение "электрический". Попробуйте после первого прочтения отложить газету в сторону и объяснить их смысл хотя бы самому себе, а еще лучше товарищу. Между прочим, проверено: это самый эффективный способ разобраться в чем-либо. Вспоминается анекдот: учитель жалуется, что ему попались бестолковые ученики. "Объяснишь им раз, другой -- глухо. Снова рассказываешь -- сам уже начинаешь понимать! -- а до них все не доходит." Полезно при объяснении использовать аналогии из повседневной жизни. Если вы справитесь успешно, цель нашей первой встречи достигнута.

0

2

Беседа 2.
В прошлый раз мы расстались на том, что свободные электроны под действием приложенных к металлу зарядов перемещаются к положительному полюсу. Это движение упорядочено, электроны бегут вдоль металла (допустим, это будет металлическая проволока), как вырвавшиеся на свободу школьники по коридору в буфет, за мороженым (помните, был такой сюжет в киножурнале "Ералаш"?). И эта проволока (коридор) проведет их к цели. Из глагола "проводить" возникает несколько терминов: ПРОВОДНИК, ПРОВОДИМОСТЬ, ПРОВОД. Понятно, что провод -- это наша проволока. Так обычно и бывает в электро- и радиоустройствах, в крайнем случае, провод может быть жгутом из отдельных проволок. Проводимость -- способность материала быть проводником, то есть служить таким коридором, в котором бегущие не натыкаются на препятствия, на встречают заметного СОПРОТИВЛЕНИЯ. Совершенно понятно, что проводник должен иметь подвижные заряды. В металлах (большинство из них проводники) это свободные электроны. К проводникам могут быть также отнесены уголь, растворы солей и некоторые другие химические соединения, влажная почва, тела живых организмов. Последнее, кстати, приводит к тому, что животные и человек уязвимы для электричества и даже могут стать его жертвами. Проводниками неметаллы делает наличие атомов и молекул с "оторванными" либо, наоборот, "прилипшими" лишними (такое тоже возможно) электронами. Тогда атомы или молекулы превращаются в ионы -- положительные в первом случае и отрицательные во втором.
Итак, наши школьники бегут по коридору. Он может быть широким и свободным, а может -- узким и захламленным. Тогда бегущие станут спотыкаться и даже падать, с трудом протискиваться в узких местах. С точки зрения электронов препятствиями, увеличивающими сопротивление току, могут быть, например, какие-то посторонние примеси, застрявшие между атомами. Естественно, чем больше диаметр проводника, тем больше проводимость и меньше сопротивление. Иными словами, сопротивление и проводимость -- обратные величины. Это можно изобразить в виде формулы: R = 1/G и G = 1/R , где R -- сопротивление, G -- проводимость. Кстати, при замедлении движения, а тем более при падении бегущего куда-то должна деться его энергия, не так ли? Исчезнуть энергия не может, что является фундаментальным правилом физики. Значит, она превращается в тепло. То есть, сопротивление при протекании тока нагревается. Это используется в элекронагревательных приборах и лампах накаливания.
Ну, а если в веществе нет свободных электронов или ионов (электроны прочно держатся на своих орбитах и не подпускают к ним прилипал-чужаков)? Нет зарядов -- нет и тока. А материал не проводник, а напротив, ИЗОЛЯТОР или ДИЭЛЕКТРИК. Изоляторы -- это пластмассы, фарфор, воздух, стекло, резина, бумага, дистиллированная вода. Изоляторы необходимы, чтобы не допускать нежелательных замыканий между проводами. Есть еще промежуточные вещества -- ПОЛУПРОВОДНИКИ. К ним относится большинство существующих в природе материалов. В радиотехнических устройствах наиболее широко применяются германий и кремний. Название полупроводник, надо сказать, достаточно условно, поскольку дело не столько в том, что они проводят ток лучше, чем изоляторы, и хуже, чем проводники. А в том, что происходящие в них явления имеют свою специфику. Но разговор о полупроводниках у нас впереди. Пока же вернемся к нашей металлической проволоке. Пробежав по ней, электроны достигли положительного заряда и "погасили", нейтрализовали его. Ток прекратился. Это нас, конечно, не устраивает, нам нужна горящая лампа либо действующий прибор. Чтобы ток не прерывался, необходимо не просто приложить потенциалы, но и поддерживать их разность, не позволять им исчезнуть, компенсироваться. То есть, нужна сила, движущая электроны и поддерживающая разность потенциалов. Ее так и называют -- ЭЛЕКТРОДВИЖУЩАЯ СИЛА или сокращенно ЭДС. С этой ролью справится источник электричества, скажем, гальванический элемент или батарея элементов.
У нас получилась простейшая схема, показанная на рис. 2.1. Это замкнутая цепь: от источника U, создающего ЭДС, через сопротивление R протекает ток I. Со времен зарождения электротехники считается , что ток течет от положительного полюса к отрицательному. И сейчас,  когда выяснена роль электронов, это в принципе ошибочное утверждение решено не изменять. Часто в целях упрощения ЭДС, а также разность потенциалов, именуют НАПРЯЖЕНИЕМ. Сопротивлением R может быть либо РЕЗИСТОР (элемент с заранее установленной величиной сопротивления -- от английского RESISTOR) либо какая-то НАГРУЗКА (то есть, потребитель), например, электрическая лампа. Для возможности управления протеканием тока мы применили выключатель Вк. Помните, в аналогии с жаждущими мороженого школьниками: их поток возник только после того, как служительница театра открыла (на свою голову!) дверь в зрительный зал? Эта дверь и есть тот выключатель, который замкнул цепь. Три важнейших параметра цепи связывает основной закон электротехники, сформулированный Генрихом Омом и названный в его честь законом Ома: ток в цепи прямо пропорционален напряжению и обратно пропорционален сопротивлению цепи. Формула закона Ома такова: I = U / R. Отсюда следуют производные формулы: U = I R и R = U / I. Второе соотношение говорит о том, что при протекании тока через сопротивление на нем образуется так называемое ПАДЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ. Физический смысл термина прозрачен: в процессе бега по сопротивлению электроны , как и школьники в нашей аналогии, "спотыкаются" и даже "п а д а ю т" -- поэтому противоположного края достигают не все, а на сопротивлении возникает разность потенциалов. Параметры цепи имеют и цифровые значения. Ученый Ом увековечил свое имя дважды: он также дал его единице сопротивления. Единице напряжения присвоено имя Алессандро Вольта, единице тока -- Андре Ампера. Из закона Ома следует, что ток в 1 ампер (А) течет при напряжении 1 вольт (В) в цепи сопротивлением 1 Ом. Кстати, запомните, что единицы, образованные от имен ученых, пишут с большой буквы. На практике часто удобнее применять дробные и производные величины: милли- (м) и микро- (мк) -- это в тысячу и миллион раз меньше -- либо кило- (к) и мега- (М) -- в тысячу и миллион раз больше. С единицами, десятками и сотнями Вольт проще. Например, напряжение в сети -- 220 В. А вот ток в амперах в большинстве случаев великоват. Ом же, наоборот, слишком "мелкая" единица. Хотя, бывает, применяются напряжения в киловольты (кВ) или, напротив, микро- и милливольты (мкВ и мВ). Зато чаще встречаются токи в мкА и мА и сопротивления в кОм и МОм.
Есть еще один существенный параметр, особенно важный для нагрузки -- потребляемая МОЩНОСТЬ. Его легко представить, держа в уме Закон Ома. Естественно, большая потребляемая мощность -- это большое потребление тока. Но не любой ценой! Теоретически, подключив к источнику малое сопротивление, мы кратковременно можем получить какой угодно большой ток. Однако напряжение сразу же "сядет", а в следующее мгновение электропитание выйдет из строя, произойдет авария. Значит, необходимо, чтобы источник "терпел" большой ток и не снижал напряжения. Вот и ответ: мощность это произведение тока на напряжение, P = U I . Можно, опять-таки воспользовавшись законом
Ома, получить выражение P = I R . Оно используется довольно часто, так как позволяет определить мощность, которая выделится на резисторе. Ее также называют РАССЕИВАЕМАЯ МОЩНОСТЬ. При токе 1 А и напряжении 1 В мощность будет равна 1 Вт (Джеймс Ватт или Уатт -- еще один ученый, давший свое имя электрической единице).
Нередко приходится соединять резисторы, конденсаторы, гальванические элементы и другие детали друг с другом. Возможны два варианта: ПАРАЛЛЕЛЬНОЕ и ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЕ СОЕДИНЕНИЯ. Смысл очевиден из рис. 2.2. Надо запомнить, что при последовательном соединении элементов складываются сопротивления и напряжения (если правильно соблюдена полярность -- минус к плюсу), а при параллельном ( здесь уже должны соединяться плюс с плюсом, минус с минусом) -- проводимости и емкости, а также мощность источника питания. Соединяя последовательно конденсаторы, мы получим меньшую общую емкость. Формула такова: 1/ Собщ = 1 / С1 + 1/ С2 + ... 1/Сn. Очевидно, на практике это может потребоваться для увеличения рабочего напряжения цепочки конденсаторов. Попробуйте вывести формулу общего сопротивления двух параллельных резисторов, помня, что сопротивление и проводимость -- обратные величины. Используя закон Ома, можно также определить мощность, выделяющуюся на резисторах при их последовательном и параллельном соединении. Кстати, эту задачу часто вынуждены решать радиолюбители, обычно ограниченные в выборе деталей: из имеющихся под руками резисторов приходится составлять комбинацию нужного сопротивления и требуемой рассеиваемой мощности. Приходится начать с поправки. В прошлой беседе формула мощности, полученная с помощью закона Ома, в процессе редакционной обработки непостижимым образом потеряла показатель степени -- двойку. Если мощность Р равна произведениию напряжения U на ток I, а по закону Ома U = I R, то что мы получим, подставив это U в первую формулу? Правильно, P= I R. А не P = I R, как было напечатано. Впрочем, внимательный, читатель должен был сам обнаружить ошибку. Так что будем считать досадное недоразумение намеренным подвохом "на засыпку".
Электрический ток в простейшей цепи (рис. 2.1) будет течь постоянно, в одном направлении. Он поэтому и называется ПОСТОЯННЫМ. Питание постоянным током от малогабаритных гальванических элементов широко применяется в электрических часах, карманных фонариках, детских игрушках и т.п. Все эти приборы не потребляют больших токов, они маломощны и довольствуются напряжением 1,5 В, которое дает один элемент. Часто, однако, этого недостаточно, тогда прибегают к последовательному включению элементов -- в переносных приемниках и магнитофонах, аудиоплейерах. При этом напряжение, как мы уже говорили, складывается. Существуют также батарейки, состоящие, из нескольких элементов, объединенных конструктивно. Увы, все гальванические элементы относительно недолговечны: происходящие химические реакции необратимо разрушают их -- как говорят, элемент разряжается. Беде можно отчасти помочь, если использовать АККУМУЛЯТОР. Это тоже элемент (или батарея элементов), в котором материалы подобраны так, что после разряда его можно вновь зарядить, восстановить, пропустив ток. Кроме миниатюрных аккумуляторов, заменяющих гальванические элементы, есть и достаточно мощные как, например, автомобильные.
Стационарную аппаратуру удобнее питать от сети ПЕРЕМЕННОГО тока. Мы получим модель устройства переменного тока, если станем быстро-быстро переключать полярность батарейки. Соответственно, будет меняться в такт с переключениями и направление тока. При той скорости изменения, которая применяется в промышленной сети, нить электролампы не успевает остывать. Люминесцентные лампы, правда , "мигают", однако глаз этого не видит, как не замечает быстрой смены кадров на экране кино или телевизора. Напряжение в сети не прыгает скачком, а плавно изменяется по так называемому закону синусоиды (это математическая функция, то есть зависимость). Синусоида изменения напряжения U или тока I во времени t изображена на рис.3.1. Мы видим, что их величина и направление колеблются, поэтому переменный ток можно также назвать КОЛЕБАНИЯМИ. Расстояние между ближайшими одинаковыми точками на синусоиде называют ПЕРИОДОМ, максимальное значение величины от нуля (безразлично, в положительную или отрицательную сторону) -- АМПЛИТУДОЙ. Число периодов в секунду -- это ЧАСТОТА колебаний, измеряемая в Герцах (Гц), килоГерцах (кГц), мегаГерцах (МГц). Например, частота колебаний в электросети равна 50 Гц. Здесь использовано имя выдающегося физика Генриха Герца, открывшего ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ колебания. Недаром первая в мире радиограмма, переданная изобретателем радио А.С.Поповым, содержала два слова: "Генрих Герц".
Электромагнитный -- не простое сочетание слов: электричество и магнетизм, как близнецы-братья, тесно связаны, их проявления сопровождают друг друга. Мало того, что существуют электромагниты. Вы конечно знаете, что когда к проводнику, через который течет ток, приближаешь компас, стрелка отклоняется. Существует и обратный эффект: если магнит поднести к проводнику, через него потечет ток. Все дело в том, что и магнит, и электрический ток окружены магнитным ПОЛЕМ. Его условно представляют в виде замкнутых СИЛОВЫХ ЛИНИЙ. Если провод пересекает силовые линии, допустим, мы вращаем проволочную рамку в магнитном поле, -- в проводнике будет наведена ЭДС. Поскольку рамка через половину оборота сменит свое положение относительно направления силовых линий, ток получится переменным. На этом принципе основаны генераторы на электростанциях. Если же, наоборот, пропускать через рамку переменный ток, она станет вращаться. Так работают электромоторы. В любом случае важно, чтобы силовые линии и проводник взаимно перемещались. Это достигается движением либо проводника, либо самих силовых линий (при переменном токе). Наведение магнитным полем ЭДС получило название магнитной ИНДУКЦИИ.
Есть еще одно прелюбопытное и крайне важное для радиоустройств физическое явление, названное САМОИНДУКЦИЕЙ. Суть его в том, что магнитное поле, создаваемое током, наводит ЭДС и на "свой" же проводник! Если ток постоянный, ЭДС самоиндукции возникнет только при включении и выключении (когда перемещаются -- возникают или исчезают --силовые линии). Наведенный самоиндукцией ток направлен в противоположную сторону по отношению к основному. Свернув провод в многовитковую катушку, мы увеличим число проводников, одновременно пересекающих силовые линии. Тогда наведенный ток может оказаться настолько большим, что будет продолжаться и некоторые мгновения после выключения -- пробивая воздушный промежуток выключателя. Появится искра, а то и электрическая дуга (весьма нежелательное и даже опасное явление в электротехнических устройствах!). При включении же наведенный ток будет препятствовать нарастанию общего тока. Короче, самоиндукция действует подобно инерции. Наверняка вам доводилось участвовать в забегах на уроках физкультуры. Помните, инерция всегда мешала "выстрелить" со старта с максимальной скоростью, а после финиша -- мгновенно затормозить? Такие же трудности испытывает и ток в катушке. Величину ЭДС самоиндукции определяет ИНДУКТИВНОСТЬ катушки, измеряемая в Генри (Гн), миллиГенри (мГн), микроГенри (мкГн) -- в честь открывшего самоиндукцию Джозефа Генри. Индуктивность зависит от данных катушки: числа витков, геометрических размеров. Существенно увеличивает ее введение внутрь катушки магнитного СЕРДЕЧНИКА, который концентрирует, "сгущает" силовые линии.
Раньше в употреблении было название катушка самоиндукции, которое точно отражало специфику физического процесса. Теперь же обычно в ходу "катушка индуктивности", хотя вообще-то термин безграмотен. Судите сами: не вызывают возражений индуктивность катушки, емкость конденсатора, сопротивление резистора, так же, как температура воздуха, объем сосуда ... Но "катушка индуктивности" ?! Это такая же абракадабра, как "резистор сопротивления", "конденсатор емкости", "воздух температуры" или "сосуд объема"! Впрочем, явственно слышу знакомое: "Но ведь так говорят все!". Да, немало ляпов имеют массовое распространение благодаря этому доводу ...
Вас, похоже, уже давно интересует: что же удобного в применении переменного тока? А вот что. Только на переменном токе может работать ТРАНСФОРМАТОР, дающий возможность получить практически любое желаемое напряжение при необходимой мощности.

0

3

В прошлый раз мы узнали, что только на переменном токе может работать ТРАНСФОРМАТОР, дающий возможность получить практически любое желаемое напряжение. АВТОТРАНСФОРМАТОР, более того, позволяет это напряжение регулировать. Принцип их действия понятен из рис. 4.1, где Тр -- трансформатор, Атр -- автотрансформатор. Устройства состоят из замкнутого кольцевого или Ш-образного МАГНИТОПРОВОДА (например, набранного из специальных трансформаторных пластин) и надетых на него катушек -- ОБМОТОК. Силовые линии, возникающие при протекании тока по ПЕРВИЧНОЙ обмотке (к ней приложено напряжение U1), пересекают витки ВТОРИЧНОЙ обмотки и наводят в ней ЭДС U2, зависящую от соотношения чисел витков обмоток. Если сделать несколько вторичных обмоток, можно получить целый набор разных напряжений. В автотрансформаторе обычно бывает одна обмотка с многочисленными отводами, так что вместо первичного напряжения U1 можно получить любое желаемое -- U2, U3 и т.д. Применение трансформаторов, кстати, решает проблему передачи электроэнергии на большие расстояния. Выгодно, чтобы при заданной мощности было использовано максимальное напряжение при минимальном токе (тогда меньше потери на нагрев проводов). На электростанции напряжение повышают до 200 -- 500 кВ, а потом, в месте потребления, его снова понижают до требуемой величины 380 или 220 В.
То, что для питания приборов обычно требуется постоянный ток, элементарно решается применением ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ -- устройств, "выпрямляющих" синусоиду в практически прямую линию. Основой в выпрямителе является диод, пропускающий ток лишь в одном направлении. Схема простейшего выпрямителя показана на рис. 4.2. Здесь Тр -- трансформатор, Д -- диод. ДРОССЕЛЬ Др (это катушка на магнитопроводе типа трансформаторного) и два конденсатора С1 и С2 образуют СГЛАЖИВАЮЩИЙ ФИЛЬТР, уменьшающий перепады ПУЛЬСИРУЮЩЕГО напряжения. На диаграммах показаны формы напряжения в различных точках выпрямителя. Сглаживающие свойства дросселя обусловлены самоиндукцией, конденсаторы же служат накопителями зарядов, которыми они подпитывают нагрузку в те полупериоды, когда диод не пропускает тока. Такой выпрямитель и называют ОДНОПОЛУПЕРИОДНЫМ. На практике чаще применяются ДВУХПОЛУПЕРИОДНЫЕ выпрямители, в которых несколько диодов работают в оба полупериода напряжения.
Переменному току присущи те же проявления, что и постоянному: он вращает моторы, дает тепло и свет. И параметры его такие же: напряжение, сила тока, мощность. Как их определить, спросите вы, если они постоянно меняются? Для этого введено понятие ДЕЙСТВУЮЩЕГО ЗНАЧЕНИЯ (мы как бы сравниваем действие переменного тока с действием постоянного). При синусоидальной форме изменения параметра его действующее значение в 1,4 раза меньше амплитуды. 220 В в электросети -- это именно действующее напряжение. Для цепи переменного тока также справедлив закон Ома (несправедливых законов в природе не бывает!). Правда, помимо того, что в формулы надо подставлять действующие значения напряжения и тока, разница еще и в том, что сопротивление цепи может зависеть от частоты. Тогда его называют РЕАКТИВНЫМ, в отличие от АКТИВНОГО или ОМИЧЕСКОГО сопротивления резистора. Катушка же, кстати, имеет комбинацию реактивного и омического сопротивлений, последнее -- за счет провода обмотки.
До сих пор у нас был в забвении конденсатор, хотя упомянут он еще в первой беседе. Напомним, что прародитель конденсаторов -- стеклянная банка, обклееная снаружи и внутри фольгой. Банка могла накапливать электрические заряды, ЗАРЯЖАТЬСЯ, а при замыкании обкладок проводником -- РАЗРЯЖАТЬСЯ, обеспечивая кратковременный ток. Чем больше емкость, тем большей величины заряд может накопить конденсатор. И сегодня его конструкция практически та же: это обкладки, разделенные диэлектриком. Емкость конденсатора определяется площадью обкладок и расстоянием между ними, но главным образом -- примененным диэлектриком. Им может быть воздух, слюда, особая конденсаторная бумага, керамика, различные химические соединения. Самую большую емкость имеют электролитические конденсаторы, в которых роль диэлектрика выполняет специальная жидкость или желеобразный гель -- электролит. Единицей емкости служит Фарад (по имени ученого Майкла Фарадея). Это очень большая емкость, на практике она не встречается. Обычно приходится иметь дело с микроФарадами (мкФ) и пикоФарадами (пФ). То, что мы вернулись к конденсатору сейчас, неслучайно: без знакомства с переменным током рассмотреть возможности применения конденсатора не удастся. Ведь постоянный ток он не пропускает. А вот переменный ток через него проходит! И тут нет противоречия с нашим определением тока как упорядоченного движения зарядов в замкнутой цепи. Просто они не бегут без оглядки в одном направлении, а совершают некие "танцевальные па": в такт с колебаниями напряжения движутся вперед -- назад. При этом конденсатор заряжается, потом разряжается и вновь заряжается, а напряжение на его обкладках меняет знак каждые полпериода. Ток идет! Отсюда -- одно из возможных применений конденсатора: разделение постоянного и переменного токов. Такие конденсаторы и называют разделительными.
Итак, основные элементы, с которыми мы познакомились, -- резистор, конденсатор, катушка. По поводу резистора добавить, пожалуй, нечего. Он наименее интересен, поскольку абсолютно пассивен. Его главная и единственная задача -- "держать и не пущать", сопротивляться протеканию тока. Другое дело -- два его собрата. Какое многообразие качеств! Правда, постоянный ток, единожды зарядив конденсатор, больше по нему не проходит, катушка же для него -- просто провод, обладающий каким-то омическим сопротивлением. Но, тем не менее, общение даже с постоянным током не проходит бесследно: конденсатор накапливает заряд, насыщаясь электрическим полем, катушку окружает ореол магнитных силовых линий. Стоит только выключить напряжение, эти поля начинают самостоятельную жизнь: возникает ток самоиндукции, конденсатор стремится разрядиться...
А что если совместить оба процесса, подключив конденсатор к катушке? Мы получим КОЛЕБАТЕЛЬНЫЙ КОНТУР, без которого невозможно сделать приемник, передатчик, телевизор, любое другое радиоустройство!
В этом месте хочется остановиться на мгновение. Друзья, происходит знаменательное событие: мы выбрались из скучноватой электротехники и начинаем погружаться в удивительный мир радио!
Значит, колебательный контур. Почему контур -- понятно из рис. 4.3: его образуют конденсатор С и катушка L, соединенные параллельно. Соответственно, это ПАРАЛЛЕЛЬНЫЙ КОНТУР, который применяется чаще всего. Представим, что мы зарядили конденсатор до напряжения U. Через катушку потечет ток разряда конденсатора I, естественно сопровождающийся самоиндукцией. Последняя препятствует резкому нарастанию тока разряда и такому же падению напряжения на конденсаторе, эти величины изменяются плавно, по синусоиде, как видно из рис.4.4. В какое-то время t 1 конденсатор разрядится, но в этот же момент ток в катушке достигнет максимума. Ток начнет заряжать конденсатор, сообщая ему заряд противоположного знака. Опять этот процесс течет плавно до момента t 2, когда конденсатор зарядится полностью, а ток прекратится. Затем все повторится снова. Так с помощью контура мы получили связанные друг с другом синусоидальные колебания тока и напряжения, а также колебания сопутствующих им электрического и магнитного полей. Это -- электромагнитные колебания, это уже радиотехника. Обратите внимание, что ФАЗЫ тока и напряжения (одинаковые точки их периодов -- нулевые, максимальные и т.д.) сдвинуты друг относительно друга на четверть периода, то есть, при максимальном напряжении ток равен нулю и наоборот. Такое же соотношение соблюдается и между полями, причем везде и всегда.
Колебания в контуре, если их не подпитывать энергией, затухнут из-за нагрева током соединительных проводов и самой катушки, других потерь. Уподобим колебания в контуре механическим колебаниям маятника. Раз толкнув его, мы тоже получили ЗАТУХАЮЩИЕ КОЛЕБАНИЯ. Чтобы они стали НЕЗАТУХАЮЩИМИ, надо тоже подпитывать маятник энергией, проще говоря, его периодически подталкивать. Но не беспорядочно, а с частотой собственных колебаний маятника. В обиходе говорят, действовать в РЕЗОНАНС. У колебательного контура тоже есть СОБСТВЕННАЯ ЧАСТОТА или ЧАСТОТА РЕЗОНАНСА. Нетрудно сообразить, что чем больше емкость конденсатора и индуктивность катушки, тем медленнее протекают процессы заряда -- разряда, тем меньше частота колебаний. Формула такова: f = 1/ V L C , где f -- частота в Гц, L -- индуктивность катушки в Гн, С -- емкость конденсатора в Ф. (примечание для редактора: значок V -- это квадратный корень, так называемый радикал) Катушку и конденсатор можно соединить и последовательно, его резонансные свойства не изменятся, а контур станет не ПАРАЛЛЕЛЬНЫМ, а ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫМ. Чаще всего последовательные контуры находят применение в ФИЛЬТРАХ. Резансные свойства контура позволяют широко использовать его, например, для настройки на частоту принимаемой станции. Контур будет выделять ее сигналы и "игнорировать" все остальные (они просто будут попадать "не в такт", как в случае с маятником, и не будут "раскачивать" контур). Чтобы вести настройку, надо иметь возможность менять частоту контура. В приемниках чаще всего применяют переключаемые катушки и переменный конденсатор. Он обычно бывает с воздушным диэлектриком и представляет собой две системы пластин, вдвигаемых одна в другую. Иногда, правда, делают перестриваемой катушку, перемещая внутри нее магнитный сердечник. Фильтры -- другое применение контуров. Применяя комбинации и соединения нескольких контуров, можно получать необходимые частотные характеристики фильтра. Вспомним: в нашем выпрямителе был сглаживающий фильтр из дросселя (а это та же катушка, только на магнитном сердечнике) и двух конденсаторов. Подобные устройства, которые задерживают высокие частоты и пропускают низкие (в выпрямителе постоянный ток можно считать имеющим нулевую частоту) так и называют фильтрами НИЖНИХ ЧАСТОТ. Существуют также фильтры ВЕРХНИХ ЧАСТОТ, задерживающие низкие частоты, ПОЛОСОВЫЕ, пропускающие заданную полосу частот и задерживающие частоты как выше, так и ниже полосы, ЗАГРАЖДАЮЩИЕ, задерживающие заданную полосу частот, но пропускающие все остальные, РЕЖЕКТОРНЫЕ, "вырезающие" частоты, на которые они настроены, и ФИЛЬТРЫ-ПРОБКИ, "закупоривающие" свои резонансные частоты . Надеюсь, понятно, что здесь мы в целях упрощения прибегли к жаргону: на самом деле фильтруются-то не "частоты", а сигналы.
Довольно часто в фильтрах применяются КВАРЦЕВЫЕ РЕЗОНАТОРЫ. Основа резонатора -- кварцевая пластинка. На нее напыляют электроды, получается подобие конденсатора. Но ведет себя эта деталь совсем иначе: она имеет характеристики колебательного контура, причем, контура высочайшего качества! КВАРЦЕВЫЕ ФИЛЬТРЫ имеют отменные параметры, они глубоко подавляют нежелательные частоты. Есть еще один интересный тип: ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ФИЛЬТРЫ или ЭМФ. В них используется механический резонанс, а механические колебания на входе и выходе преобразуются в электрические. К сожалению, сам принцип не позволяет получить высокие рабочие частоты.
Вернемся к колебательному контуру -- источнику электромагнитных колебаний, составляющих суть радио. Конечно, затухающие колебания для практического применения не годятся: они недолговечны. Чтобы поддерживать колебания маятника, надо его подталкивать в резонанс. А что может "подтолкнуть" колебательный контур? Другими словами, как подпитывать контур энергией? Необходимы элементы, преобразующие энергию источника питания в энергию колебаний. Поскольку они активно участвуют в получении полезного сигнала, эти элементы и называют АКТИВНЫМИ (в отличие от пассивных -- резистора, конденсатора, катушки). Исторически первым активным элементом была радиолампа. Основу ее составляет катод -- нить накала, как и у осветительной лампы, помещенная внутрь безвоздушного баллона. Правда, эта нить дает не свет (она едва-едва нагревается до темнокрасного каления), а свободные электроны, которые вылетают в безвоздушное пространство. Катод окружает металлический цилиндр -- анод. Все вместе -- не что иное, как ДИОД (приставка "ди" означает два: катод и анод -- два электрода). Его можно использовать в выпрямителе, о котором шла в прошлый раз речь. Когда на аноде положительная полуволна напряжения -- он проводит ток. В следующий полупериод на аноде минус -- ток не проходит. Однако чтобы получить действительно активный элемент, в лампу надо добавить еще хотя бы один электрод -- управляющую сетку. Конструктивно это густая проволочная спираль вокруг катода, в непосредственной близости от него, поэтому она влияет на поведение электронов гораздо сильнее, чем относительно удаленный анод. Мы получили ТРИОД (элемент с тремя электродами). Если на сетку подать сигнал, он будет управлять током лампы так, что на включенной в цепь анода нагрузке выделится увеличенное во много раз напряжение. Конечно, на анод при этом должно быть подано от источника питания положительное напряжение. А подключив к лампе колебательный контур, мы получим незатухающие колебания. В первом случае лампа работает как УСИЛИТЕЛЬ, во втором -- как ГЕНЕРАТОР. Конструкцию лампы можно и дальше усложнять, добавляя сетки, что улучшит ее характеристики и расширит возможности. Известны тетроды, пентоды, гептоды -- даже октоды, а также комбинированные лампы, у которых в одном баллоне размещены две, а то и три самостоятельные системы.
Сегодня лампы уступили свое, когда-то доминирующее, место новому поколению активных элементов -- полупроводниковым приборам.
О том, что есть такой класс материалов -- полупроводники, мы уже вскользь упомянули. Теперь познакомимся с ними подробнее. Прежде всего надо сказать, что для изготовления приборов пригодны не все материалы. Главные требования к ним -- минимум примесей и строгая кристаллическая структура. По специальной технологии из сверхчистого полупроводника (чаще всего используют германий и кремний) выращивают монокристалл, в котором атомы, как солдаты в строю, занимают только предназначенное для них место. Насколько может отличаться кристаллический материал от аморфного (в котором порядка нет, атомы расположены хаотично), становится понятно при сравнении алмаза и графита. А ведь и то и другое -- углерод! Рассмотрим строение атома германия. У него на внешней орбите 4 электрона, которые могут образовывать связи (такие электроны называют валентными). Они прочно держатся за свое место, сбить их с орбиты и превратить в свободные нелегко. Зато они с удовольствием "братаются" с электронами соседнего атома и облетают, кроме своего ядра, еще и соседнее. Получается, что вокруг каждого ядра вращается уже 8 внешних электронов -- своих и чужих. Такая система очень стабильна, свободных электронов в ней практически нет. Они появятся, если извне подвести энергию, например, тепловую или световую. Некоторые из электронов тогда разорвут связи с ядром. А разорванная связь останется, как ДЫРКА, в этом месте кристалла! Несмотря на несерьезность слова, дырка -- вполне научный и широко применяемый термин. Но если в прежде электрически нейтральной системе недостает электрона -- что это может означать? Правильно: дырка представляет собой как бы единичный положительный заряд. Подобно капкану, она может захватить какой-нибудь "зазевавшийся " электрон с соседней орбиты: оторваться совсем и стать свободным ему силенок не хватает, а попасть в дырку -- особых усилий не надо. Тогда дырка переместится на новое место, то есть она ведет себя как обычный заряд: может хаотично или упорядоченно (при наличии электрического поля) перемещаться.
Вот основное свойство проводимости полупроводника: она может быть электронной либо дырочной. Но в чистом полупроводнике, да при комнатной температуре, число пар электрон-дырка невелико, к тому же они компенсируют друг друга. Нам же выгодно, чтобы тот или иной тип проводимости преобладал. Для этого идут на "диверсию": при выращивании монокристалла в него вносят специально подобранную примесь. Допустим, мы взяли в качестве нее трехвалентный индий. Его атомы займут места атомов германия в некоторых узлах кристаллической решетки. Но одного-то электрона будет недоставать! Мы получим дырку, и чем больше будет количество атомов индия, тем выше будет дырочная проводимость или проводимость р-типа (р -- от слова positive, положительный). А если взять в качестве примеси пятивалентную сурьму, в узлах, занятых ее атомами, окажутся лишние электроны, которые, очевидно, тут же станут свободными и обеспечат преобладание электронной или n-проводимости (negative --отрицательный).
Состыковав материалы разных типов проводимости, мы получим полупроводниковый диод (рис.5.1). Кружками на рисунке обозначены дырки, зачерненными точками -- электроны. На границе, в месте стыка, электроны и дырки компенсируют друг друга. Образуется область, обедненная носителями и, как изолятор, препятствующая перетеканию через нее носителей. Эту область называют барьером, p-n переходом или запорным слоем -- все названия довольно точно соответствуют характеру ее поведения. Если приложить напряжение в прямом направлении -- плюс батареи к электроду р и минус к электроду n (рис.5.2 А), носители устремятся к переходу и будут его преодолевать. Запорный слой исчезнет, потечет большой прямой ток I пр. При смене полярности (рис.5.2 Б) носители будут удаляться от перехода. Барьер увеличится и расширится, а обратный ток I обр. будет очень малым. Наличие обратного тока p-n перехода -- недостаток, присущий всем полупроводниковым приборам. Впрочем, на практике в большинстве случаев им можно пренебречь. Однако есть диоды, в которых используется именно обратный ток -- СТАБИЛИТРОНЫ. Если ток изменяется в заданных пределах, напряжение на диоде остается почти постоянным -- СТАБИЛИЗИРОВАННЫМ. Наконец, существуют ВАРИКАПЫ, заменяющие конденсаторы. В них области p и n служат как бы обкладками, а запорный слой -- диэлектриком конденсатора. Подавая на варикап разное напряжение, можно регулировать ширину запорного слоя, а значит и его емкость.
Создав трехслойный прибор, состоящий из двух электродов одного типа проводимости, разделенных очень тонким электродом противоположной проводимости, получим полупроводниковый триод, больше известный под названием ТРАНЗИСТОР. Правда, иногда обыватели называют транзистором переносный приемник. Причина ошибки понятна: фирмы-производители имеют обыкновение рекламировать число транзисторов, которое содержит приемник. А невежественные люди считают, что надпись на приемнике, например, "12 TRANSISTORS" -- это его название. Между тем термин произошел от английских слов: transform (преобразовать, трансформировать) и resistor (сопротивление). Так что никак "трансформатор сопротивления" не может быть приемником.
Сейчас создано великое множество транзисторов, разнообразных по конструкции, материалам и технологии изготовления, принципам работы, параметрам -- практически на все случаи жизни. Рассмотрим схему p-n-p транзистора, показанную на рис. 5.3.Его крайние электроды, именуемые ЭМИТТЕРОМ (Э) и КОЛЛЕКТОРОМ (К) имеют дырочную проводимость, а средний, БАЗА (Б), -- электронную. Возможен и вариант, когда эмиттер и коллектор имеют электронную, а база -- дырочную проводимости. Это будет n-p-n транзистор. Задача эмиттера -- вводить, вбрасывать (от английского emit) в базу носители -- в нашем случае, дырки. Для этого эмиттерный переход должен быть открыт. Тогда дырки из эмиттера и электроны из базы устремятся навстречу друг другу. Какая-то часть пар нейтрализуют друг друга. Но весь фокус заключается в том, что число дырок в эмиттере делают заведомо большей числа электронов в базе. Поэтому не нашедшие себе пары дырки (а таких "одиночек" около 90 %) создают повышенную концентрацию носителей в базе. Поскольку область базы крайне тонка, они тут же попадают в зону действия запорного слоя коллекторного перехода, на который подано обратное напряжение. Впрочем, препятствует-то он движению электронов, а для дырок служит как раз ускорителем! Так коллектор, наподобие насоса, интенсивно выкачивает, собирает (от collect) поставляемые эмиттером дырки. Течет коллекторный ток. Включив в цепь коллектора нагрузку, мы получим на ней напряжение, превышающее напряжение на эмиттерном переходе. Это усилительный режим. Если же подключить к транзистору колебательный контур, получится генератор незатухающих колебаний. Кстати, становится понятным дословный перевод с английского: эмиттерный переход открыт, поэтому его сопротивление мало, коллекторный -- закрыт, и сопротивление велико. Вот вам и трансформация сопротивлений!
В нашем примере оба напряжения были поданы относительно базы. Такую схему включения так и называют СХЕМОЙ С ОБЩЕЙ БАЗОЙ (рис. 5.4 А). Возможно также включение с ОБЩИМ ЭМИТТЕРОМ (рис. 5.4 Б) и ОБЩИМ КОЛЛЕКТОРОМ (рис.5.4. В). От схемы включения зависят характеристики усилителя: степень усиления тока и напряжения, величина входного и выходного сопротивлений и другие параметры.

0

4

Настало время разобраться с тем, что же это такое -- радиоволны, как они образуются? Прежде всего, надо уяснить, что любая волна -- радио в том числе -- это колебания, распространяющиеся в пространстве. Мы уже знакомы с электромагнитными колебаниями в LC-контуре, упоминали маятник как пример колебаний механических. Но оба устройства -- так сказать, стационарные: маятник "привязан" к настенным часам, контур собран на лабораторном макете. Распространение механических колебаний мы можем получить на поверхности воды, бросив в нее камень -- пойдут расходящиеся круги-волны. Заметим характерную особенность волны: сама вода не перемещается, пляшущая на ней щепка только поднимается и опускается. Очевидно, движение вверх -- вниз частиц воды передается , как эстафета, соседним частицам. Другими словами, происходит передача энергии от места падения камня к периферии. В результате круги расширяются, пока не затухнут вдали, потратив энергию на преодоление трения между частицами воды. Но и в этом случае можно получить незатухающие колебания: например, ударять по воде палкой. Правда, получить совершенно незатухающую волну, распространяющуюся на бесконечно большое расстояние, все равно не удастся: любая реальная энергия будет рано или поздно поглощена. Но ударяя с большей силой, мы получим и более высокие волны, и более дальнее их распространение. Вот что еще любопытно: хотя волны от сильного удара палкой стали выше, скорость расхождения кругов ... осталась той же! Что легко можно установить, имея секундомер. Делаем резюме: волна -- это результат действия специального устройства ( в нашем случае камня, палки), которое преобразует приложенную энергию в энергию колебаний. Эта энергия передается на расстояние. От величины энергии зависит амплитуда и дальность распространения волны. Скорость же распространения постоянна для данного типа колебаний и данной среды. Ничем не отличается (кроме, разве, трудности визуального наблюдения) распространение в воздухе звуковой волны, порождаемой, скажем, колеблющейся струной. Да, еще отличие: скорость звука в воздухе иная, нежели скорость распространения механических волн в воде. Но и только.
Теперь уже недалеко до радиоволны. Правда, круги на воде можно увидеть, звуковые волны в воздухе -- несложно вообразить. Гораздо больше фантазии потребуется, чтобы представить себе расходящиеся колебании электромагнитного поля. Попробуйте! Может, у вас возникнет какая-то интересная ассоциация... Впрочем, вы хотите возразить: в первых примерах мы имели дело с частицами воды и воздуха, а здесь -- поле! Ну и что? По современным воззрениям на физику окружающая нас материя непременно проявляет (хотя и в разной степени) свойства как частицы, так и поля. Эта теория носит название корпускулярно-волнового дуализма. Углубляться в нее мы не будем, только отметим, что колебания частиц и колебания полей -- не противоречащие друг другу явления. Понятно, радиоволна может существовать и в безвоздушном пространстве, в нем она распространяется со скоростью света -- 300 тыс. км/сек. Кстати, а ведь свет -- это тоже электромагнитное колебание, только очень уж сверх- сверхвысокой частоты. Как и для света, для радиоволны существуют прозрачные и непрозрачные материалы. Упрощенно можно сказать: все, что проводит электрический ток, для радиоволны является преградой. Это -- металлы, соленая морская вода, влажная почва, сильно ионизированный газ. С частотой колебаний связана длина волны -- расстояние, которое она пройдет за один период колебания. То есть, длина волны равна скорости распространения, деленной на частоту: ^ = 300 / f , где ^ ('это прописная греческая "лямбда") в метрах, а f -- частота в МГц. И наоборот, f = 300 / ^.
Часто длину волны используют для обозначения диапазона радиоволн: длинноволновый (ДВ), средневолновый (СВ), коротковолновый (КВ), ультракоротковолновый (УКВ), а также метровые, дециметровы, сантиметровые и т.д волны. Наиболее интересный для нас КВ диапазон занимает условно участок от 10 до 160 м.
Как же получить радиоволну? Здесь не обойтись без генератора незатухающих колебаний. Подключим к LC контуру два длинных (соизмеримых с длиной волны) параллельных провода, как на рис. 6.1 А. Очевидно, их можно считать продолжением конденсатора: два провода -- это две обкладки. Но в то же время, они -- и продолжение катушки: по проводам потекут токи заряда -- разряда "импровизированного" конденсатора. Поскольку провода длинные (будем их именовать, как принято, ЛИНИЕЙ), а на заряд и разряд необходимо какое-то время, в разных точках линии окажутся разные фазы тока и напряжения: на каком-то участке идет разряд, а на соседнем -- заряд. В следующее мгновение картина переместится вдоль линии. Рассмотрим для упрощения только изменение напряжения (характер изменения тока тот же, только, мы помним, со сдвигом на полпериода). На рисунке дано моментальное (как на фотографии) распределение напряжения вдоль линии. Конечно, ток и напряжение порождают магнитное и электрическое поля. Силовые линии электрического поля показаны стрелками. Пока они "спрятаны" между проводами. А если развести провода друг от друга (рис. 6.1 Б)? Силовые линии растягиваются, частично "выходя наружу". Когда же провода займут положение рис. 6.1 В, силовые линии окажутся полностью "на свободе", и поле сможет начать самостоятельную жизнь в пространстве. Таким же образом приобретет "свободу" и магнитное поле. Итог -- радиоволна, которая вольна распространяться во все стороны. Конечно, к воображаемому процессу "разведения" проводов мы прибегли только для того, чтобы показать, как можно электромагнитные колебания "выпустить наружу". На практике сразу используют отдельные провода АНТЕННЫ и ПРОТИВОВЕСА. Их старются поднять как можно выше над землей, чтобы радиоволне было "просторнее" -- а то всякие местные предметы и здания, да и близкая поверхность земли, будут ей мешать. Часто роль противовеса выполняет ЗАЗЕМЛЕНИЕ. Впрочем, об антеннах мы поговорим отдельно, сейчас лишь отметим, что они выполняют роль преобразователя энергии колебаний контура в энергию радиоволны (как палка, которой мы колотили по воде). Находят применение и линии. Раз антенна поднята высоко вверх, надо энергию к ней подвести (не будет же оператор залезать с радиостанцией на мачту, как обезъяна на пальму!). Для этого включают линию между передатчиком и антенной. Тогда антенна вполне может быть поднята на какую угодно высоту, а оператор будет сидеть в уютной радиорубке. Такая линия ПИТАЕТ антенну. Ее обычно и называют ФИДЕРОМ (от английского feeder -- питатель). Наша линия из двух проводов именуется ОТКРЫТОЙ. Чаще находят применение КОАКСИАЛЬНЫЕ линии из кабеля, центральный провод которой окружен диэлетриком и -- поверх него -- оболочкой-оплеткой из проволоки. Уж такая экранированная линия сама излучать не будет и донесет всю энергия до антенны.
Итак, у нас есть антенна, излучающая радиоволну. Составляющие ее магнитное (его обозначают латинской буквой Н) и электрическое (латинская буква Е) поля можно изобразить соответствующими ВЕКТОРАМИ НАПРЯЖЕННОСТИ ПОЛЯ. Определение понятия "напряженность" достаточно сложно, мы может понимать его как "величина" или "сила" поля. Вектор (от латинского слова vector, несущий) это математический символ любого параметра (не только напряженности поля), имеющего величину и направление. На рисунках его изображают отрезком прямой со стрелкой. Стрелка указывает направление, а длина отрезка соответствет величине параметра. Забраться в такие математические дебри нам пришлось, чтобы перейти от символических силовых линий (кстати, чаще применяемых в электротехнике) к более строгому параметру поля. К тому же силовые линии "привязаны" к полюсам магнита, обкладкам конденсатора. Поле же, образуя волну, свободно перемещается в пространстве. В частных случаях эти понятия друг другу не противоречат, например, в нашем примере образования антенны можно вместо силовых линий оперировать напряженностью электрического поля.
На рис. 6.2 дано изображение волны в сиcтеме прямоугольных координат X,Y,Z. Антенна расположена горизонтально. Волна распространяется в направлении Х. Видно, что векторы Е и Н лежат соответственно в плоскостях XY (горизонтальной) и XZ (вертикальной), они перпендикулярны друг к другу. Это можно понять, если вспомнить, что магнитные силовые линии идут вокруг провода с током (следовательно, перпендикулярно к нему), а электрические лежат в плоскости проводов линии, которую мы превратили в антенну, то есть горизонтально. О такой волне говорят, что она имеет плоскую поляризацию, причем -- горизонтальную (считается по вектору Е). Она определяется положением антенны в пространстве: если нашу антенну повернуть на 90 градусов, мы получим вертикальную поляризацию.
Радиоволна вырвалась из объятий антенны и понеслась вперед со скоростью света. Что ждет ее на пути? Кстати, почему только вперед? Та антенна, о которой шла речь, излучает ее и вперед и назад, поскольку сама "переда" и "зада" не имеет. Вдобавок в вертикальной плоскости волна излучается вкруговую, на все 360 градусов. Это вам не свет, который можно сконцентрировать простейшим рефлектором в пучок и освещать им отдаленные предметы, используя лишь маломощный карманный фонарик. Приходится мириться с тем, что значительная часть энергии радиоволны расходуется впустую. В аналогии со светом это означает, что вместо карманного фонарика мы вынуждены освещать предметы (а также территорию вокруг) мощной электролампой. Так и наша антенна "освещает" радиоволной все подряд, без разбора.
Часть энергии волны, излученной вверх, поглотится ионизированными слоями атмосферы -- ИОНОСФЕРОЙ, а то, что преодолеет этот барьер, просто уйдет в космос. Другая часть, направленная вниз, поглотится почвой либо, отраженная ей, также устремится ввысь. И только оставшаяся часть может представить для нас интерес. Здесь возможны два варианта распространения, показанные на рис.6.3: ЗЕМНОЙ (поверхностной) или ОТРАЖЕННОЙ (пространственной) волнами. Земная волна (1) распространяется вдоль поверхности земли, слегка огибая ее. Причем, лучше огибают землю более длинные волны. Дальность распространения сильно зависит от высоты антенны. Прямо как в сказке "Маша и медведь": "Высоко сижу -- далеко гляжу!". Отраженная волна (2 ) под углом (иначе не отразится!) достигает ионосферы. Последняя действует как полупрозрачное и довольно мутное зеркало: что-то пропускает насквозь (в космос), много поглощает, но какую-то долю и отражает. И эта доля достигает земли уже на гораздо большем расстоянии, чем земная волна. Сверхдальнее распространение возможно только при нескольких СКАЧКАХ, когда волна (3) также отражается от поверхности земли. И при каждом отражении значительная часть энергии теряется, поэтому для многоскачкового распространения необходимо особо благоприятное состояние ионосферы. А это состояние зависит от солнечной активности и подвержено сезонным и суточным изменениям.
Настало время разобраться с тем, что же это такое -- радиоволны, как они образуются? Прежде всего, надо уяснить, что любая волна -- радио в том числе -- это колебания, распространяющиеся в пространстве. Мы уже знакомы с электромагнитными колебаниями в LC-контуре, упоминали маятник как пример колебаний механических. Но оба устройства -- так сказать, стационарные: маятник "привязан" к настенным часам, контур собран на лабораторном макете. Распространение механических колебаний мы можем получить на поверхности воды, бросив в нее камень -- пойдут расходящиеся круги-волны. Заметим характерную особенность волны: сама вода не перемещается, пляшущая на ней щепка только поднимается и опускается. Очевидно, движение вверх -- вниз частиц воды передается , как эстафета, соседним частицам. Другими словами, происходит передача энергии от места падения камня к периферии. В результате круги расширяются, пока не затухнут вдали, потратив энергию на преодоление трения между частицами воды. Но и в этом случае можно получить незатухающие колебания: например, ударять по воде палкой. Правда, получить совершенно незатухающую волну, распространяющуюся на бесконечно большое расстояние, все равно не удастся: любая реальная энергия будет рано или поздно поглощена. Но ударяя с большей силой, мы получим и более высокие волны, и более дальнее их распространение. Вот что еще любопытно: хотя волны от сильного удара палкой стали выше, скорость расхождения кругов ... осталась той же! Что легко можно установить, имея секундомер. Делаем резюме: волна -- это результат действия специального устройства ( в нашем случае камня, палки), которое преобразует приложенную энергию в энергию колебаний. Эта энергия передается на расстояние. От величины энергии зависит амплитуда и дальность распространения волны. Скорость же распространения постоянна для данного типа колебаний и данной среды. Ничем не отличается (кроме, разве, трудности визуального наблюдения) распространение в воздухе звуковой волны, порождаемой, скажем, колеблющейся струной. Да, еще отличие: скорость звука в воздухе иная, нежели скорость распространения механических волн в воде. Но и только.
Теперь уже недалеко до радиоволны. Правда, круги на воде можно увидеть, звуковые волны в воздухе -- несложно вообразить. Гораздо больше фантазии потребуется, чтобы представить себе расходящиеся колебании электромагнитного поля. Попробуйте! Может, у вас возникнет какая-то интересная ассоциация... Впрочем, вы хотите возразить: в первых примерах мы имели дело с частицами воды и воздуха, а здесь -- поле! Ну и что? По современным воззрениям на физику окружающая нас материя непременно проявляет (хотя и в разной степени) свойства как частицы, так и поля. Эта теория носит название корпускулярно-волнового дуализма. Углубляться в нее мы не будем, только отметим, что колебания частиц и колебания полей -- не противоречащие друг другу явления. Понятно, радиоволна может существовать и в безвоздушном пространстве, в нем она распространяется со скоростью света -- 300 тыс. км/сек. Кстати, а ведь свет -- это тоже электромагнитное колебание, только очень уж сверх- сверхвысокой частоты. Как и для света, для радиоволны существуют прозрачные и непрозрачные материалы. Упрощенно можно сказать: все, что проводит электрический ток, для радиоволны является преградой. Это -- металлы, соленая морская вода, влажная почва, сильно ионизированный газ. С частотой колебаний связана длина волны -- расстояние, которое она пройдет за один период колебания. То есть, длина волны равна скорости распространения, деленной на частоту: ^ = 300 / f , где ^ ('это прописная греческая "лямбда") в метрах, а f -- частота в МГц. И наоборот, f = 300 / ^.
Часто длину волны используют для обозначения диапазона радиоволн: длинноволновый (ДВ), средневолновый (СВ), коротковолновый (КВ), ультракоротковолновый (УКВ), а также метровые, дециметровые, сантиметровые и т.д волны. Наиболее интересный для нас КВ диапазон занимает условно участок от 10 до 160 м.
Как же получить радиоволну? Здесь не обойтись без генератора незатухающих колебаний. Подключим к LC контуру два длинных (соизмеримых с длиной волны) параллельных провода, как на рис. 6.1 А. Очевидно, их можно считать продолжением конденсатора: два провода -- это две обкладки. Но в то же время, они -- и продолжение катушки: по проводам потекут токи заряда -- разряда "импровизированного" конденсатора. Поскольку провода длинные (будем их именовать, как принято, ЛИНИЕЙ), а на заряд и разряд необходимо какое-то время, в разных точках линии окажутся разные фазы тока и напряжения: на каком-то участке идет разряд, а на соседнем -- заряд. В следующее мгновение картина переместится вдоль линии. Рассмотрим для упрощения только изменение напряжения (характер изменения тока тот же, только, мы помним, со сдвигом на полпериода). На рисунке дано моментальное (как на фотографии) распределение напряжения вдоль линии. Конечно, ток и напряжение порождают магнитное и электрическое поля. Силовые линии электрического поля показаны стрелками. Пока они "спрятаны" между проводами. А если развести провода друг от друга (рис. 6.1 Б)? Силовые линии растягиваются, частично "выходя наружу". Когда же провода займут положение рис. 6.1 В, силовые линии окажутся полностью "на свободе", и поле сможет начать самостоятельную жизнь в пространстве. Таким же образом приобретет "свободу" и магнитное поле. Итог -- радиоволна, которая вольна распространяться во все стороны. Конечно, к воображаемому процессу "разведения" проводов мы прибегли только для того, чтобы показать, как можно электромагнитные колебания "выпустить наружу". На практике сразу используют отдельные провода АНТЕННЫ и ПРОТИВОВЕСА. Их стараются поднять как можно выше над землей, чтобы радиоволне было "просторнее" -- а то всякие местные предметы и здания, да и близкая поверхность земли, будут ей мешать. Часто роль противовеса выполняет ЗАЗЕМЛЕНИЕ. Впрочем, об антеннах мы поговорим отдельно, сейчас лишь отметим, что они выполняют роль преобразователя энергии колебаний контура в энергию радиоволны (как палка, которой мы колотили по воде). Находят применение и линии. Раз антенна поднята высоко вверх, надо энергию к ней подвести (не будет же оператор залезать с радиостанцией на мачту, как обезъяна на пальму!). Для этого включают линию между передатчиком и антенной. Тогда антенна вполне может быть поднята на какую угодно высоту, а оператор будет сидеть в уютной радиорубке. Такая линия ПИТАЕТ антенну. Ее обычно и называют ФИДЕРОМ (от английского feeder -- питатель). Наша линия из двух проводов именуется ОТКРЫТОЙ. Чаще находят применение КОАКСИАЛЬНЫЕ линии из кабеля, центральный провод которой окружен диэлетриком и -- поверх него -- оболочкой-оплеткой из проволоки. Уж такая экранированная линия сама излучать не будет и донесет всю энергия до антенны.
Итак, у нас есть антенна, излучающая радиоволну. Составляющие ее магнитное (его обозначают латинской буквой Н) и электрическое (латинская буква Е) поля можно изобразить соответствующими ВЕКТОРАМИ НАПРЯЖЕННОСТИ ПОЛЯ. Определение понятия "напряженность" достаточно сложно, мы может понимать его как "величина" или "сила" поля. Вектор (от латинского слова vector, несущий) это математический символ любого параметра (не только напряженности поля), имеющего величину и направление. На рисунках его изображают отрезком прямой со стрелкой. Стрелка указывает направление, а длина отрезка соответствует величине параметра. Забраться в такие математические дебри нам пришлось, чтобы перейти от символических силовых линий (кстати, чаще применяемых в электротехнике) к более строгому параметру поля. К тому же силовые линии "привязаны" к полюсам магнита, обкладкам конденсатора. Поле же, образуя волну, свободно перемещается в пространстве. В частных случаях эти понятия друг другу не противоречат, например, в нашем примере образования антенны можно вместо силовых линий оперировать напряженностью электрического поля.
На рис. 6.2 дано изображение волны в сиcтеме прямоугольных координат X,Y,Z. Антенна расположена горизонтально. Волна распространяется в направлении Х. Видно, что векторы Е и Н лежат соответственно в плоскостях XY (горизонтальной) и XZ (вертикальной), они перпендикулярны друг к другу. Это можно понять, если вспомнить, что магнитные силовые линии идут вокруг провода с током (следовательно, перпендикулярно к нему), а электрические лежат в плоскости проводов линии, которую мы превратили в антенну, то есть горизонтально. О такой волне говорят, что она имеет плоскую поляризацию, причем -- горизонтальную (считается по вектору Е). Она определяется положением антенны в пространстве: если нашу антенну повернуть на 90 градусов, мы получим вертикальную поляризацию.
Радиоволна вырвалась из объятий антенны и понеслась вперед со скоростью света. Что ждет ее на пути? Кстати, почему только вперед? Та антенна, о которой шла речь, излучает ее и вперед и назад, поскольку сама "переда" и "зада" не имеет. Вдобавок в вертикальной плоскости волна излучается вкруговую, на все 360 градусов. Это вам не свет, который можно сконцентрировать простейшим рефлектором в пучок и освещать им отдаленные предметы, используя лишь маломощный карманный фонарик. Приходится мириться с тем, что значительная часть энергии радиоволны расходуется впустую. В аналогии со светом это означает, что вместо карманного фонарика мы вынуждены освещать предметы (а также территорию вокруг) мощной электролампой. Так и наша антенна "освещает" радиоволной все подряд, без разбора.
Часть энергии волны, излученной вверх, поглотится ионизированными слоями атмосферы -- ИОНОСФЕРОЙ, а то, что преодолеет этот барьер, просто уйдет в космос. Другая часть, направленная вниз, поглотится почвой либо, отраженная ей, также устремится ввысь. И только оставшаяся часть может представить для нас интерес. Здесь возможны два варианта распространения, показанные на рис.6.3: ЗЕМНОЙ (поверхностной) или ОТРАЖЕННОЙ (пространственной) волнами. Земная волна (1) распространяется вдоль поверхности земли, слегка огибая ее. Причем, лучше огибают землю более длинные волны. Дальность распространения сильно зависит от высоты антенны. Прямо как в сказке "Маша и медведь": "Высоко сижу -- далеко гляжу!". Отраженная волна (2 ) под углом (иначе не отразится!) достигает ионосферы. Последняя действует как полупрозрачное и довольно мутное зеркало: что-то пропускает насквозь (в космос), много поглощает, но какую-то долю и отражает. И эта доля достигает земли уже на гораздо большем расстоянии, чем земная волна. Сверхдальнее распространение возможно только при нескольких СКАЧКАХ, когда волна (3) также отражается от поверхности земли. И при каждом отражении значительная часть энергии теряется, поэтому для многоскачкового распространения необходимо особо благоприятное состояние ионосферы. А это состояние зависит от солнечной активности и подвержено сезонным и суточным изменениям.
Пока наша радиоволна не несет информации, разве что своим присутствием или отсутствием может ответить на простейший вопрос: "да" или "нет". Но ведь можно, во-первых с каким-то смыслом включать и выключать передатчик (МАНИПУЛИРОВАТЬ его). Тогда "да" и "нет" превратятся в знаки телеграфной азбуки, точки и тире. Эту систему передачи информации так и называют РАДИОТЕЛЕГРАФОМ или просто ТЕЛЕГРАФОМ. Его широко используют радиолюбители и служебные связные станции. А можно наложить на радиоволну звук, МОДУЛИРОВАТЬ ее - получится РАДИОТЕЛЕФОННАЯ или просто ТЕЛЕФОННАЯ передача. Принцип модуляции состоит в том, что звуковой сигнал управляет одним из параметров излучаемого радиосигнала. Как мы помним, параметрами колебаний являются амплитуда и частота. Управляя ими, мы получим, соответственно, АМПЛИТУДНУЮ (АМ) либо ЧАСТОТНУЮ (ЧМ или FM -- Frequency Modulation) модуляцию. Первую широко применяют на ДВ, СВ и КВ вещательные станции, вторую -- вещательные и телевизионные (канал звука), связные, любительские станции на УКВ. Рис. 7.1 поясняет принцип амплитудной модуляции (она более наглядна). На графиках в качестве примера показаны зависимости амплитуды радиосигнала (к примеру, его электрического поля Е): на левых -- от времени t, на правых -- от частоты f. В режиме молчания (случай А) излучается радиосигнал F0 c неизменной амплитудой. Частоту F0 (а также и сам сигнал) называют НЕСУЩЕЙ. Подадим звуковой сигнал, имеющий частоту f1 (случай Б). Мы видим, что амплитуда радиосигнала стала колебаться с частотой f1. Говорят, что звуковой сигнал служит ОГИБАЮЩЕЙ, он действительно огибает несущую, ограничивая ее амплитуду. В частотном же спектре -- на правом графике -- появились две БОКОВЫЕ частоты: ВЕРХНЯЯ F0 + f1 и НИЖНЯЯ F0 -- f1. Если звуковых частот будет две, три и так далее, мы получим более сложную форму колебаний амплитуды и удвоенное число боковых частот. А модуляция реальным спектром частот (назовем его дельта-f) даст еще более сложную форму колебаний амплитуды, по обе стороны от несущей F0 появятся верхний и нижний боковые спектры или ПОЛОСЫ частот шириной дельта-f каждый (случай В). Эти полосы и несут полезную информацию.
Вот что мы выяснили: при модуляции звуковой сигнал "раздваивается", давая две совершенно одинаковые полосы частот. Очевидно, их излучение приводит лишь к бесполезному расходу энергии, поскольку они дублируют информацию. Вдобавок излучается бесполезная несущая. Стоит ли быть такими расточительными? "Не стоит!" -- решили любители и поголовно перешли на использование ОДНОПОЛОСНОЙ модуляции: ОБП (одна боковая полоса) или SSB (Single Side Band). Смысл ее в том, что одна из боковых полос и несущая специальными мерами ПОДАВЛЯЮТСЯ. SSB сигнал уже нельзя назвать просто амплитудно-модулированным, он гораздо сложнее.
Поговорим о приемниках. Простейший приемник -- детекторный. Когда-то, на заре радиовещания, он был весьма распространен и поначалу был даже единственным бытовым радиоустройством. Теперь же он поможет нам понять принцип радиоприема. Что детекторный приемник весьма прост, видно из его схемы на рис.7.2 . Приемная антенна А (противовесом служит заземление З) преобразует окружающие нас бесчисленные электромагнитные поля в электрические сигналы. Колебательный контур LC1 выделяет из них тот, на частоту которого он настроен. Органом настройки является конденсатор переменной емкости С1. Диод Д -- ДЕТЕКТОР. По сути, его функция та же, что у выпрямительного диода. Это видно из графика: положительная полуволна радиосигнала проходит, отрицательная -- нет. За детектором включен ГОЛОВНОЙ ТЕЛЕФОН ТЛФ (в просторечии именуемый "наушником", но этот термин -- синоним малосимпатичных понятий "доносчик", "стукач", поэтому постараемся его избегать). Огибающая сигнала станет звуком в телефоне, а высокая частота будет блокирована конденсатором С2 (он так и называется БЛОКИРОВОЧНЫМ). На детекторный приемник можно услышать мощные местные станции. А если мы хотим принять станции дальние? Правильно, их сигналы надо усилить с помощью усилителей на лампах или транзисторах.
На рис. 7.3 дана блок-схема приемника с усилителями высокой (УВЧ) и низкой (УНЧ) частот. Остальные узлы -- контур и детектор -- те же, что у детекторного приемника. Применение УНЧ позволит подключить вместо телефонов громкоговоритель Гр. Такой приемник получил название приемника ПРЯМОГО УСИЛЕНИЯ. Есть приемник и "непрямого усиления" -- СУПЕРГЕТЕРОДИН. Отличие состоит в том (см. рис. 7.4), что после УВЧ включен ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ, состоящий из СМЕСИТЕЛЯ (См.) и вспомогательного генератора ГЕТЕРОДИНА (Гет.). Обычно частоту гетеродина можно изменять, перестраивать (конденсатором переменной емкости либо варикапом). С помощью смесителя принятый и усиленный ВЧ сигнал преобразуется в сигнал ПРОМЕЖУТОЧНОЙ ЧАСТОТЫ, фильтруется фильтром (ФПЧ) и усиливается усилителем (УПЧ). Для чего такая сложность? Исключительно из-за УПЧ и ФПЧ, которые позволяют достичь наилучших параметров сигнала: УПЧ имеет гораздо большее усиление, чем УВЧ, а фильтр (часто кварцевый или ЭМФ) эффективно "обрезает" всяческие посторонние частоты-помехи. Принцип преобразования частот напоминает только что рассмотренную модуляцию: так же один сигнал налагается на другой, и на выходе появляются суммарная и разностная частоты. Остается только выбрать желаемую комбинацию и подавить (LC контуром или фильтром) ненужную. Чаще всего используют разность частот, тогда ПЧ будет ниже и принимаемого сигнала, и сигнала гетеродина. Поскольку принимаемая частота -- переменная, для получения постоянной ПЧ частота гетеродина также должна быть переменной. Если же в качестве гетеродина применить генератор фиксированной частоты, будет переменной ПЧ. Это менее удобно (хотя и вполне возможно), так как заставит делать перестраиваемым ФПЧ. А мы знаем, что наиболее эффективные фильтры -- кварцевые и ЭМФ -- имеют фиксированные частоты. В высококачественных связных приемниках часто делают двойное преобразование, с двумя разными ПЧ. Частота первого гетеродина при этом может быть фиксированной, "кварцованной". Тогда первая ПЧ окажется переменной, но это не страшно: фильтр применяют по второй, фиксированной ПЧ.
За УПЧ следует детектор. И здесь можно было бы поставить диод, но вы уже, наверное, догадались, что он позволит принимать только АМ сигнал. Ведь продетектировав диодом "гладкую" несущую телеграфного сигнала, мы не ничего не услышим: нет огибающей -- нет и звука! Не годится амплитудный детектор и для сложной однополосной модуляции. Проблема решается применением, ТЕЛЕГРАФНОГО гетеродина. Он восстанавливает подавленную при передаче несущую, что даст возможность принять SSB сигнал. Такой гетеродин можно добавить к амплитудному детектору (что было рекомендовано в заметке "Как стать наблюдателем", "Патриот", № 17, 98 г.). А еще лучше применить СМЕСИТЕЛЬНЫЙ ДЕТЕКТОР, в принципе аналогичный первому смесителю. На его выходе будет получен НЧ сигнал при приеме как телеграфного, так и SSB сигналов.
Основными параметрами, определяющими качество приемника, служат ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ и ИЗБИРАТЕЛЬНОСТЬ. Смысл их понятен из названия: чем чувствительнее приемник, тем он лучше "слышит" слабые сигналы; избирательность -- это свойство выделять полезный сигнал в хаосе всевозможных помех. Казалось бы, нет ничего проще повышения чувствительности: достаточно подвергнуть слабый сигнал многократному усилению. Ан нет! Во-первых, при этом усилятся и шумы -- а шумит все: эфир и провода антенны, усилители и вообще все каскады приемника. Так что реальным ограничителем на этом пути становится ОТНОШЕНИЕ СИГНАЛА К ШУМУ, снижения которого допускать нельзя. Во-вторых, при слишком большом усилении различные мощные помехи, которых всегда в избытке, особенно в городах, могут возрасти до того, что вообще "забьют" приемник и подавят полезный сигнал. У радиолюбителей издавна существует поговорка: "Лучший усилитель -- это хорошая антенна". Вот по этому пути можно идти без оглядки: улучшение антенны ограничено разве что наличием места на крыше или приусадебном участке и нашими материальными возможностями. Избирательность обеспечивает в основном ФПЧ, который должен существенно подавлять все частоты вне своей полосы.

0

5

А теперь поговорим о передатчиках. Простейший из них -- это уже упоминавшийся источник незатухающих колебаний, генератор на лампе или транзисторе с подключенной антенной. Ну, понятно, такой примитив нас устроить не может. Прежде всего из-за его подверженности влиянию внешних условий на СТАБИЛЬНОСТЬ частоты колебаний: достаточно сесть на провод антенны птичке, и частота "уйдет". Стало быть, корреспондент потеряет принимаемый сигнал. "Ушедшая" же частота может наползти на занятую другими станциями частоту и создать помеху. Да, нестабильность передатчика -- тяжкий грех для радиолюбителя. Вдобавок ничего, кроме телеграфа, мы от такого примитивного передатчика не получим. Да и как его манипулировать? Не включать же телеграфный ключ в цепь антенны! Ведь при мало-мальски приличной мощности вместо передачи мы получим ... фейерверк -- электрическую дугу между контактами ключа. Если же манипулировать сам генератор ... Не позавидуешь тому, кто попробует расшифровать это мяукание: ведь процесс колебаний стабилизируется не сразу, нужно выждать хотя бы несколько мгновений. Наконец, трудно разрешима проблема получения нескольких диапазонов. Коммутировать катушку генератора -- значит вносить еще один элемент нестабильности частоты.
Итак, договорились: трогать генератор не будем, а обеспечим необходимые качества передатчика добавлением "прибамбасов". На рис. 8.1 дана уже реальная блок-схема телеграфного (CW - от Continuous Wave, что переводится как "незатухающие колебания") передатчика. Правда, надо признать, сейчас мода на такие аппараты прошла, главным образом из-за широчайшего распространения SSB. Тем не менее, познакомимся с прародителем современной любительской передающей аппаратуры. Впрочем, и сегодня он имеет право на жизнь как первый передатчик начинающего. Генератор стал в нем ЗАДАЮЩИМ (ЗГ). Решением проблемы стабильности было бы применение кварцевого резонатора. Однако тогда передатчик излучал бы только на одной, "кварцованной" частоте. Поскольку же при установлении любительских радиосвязей частоту приходится менять, задающий генератор обычно делают перестраиваемым. Для обеспечения высокой стабильности при этом применяют специальные меры: стабилизацию питающего напряжения, включение термокомпенсирующих конденсаторов и т.п. Чтобы устранить влияние последующих каскадов, применен БУФЕР (Буф.) -- усилитель, работающий в "легком" режиме. Буфер уже можно безбоязненно манипулировать телеграфным ключом (Кл.). В следующем каскаде (Умн.) или нескольких аналогичных каскадах решается проблема получения разных диапазонов -- путем УМНОЖЕНИЯ (обычно УДВОЕНИЯ) частоты. Выходной LC контур умножителя настроен на частоту, кратную подводимой. Такие кратные частоты называют ГАРМОНИКАМИ. Поскольку на заре радиолюбительства другие методы не применялись, частоты нижней границы каждого любительского КВ диапазона (они существуют и сегодня) специально подобраны по принципу кратности. Немного выпадает из ряда, правда, диапазон 1,8 МГц , но совсем чуть-чуть: 1,8 х 2 = 3,6, а следующий диапазон начинается с 3,5 МГц. Зато дальше все идет идеально: 3,5 х 2 = 7 МГц; 7 х 2 = 14 МГц и 7 х 3 = 21 МГц; 14 х 2 = 28 МГц. Сравнительно недавно любителям подарили еще три диапазона: 10, 18 и 24 МГц (их еще называют WARC диапазонами - по названию конференции Международного союза электросвязи, на котором было принято это решение). Здесь кратности уже нет.
Откуда вдруг возникают гармоники? Немного углубимся в теорию. Любое колебание какой угодно сложности -- хоть прямоугольной формы, хоть в виде замысловатой загогулины -- можно
математически и графически разложить в ряд составляющих синусоидальных колебаний гармонических частот и разных амплитуд. Вы можете проверить это на практике, идя от обратного: нарисуйте на бумаге две -- три синусоиды, а потом наложите их "на просвет" друг на друга и по точкам просуммируйте амплитуды. Получится какая-то другая, уже несинусоидальная фигура. Чем больше слагаемых, тем фигура сложнее., и, наоборот, чем она сложнее, тем больше гармоник. Кстати, прямоугольную форму образует бесконечно большое число слагаемых синусоид. Характеристика реального усилителя, в зависимости от установленных режимов питающих напряжений, всегда обладает большей или меньшей нелинейностью. Значит, усилитель неизбежно искажает, и усиленный сигнал отличается от синусоиды, то есть, содержит гармоники. Так вот, умножитель специально ставят в такой режим, чтобы в выходном сигнале амплитуда нужной нам гармоники была максимальной.
Итак, применив один или несколько удвоителей и (возможно) утроитель, мы получили все желаемые диапазоны. Почему же нельзя сразу, в одном каскаде, учетверить, упятерить частоту? Только по одной причине: при каждом умножении амплитуда сигнала резко падает, и после, скажем, учетверения потребуется дополнительное усиления. Так что, овчинка не стоит выделки. К тому же усилители, настроенные на одинаковую частоту, из-за трудно устранимых паразитных связей между ними (индуктивных, по проводам питания, через монтажные емкости) часто превращаются в... генератор! Тогда возникает страшный бич передатчика -- САМОВОЗБУЖДЕНИЕ. Аппарат "взвывает"! ОКОНЕЧНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ (ОУ) определяет МОЩНОСТЬ ПЕРЕДАТЧИКА. Различают мощности ПОДВОДИМУЮ (потребляемую от источника питания - по знакомой нам формуле P = U I) и ОТДАВАЕМУЮ. Последнюю также иногда называют мощностью в антенне (ходя до антенны ей еще предстоит добраться). Обычно принимают, что подводимая мощность в два раза больше отдаваемой. На выходе оконечного усилителя стоит перестраиваемый фильтр нижних частот (Ф), в задачи которого входят настройка каскада в резонанс, СОГЛАСОВАНИЕ с антенной (такая настройка, при которой в антенну поступит максимальная часть мощности) и фильтрация гармоник.
Опять эти гармоники! Но если в умножителях они играют положительную роль, в выходном сигнале передатчика эти составляющие превращаются в страшный бич. Когда-то они стоили коротковолновикам буквально морей крови, создавая помехи телевидению, и решительные телезрители применяли все меры, вплоть до физических, к недопущению работы любительских станций. Впрочем, и сегодня есть местности, где по-прежнему телеприем идет по эфиру (а не по кабелю, как в больших городах), да еще телецентр далеко и его сигнал слаб. Там эта проблема пока еще актуальна. Но не только гармоники могут вызывать претензии. Любые ПОБОЧНЫЕ ИЗЛУЧЕНИЯ создают помехи -- другим любителям, различным службам связи. Что же это за излучения? Передатчик имеет право излучать сигнал только допустимой ПОЛОСЫ частот. Это значит, что в режиме SSB (там разрешена полоса шириной 3 кГц) он не должен создавать помех на частотах вне этой полосы. В телеграфе полоса не должна превышать 100 Гц. Сразу грубо нарушает это правило самовозбуждение передатчика, обычно приводящее к излучению целой шумовой завесы. Наиболее часто помехи возникают из-за больших искажений сигнала оконечным усилителем. Наиболее кардинальный метод борьбы с помехами -- обеспечение максимальной линейности оконечного усилителя. Тогда гармоники не будут иметь слишком большие амплитуды, и фильтрация поможет их устранить. Стоит, например, установить на выходе передатчика дополнительные режекторные фильтры на частоты местных телеканалов. Однако бывает, что помеха не устраняется чуть ли не при идеальном сигнале передатчика! А то, случается, он мешает только звуковому сопровождению и даже ... магнитофонам! Во-первых, возможно, мешающий сигнал распространяется через электросеть. Тогда проблему снимет включенный в провода питания передатчика фильтр нижних частот. Во-вторых, не исключен случай приема сигнала из эфира самим магнитофоном или УНЧ телевизора. Если посмотреть на входные цепи их усилителей, приходит на ум сходство с ... детекторным приемником! Ведь p-n переходы транзисторов -- это те же детектирующие диоды, а отсутствие элементов настройки приводит к тому, что мощный сигнал любой частоты вполне может приниматься как помеха. Здесь поможет только включение фильтра на вход телевизора или магнитофона. Чтобы устранить излучения передатчика внутри помещения, следует надежно экранировать его металлическим корпусом.
Наш телеграфный передатчик довольно просто превратить в телефонный. Оконечный усилитель модулируют, подав на него звуковой сигнал от МИКРОФОННОГО УСИЛИТЕЛЯ (МУ), усиливающего сигнал микрофона (Микр.). Это будет амплитудная модуляция. Кстати, если бы нам вздумалось получить частотную модуляцию (она разрешена на УКВ), потребовалось бы поставить в контур задающего генератора варикап и подавать на него напряжение от микрофонного усилителя.
На рис. 8.2 показана блок-схема SSB передатчика, в котором использован ЭМФ. Это наиболее массовый вариант. Принцип не изменится, если вместо ЭМФ поставить кварцевый фильтр. Вообще, кроме ФИЛЬТРОВОГО способа формирования SSB сигнала, существуют и другие варианты, но они более сложны и применяются крайне редко. Опорой для формирования и здесь служит задающий генератор (ЗГ). Иногда его так и нызывают: опорный. На этот раз, правда, уже ничто не мешает нам выполнить генератор на кварцевом резонаторе. Мало того, что он получается проще по конструкции, его стабильность не вызовет нареканий. Далее следует БАЛАНСНЫЙ СМЕСИТЕЛЬ или БАЛАНСНЫЙ МОДУЛЯТОР (БСм.). От обычного смесителя (модулятора) он отличается именно своей балансностью: его симметричная схема позволяет не только получить АМ сигнал, но и ослабить несущую. Затем на сцену выходит ЭМФ. Он пропускает только выбранную нами боковую, подавляя вторую боковую и остаток несущей. SSB сигнал сформирован. Смешав его в обычном смесителе (Смес.) с частотой ГЕТЕРОДИНА ПЛАВНОГО ДИАПАЗОНА (ГПД), получим уже сигнал переменной частоты. При необходимости можно применить еще пару смеситель-гетеродин, чтобы получить другие диапазоны. Конечно же, подвергать SSB сигнал умножению нельзя: нарушатся его частотные соотношения. Оконечный усилитель (ОУ) и фильтр (Ф) принципиально не отличаются от таких же каскадов телеграфного передатчика. Однако здесь предъявляются строгие требования к линейности характеристики усилителя: он не должен допускать существенных искажений сигнала. Если разбалансировать балансный смеситель и отключить микрофонный усилитель, на ЭМФ поступит несущая. Ослабленная, но не полностью подавленная фильтром, она попадет на следующий смеситель. Так мы получим телеграфный сигнал, надо лишь выбрать место для включения телеграфного ключа.
Вы конечно заметили, что в блок-схемы супергетеродинного приемника и SSB передатчика состоят почти из одних и тех же блоков (кроме, разве что, оконечного усилителя). Нельзя ли их использовать попеременно на прием и передачу? Можно! И весьма удобно: не говоря даже об экономии деталей, мы получим приемопередатчик, управляемый одной и той же ручкой настройки на частоту. Такие аппараты называют ТРАНСИВЕРАМИ (Tranciever). Это соединение английских слов Transmitter (передатчик) и Reciever (приемник). Сейчас весь цивилизованный радиолюбительский мир работает на трансиверах, раздельные приемники и передатчики можно встретить крайне редко. Почти всегда оконечный усилитель передающей части выполняют в виде отдельного блока -- так выигрываются размеры (трансивер становится очень компактным), а тепло, выделяемое мощным усилителем, не нарушает режима работы транзисторов. Приходится отметить, что пока не до конца решена задача эффективного построения мощных усилителей на транзисторах: ламповые конструкции получаются более простыми, дешевыми и надежными.

0

6

Третий компонент любительской радиостанции -- это антенна. Впрочем, по значимости ее можно поставить и на первое место. Ведь именно антенна непосредственно занята процессом радиопередачи, в то время как передатчик лишь формирует сигнал для этого процесса. И при приеме даже самый совершенный приемник окажется ни к чему, если антенна не "уловила" энергию радиоволны. Конечно, сами по себе важны избирательность и чувствительность приемника, совершенство сигнала и мощность передатчика. Однако лишь хорошая антенна даст возможность воспользоваться ими с максимальным эффектом. Расточительно делать отдельные антенны -- для передачи и для приема. Да и нет необходимости, ибо все их характеристики в обоих случаях полностью идентичны. Этим любители пользуются очень часто, переключая антенну на вход приемника либо на выход передатчика. Какие же качества определяют эффективность антенны? Как любому устройству, ей присущ коэффициент полезного действия, КПД. Общий его смысл состоит в том, что устройство должно максимальную часть энергии использовать для "пользы дела", а минимальную -- расходовать на, увы, неизбежные в реальной жизни потери. Для антенны "польза дела" -- излучение энергии в пространство, потери -- нагрев проводов, земли, окружающих предметов. Для антенны КПД = Ри / (Ри + Рп), где Ри -- излучаемая мощность, Рп -- мощность, расходуемая на потери. Надо учитывать, что если магнитная составляющая радиоволны индуцирует токи в проводниках, электрическая составляющая вызывает токи смещения в диэлектриках. Поэтому близость любых посторонних предметов нежелательна. И по этой причине антенну надо поднимать на возможно большую высоту.
Не менее существенно, чтобы максимальная часть энергии излучалась в направлении корреспондента. О направленных свойствах антенны позволяют судить ее ДИАГРАММЫ НАПРАВЛЕННОСТИ -- графики уровня сигнала в разных направлениях. Выигрыш при использовании антенны, имеющей направленность хотя бы в горизонтальной плоскости, уже может достигать десятка (и даже более) раз! Если же добиться, чтобы она излучала не бесполезно вверх, а под малыми углами к горизонту (только тогда энергия отразится от ионосферы), мы получим эффективную антенну для дальних связей. Для оценки ее направленных свойств применяют КОЭФФИЦИЕНТ НАПРАВЛЕННОГО ДЕЙСТВИЯ (КНД). Он показывает, насколько пришлось бы увеличить мощность передатчика при переходе на ненаправленную (либо какую-то другую, принятую за эталон) антенну, чтобы получить такой же уровень сигнала в месте приема. Характеристикой антенны в целом, как с точки зрения обеспечения минимальных потерь, так и с точки зрения эффективного распределения излученной энергии в пространстве, служит ее КОЭФФИЦИЕНТ УСИЛЕНИЯ. Он численно равен произведению КПД на КНД.
Большинство передающих антенн являются резонансными устройствами -- они должны быть настроены на частоту сигнала. Иначе излучаемая доля энергии резко упадет. Если для приемной антенны это требование не является столь решающим -- падение сигнала на входе до некоторой степени можно компенсировать увеличением усиления приемника, для передающей антенны дополнительные потери энергии недопустимы. Основной метод настройки антенны в резонанс -- выбор ее длины такой, чтобы она была кратной определенным долям длины волны (с поправкой на УКОРОЧЕНИЕ из-за влияние земли и окружающих предметов). Это вынуждает либо использовать для каждого диапазона свою отдельную антенну, либо идти на компромисс и, мирясь с заведомым ухудшением эффективности, применять антенны, работающие на гармонических частотах. И здесь можно успешно сыграть на кратности частот любительских диапазонов, о которой мы говорили в прошлый раз. В некоторых конструкциях многодиапазонных антенн для настройки в резонанс предусмотрены емкостные или индуктивные элементы. Возможно также их применение в тех случаях, когда разместить полноразмерную антенну не позволяют местные условия. Обычно это актуально для антенн низкочастотных (а значит, длинноволновых) диапазонов, особенно в городах. Правда такие элементы естетсвенно снижают эффективность антенны.
Передающие свойства радиостанции определяются также качеством фидерной системы. Причем, до такой степени, что обычно ведут речь об антенно-фидерном устройстве в целом. Одно из главных требований к фидеру -- отсутствие антенного эффекта. Это означает, что он не должен излучать (принимать из эфира) энергию. В противном случае будут искажаться диаграммы направленности антенны и-- что особо нежелательно при передаче -- возникать дополнительные потери. Другое требование: передача энергии с наименьшими потерями. Основной параметр линии -- ее ВОЛНОВОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ. Его можно определить так: W = V L/C (квадратный корень из отношения погонных -- приходящихся на единицу длины --индуктивности к емкости). Волновое сопротивление -- чисто активная величина, оно зависит от формы, геометрических размеров, параметров диэлетрика линии. Среди радиолюбителей получили распространение в основном коаксиальные, реже -- двухпроводные симметричные линии. Коаксиальная линия -- экранированная, поэтому ее антенный эффект практически отсутствует. Зато имеют место потери в изоляторе. Применение диэлектрика также увеличивает погонную емкость линии, что приводит к снижению ее волнового сопротивления (обычно до 50 -- 75 Ом). Наконец, скорость распространения волны в коаксиальной линии ниже, чем в воздухе, поэтому длина волны при той же частоте -- ниже. Двухпроводную воздушную линию, наоборот, трудно сделать с волновым сопротивлением меньше 200 Ом. Антенный эффект ей присущ практически всегда, причем он растет с увеличением частоты.
Рассмотрим, что происходит в разомкнутой на конце линии. Так как она ни к чему не подключена, волна, достигнув конца, не находит себе выхода (антенным эффектом пренебрежем), отражается и возвращается назад. Куда она денется? Очевидно, выделится в качестве дополнительного тепла на нагрузке оконечного каскада передатчика. Если усилитель будет выполнен на транзисторе, такая ситуация может вывести его из строя (лампы менее чувствительны к перегреву и перегрузкам). Когда длина линии кратна числу половин длины волны, наложение ПАДАЮЩЕЙ и ОТРАЖЕННОЙ волн создаст неизменное распределение максимумов (ПУЧНОСТЕЙ) и минимумов (УЗЛОВ) тока и напряжения. Волна не движется, она -- СТОЯЧАЯ. Заметим, что на разомкнутом конце всегда будет узел тока и пучность напряжения. Если же замкнуть линию накоротко, узлы и пучности поменяются местами, но волна все равно будет стоячей. Нетрудно догадаться, что для передачи энергии необходимо к фидеру подключить активную нагрузку. В идеальном случае полного СОГЛАСОВАНИЯ это будет антенна, входное сопротивление которой равно волновому сопротивлению линии. При неточной настройке антенны на частоту в ее входном сопротивлении появляются реактивные составляющие -- индуктивные либо емкостные. С другой стороны, линия должна быть согласована с выходом передатчика. Другими словами, сопротивления на входе и выходе линии должны быть активными и равными волновому сопротивлению фидера. Тогда вдоль линии установится БЕГУЩАЯ ВОЛНА. Несовпадение сопротивлений (РАССОГЛАСОВАНИЕ) приведет к появлению наряду с бегущей волной стоячей волны. Мерой качества согласования служат КОЭФФИЦИЕНТЫ СТОЯЧЕЙ и БЕГУЩЕЙ ВОЛН -- КСВ и КБВ. Они определяются как соотношение падающей и отраженной волн. КСВ = 1 означает, например, полное согласование, при рассогласовании КСВ увеличивается. КБВ -- обратная КСВ величина. Поскольку изменить волновое сопротивление фидера мы не можем -- это свойство выбранной нами линии -- приходится согласовывать два других сопротивления. Выход передатчика легко может быть согласован настройкой его оконечного фильтра, вход же антенны -- либо выбором соответствующего ее типа, либо применением специальных согласующих устройств, которые, как и в электротехнике, именуются трансформаторами, только -- высокочастотными. Широко применяются траснсформаторы на кольцах из высокочастотного магнитного материала феррита, а также различные конструктивные ухищрения. Попутно трансформаторы помогают решить задачу перехода от несимметричной коаксиальной линии к симметричному входу антенны. Дело в том, что вносимая при непосредственном включении асимметрия может привести к перекосу, искажению диаграммы направленности антенны.
Вернемся к антенне, которая помогла нам понять принцип излучения радиоволны (в Беседе 6). Она получилась из двухпроводной симметричной линии. Выберем длину антенны равной половине длины волны (поэтому она, кстати, получила название ПОЛУВОЛНОВЫЙ ВИБРАТОР). Тогда вдоль нее возникнет стоячая волна, о чем свидетельствует распределение тока и напряжения, показанное на рис. 9.1 А. На этом примере наглядно видно, как можно подбирать разные входные сопротивления, чтобы антенна была согласована с фидером. Вспомним старый, добрый закон Ома: R = U / I. На концах антенны напряжение максимально, ток теоретически равен нулю. Практически он все-таки есть хотя бы из-за наличия емкости по отношению к земле. Все равно, Rвх если и не бесконечно, все же очень велико. В середине антенны картина обратна: напряжение теоретически равно нулю, ток -- максимален. Реальное сопротивление достаточно мало. В промежуточных точках антенны можно найти любое желаемое Rвх. При питании в центре оно бывает около 70 Ом. Полуволновый вибратор -- не только показательный пример, но и реально применяемый тип антенны. На рисунке она изображена вместе с фидером из коаксиального кабеля (его волновое сопротивление достаточно близко к Rвх) и симметрирующим устройством. На практике для упрощения конструкции симметрированием иногда пренебрегают, поскольку некоторый перекос диаграммы направленности несуществен. Антенну можно выполнить из медного провода, растянув его между мачтами или высокими домами. Диаграмма направленности полуволнового вибратора в горизонтальной плоскости имеет ЛЕПЕСТКИ в виде восьмерки (рис. 9.1 Б). В вертикальной плоскости диаграмма зависит от высоты над землей. Некоторые случаи для разных высот подвеса Н показаны на рис. 9.1 В. Вибратор может иметь размеры и нескольких полуволн. Тогда появится возможность сделать его многодиапазонным, однако придется решать проблему согласования входных сопротивлений на разных диапазонах. Наконец, на низкочастотных диапазонах можно обойтись без фидера и подключить один конец вибратора прямо к выходу передатчика, а второй закрепить на мачте, высоком дереве, соседнем здании. Если удастся удачно согласовать высокое входное сопротивление антенны с выходом передатчика, мы получим неплохой для дальних связей НАКЛОННЫЙ ЛУЧ. Неплохой потому, что его диаграмма в вертикальной плоскости имеет лепестки под малыми углами к горизонту. Наклонный луч требует применения хорошего заземления (надежного и еще -- имеющего малое сопротивление).Впрочем, заземление необходимо при любой антенне -- это непреложное правило техники безопасности, о которой мы поговорим позднее. В городах заземлением может служить водопроводная сеть, трубы отопления или сварной каркас железобетонного здания, в сельской местности -- вкопанный в землю металлический предмет.
Полуволновой вибратор служит основой для многоэлементных направленных антенн. Их принцип состоит в том, что параллельно вибратору на определенных расстояниях размещаются ПАССИВНЫЕ элементы -- РЕФЛЕКТОР и один или несколько ДИРЕКТОРОВ. Очевидно, в пассивных элементах вибратор индуцирует токи. Таким образом, эти элементы становятся как бы вспомогательными антеннами, поля которых корректируют "восьмерку" вибратора: удлиняют ее с одной стороны и укорачивают с другой. Подключение параллельных элементов (в точности, как при параллельном соединении резисторов) уменьшает Rвх примерно до 30 -- 33 Ом, что обычно вынуждает применять согласующее и симметрирующее устройство. Антенна получила название "ВОЛНОВОЙ КАНАЛ". Вместе с диаграммой направленности в горизонтальной плоскости она показана на рис 9.2 А и Б. Кстати, такой тип выбран для всем известных коллективных телевизионных антенн. "Волновой канал" -- достаточно эффективная направленная антенна. Чтобы иметь возможность работать с разными корреспондентами, ее обычно делают вращающейся. Жаль только, что на низкочастотных диапазонах она имеет поистине устрашающие размеры: уже для 7 МГц -- размах 20 м и длину несущей траверсы 10 м! Все перечисленные антенны имеют горизонтальную поляризацию. А вот штырь с "ЗАЗЕМЛЕННЫМ ОСНОВАНИЕМ" -- вертикальную. Он показан на рис. 9.3. Впрочем, не это его основная особенность. Главное -- он не требует большой площади для размещения и в основном излучает энергию под малыми углами к горизонту. Антенна весьма чувствительна к качеству заземления. На практике вполне подходит только крыша из оцинкованного железа, результаты с другими типами заземления оказываются менее удовлетворительными. Поэтому чаще всего применяют несколько (чем больше, тем лучше) наклонных противовесов длиной не менее четверти волны. Антенну можно легко настроить, если сделать ее чуть длиннее четверти волны и включить в основание укорачивающий конденсатор С1. Кстати, надо сразу приучить себя к мысли, что такая операция, как настройка антенны, весьма желательна, чтобы не сказать -- обязательна. Даже для обычного полуволнового вибратора следует убедиться, что размеры выбраны правильно. О точности настройки поможет судить измерение КСВ, а для "волнового канала" потребуется еще и снятие диаграммы направленности в горизонтальной плоскости -- ее можно выполнить в режиме передачи, попросив коллегу записать уровни сигнала при вращении антенны, либо на приеме, найдя подходящую постоянно работающую станцию.
Вообще, число конструкций и типов антенн, разработанных и опробованных радиолюбителями, исчисляется многими десятками, если не сотнями. Им посвящены солидные, толстые книги. Мы же рассмотрели здесь лишь наиболее характерные и широко применяемые антенны.
Мы приблизились к концу обсуждения основ электро- радиотехники. Программой нам служил вопросник "Инструкции о порядке регистрации и эксплуатации любительских радиостанций". Неохваченными остались лишь две темы, стоящие особняком: измерения и измерительные приборы и безопасность при работе с электричеством.
Без измерений токов и напряжений нельзя правильно установить оптимальные режимы работы аппаратуры. Кроме того, в процессе налаживания -- а это обязательная процедура для радиоустройств -- часто приходится убеждаться в исправности элементов и проверять их параметры. Поэтому под рукой всегда должен быть прибор, позволяющий измерять электрические величины. Понятное дело, напряжения измеряют вольтметрами, мииливольтметрами; для тока существуют амперметры, а также милли- и микроампреметры; узнать сопротивление позволит омметр и так далее. Необязательно для каждого вида измерений держать отдельный прибор, если только он не встроен для постоянного контроля какого-то параметра, например анодного тока оконечного усилителя передатчика. Переносные же приборы обычно делают универсальными, позволяющими путем переключений получать необходимые схемы измерений. Наиболее употребителен авометр -- ампер-вольт-омметр, который можно найти в лаборатории каждого радиолюбителя. Основу авометра составляет стрелочный индикатор, магнитоэлетрический прибор. В "чистом" виде он представяет собой миллиамперметр постоянного тока, в котором измеряемый ток протекает через проволочную рамку, вращающуюся в магнитном поле. Для этого прибор должен быть включен в цепь последовательно. В зависимости от величины тока рамка и прикрепленная к ней стрелка отклоняются на тот или иной угол. Остается только снабдить прибор шкалой и проградуировать ее. А если надо измерить ток больший, чем тот, на который рассчитан прибор, например несколько ампер? Нет проблемы! Параллельно с миллиамперметром mA включают ШУНТ -- резистор Rш, через который протекает большая часть измеряемого тока Ix, а на сам прибор приходятся опять-таки миллиамперы. Это показано на рис. 10.1А. Если вспомнить закон Ома, можно догадаться, как превратить измеритель тока в вольтметр и омметр. Вы правы, если к миллиамперметру подключить ДОБАВОЧНЫЙ РЕЗИСТОР Rд, как показано на рис.10.1Б, по величине тока нетрудно определить напряжение Ux. Очевидно соединять вольтметр с исследуемой цепью следует параллельно. Для измерения сопротивлений потребуется гальванический элемент Б (или батарея элементов), так что, опять-таки измеряя ток, мы узнаем сопротивление Rx (рис. 10.1В). Применив набор различных шунтов и добавочных резисторов и переключая их, можно расширить пределы измерений. Такие многопредельные авометры выпускаются промышленностью, немало существует и самодельных приборов. Вообще, надо сказать, радиолюбителей всегда привлекало создание измерительной лаборатории своими силами, ведь промышленные приборы достаточно дороги, нередко громоздки и не всегда удобны.
У вас уже готов вопрос: а как быть с переменным током? Проще всего измерить переменное напряжение. Достаточно выпрямить его полупроводниковыми диодами и проградуировать шкалу в действующих значениях. Сложнее с измерением переменного тока. Ведь если мы попытаемся вторгнуться в измеряемую цепь и превратить переменный ток в постоянный, мы нарушим работу устройства! Придется применять особый прибор переменного тока. Например, электромагнитного типа: в нем измеряемый ток проходит через катушку электромагнита, притягивающего сердечник. Существуют также тепловые приборы, в которых ток нагревает проволоку, и она удлиняется. К счастью, в радиолюбительской практике измерять переменные токи обычно не приходится.
Характеристикой измерительного прибора служит, конечно же, его точность. В радиолюбительской практике обычно достаточны примерно 10 % погрешности. Такую точность обеспечивает большинство бытовых приборов. Более существенно собственное сопротивление прибора. Понятно, подключение его к проверяемой цепи не должно заметно нарушать ее режим. Как правило, нет проблем с измерителями токов: их собственные сопротивления достаточно малы по сравнению с сопротивлением цепи. Главные трудности возникают с вольтметром: его собственное (или ВХОДНОЕ) сопротивление должно быть существенно выше сопротивления цепи между точками подключения. Иначе фактически мы получаем не истинную величину напряжения, а ту, которая установится при параллельном включении цепи с вольтметром. Чем меньше измеряемое напряжение, тем больше искажается картина. Поэтому для вольтметра главный критерий его качества -- сопротивление на единицу напряжения. Бывают случаи, когда авометр с его сопротивлением несколько килоом на вольт удовлетворить не может. Тогда на помощь приходит ЭЛЕКТРОННЫЙ ВОЛЬТМЕТР. Сейчас это обычно транзисторные устройства, а в недалеком прошлом применялись исключительно ламповые приборы. Водное сопротивление электронного вольтметра имеет порядок мегом на вольт. На входе прибора включен транзистор (или лампа), с очень высоким входным сопротивлением.
Какие еще возможны разновидности электроприборов? В промышленной электротехнике, например, применяют измерители мощности -- как активной, так и реактивной. Радиолюбителям этого не нужно: узнав ток и напряжение, они без труда определяют мощность. В быту применяется только счетчик, суммирующий израсходованную энергию.
Большая группа приборов предназначена для измерения параметров и проверки качества радиодеталей. Таковы, например, комплексные испытатели транзисторов или применявшиеся в былое время ипытатели ламп. Часто приходится устанавливать параметры пассивных радиодеталей. О простом омметре уже говорилось. Более точно измерить сопротивление можно с помощью приспособления, именуемого ИЗМЕРИТЕЛЬНЫМ МОСТОМ. Схема его приведена на рис. 10.2. Ток течет по двум параллельным цепям: Rx + R обр и R1 + R2 (Rобр -- ОБРАЗЦОВЫЙ РЕЗИСТОР). Если сопротивления цепей равны, падения напряжений на них одинаковы, и напряжение между точками, к которым подключен миллиамперметр mA, отсутствует. Стрелка прибора при этом показывает нуль. Говорят, что мост СБАЛАНСИРОВАН. Ну а если равенство сопротивлений нарушается, мост разбалансируется, что тут же покажет миллиамперметр. Восстановить баланс можно подбором сопротивлений резисторов R1 и R2. Обычно вместо них применяют регулируемый резистор, по положению его движка можно судить о величине измеряемого сопротивления. Замена батареи и миллиамперметра на генератор переменного напряжения и реагирующий на него индикатор позволит измерять с помощью моста реактивные сопротивления конденсаторов и катушек, а значит и их емкости и индуктивности. Да, надо будет еще заменить образцовый резистор на образцовые конденсатор или катушку. Измерить пикофарады и микрогенри можно и таким способом: сделать генератор, а его LC-контур составить из образцовых конденсатора или катушки и испытуемой детали. Частота резонанса подскажет величину измеряемого параметра. Измерить же частоту можно частотомером (существует такой прибор), либо, если его нет в вашей лаборатории, сделать образцовый элемент регулируемым и проградуировать его.
Существует еще класс более сложных приборов, которыми оснащаются радиолаборатории. Вообще-то правильнее именовать их не измерительной, а скорее контрольно-испытательной аппаратурой. Она позволяет проводить комплексную проверку и налаживание практически любых радиоустройств. Здесь на первое место следует поставить электронный ОСЦИЛЛОГРАФ. На его экране, как на телевизионной картинке, можно воочию наблюдать все те синусоиды, о которых мы говорили в предыдущих беседах. Дальнейшее развитие осциллограф получает в совсем уж сложных испытателях частотных характеристик и анализаторах спектров. Но это уже "высший пилотаж", с которым не каждый радиолюбитель встречается в жизни. Более просты и обыденны различные испытательные ГЕНЕРАТОРЫ СИГНАЛОВ. Их чаще всего используют при настройке приемной и усилительной аппаратуры: звуковой генератор позволит отладить приемник, усилитель; высокочастотный сигнал-генератор даст возможность настроить в резонанс LC-контуры высокочастотной части. Особо точные генераторы стандартных сигналов (ГСС) применяют для определения параметров приемников: чувствительности, избирательности.
Совершенно отдельно стоят приборы для антенных измерений. Радиолюбители обычно применяют измеритель КСВ, индикатор напряженности поля, высокочастотный вольтметр для измерения напряжения на эквиваленте нагрузки, иногда -- гетеродинный индикатор резонанса (ГИР), волномер. Настройка сводится к подбору размеров антенны такими, чтобы получить резонанс на средней частоте желаемого диапазона. Резонансную частоту антенны легко определить ГИРом: его катушку подносят к витку, подключенном к концу фидера. Можно построить график КСВ, его минимум придется на частоту резонанса. КСВметр необходим также для проверки согласования элементов антенно-фидерной системы. В любительской практике чаще всего используются простые самодельные приборы для коаксиальных линий. Принцип действия такого КСВметра поясняет рис.10.3. Из отрезка коаксиального кабеля сделан ответвитель: под его оплетку продернут тонкий провод, в котором прямая и отраженная волны наводят токи противоположных направлений. По их величине (направление определяется положением переключателя П) можно судить о соотношении прямой и отраженной волн. Индикатор напряженности поля представляет собой простейшее устройство из провода-антенны произвольной длины и миллиамперметра с полупроводниковым диодом. Индикатор удобно использовать при настройке антенны по максимуму излучения. Измерение напряжения на эквиваленте нагрузки не отличается от других измерений напряжений. Надо лишь отметить, что эквивалент нагрузки должен иметь рассеиваемую мощность не ниже выходной мощности передатчика и не обладать заметной индуктивностью. Если найти такой резистор не удастся, можно соединить параллельно достаточное число обычных резисторов так, чтобы их общее сопротивление было равно волновому сопротивлению кабеля. Например, при волновом сопротивлении 75 Ом и выходной мощности 10 Вт можно соединить параллельно 5 двухваттных резисторов сопротивлением по 375 Ом каждое. Наконец, волномером (в него превращается ГИР если выключить генератор) очень удобно определять частоту настройки LC-контуров передатчика. Он просто незаменим, если используется умножение частоты. Вот, пожалуй, и все об измерениях.
Современная жизнь невозможна без электричества. Вот уж кто, действительно, друг человека! Но с другом этим надо держать ухо востро. Иначе он может стать и врагом, причем врагом смертельным в буквальном смысле слова. Немало жертв на его счету. Есть среди них, к сожалению, и радиолюбители. Наши чувства, обычно предупреждающие об угрозе здоровью и жизни, в случае с электричеством могут и не помочь, если нет вторичных признаков опасности (показаний приборов, света, гудения, нагревания). Компенсировать то, что недоступно чувствам, надо разумом. То есть, всегда следует помнить о наличии опасности, предугадывать и избегать ее. Этой задаче отвечает техника безопасности.
Электрический ток (а это именно он причина всех неприятностей) может вызывать механические разрывы тканей, ожоги, изменение химического состава крови, сокращение мышц, нервные параличи. В каком случае может течь ток? Правильно, если есть замкнутая цепь и есть разность потенциалов. Наибольшая разность потенциалов -- между проводами источника напряжения. Но возможно поражение и при контакте с одним проводом, если вторым полюсом цепи служит земля (она имеет нулевой потенциал). Внешние травмы обычно несмертельны, проходя же через внутренние органы (тогда говорят об ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ УДАРЕ), ток может привести и к худшему исходу. Наиболее тяжелые последствия возникнут, если ухватиться за полюсы двумя руками, а также если в трагедии участвует влажная земля. Реакция человека зависит от величины тока, а также индивидуальных факторов. Считается, что 100 мА уже безусловно смертельны. Какое напряжение способно нанести такой удар? Все зависит от сопротивления (закон Ома!). Его составляют соединенные последовательно переходные сопротивления в местах соприкосновения с напряжением и внутреннее сопротивление тела. Последнее мало (все-таки человек в основном создан из токопроводящих жидкостей), а вот два других могут колебаться от сотни ом до сотен килоом -- в зависимости от влажности кожи и площади касания. Мокрые руки, сырая почва, а тем паче -- наполненная водой ванна и ... За глаза хватит всего каких-то 100 В ! Увы, все эти факты -- из реальной жизни.
Техника безопасности диктует правила установки и эксплуатации устройств. Все электрические приборы должны быть закрыты надежно заземленными металлическими кожухами. Блоки питания надо снабжать предохранителями, рассчитанными на рабочую силу тока. Заменять детали и ремонтировать аппаратуру следует только при выключенном напряжении. Не забывайте, что после выключения выпрямителя заряд на его кондесаторах может сохраняться долгое время. Поэтому надо либо шунтировать их резисторами либо не забывать каждый раз разряжать, замыкая перемычкой. При настройке работающего прибора требуется крайняя осторожность. Инструменты должны быть с изолированными ручками, оперировать можно только одной рукой, держа другую за спиной. При работе с электросетью под напряжением обязательно наличие изолирующих перчаток, а также изоляции от земли: ковриков, специальной обуви. Желательно не касаться даже изолированных проводов высокого напряжения -- а к такому относятся уже 500 В. Наконец, лучше всего, если при настройке аппаратуры будет присутствовать еще кто-то: вдруг потребуется помощь! Опасность может подстерегать и при натягивании антенны над воздушной линией электросети. Вообще, это крайне нежелательно само по себе. Но уж коль скоро нет другого выхода, надо максимально обезопасить эту процедуру. И уж конечно применить средства индивидуальной защиты -- изолирующие перчатки, галоши.
Надо помнить об атмосферном электричестве, причем не обязательно молнии, хотя она и наиболее опасна. Электризоваться может изолированная от земли антенна -- как за счет наведения зарядов грозовыми тучами, так и за счет трения частиц песка или снежинок при сильном ветре. Универсальное правило: воздерживаться от каких-либо работ в грозовую погоду и надежно заземлять антенны.
... Но вы оказались настолько самонадеянны и недальновидны, что не смогли предостеречь ближнего от беды. Запомните азы первой помощи! Если пострадавший не может из-за судороги отцепиться от провода или он потярял сознание, первым делом срочно отключите напряжение -- любым способом, вплоть до перерубания провода топором с сухой (обязательно!) деревянной рукояткой или устройства короткого замыкания. Надо предвидеть и последствия: может случиться, что потерявший сознание человек упадет с большой высоты! Иногда проще не искать рубильник или топор, а оттащить пострадавшего от провода. Не касайтесь только его голыми руками! Иначе разделите с ним компанию ... Надо бы, чтобы параллельно с этой суетой, кто-нибудь позаботился о вызове срочной медицинской помощи. Потому что сразу же после освобождения пострадавшего надо оценить его состояние. Даже если он в сознании, врачебный осмотр необходим.
Дальше трудно удержаться от эмоций. Скольких людей можно было бы вернуть к жизни, если бы не дикое, дремучее невежество обывателей! Представление об электричестве на уровне неандертальцев не раз и не два приводило к тому, что пострадавших ... закапывали в землю! Именно так погиб мой первый наставник, начальник коллективной станции Николай Жильцов. Угораздило его перекидывать антенну с мокрой после дождя железной крыши!... Очевидцы утверждали, что он еще дышал ... Иногда приходится слышать разговоры о том, что, мол, пострадавших от электросети можно и не закапывать, а вот пораженных молнией -- надо. "Зачем?" -- "А чтобы электричество вышло наружу!"
... Пострадавший без сознания, возможно, не дышит, нет пульса. Первым делом -- искусственное дыхание. Освободим его от стесняющей одежды. Если челюсти судорожно сжаты, разожмем их (можно ввести между зубами какой-нибудь предмет). Убедимся, что не запал язык и нет съемных зубных протезов, что могло бы помешать дышать. Обеспечим доступ свежего воздуха. Способов искусственного дыхания несколько, самый простой и эффективный -- "рот в рот". Одновременно надо делать непрямой массаж сердца -- лучше всего, если "спасателей" как минимум двое. Продолжать эти манипуляции следует до прибытия врача. Когда появится собственное дыхание, надо его усилить, например, дав понюхать нашатырь. Пострадавший может глотать -- хорошо дать горячего питья, эфирно-валериановых капель, ... глоток алкоголя (да простят меня врачи!).Прекратить спасательные процедуры можно лишь после возвращения к пострадавшему ясного сознания либо ... когда врач (и только он!) признает усилия тщетными. Но будем надеяться, что этот вариант нас всех минует. Тем более не хочется завершать наши беседы на такой ноте. Ибо мы полностью прошли намеченную программу и теперь достаточно подготовлены для того, чтобы сдать экзамены и получить право выхода в радиолюбительский эфир.

0

7

Скачать "Беседы для начинающих радиолюбителей" от UA3FT и ещё кое-что можно здесь

Скрытый текст:

Для просмотра скрытого текста - войдите или зарегистрируйтесь.

Отредактировано 4ugunkin (2008-07-20 19:12:58)

0

8

Спасибо 4ugunkin за информационный блок. Думается, это будет интересно не только начинающим!  :yep:

0


Вы здесь » ВинРадиоФорум » Начинающим » "Беседы для начинающих радиолюбителей" от UA3FT