Глава 3 Переменный ток
Из этой главы вы узнаете, чем отличается переменный ток от постоянного, об основных параметрах переменного тока, познакомитесь с основными элементами электрической цепи, рассмотрите их параметры, выясните основные закономерности в цепях переменного тока.
3.1. ПЕРЕМЕННЫЙ ТОК СИНУСОИДАЛЬНОЙ ФОРМЫ. ПОЛУЧЕНИЕ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ
Если в источниках постоянного тока — гальванических элементах, батареях, аккумуляторах — сила тока (напряжение, э.д.с.) не меняют своего направления, ток во внешней цепи всегда течет от положительного зажима к отрицательному, то в источнике переменного тока, который, например, вырабатывает напряжение для городской сети, ток много раз в секунду (50 раз) меняет свое направление и величину (рис. 3.1). Этот ток изменяется по синусоидальному (гармоническому) закону.
Рис. 3.1. Ток много раз в секунду (50 раз) меняет свое направление и величину
Маятник часов — «ходиков» нарисовал бы на стене синусоиду, если их опускать вертикально вниз по стене (рис. 3.2); металлический шар, закрепленный между двумя горизонтально расположенными пружинами (рис. 3.3, а), будет тоже колебаться по убывающей синусоиде, если шар отвести в сторону одной какой-либо пружины и отпустить его.
Рис. 3.2. Маятник часов — «ходиков» рисует на стене синусоиду
Рис. 3.3, а. Металлический шар, закрепленный между двумя горизонтально расположенными пружинами, колеблется по убывающей синусоиде, если шар отвести в сторону
Груз, подвешенный на пружине, будет рисовать убывающую синусоиду (рис. 3.3, б).
Рис. 3.3, б. Груз, подвешенный ив пружине, будет рисовать убывающую синусоиду
На рис. 3.4, а показано получение (генерирование) переменного тока.
Рис. 3.4, а. Принцип работы генератора переменного тока
Если рамка в начальный момент генерирования находится в положении 1, t = 0, то мгновенное значение силы тока i = I0sinwt; еcли же рамка находится в положении 2, t = 0, то i = I0coswt.
При вращении рамки в магнитном поле постоянного магнита меняется магнитный поток. В рамке наводится переменная э.д.с. (электродвижущая сила индукции). Если цепь замкнута, то возникает индукционный ток, который непрерывно меняется по модулю, а через T/2 — по направлению.
Устройство генератора (рис. 3.4, б):
1. Обмотка статора с большим числом витков, размещенных в его пазах. В ней наводится э.д.с.
2. Станина, внутри которой размещены статор и ротор.
3. Ротор (вращающаяся часть генератора) создает магнитное поле от электромашины постоянного тока. Может иметь р пар полюсов.
4. Статор состоит из отдельных пластин для уменьшения нагрева от вихревых токов. Пластины — из электротехнической стали.
5. Клеммный щиток на корпусе станины для снятия напряжения.
Рис. 3.4, б. Устройство генератора переменного тока
При равномерном вращении ротора в обмотках статора наводится э.д.с.:
е = EmSinwt = EmSin2pnt,
где Em — максимальное значение эл.с.; n — число оборотов ротора в секунду.
Частота эл.с. равна: f = n∙р, где р — число пар полюсов. На гидроэлектростанциях в генераторе число пар полюсов равно 40–50, а на тепловых — 10–16.
Если для характеристики постоянного тока достаточно было знать напряжение на зажимах источника и его полярность, то для характеристики переменного тока этого недостаточно. Переменный ток характеризуют такими параметрами, как амплитуда, частота, период, фаза, мгновенное и действующее значение.
Так как сила тока (напряжение, э.д.с.) меняется во времени, то мгновенное значение и амплитуда говорят о его возможностях в данный момент времени.
Чтобы знать возможности переменного тока за длительный промежуток времени, говорят о его действующем значении. А чтобы судить о том, насколько быстро ток меняется во времени, как часто происходит смена его направления, используют такие параметры, как период и частота.
Период тока указывает время, в течение которого происходят все его возможные изменения без повторения. Обозначается буквой Т (рис. 3.5), измеряется в секундах (с), миллисекундах (мс) [1 с = 1000 мс], микросекундах [1 с = 1 000 000 мкс].
Рис. 3.5. Период тока указывает время, в течение которого происходят все его возможные изменения без повторения
Частота тока говорит о том, сколько периодов, т. е. полных циклов, укладывается в единицу времени, в частности, в секунду. Обозначается буквой f и измеряется в герцах (Гц) — числом периодов в секунду.
Частота изменения переменного тока в промышленной сети равна 50 Гц (следовательно, период Т = 1/50 = 0,02 с = 20 мкс.
Вместо частоты f часто применяют величину ω = 2πf = 2π/T, которую называют круговой частотой тока (напряжения, э.д.с.). Она представляет собой число полных колебаний (периодов) тока за 2π секунд (здесь π = 3,14; ω — греческая буква «Омега»).
Максимальное значение силы тока, которое может иметь переменный ток за период, называется амплитудой силы тока. Амплитудное значение силы тока обозначается Im, напряжения Um, э.д.с. Еm, а их мгновенные значения — i, u, е соответственно.
Когда говорят об одном синусоидальном токе (напряжении, эл.с.), то частота f и амплитуда Im являются исчерпывающими характеристиками, потому что начальный момент отсчета времени на графике мы можем выбрать произвольно, т. е. можем переносить на графике рис. 3.1 ось ординат (ось тока) — вправо или влево на необходимую величину. Но когда приходится сопоставлять друг с другом две или несколько величин (силы тока, напряжение, э.д.с.) одной и той же частоты, следует учитывать, что они могут достигать своего максимального значения не в один и тот же момент времени. В подобных случаях говорят, что эти два тока (напряжения) сдвинуты относительно друг друга по фазе или, что равносильно, что между ними существует некоторый сдвиг фаз. На рис. 3.6 показаны две синусоиды одинаковой частоты, сдвинутые относительно друг друга на четверть периода (T/4).
Рис 3.6. Две синусоиды одинаковой частоты, сдвинутые друг относительно друга на четверть периода (T/4).
Синусоида 1 опережает синусоиду 2 на время T/4. Как определить какая синусоида опережает, а какая отстает? Чтобы лучше усвоить это понятие, обратимся к механической аналогии с двумя движущимися с одинаковой скоростью в одном направлении по двум параллельным железнодорожным путям скоростными пассажирскими поездами.
Представьте себе, что вы стоите у железнодорожной линии, а по ней одновременно проезжают два длинных состава с одинаковой скоростью. Как определить, какой поезд отстает, если вы не видите ни начала ни конца составов? Для этого примем за начало отсчета, например, переднюю часть каждого вагона, затем мысленно проведем перпендикулярную линию к рельсам и уже после этого будем фиксировать, начало вагона какого состава пересекает раньше эту мысленную линию. Тот состав и опережает. То же самое следует сделать при определении сдвига фаз двух синусоид (рис. 3.6). Приняв за начало отсчета условно точку пересечения оси времени t синусоидой при переходе ее из отрицательной области в положительную, видим, что синусоида 1 раньше пересекает ось времени на величину времени ΔТ = T/4 следовательно, она опережает синусоиду 2 (а можно сказать, что синусоида 2 отстает от синусоиды 1 на ΔТ = T/4). Если сдвиг фаз между двумя синусоидами больше одного периода, то определить это по графику невозможно, как и нельзя было определить, на сколько вагонов опережал один состав другой в рассмотренном выше примере.
Вы обратили внимание, что сдвиг фаз мы здесь измеряем не в единицах времени, а в долях периода Т? На практике чаще всего сдвиг фаз измеряют в градусах, причем здесь каждый градус равен 1/360 части периода, единицей измерения служит время. Градус как единица измерения времени, периода можно легко связать с угловыми градусами, показывающими положение проводника рамки, вращающегося в магнитном поле. Это условно показано на рис. 3.7.
Рис. 3.7. Связь времени с угловыми градусами
Выше мы говорили, что для оценки свойств переменного тока за длительный промежуток времени вводят параметр — действующее значение тока (напряжения, э.д.с.). Если воспользоваться аналогией, то можно рассмотреть такой пример. Висящая «груша» после многократных ударов боксера отклоняется от вертикального положения на некоторый угол и удерживается в таком положении, пока боксер наносит по ней удары. Но эту же «грушу» можно отвести на тот же угол, приложив меньшее, но постоянное усилие (оно соответствует действующему значению силы ударов).
Теперь вы уже знаете, что мгновенное значение переменного тока все время изменяется как по величине, так и по направлению. Однако, когда мы вкручиваем в патрон лампу накаливания, мы говорим, что лампа рассчитана на напряжение 220 В.
Что мы под этим подразумеваем? Представим себе, что через спираль электрической плитки протекает синусоидальный ток и плитка каждую секунду выделяет количество теплоты Q. Теперь мы через некоторое время подключим эту же плитку в цепь постоянного тока и будем увеличивать напряжение до тех пор, пока плитка не будет выделять каждую секунду такое же количество теплоты, равное Q. В данном случае по своему тепловому действию оба напряжения (тока) равны. Поэтому сила постоянного тока (напряжения,), выделяющего в проводнике то же количество теплоты, что и данный переменный ток (напряжение), называется действующим значением переменного тока I (напряжения U).
Для синусоидального тока действующее значение силы тока (рис. 3.8, а):
Рис. 3.8, а) действующее значение синусоидального тока;
I = Im/√2 = Im/1,414 = 0,707∙Im (3.2, a)
Аналогично для напряжения и э.д.с.:
U = 0,707∙Um (3.2, б)
Е = 0,707∙Еm. (3.2, в)
Поэтому, когда мы говорим, что лампа накаливания рассчитана на 220 В, мы подразумеваем, что это действующее напряжение.
Аналогично, если мы лампочку от карманного фонаря, рассчитанную на напряжение 3,5 В, подключим к источнику переменного тока с напряжением 3,5 В, то накал нити лампочки будет таким же, как и при питании ее от батареи с напряжением на зажимах 3,5 В.
Из (3.2) видно: зная действующее значение силы тока I (напряжения U, э.д.с. Е), которую можно измерить амперметром переменного тока, можно вычислить его амплитудное значение:
Im = I∙√2= 1,4141 (3.3, a)
Um = 1,414∙U (3.3, б)
Em = 1,414∙E (3.3, в)
Из формулы видно, что амплитудное значение синусоидального тока (напряжения, э.д.с.) почти в полтора раза (в 1,414 раза) больше его действующего значения. Так, амплитудное значение напряжения сети 220 В равно:
Um= U∙1,414 = 220∙1,414 = 311 В.
Все амперметры, вольтметры переменного тока калибруются на синусоидальном токе (напряжении); для переменного тока другой формы показания этих приборов нужно корректировать. Например, для переменного тока треугольной формы (рис. 3.8, б) соотношение между действующим и амплитудным значениями определяется по формулам:
Рис. 3.8, б) соотношение между действующим и амплитудным значениями для переменного тока треугольной формы;
I = Im/√3 = 0,577∙Im (3.4, a)
Im = 1,732∙I (3.4, б)
Для последовательности прямоугольных импульсов (рис. 3.8, в), называемых еще «меандром»:
I = Im (3.5)
Рис. 3.8, в) соотношение между амплитудным и действующим значениями тока для последовательности прямоугольных импульсов;
а для последовательности коротких прямоугольных импульсов (рис. 3.8, г):
I = Im∙√α (3.6)
где α = τ/T, (τ — длительность импульса).
Рис. 3.8, г) Соотношение между амплитудным и действующим значениями для последовательности коротких прямоугольных импульсов
3.2. ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЦЕПЬ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА. ЭЛЕМЕНТЫ ЦЕПИ
Элементами цепи переменного тока могут быть лампа накаливания, электрическая плитка, утюг, электродвигатель, резистор, конденсатор, катушка индуктивности, полупроводниковый диод, варистор и другие элементы. Лампа накаливания, электрическая плитка, утюг, резистор, диод, варистор представляют собой элементы, которые преобразуют электрическую энергию в тепловую. Говорят, что они обладают активным сопротивлением. А вот конденсатор и катушка индуктивности являются реактивными элементами, они не преобразуют электрическую энергию в тепловую, т. е. они не потребляют электрическую энергию, как, например, резистор, но обладают другими замечательными свойствами, которые будут рассмотрены ниже.
Кроме того, как указывалось в главе 2, элементы цепи делятся на линейные и нелинейные. Линейные элементы имеют линейную ВАХ (вольт-амперную характеристику) (рис. 3.9, а), нелинейные — нелинейную ВАХ (рис. 3.9, б). Из перечисленных выше элементов линейными элементами являются резистор, конденсатор и катушка индуктивности, а остальные элементы нелинейные.
Рис. 3.9. ВАХ линейного элемента (а) и нелинейного элемента (б)
Внешний вид конденсаторов, их УГО и БЦО показаны на рис. 3.10.
Рис. 3.10. Внешний вид конденсаторов, их УГО и БЦО
Конденсатор, как и катушка индуктивности, оказывают переменному току сопротивление.
Последовательное и параллельное соединение конденсаторов.
Последовательное соединение конденсаторов (рис. 3.11, а):
1/Со = 1/C1 + 1/С2, (3.7, а)
отсюда:
Со = С1∙С2/(С1 + С2) (3.7, б)
1/Со = 1/C1 + 1/С2 + 1/С3 (3.8)
Параллельное соединение конденсаторов (рис. 3.11, б):
С0 = С1 + С2, (3.9)
С0 = С1 + С2 + С3. (3.10)
Ряс. 3.11. Последовательное (а) и параллельное (б) соединение конденсаторов
Обратите внимание: общая емкость при последовательном соединении конденсаторов вычисляется по формуле, аналогичной формуле для вычисления общего сопротивления при параллельном соединении резисторов, а общая емкость при параллельном соединении конденсаторов — по формуле, аналогичной формуле для вычисления общего сопротивления при последовательном соединении резисторов.
Для получения необходимой емкости при последовательном соединении конденсаторов требуются некоторые вычисления. Для облегчения подбора ёмкости второго конденсатора (при известном значении емкости первого) на рис. 2.22 (глава 2) приведена номограмма.
Как пользоваться номограммой? При определении общих параметров деталей, номиналы которых имеют один порядок, пользуются шкалами ОА, ОВ, ОС, а если номиналы различаются на один порядок, то шкалами ОА, OD, ОЕ. Поясним это на примерах.
• Пример 1. Последовательно соединены конденсаторы емкостью 5 и 20 мкФ. Чему равна общая емкость? Приложив линейку к делению 5 на шкале ОА и к делению 20 на шкале OD, на шкале ОЕ прочтем результат — 4 мкФ.
• Пример 2. Какой емкости конденсатор необходимо включить последовательно с конденсатором емкостью 5,6 пФ, чтобы их общая емкость была 2,5 пФ? Прикладывая линейку к делениям 5,6 на шкале ОА и 2,5 на шкале ОС, на шкале ОВ прочтем — 4,5 пФ.
Чтобы лучше понять принцип работы конденсатора и катушки индуктивности как реактивных элементов, рекомендуем вам самостоятельно провести ряд простых экспериментов.
3.2.1. Конденсатор как накопитель электрической энергии
Для этого соберите схему (рис. 3.12, а). В положении переключателя SA, указанного на рисунке, конденсатор С будет заряжаться от батареи. Ток заряда протекает по цепи: «+» батареи GB резистор R —> переключатель SA —> конденсатор С —> «—» батареи GB. Через несколько секунд конденсатор зарядится и можно переключатель SA поставить в правое положение, лампочка кратковременно вспыхнет и погаснет. Чтобы лучше уяснить процесс заряда и разряда конденсатора, воспользуемся аналогией. Представим конденсатор в виде сосуда с крышкой, который может вместить определенное количество жидкости, например бензина.
После заполнения этого сосуда бензин можно вылить и поджечь, — это эквивалентно вспышке лампочки.
Рис. 3.12. а) Конденсатор — накопитель электрической энергии; б) График заряда конденсатора, в) график разряда конденсатора.
Для чего нужен резистор R в схеме рис. 3.12, а? Если его не будет, то в момент подключения батареи к конденсатору ток заряда будет очень большим, конденсатор может взорваться от нагрева. Резистор R ограничивает ток заряда конденсатора. Конденсатор с хорошим диэлектриком может хранить заряд несколько суток; бумажные конденсаторы разряжаются почти полностью за несколько часов.
На рис. 3.12, б изображен график заряда конденсатора, а на рис. 3.12, в — график разряда конденсатора.
Емкость конденсаторов измеряется в фарадах (Ф), в микрофарадах (мкФ), нанофарадах (нФ), пикофарадах (пФ).
3.2.2. Конденсатор «не пропускает» постоянный ток
При замыкании выключателя SA (рис. 3.13, а) лампочка кратковременно вспыхивает и гаснет. Это значит, что конденсатор не пропускает постоянный ток. Но из эксперимента можно сделать и другой вывод: в момент подключения батареи GB (замыкание выключателя SA), когда напряжение на конденсаторе скачком увеличивается от нуля до 4,5 В, он не оказывает никакого сопротивления (т. е. его сопротивление в начальный момент равно нулю, все напряжение батареи приложено к лампе, сила тока максимальная). Со временем сила тока уменьшается и затем вовсе становится равной нулю. В этот момент конденсатор можно считать заряженным.
На рис. 3.13, б показан график зависимости силы тока, протекающего через конденсатор С и лампу накаливания EL, от времени, т. е. график заряда конденсатора. Из графика видно, что в момент замыкания выключателя SA (при t = 0) сила тока через лампу максимальная и равна I0 = E/Rл ~= 0,3 А.
Здесь Rл = 14 Ом — сопротивление нити накала лампы.
Рис. 3.13. а) Конденсатор не пропускает постоянный ток; б) График зависимости силы тока, протекающего через конденсатор С и через лампу накаливания EL
3.2.3. Сопротивление конденсатора переменному току зависит от его емкости и частоты тока
Меняя емкость конденсатора (рис. 3.14), можно убедиться, что лампа будет светиться по-разному. Для этого надо два конденсатора по 10 мкФ соединить параллельно, последовательно с ними включить лампочку EL на 3,6 В, на вход подать переменное напряжение 36 В. Зафиксировать яркость свечения лампочки. Затем подключить к этим конденсаторам параллельно еще один емкостью 5 мкФ и снова зафиксировать яркость свечения лампочки, — она увеличится. Отсюда вывод: с увеличением емкости конденсатора его сопротивление уменьшается. Обратите внимание, что все конденсаторы в этом эксперименте должны иметь рабочее напряжение не менее 60 В.
Рис. 3.14. Сопротивление конденсатора переменному току зависит от его ёмкости
Реактивное емкостное сопротивление конденсатора переменному току определяется по формуле:
Тогда закон Ома запишется так:
Im = Um/Xc = 2UmπfC = UmωC. (3.12)
1 Ф = 106 мкФ = 1012 пФ, 1 мкФ = 103 нФ = 106 пФ.
3.2.4.Сила тока опережает напряжение на емкости на угол π/2
Так как i = ImSinωt, a u = UmSin (ωt + π/2) то, следовательно, напряжение на конденсаторе отстает от силы тока по фазе на угол π/2. Это видно на векторной (рис. 3.15, а) и на временной (рис. 3.15, б) диаграммах. Физически это можно понимать так: пока через конденсатор не потечет ток, на его пластинах не появятся заряды, до тех пор на пластинах и не будет напряжения.
Рис. 3.15. Напряжение на конденсаторе отстаёт от силы тока по фазе на угод 90°
Мощность переменного тока будет равна: Р = I∙Ucosφ. При φ = π/2 мощность Р = 0. Это значит, что конденсатор является реактивным элементом и не потребляет электрической энергии.
Если вы возьмете три конденсатора емкостью 1 мкФ каждый, соедините их параллельно, подключите в сеть 220 В и будете наблюдать за счетчиком электрической энергии, который имеется в вашей квартире, то счетчик никак не отреагирует на это подключение, хотя они по мощности эквивалентны лампочке мощностью 48 Вт. Почему счетчик не реагирует? Потому что конденсатор (как и катушка индуктивности) обладает замечательным свойством: в положительный полупериод напряжения сети он заряжается и накапливает электрическую энергию, а в отрицательный полупериод напряжения сети он отдает эту энергию снова в сеть. Это как морской прилив и отлив: то вода пригоняет к берегу все, что на ней плавает, то все смывает с берега, унося в море. Имейте в виду, что конденсатор должен быть рассчитан на напряжение 250…300 В.
Из графика на рис. 3.16 видно, что реактивное (емкостное) сопротивление конденсатора уменьшается как с увеличением емкости, так и с увеличением частоты питающего переменного напряжения; этот график построен по формуле (3.11). Аналогичными свойствами реактивного элемента обладает и катушка индуктивности.
Рис. 3.16. Сопротивление конденсатора уменьшается как с увеличением ёмкости, так и с увеличением частоты
Внешний вид, УГО и БЦО катушки индуктивности приведены на рис. 3.17.
Рис. 3.17. Внешний вид, УГО и БЦО катушки индуктивности
Чтобы лучше понять свойства катушки индуктивности, проведем несколько экспериментов.
3.2.5. Катушка индуктивности обладает индуктивным сопротивлением, которое также называется реактивным
В качестве катушки индуктивности можно использовать первичную обмотку сетевого трансформатора. При последовательном включении катушки индуктивности и лампы накаливания к источнику постоянного тока лампочка горит ярко, а при включении к источнику переменного тока (в сеть частотой 50 Гц) — тускло либо вообще не горит. Почему? Потому что катушка индуктивности обладает индуктивным сопротивлением XL часть напряжения источника переменного тока гасится на катушке индуктивности, а постоянному току катушка оказывает малое активное сопротивление (сопротивление провода), которое можно вычислить по формуле:
R = ρ∙L/S
Индуктивное сопротивление катушки индуктивности определяется по формуле:
XL = 2πfL = 6,28∙f(Гц)∙L(Гн). (3.13)
Здесь L — индуктивность катушки, измеряется в генри (Гн), миллигенри (мГн), микрогенри (мкГн).
1 Гн = 1000 мГн = 1 000 000 мкГн.
Конструктивные данные катушек индуктивности даны в описаниях устройств, рекомендованных к самостоятельному изготовлению.
Тогда закон Ома запишется так:
Im = Um/XL = Um/2πfL = Um/ωL. (3.14)
3.2.6. Последовательное и параллельное соединение катушек индуктивности
Рис. 3.18. Последовательное соединение двух катушек индуктивности
Рис. 3.19. Параллельное соединение двух катушек индуктивности
Рис. 3.20. Последовательное соединение трёх катушек индуктивности
Рис. 3.21. Параллельное соединение трех катушек индуктивности
Формулы для вычисления общей индуктивности при последовательном и параллельном включении похожи на аналогичные формулы для вычисления общего сопротивления резисторов.
Если при изготовлении какого-либо прибора у вас не оказалось нужной индуктивности, но имеется большое количество катушек индуктивности других номиналов, их можно соединить последовательно или параллельно для получения нужного номинала. При последовательном соединении вычисления довольно простые, а вот при параллельном соединении необходимо затратить время на вычисления. Тоже самое приходится делать при последовательном соединении конденсаторов и при параллельном соединении резисторов. Для облегчения подбора второго элемента на рис. 2.22 (глава 2) приведена номограмма.
3.2.7. Катушка индуктивности как накопитель магнитной энергии
В этом эксперименте в качестве катушки индуктивности можно использовать первичную обмотку сетевого трансформатора. При замыкании выключателя SA лампочка еле светится, а при размыкании выключателя SA она ярко вспыхивает. Это объясняется тем, что в момент включения элемента G часть энергии источника тратилась на создание магнитного толя катушки индуктивности, а при размыкании выключателя магнитное поле катушки индуктивности исчезает и запасенная в ней энергия отдается лампочке. Это явление называется самоиндукцией. Э.д. с самоиндукции препятствует увеличению тока при подключении источника питания к катушке индуктивности, а при отключении источника питания э.д.с. самоиндукции препятствует уменьшению тока в катушке. Здесь имеется ввиду, что все элементы включены последовательно.
3.2.8. Сила тока отстает от напряжения на катушке индуктивности на угол π/2
Так как i = ImSinωt, a u = UmSin (ωt — π/2), то, следовательно, напряжение на катушке индуктивности опережает силу тока по фазе на угол π/2. Это видно также на векторный (рис. 3.22, а) и на временной (рис. 3.22, б) диаграммах.
Рис. 3.22. Напряжение на катушке индуктивности опережает силу тока по фазе на угол 90°.
3.2.9. На активном сопротивлении (на резисторе) сила тока и напряжение совпадают по фазе
Так как i = ImSinωt, и u = UmSinωt, то, следовательно, напряжение на резисторе совпадает по фазе с силой тока. Это видно также на векторной (рис. 3.23, а) и на временной (рис. 3.23, б) диаграммах.
Рис. 3.23. Напряжение на резисторе совпадает по фазе с силой тока
3.3. ИНТЕГРИРУЮЩИЕ И ДИФФЕРЕНЦИРУЮЩИЕ ЦЕПИ
В электронных устройствах часто бывает необходимо изменить прямоугольные импульсы или сигналы другой формы таким образом, чтобы получить сигнал требуемой формы. Указанное изменение может заключаться в сохранении высокочастотных составляющих сигнала и ослаблении низкочастотных составляющих, в ослаблении только высокочастотных составляющих, в изменении амплитуды и формы сигнала путем ограничения и т. д.
К таким устройствам можно отнести интегрирующую и дифференцирующую цепи, которые находят широкое применение в вычислительной технике, в системах развертки телевизионных приемников и в других случаях, когда необходимо ослабить высокочастотных составляющие импульсов.
Практически интегрирующую цепь (рис. 3.24, а.) можно рассматривать как фильтр нижних частот. При воздействии синусоидальных сигналов интегрирующая цепь сильнее ослабляет сигналы более высоких частот (и вносит некоторый фазовый сдвиг). В случае импульсных или прямоугольных сигналов их форма изменяется благодаря фильтрации высокочастотных сигналов.
Рис. 3.24, а) Cxeма интегрирующей цепи
В практических схемах интегрирующих цепей постоянная времени t = RC велика по сравнению с длительностью воздействующего импульса. В этом случае при ращение напряжения ес на конденсаторе мало по сравнению с напряжением е, приложенным к интегрирующей цепи. Тогда можно записать приближенное равенство:
Таким образом, выходное напряжение интегрирующей цепи пропорционально интегралу входного тока e/R. Это можно объяснить, если обратиться к рис. 3.24, б и в.
Рис. 3.24, б) форма входного импульса интегрирующей цепи, в) выходного импульса интегрирующей цепи
При подаче на вход схемы положительного импульса крутой фронт импульса действует на интегратор в течение очень короткого промежутка времени. Затем в течение времени, равного длительности импульса, действует напряжение, соответствующее плоской вершине импульса. Напряжение на конденсаторе нарастает по экспоненциальному закону. За время, равное постоянной времени цепи τ, напряжение на конденсаторе достигнет примерно 65 % максимального значения, а полностью конденсатор зарядится примерно в течение пяти постоянных времени (5τ). Так как постоянная времени интегрирующей цепи велика по сравнению с длительностью импульса, напряжение на конденсаторе не достигает максимального значения, а постепенно нарастает до некоторой величины (рис. 3.24, в).
По окончании действия входного импульса конденсатор начнет разряжаться через резистор R1 и входную цепь. Разряд протекает медленно по сравнению со спадом входного импульса, и в результате на выходе формируется импульс, форма которого показана на рис. 3.24, в.
Если импульсы на входе интегратора имеют длительность, превышающую интервалы между ними (рис. 3.24, г), то напряжение на конденсаторе будет постепенно нарастать.
Рис. 3.24, г) длительность входных импульсов превышает интервал между ними
Такую схему можно использовать в качестве делителя частоты, так как уровень запуска релаксационного генератора будет достигаться только после определенного числа импульсов, поданных на вход. Постоянная времени этой цепи равна:
τ ~= R1(C1 + С2) + R2C2.
Интегрирующую цепь можно также построить, располагая катушкой индуктивности и резистором. Для этого в схеме на рис. 3.24, а резистор R1 следует заменить катушкой индуктивности, а конденсатор С1 — резистором. Однако, поскольку катушка индуктивности имеет еще и активное сопротивление, схема с резистором и конденсатором более широко применяется на практике.
В дифференцирующей цепи (рис. 3.25, а) постоянная времени должна быть малой по сравнению с длительностью импульсов.
Рис. 3.25. а) Схема дифференцирующей цепи б) форма импульса на входе дифференцирующей цепи в) выходе дифференцирующей цепи
Эту цепь применяют в тех случаях, когда импульсы сравнительно большой длительности необходимо преобразовать в короткие импульсы с крутым фронтом. Цепь сохраняет крутой фронт импульса в той же полярности и по существу ведет себя как фильтр верхних частот, ослабляющий низкочастотные и пропускающий высокочастотные составляющие импульса.
При малой постоянной времени сопротивление резистора оказывается значительно больше реактивного сопротивления конденсатора. Поэтому выходное напряжение, равное падению напряжения на резисторе, приближенно выражается формулой:
На рис. 3.25, б и в показаны соответственно формы импульса на входе и выходе дифференцирующей цепи. От начального момента действия импульса и в течение всей его длительности к входу схемы прикладывается постоянное напряжение. Если при подаче входного импульса конденсатор С1 не был заряжен, то в первый момент через конденсатор, а также через резистор R1 будет протекать большой ток. Таким образом, на резисторе сразу же появляется большое падение напряжения, благодаря чему на выходе очень быстро нарастает фронт импульса (рис. 3.25, в). По мере заряда конденсатора протекающий через него ток уменьшается со скоростью, зависящей от постоянной времени цепи. При малой постоянной времени конденсатор быстро заряжается и ток перестает протекать по цепи. Таким образом, когда конденсатор полностью заряжен, напряжение на резисторе R1 спадает до нулевого уровня. В момент окончания действия импульса входное напряжение уменьшается до нуля, и конденсатор начинает разряжаться.
Ток разряда конденсатора имеет противоположное по сравнению с током заряда направление, следовательно, направление тока через резистор тоже противоположно току заряда. Поэтому на выходе теперь появится отрицательный всплеск напряжения.
На практике на вход дифференцирующей цепи обычно подаются импульсы. Если же на вход дифференцирующей цепи подать синусоидальные колебания, то их форма не изменится, но произойдут сдвиг фазы выходного колебания и уменьшение амплитуды этих колебаний на величины, зависящие от частоты входного сигнала. Другой тип дифференцирующей схемы можно получить, если С1 заменить резистором, a R1 — индуктивностью. В такой цепи фактором, определяющим качество дифференцирования, является также постоянная времени. Как и в интегрирующей цепи, омическое сопротивление катушки индуктивности ухудшает характеристики схемы. Поэтому такую цепь применяют довольно редко.
3.4. ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЙ КОЛЕБАТЕЛЬНЫЙ КОНТУР
Последовательный колебательный контур (ПКК) представляет собой последовательное соединение катушки индуктивности и конденсатора (рис. 3.26, а). Для лучшего понимания свойств ПКК предлагается собрать схему на рис. 3.26, б. В качестве катушки индуктивности предлагается использовать первичную обмотку сетевого трансформатора, конденсатор должен иметь номинальное напряжение, превышающее напряжение источника питания контура не менее чем в 5–7 раз, лампочка накаливания выбирается маломощной на напряжение, равное или несколько меньшее напряжения источника питания контура.
В качестве источника питания ПКК надо использовать понижающий трансформатор с напряжением на вторичной обмотке 10…30 В или автотрансформатор. Для получения резонанса напряжений следует подобрать емкость конденсатора, для чего в цепь ПКК включить амперметр переменного тока и подобрать емкость конденсатора по максимуму силы тока в цепи (рис. 3.26, б). В этом случае при резонансе напряжений лампочка будет иметь максимальную яркость свечения.
Рис. 3.26. а) Схема последовательного колебательного контура; б) Принципиальная схема, которая позволяет обнаружить необычные свойства реактивных элементов
После того, как будет собрана схема, можно приступить к эксперименту. Для этого следует включить оба выключателя SA1 и SA2, лампочка будет иметь максимальную яркость свечения. Затем выключить оба выключателя — лампочка будет иметь меньшую яркость свечения (замерьте вольтметром переменного тока напряжение на лампочке, оно будет меньше напряжения питания ПКК на величину падения напряжения на активном сопротивлении катушки индуктивности, т. е. на сопротивлении проводов катушки индуктивности постоянному току).
А теперь замкните изолированным проводником катушку индуктивности или конденсатор. При изучении постоянного тока вы узнали, что при выключении одного элемента цепи (например, лампы накаливания) при последовательном их соединении, на остальных элементах цепи напряжение (и сила тока) увеличивается т. е. яркость свечения остальных лампочек увеличится. В данном же случае будет все наоборот — лампочка перестанет светить.
А теперь измерим напряжение на катушке индуктивности и на конденсаторе: к удивлению, эти напряжения будут больше напряжения источника питания ПКК в 35 раз (это зависит от величины общего активного сопротивления ПКК — сопротивления лампочки и активного сопротивления проводов катушки индуктивности).
Чем меньше активное сопротивление ПКК, тем больше напряжение на конденсаторе и на катушке индуктивности, причем всегда напряжение на конденсаторе больше напряжения на катушке индуктивности на величину падения напряжения на активном сопротивлении катушки. При измерении напряжений на катушке индуктивности и на конденсаторе не забудьте увеличить предел измерения вольтметра, иначе он может быть поврежден.
3.5. ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ
3.5.1. Цветомузыкальная приставка
Кроме своего основного назначения — подключение к выходу магнитофона, проигрывателя или приемника и получения световых эффектов, приставка позволяет снять АЧХ ФНЧ, ФВЧ и полосового фильтра и судить об их частотных свойствах.
Схема приставки показана на рис. 3.27, а.
Рис. 3.27. а) Принципиальная схема цветомузыкальной приставки б) конструкция экрана с лампами
Со звуковой катушки динамической головки ВА1 усилителя звуковой частоты сигнал звуковой частоты подается на базы транзисторов VT1—VT3 через соответствующие им частотные фильтры. В канале высших частот используется ФВЧ R1C1: он пропускает колебания наиболее высоких частот и оказывает значительное сопротивление колебаниям средних и высших частот.
Дроссель L1 и конденсатор С2 образуют полосовой фильтр. Его резонансная частота ω0 = 1/√(L1∙C2), характеристическре сопротивление ρ = √(L1/C2) и добротность Q равна отношению ρ к активным потерям (его можно определить по АЧХ). Чтобы полосовой фильтр имел достаточно узкую полосу пропускания, необходимо увеличить его добротность, т. е. использовать дроссель с большой индуктивностью и малыми активными потерями и небольшую емкость.
Функцию ФНЧ выполняет дроссель L2 и резистор R3 с параллельно подключенным к нему, как и в предыдущих фильтрах, переходом база-эмиттер транзистора VT3. В коллекторные цепи транзисторов включены лампы накаливания HL1—HL3, цвета баллонов которых соответствуют принятому частотному делению колебаний звукового диапазона.
Исходное состояние транзисторов — закрытое. В это время токи коллекторных цепей транзисторных цепей малы и лампы накачивания не светятся. При появлении сигнала (во время отрицательных полуволн) транзисторы открываются и лампы начинают i метиться. Чем больше уровень сигнала, тем больше открываются транзисторы и ярче светятся лампы. Если преобладают звуки низких тонов, то ярче других светится лампа красного цвета, а если высоких и средних, то синего и зелёного цветов. В результате на экране, освещающемся лампами, создаются цветовые гаммы.
Приставка имеет источник питания, состоящий из понижающего трансформатора TV1, выпрямительного диода VD1 и конденсатора С3 сглаживающего фильтра.
Транзисторы приставки могут быть низкочастотными или высокочастотными, но обязательно средней или большой мощности, например, П213, П214, ГТ403, П601, КТ814, КТ816, КТ818. Лампы накаливания от карманного фонаря (3,5 В х 0,28 А). При наиболее громких звуках суммарный ток ламп приставки может достигать 0,7…0,8 А. Поэтому в выпрямителе блока питания должен работать диод, рассчитанный на выпрямленный ток около 1 А. Если такого диода не окажется, можно использовать четыре диода серии Д226 или Д7, соединив их по мостовой схеме.
В коллекторные цепи транзисторов можно включить не по одной, а по две — три лампы, соединенные параллельно. Но тогда в выпрямителе надо будет использовать диод на ток 3…5 А, например Д242А, а транзисторы, чтобы не перегревались, установить на теплоотводящие радиаторы. Между базами и коллекторами транзисторов можно включить подстроечные или переменные резисторы сопротивлением по 2–3 кОм, которые совместно с постоянными резисторами R1—R3 образуют делители напряжения, открывающие транзисторы. При налаживании приставки этими резисторами можно выбрать режим работы транзисторов, когда нити накала ламп еле светятся.
В качестве сетевого трансформатора TV1 можно использовать выходной трансформатор ТВК-110 или ТВК-90 кадровой развертки телевизора или любой другой трансформатор, понижающий напряжение сети до 5…6 В. Напряжение на выходе выпрямителя должно быть не менее 7…8 В.
Дроссель L1 намотан на двух сложенных вместе ферритовых кольцах 66НН с внешним диаметром 7 мм, а дроссель L2 — на трёх сложенных вместе таких же кольцах. На каждый из таких сердечников надо намотать по 200 витков провода ПЭЛШО или ПЭВ-1 0,1.
Конструкция экрана с освещающими его лампами может быть такой, как на рис. 3.27, б. Лампы размещены на задней стенке ящика, оклеенного внутри алюминиевой фольгой или обитого жестью. Фольга или жесть выполняют роль рефлектора. Лампы можно покрыть в соответствующие цвета цветным лаком либо обтянуть их резиной от надувных шаров соответствующего цвета.
Экраном, являющимся передней стенкой ящика, служит матовое стекло размерами не более 13…18 см. От ламп идут провода к соответствующим им транзисторам, смонтированным вместе с фильтрами и блоком питания в другом ящике.
Экраном может также служить органическое стекло, окрашенное в молочный цвет. Для этого органическое стекло погружают в концентрированную серную кислоту на 1…10 минут. После обработки в кислоте его тщательно промывают в проточной воде и сушат. При выдерживании в кислоте в течение 1…3 минут поверхность стекла не теряет глянца и будет иметь молочный цвет. Если же травить дольше, то его поверхность становится белой и слегка матовой. С увеличением времени воздействия кислоты белый слой становится толще. Если необходимо оставить на органическом стекле прозрачные места, то эти части поверхности покрывают тонким слоем воска. После промывки и сушки воск удаляют.
Работая с серной кислотой, помните, что она опасна, так как при попадании капель воды разбрызгивается. Попавшие на кожу брызги могут вызвать тяжелые ожоги. Поэтому работать следует в резиновых перчатках и в защитных очках. Для погружения детали или изделия в кислоту пользуйтесь пинцетом. На случай попадания кислоты на кожу или одежду всегда имейте под рукой нейтрализующий действие кислоты крепкий раствор питьевой соды или 10 %-ный раствор нашатырного спирта.
3.5.2. Усилитель звуковой частоты «электронное ухо»
Устройство позволяет прослушивать в лесу голоса птиц, может быть использовано как УЗЧ в изготавливаемых приемниках и т. д. Он представляет собой высокочувствительный усилитель звуковой частоты, собранный на трех транзисторах (рис. 3.28).
Рис. 3.28. Принципиальная схема «Электронного уха»
Сигнал с микрофона ВМ1 подается через конденсатор С2 на первый каскад усилителя, собранный на транзисторе VT1. Это эмиттерный повторитель (каскад с общим коллектором), он обеспечивает согласование выходного сопротивления микрофона с входным сопротивлением УЗЧ (об этом написано в главе «Полупроводниковые приборы»).
Если микрофон ВМ1 подключить сразу к каскаду усиления с общим эмиттером, который имеет относительно невысокое входное сопротивление, то не вся мощность, развиваемая микрофоном, будет использована. Нагрузкой эмиттерного повторителя является переменный резистор R2, который одновременно является регулятором усиления.
С первого каскада сигнал подается на базу второго каскада усиления, собранного на транзисторе VT2 по схеме с общим эмиттером. Этот каскад имеет относительно большой коэффициент усиления. Напряжение смещения на базу (выбор рабочей точки) подается через гасящий резистор R3. Ток протекает по цепи: «+»GB1—R5 — эмиттер-база VT2—R3 — «—»GB1. На всех трех последовательно соединенных элементах цепи (R5,VT2,R3) создается падение напряжения, пропорциональное сопротивлению этих элементов постоянному току.
Конденсатор С3 осуществляет развязку между первым и вторым каскадами по постоянному току. Для стабилизации режима работы второго каскада при изменении температуры окружающей среды в цепь эмиттера транзистора VT2 включен резистор R5. Он создаст отрицательную обратную связь (ООС) по постоянному току. А чтобы не было ООС по переменному току (из-за чего уменьшилось бы усиление сигнала), параллельно резистору включен конденсатор С5 большой емкости, который для переменного тока имеет малое сопротивление. С нагрузки каскада — резистора R4 — сигнал подается через разделительный конденсатор С4 на вход третьего (выходного) каскада, собранного на транзисторе VT3. В цепи эмиттера он тоже имеет стабилизирующую цепочку R8C6, а его нагрузкой являются головные высокоомные телефоны BF1. Смещение на базу подастся через гасящий резистор R7.
В качестве источника питания может быть использована батарея «Крона», аккумулятор 7Д-01 или же две последовательно соединенные батареи 3336Л.
Фильтр нижних частот R6C1 предотвращает возможность самовозбуждения УЗЧ по цепи питания (для этого цепи питания транзисторов первых двух каскадов по переменному току закорачиваются на корпус через конденсатор С1).
Чтобы обеспечить большую чувствительность усилителя, необходимо использовать малошумящие транзисторы с большим коэффициентом усиления и малым обратным током коллектора (об этих параметрах написано в главе «Полупроводниковые приборы»). Подойдут для этих целей транзисторы П416Б. Другие возможные замены можно найти в главе 4.
Постоянные резисторы MЛT-0,125 и МЛТ-0,25, переменный резистор ТКД или другой, совмещенный с выключателем питания SA1. Можно установить, в крайнем случае, переменный резистор типа СП-1 и отдельно выключатель питания. Конденсаторы К50-6 либо другие аналогичные, микрофон МД-64, но вполне подойдет другой чувствительный микрофон. Головные телефоны ТОН-1 или ТОН-2, соединенные последовательно для увеличения сопротивления нагрузки усилителя.
Часть деталей усилителя смонтирована на плате толщиной 1,5…2 мм из изоляционного материала (рис. 2.29, а). Плату размещают в небольшом самодельном или подобранном заранее корпусе (рис. 2.29, б), так, чтобы наружу выступала ось переменного резистора R2, на которую надевают ручку. Плата может быть как с навесным монтажом, так и печатная.
Рис. 3.29. Монтажная плата (а) и корпус (б) устройства «Электронного уха»
Микрофон лучше всего закрепить металлическим хомутиком к корпусу усилителя, а для увеличения дальности действия «электронного уха» надо надеть на микрофон рупор, склеенный из картона или чертежной бумаги.
Налаживание усилителя заключается в проверке и установке (если это понадобится) силы тока коллекторов транзисторов.
Вначале миллиамперметр включают в цепь коллектора транзистора VT1 и подбором резистора R1 добиваются силы тока 0,2 мА. Затем устанавливают силу тока транзистора VT2 в пределах 0,3…0,5 мА, затем транзистора VT3 в пределах 0,8…1,0 мА. Но настройка будет значительно эффективнее, если использовать осциллограф и генератор звуковой частоты. Для этого вместо резистора R1 использовать постоянный резистор сопротивлением примерно 300…350 кОм и переменный резистор сопротивлением 250…200 кОм, а вместо резистора R7 — постоянный резистор сопротивлением 200…250 кОм и переменный резистор сопротивлением 250…200 кОм. Использование осциллографа и генератора звуковых частот позволяет не просто добиться максимального усиления, а получить от каждого каскада наибольшее (но, может быть, не максимальное) усиление при минимальных искажениях сигнала (в данном случае синусоиды).
Пользуются «электронным ухом» так. Включают питание и направляют рупор в нужную сторону. Переменным резистором R2 устанавливают такое усиление, при котором хорошо прослушиваются лесные шумы или звуки на расстоянии нескольких метров, но усилитель еще не возбуждается. Кроме того, необходимо помнить, что при большом усилении усилитель может возбудиться из-за акустической связи между микрофоном и телефоном. Чтобы избежать этого, надо устройство держать на некотором расстоянии впереди себя.
3.5.3. Электронная сирена с усилителем
Сирена — это прибор для получения звуков различной высоты. Их устанавливают на специальных автомашинах, используют для подачи сигнала тревоги. Сирена может найти применение и в различных играх. Кроме того, на примере этого устройства можно изучить принцип формирования различных звуков с помощью электронных средств.
Электронная сирена (рис. 3.30) выполнена на четырех маломощных низкочастотных транзисторах и представляет собой два симметричных мультивибратора. Один из них, собранный на транзисторах VT1, VT2, генерирует колебания частотой 1…2 Гц, другой, на транзисторах VT3, VT4, — более высокой частоты.
Рис. 3.30. Принципиальная схема электронной сирены
К выходу первого мультивибратора подключена интегрирующая цепочка R5C3, на выходе которой имеется пилообразное напряжение. Этим напряжением управляется второй мультивибратор, в результате чего на резисторе-нагрузке R9 получается последовательность импульсов различной длительности, имитирующих и телефонах звук механической сирены. Постоянная времени цепи наряда интегрирующей цепи τ3= (R4 + R5)∙C3 = 1,12 с, а разряда τp = (R5 + Rэк VT2)∙С3 = 0,6 с.
С учетом того, что за время t3 конденсатор С3 заряжается до 63 % от максимума, можно считать, что за время действия импульса мультивибратора (T/2 ~= 0,5) напряжение на нем увеличивается почти линейно. Разряжается конденсатор почти в два раза быстрее, чем заряжается.
Транзисторы в сирене могут быть серий МП39—МП42 со статическим коэффициентом передачи тока 30…50, резисторы — мощностью от 0,125 Вт, конденсаторы — любого типа с номинальным напряжением более 9 В.
Частота повторения сигнала сирены определяется сопротивлением резисторов R2, R3 и емкостью конденсаторов C1, С2, а тональность звучания зависит от сопротивления резисторов R7, R8 и емкости конденсаторов С4, С5. Номиналы выше указанных резисторов и конденсаторов могут быть и иными по сравнению с указанными на схеме.
Период колебаний симметричного мультивибратора определяется по формуле:
Т = 1,4R6C = 1,4∙110∙103∙10∙10-6 = 1,54 с.
Схема УЗЧ, к которому можно подключить электронную сирену, приведена на рис. 3.31.
Рис. 3.31. Принципиальная схема УЗЧ к электронной сирене
На входе усилителя стоит частотно-зависимый делитель напряжения R1C1, где R1 одновременно выполняет роль регулятора громкости. Предварительный усилитель выполнен на транзисторе VT1 по схеме с общим эмиттером. Его нагрузкой является резистор R3 (сопротивление диода VD1 в прямом направлении мало, им можно пренебречь). Он не только усиливает сигнал, но и обеспечивает усилителю мощности двухтактный режим работы. Затем — на усилитель мощности, собранный по двухтактной схеме. Затем сигнал подается на предоконечный каскад, собранный на транзисторах VT2 и VT3. Этот каскад нужен для того, чтобы обеспечить двухтактный режим работы выходного каскада. Для облегчения этой задачи и упрощения схемы каскада в нем использованы транзисторы разной структуры — VT2 структуры р-n-р и VT3 — структуры n-р-n. При этом транзистор VT2 усиливает отрицательные полуволны, a VT3 — положительные.
С нагрузок каскада (резисторы R4 и R5) сигналы поступают далее на транзисторы VT4 и VT5 выходного каскада усиления мощности. Мощные колебания звуковой частоты со средней точки (точки симметрии) поступают через конденсатор С3 к головке ВА1 громкоговорителя и преобразуются в звуковые колебания.
Емкость конденсатора С3 должна быть возможно большей, чтобы не оказывать заметного сопротивления колебаниям низких звуковых частот.
Диод VD1 обеспечивает устранение переходных искажений типа «ступеньки». Суть искажений состоит в том, что выходной сигнал с транзистора отслеживает входной сигнал с разницей на величину падения напряжения Uбэ; на положительном интервале входного сигнала выходное напряжение примерно на 0,6 В меньше, чем входное, на отрицательном интервале — наоборот (рис. 3.32).
Рис. 3.32. Иллюстрация переходных искажений типа «ступеньки»
Коллекторный ток транзистора VT1 создает на этом диоде падение напряжения в доли вольта, которое вместе с усиливаемым сигналом подается на базы транзисторов VT2 и VT3. При этом на базе транзистора VT2 имеется отрицательное напряжение смещения, а на базе транзистора VT3 — положительное. В результате транзисторы несколько приоткрываются и уменьшают искажение слабого сигнала, т. е. усилитель работает в режиме АВ.
С точки симметрии выходных транзисторов постоянное и переменное напряжения через резистор R2 подаются на базу транзистора VT1, за счет чего создается ООС, которая стабилизирует работу всего усилителя.
Питается усилитель совместно с электронной сиреной от источника GB1, составленного из двух последовательно соединенных батарей 3336Л. Чтобы исключить возможность самовозбуждения усилителя через источник питания, последний зашунтирован конденсатором С4.
В усилителе использованы постоянные резисторы МЛТ-0,25, переменные — СП-1, конденсаторы К50-6. Транзисторы МП39 можно заменить любыми другими из серии МП39—МП42, транзистор МП38 — любым из серии МП35—МП38, транзистор П213Б — аналогичными транзисторами средней мощности (например, П213—П217) с возможно большим коэффициентом передачи тока. Вместо диода Д9Д подойдет другой диод этой серии. Динамическая головка ВА1 мощностью 3–4 Вт и сопротивлением звуковой катушки 5…10 Ом. Причем наибольшую выходную мощность, а значит, и громкость звука удастся получить с головкой, обладающей меньшим сопротивлением. Большинство деталей размещены на печатной плате, которая показана на рис. 3.33.
Рис. 3.33. Печатная плата электронной сирены
Выходные транзисторы устанавливают на радиаторы, изготовленные по размерам на рис. 3.34 из алюминия толщиной 1,5…2 мм.
Рис. 3.34. Размеры радиатора для транзистора
На радиаторе как можно точнее нужно разметить места отверстий под выводы транзисторов. Поверхность радиатора, с которой должен соприкасаться транзистор, зачищают мелкозернистой наждачной бумагой или лезвием ножа. Выводы эмиттера и базы не должны касаться стенок отверстий. Окончательно транзистор к радиатору прижимают фланцем. Чем лучше контакт между корпусом транзистора и радиатором, тем меньше будет нагрев транзистора и тем большую мощность удастся получить от усилителя.
Хорошим пластинчатым радиатором может быть металлический корпус прибора или его внутренние перегородка. Для обеспечения хорошего теплового контакта необходимо поверхность транзистора, прилежащую к радиатору, смазать невысыхающей смазкой, например силиконовой. Это позволит снизить тепловое сопротивление контакта в полтора-два раза. А если радиатор содержит раковины или другие изъяны, удалить которые невозможно, можно использовать свинцовую прокладку. Для этого пластину свинца аккуратно раскатывают или расплющивают между двумя гладкими плоскими брусками до толщины около 0,5 мм и вырезают прокладку необходимых размеров и формы. Мелкозернистой наждачной бумагой зачищают обе ее стороны, устанавливают под транзисторы и туго сжимают узел винтами. Прокладка не должна быть толще 1 мм, так как теплопроводность свинца не высока.
Радиаторы с транзисторами крепят к корпусу прибора с помощью отверстий в их отгибах. Платы усилителя и электронной сирены укрепляют в корпусе подходящих размеров. На передней стенке корпуса устанавливают динамическую головку, переменный резистор и выключатель питания.
Напротив диффузора головки в стенке вырезают отверстие и закрывают его неплотной тканью. Входные зажимы усилителя и выходные зажимы электронной сирены размещают на задней стенке корпуса.
При налаживании усилителя в первую очередь измеряют напряжение в общей точке соединения эмиттера транзистора VT4 и коллектора транзистора VT5 — оно должно быть равно половине напряжения источника питания. Точнее это напряжение устанавливают подбором сопротивления резистора R2. Далее проверяют ток покоя коллекторов выходных транзисторов, включив миллиамперметр в цепь коллектора любого из транзисторов. Наилучший режим — не более 20 мА — устанавливают подбором диода. Так, если ток значительно превышает указанное значение, устанавливают диод с меньшим прямым сопротивлением или включают параллельно ему такой же диод. При малом значении тока понадобится диод с бóльшим прямым сопротивлением, либо включить последовательно с диодом резистор и подбором сопротивления резистора установить нужный ток. На этом налаживание заканчивается.
При большой громкости звучания усилитель совместно с электронной сиреной потребляет значительный ток и источника питания из двух батарей хватит на 2…3 часа непрерывной работы. Поэтому включать прибор надо на непродолжительное время.
Переходное искажение типа «ступеньки» можно наблюдать с помощью осциллографа. Для этого подать на вход усилителя с генератора звуковых частот напряжение частотой 1 кГц и такой величины, чтобы выходное напряжение усилителя, т. е. напряжение на эквиваленте нагрузки — резисторе сопротивлением, равным сопротивлению динамической головки, — было равно 0,5…1 В. Если теперь закоротить выводы диода VD1, появятся искажения типа «ступеньки».
3.5.4. Когда напряжение сети нестабильно [1]
Предлагаемое устройство защищает радиоаппаратуру быстрым отключением ее от питающей сети при изменении ее напряжения более допустимых пределов.
Решать описанные проблемы поможет полуавтомат, схема которого приведена на рис. 3.35.
Рис. 3.35. Схема полуавтомата защиты радиоаппаратуры
Основой предлагаемого полуавтомата служит мощное электромагнитное реле K1. Для питания его обмотки постоянным током применен выпрямительный мост VD2—VD4, подключенный к сети через гасящие конденсаторы С1 и С2. Включают устройство кратковременным нажатием на кнопку SB1. При этом реле K1 срабатывает, а его замыкающиеся контакты К1.1 блокируют контакты пусковой кнопки. Конденсатор С1 обеспечивает необходимый пусковой ток реле при включении. В рабочем режиме реле удерживается током, текущим через конденсатор С2, до напряжения сети не ниже 160 В. При налаживании устройства емкость конденсатора С2 (а иногда и конденсатора С1) приходится подбирать для каждого типа реле индивидуально.
При повышении напряжения сети до 240 В открываются стабилитроны VD7 и VD8. Одновременно срабатывает оптрон U1 и открывается тринистор VS1, который блокирует цепь питания обмотки реле К1. В результате реле отпускает, его размыкающиеся контакты К1.1 отключают нагрузку устройства от питающей сети переменного тока.
Конденсатор С3, шунтирующий резистор R3 в цепи управления тринистором VS1, предотвращает срабатывание защиты от импульсных помех. Резисторы Rl, R2 ограничивают броски тока через контакты пусковой кнопки SB1, одновременно являясь «предохранителями» в случае пробоя конденсатора С1 или С2.
Диод VD5 улучшает быстродействие устройства, которое определяется в основном типом примененного реле и составляет доли секунды. Время отпускания реле РЭН33, использованного в описываемом устройстве, не превышает 4 мс, что вполне достаточно для надежного срабатывания защиты. Резистор R5 ограничивает ток, текущий через светодиод оптрона U1. Подбором его (в пределах 8…25 кОм) можно регулировать в небольших пределах (5…10 В) порог срабатывания защиты по превышению входного напряжения.
Конструктивно полуавтомат выполнен в виде переносного удлинителя (рис. 3.36).
Рис. 3.36. Конструкция полуавтомата
На его лицевой стенке-крышке установлены сетевая розетка Х2, кнопочный выключатель SB1 (КМ2-1 или П2К без фиксации) и индикатор HL1. Электромагнитное реле (РЭН33), тринистор VS1 и все другие детали смонтированы на печатной плате из одностороннего фольгированного материала, которая размещена в пластмассовом корпусе.
Реле К1 может быть любого типа на рабочее напряжение 12…60 В, а его контакты рассчитаны на ток не менее 2…3 А при напряжении сети 220 В. При этом, соответственно, должно быть и номинальное напряжение конденсатора С4.
Конденсаторы С1 и С2 — К73, МБМ, МБГО на номинальное напряжение не менее 350 В (С2 лучше на 400 В). Стабилитроны VD7 и VD8 заменимы на аналогичные, суммарное напряжение стабилизации которых может быть от 310 до 340 В при токе 10… 12 мА. При меньшем суммарном напряжении стабилизации этих приборов (250…300 В) резистор R5 должен быть сопротивлением 30…47 кОм и большей рассеиваемой мощности. В этом случае увеличится нестабильности порога срабатывания защиты.
Диодный оптрон АОД101А (U1) допустимо заменить транзисторным серии АОТПО или АОТ127, соединив резистор R4 с эмиттером фототранзистора, анод тринистора VS1 — с выводом его коллектора, а между базой и эмиттером установить резистор сопротивлением 1 МОм. При этом и тринистор может быть с большим током управления, например, серии КУ201 или КУ202.
Налаживание устройства сводится в основном к подбору конденсаторов С2 и С1. Подбирая первый из них, добиваются отключения устройства при снижении напряжения сети до 160170 В, а второй — надежного включения Пусковой кнопкой SB1. Не исключен и подбор резистора R5 — для обеспечения надежного срабатывания системы защиты при напряжении сети, превышающим 240…250 В. При настройке не следует забывать о мерах электробезопасности — ведь все элементы устройства гальванически связаны с электросетью повышенной опасности.
В заключение несколько практических советов, связанных с возможными изменениями в самом устройстве защиты.
Если возникнут трудности с подбором высоковольтных стабилитронов VD7 и VD8, то возможно применение одного стабилитрона КС533А с дополнительным транзистором КТ940А, как показано на рис. 3.37, а. Переменным резистором R8 устанавливают напряжение порога срабатывания системы защиты. Однако ее надежность при этом несколько снизится, так как транзистор VT1 может «уходить на обрыв», и устройство не отключит нагрузку в случае превышения входного переменного напряжения. Стабилитроны же, как правило, выходят из строя на «замыкание», и это приводит лишь к отключению нагрузки.
Устройство удастся упростить, если заменить тринистор VS1 и оптрон U1 оптотиристором соответствующей мощности — с выходным импульсным током не менее 1 А, например, серии ЛОУ160. Полуавтомат с таким оптроном должен надежно блокировать по питанию обмотку реле К1 быстрой разрядкой конденсатора С4. Наиболее распространенный оптрон серии ЛОУ10З выдерживает импульсный ток значением до 0,5 А, которого может оказаться недостаточно для надежной работы устройства.
Вообще же оптрон можно заменить маломощным импульсным трансформатором. Подойдет, например, согласующий трансформатор усилителя 3Ч переносного транзисторного радиоприемника или аналогичный, обмотки которого содержат по 150…300 витков провода ПЭВ-2 0,15…0,3. Обмотку с меньшим числом витков подключают к цепи управления тринистором VS1 (рис. 3.37, б), а обмотку с большим числом витков — вместо излучающего диода оптрона U1. Резисторы R3 и R4 в этом случае из устройства удаляют.
Рис. 3.37. Некоторые возможные изменения в конструкции полуавтомата
Для надежной работы устройства в качестве SB1 следует установить кнопку, рассчитанную на полный пусковой ток защищаемого устройства. В цепь анода тиристора VS1 желательно установить ограничительный резистор сопротивлением порядка 10 Ом, он предохранит тиристор от возможного пробоя разрядным током конденсатора С4.
3.5.5. Тиристорный регулятор напряжения
Этот прибор позволяет регулировать напряжение на активной нагрузке в пределах от нескольких десятков вольт до 220 В при нагрузке мощностью до 1000 Вт. Принципиальная схема регулятора приведена на рис. 3.38.
Рис. 3.38. Принципиальная схема тиристорного регулятора напряжения
Тринисторы VS1 и VS2 включены навстречу друг другу — параллельно между собой и последовательно с нагрузкой; они поочередно пропускают ток то в одном, то в другом направлении.
При включении регулятора в сеть в первый момент оба тринистора закрыты и конденсаторы C1, С2 заряжаются через переменный резистор R5.
Выходное напряжение устанавливают с помощью переменного резистора R5, который совместно с конденсаторами C1, С2 образует фазосдвигающую цепочку. Тринисторы управляются импульсами, формируемыми с помощью динисторов VS3, VS4.
Если тринисторы VS1, VS2 установить на радиаторы, то можно увеличить нагрузку до 1,5 кВт.
В некоторый момент времени, который определяется сопротивлением включенной в цепь части резистора R5, когда напряжение на конденсаторах станет равным напряжению включения Uвкл динистора, открывается один из динисторов (какой именно, зависит от полярности полупериода) и параллельно конденсатору, например С2, подключается цепочка из двух резисторов R3, R4.
На резисторе R4 появляется скачок напряжения, равный половине напряжения переключения (=< 5 В). Напряжение на конденсаторе Uc2 распределяется между резисторами R3, R4 и динистором VS4. Этот скачок напряжения включит тринистор VS2, и через нагрузку потечет ток. Отключается указанный тринистор в начале отрицательного полупериода сетевого напряжения; тогда же начинается новый цикл зарядки конденсаторов, но уже в обратной полярности. Теперь открывается второй динистор и второй тринистор.
Резисторы Rl, R4, каждый по 51 Ом, рекомендуется подключать в цепь управления для повышения надежности работы тринисторов.
Особенность работы этой схемы состоит в том, что в ней используются оба полупериода переменного тока.
При использовании динисторов типа КН102Б или КН102В емкости конденсаторов C1, С2 надо уменьшить до 0,2 мкФ и 0,15 мкФ соответственно. Напряжения переключения для них равны 7 В и 10 В соответственно. Конденсаторы любые малогабаритные на напряжение не менее 300 В. Постоянные резисторы типа МЛТ или ВС, переменный резистор типа СП2-2-1.
3.5.6. Два варианта включения ламп дневного света[2]
Традиционные элементы пускового устройства лампы дневного света (ЛДС) — дроссель и стартер. При выходе из строя или отсутствии этих деталей можно воспользоваться предлагаемыми вариантами включения ЛДС с использованием доступных элементов.
На рис. 3.39, а приведена схема пускового устройства, для которого понадобится повышающий трансформатор и включенный последовательно с ним бумажный конденсатор емкостью 12…25 мкФ на напряжение не менее 350 В.
Трансформатор можно намотать на магнитопроводе сечением 2 см2. Его обмотка I должна содержать 500 витков провода ПЭВ-2 0,8…0,9, а обмотка II — 2800 витков провода ПЭВ-2 0,25…0,3.
В качестве трансформатора подойдет любой готовый понижающий с напряжением на вторичной обмотке 12…36 В (например, выходной трансформатор кадровой развертки телевизора ТВК-110ЛМ) и мощностью не менее 5 Вт. Его первичная обмотка используется как обмотка II, а вторичная — как I.
Рис. 3.39. Два варианта включения ламп дневного света
Емкость конденсатора не изменяют при включении в сеть нескольких (до пяти) ЛДС, соединив последовательно обмотки I их трансформаторов (рис. 3.39, б). Параллельно обмоткам подпаивают выводы выключателей, которыми можно зажигать одну, две или все лампы.
При необходимости к обмоткам II допустимо подключать две последовательно соединенные ЛДС мощностью по 20 Вт или одну мощностью 40 Вт.
3.6. ПОЛЕЗНЫЕ СОВЕТЫ
3.6.1. Определение назначения обмоток сетевого трансформатора
Если требуется определить назначение обмоток трансформатора транзисторного приемника, магнитофона или магнитолы, то в первую очередь определяют сетевую обмотку, которая содержит большее число витков и поэтому обладает высоким сопротивлением. Обмотку меньшего сопротивления, обычно не превышающего 10,8 Ом, считают вторичной (понижающей).
При отсутствии омметра сетевую обмотку находят с помощью компаса. Выполняется это так. Устанавливают рядом с трансформатором или кладут прямо на его сердечник обыкновенный компас, присоединяя поочередно к выводам обмоток гальванический элемент или батарею, и наблюдают за стрелкой компаса. Та обмотка, которая отклоняет стрелку на больший угол, и представляет собой сетевую обмотку.
3.6.2. Определение числа витков обмоток сетевого трансформатора
Обмотать боковые стержни сердечника одним-двумя слоями бумаги, осторожно продевая провод, намотать на катушку трансформатора поверх имеющихся обмоток еще одну дополнительную обмотку. Число витков wдоп обмотки желательно взять не менее 25, а в качестве обмоточного провода применить любой изолированный провод диаметром 0,15…0,51 мм. Затем собрать схему, изображенную на рис. 3.40, и установить с помощью автотрансформатора такое напряжение на первичной обмотке I, при котором показание вольтметра равно Uдоп = 46 В. Перевести переключатель в положение 2–1 и записать второе показание U1 вольтметра.
Рис. 3.40. Схема для определения чиста витков сетевого трансформатора
Вычислить число витков обмотки w1 по формуле:
w1 = wдоп∙(U1/Uдоп)
После определения w1 нетрудно таким же способом вычислить число витков и других обмоток.
3.6.3. Нахождение обмотки с бóльшим числом витков
Если об обмоточных проводах трансформатора ничего не известно и сопротивления обмоток не сильно отличаются друг от друга, то обмотку трансформатора, содержащую бóльшее число витков Об, находят следующим образом.
Для этого следует иметь гальванический элемент и миллиамперметр или вольтметр. Присоединяют к одной из обмоток (например, АВ) гальванический элемент, а к другой (CD) — миллиамперметр (рис. 3.41) с предельным значением тока 1 мА. Источник напряжения и прибор подключают к обмоткам так, чтобы при включении элемента стрелка миллиамперметра отклонялась влево, а при отключении — вправо.
Рис. 3.41. Схема для нахождения обмотки трансформатора с большим числом витков
Замкнув и разомкнув контур I, меняют местами гальванический элемент и миллиамперметр и размыкают контур II. Обмотку Об определяют по величине угла отклонения стрелки. Этот угол больше в том случае, если миллиамперметр присоединён к обмотке Об.
3.6.4. Электродвигатель станет сильнее
Увеличение паспортной мощности на 15 % достигается с помощью регулируемого по напряжению выпрямительного блока. Благодаря ему устраняются потери, связанные с перемагничиванием сердечника, что существенно уменьшает вероятность выхода из строя двигателей от перегрузок, увеличивает срок их службы.
В качестве регулятора предлагается схема с использованием тиристоров типа 2У202М, 2У202Н, КУ202М, КУ202Н либо с буквенным обозначением К или Л (рис. 3.42).
Рис. 3.42. Схема регулятора напряжения для электродрели
В мостовой схеме выпрямителя используются диоды Д245А, Д246А, но можно Д245, Д246, Д245В, Д247. Резистор R1 — составной.
В качестве индикатора включения аппарата используется неоновая лампа МН-9. В схеме применены три выключателя тумблерного типа ТП1-2.
Изменяя потенциометром R3 напряжение на управляющем электроде тиристора VS1, регулируем ток, проходящий через тиристор VS1, а следовательно, и ток, проходящий через мост.
В схеме предусмотрено подключение для двух видов нагрузки: Rн1 и Rн2. Первая предназначена для потребителей переменного тока, а вторая — постоянного. Нагрузку, например, дрель включаем в один из обозначенных разрывов цепи: Rн1 или Rн2. Соответственно, надо накоротко замкнуть свободный разрыв цепи выключателем SA2 или SA3. В первом случае вращением потенциометра R3 изменяем частоту вращения дрели, во втором — изменяем и частоту вращения и мощность коллекторного электродвигателя.
Наладка собранной схемы производится с помощью регулирования двух резисторов R1 и R3 при подключенной нагрузке. Вместо R1 временно можно поставить переменный резистор сопротивлением 20 кОм. Движок его ставится в среднее положение. И далее, перемещая движок, следует добиться вращения электродвигателя под нагрузкой от максимальных до минимальных оборотов. Затем надо заменить переменный резистор постоянным.
Регулятор напряжения собирается на текстолитовой плате и размещается в подходящем корпусе сетевого удлинителя с выводом ручки потенциометра R3 наружу.
3.6.5. Устройство для намагничивания магнитов [3]
Устройство работает следующим образом (рис. 3.43).
Рис. 3.43. Схема устройства для намагничивания магнитов
После включения питания начинается заряд накопительного конденсатора С1 через цепочку VD2, R5, R6, VD1. Через 15…20 сек загорается индикатор HL1 «Готов», сигнализирующий о том, что напряжение на С1 достигло рабочей величины (120 В). Теперь можно нажать кнопку SB1, через тиристор VS1 и катушку-соленоид L1 происходит разряд конденсатора С1. Импульс тока, прошедший через L1, создает магнитное поле, которое намагничивает заготовку из магнитного материала, находящуюся внутри соленоида.
Катушка L1 может иметь различную форму и число витков, а также может быть снабжена сердечником необходимой формы из ферромагнитного материала. В данном случае катушка L1 имеет 20 витков провода МГШВ-0,35 на сердечнике из электротехнической стали, заготовки из сплава ЮНД4 в ней намагничиваются до уровня 30…50 мТл.
Очевидно, что изменив номиналы элементов схемы, можно добиться других уровней остаточной индукции, например, увеличения намагниченности можно добиться, увеличив емкость конденсатора С1 и сопротивление резистора R3.
Налаживание устройства состоит в подборе сопротивления резистора R1 до максимально возможной величины, при которой надежно открывается и затем закрывается тиристор VS1 (после зажигания индикатора «Готов» и нажатия и отпускания кнопки «Разряд»).
3.6.6. Как размагнитить инструмент
Конструкция, о которой пойдет разговор, не столько демонстрационное пособие, сколько полезный прибор для школы, кружка, дома. Ведь вам часто приходится пользоваться инструментом из магнитного материала, и вы наверняка замечали, что со временем он становится постоянным магнитом — начинает притягивать мелкие предметы и детали: гайки, шайбы, винты. А это неудобно для работы, следовательно, инструмент нужно размагничивать.
Для этой цели служит приспособление, показанное на рис. 3.44, а. Оно состоит из катушки индуктивности L1, понижающего трансформатора T1 и кнопочного выключателя SB1.
Электрическая схема соединений деталей приведена на рис. 3.44, б. Когда на катушку подают питающее напряжение, катушка создает переменное магнитное поле — оно и размагничивает инструмент.
Рис. 3.44. а) Приспособление для размагничивания инструмента б) схема устройства для размагничивания инструмента
Из плотной бумаги склейте каркас катушки толщиной 1,5…2 и длиной 80 мм. Внутренний диаметр каркаса 30…35 мм. По краям каркаса установите щечки толщиной 5…6 и диаметром 80 мм.
На каркас намотайте обмотку — примерно 1 000 витков провода ПЭЛ или ПЭВ диаметром 0,7…0,9 мм. Сопротивление такой обмотки будет около 8 Ом.
Понижающий трансформатор — любой конструкции, с напряжением на обмотке II 10…15 В при токе нагрузки до 2 А.
Включив установку в сеть, нажмите кнопку выключателя и введите внутрь каркаса катушки, например, отвертку. Подержите ее 10…15 с, а затем выключите установку. Если отвертка не успела размагнититься, операцию повторите.
При отсутствии намагниченных инструментов можете взять, скажем, толстый гвоздь, намагнитить его с помощью постоянного магнита, а затем размагнитить на установке. Индикатором степени намагниченности и эффекта размагничивания допустимо использовать компас.
3.7. ЗАДАЧИ
1. Сила тока в паяльнике 0,9 А при напряжении 220 В. Определите мощность тока в паяльнике и сопротивление обмотки паяльника.
2. Определите сопротивление электрической лампы, на баллоне которой написано: 220 В, 100 Вт.
3. У какой лампы сопротивление нити накала больше: мощностью 50 Вт или 100 Вт, если они рассчитаны на одинаковое напряжение?
4. Сопротивление какой цепи переменному току больше, во сколько раз и почему (рис. 3.45, а, б)?
Рис. 3.45. Сопротивление какой цепи переменному току больше, во сколько раз и почему?
5. При каких соотношениях ХС и XL (рис. 3.46, б) в цепи будет резонанс напряжения (считать, что R < ХС, R < XL)?
Рис. 3.46. При каких соотношениях ХС и XL в цепи будет резонанс напряжения
6. На рис. 3.47 показан трансформатор и приведены значения напряжений и сила токов во вторичных обмотках. Укажите все возможные варианты соединения вторичных обмоток трансформатора, величины напряжений и допустимую силу токов в полученных обмотках.
Рис. 3.47. Указать все возможные варианты соединения вторичных обмоток трансформатора