Глава 20. Реле, оптроны, блоки питания

«Спец»: Поговорим об очень ответственных компонентах нашего, ещё не построенного, приемника. А именно — о реле!

«Аматор»: Об электромагнитных реле? Но для чего они в нашем приёмнике?

«С»: А как вы, милостивый государь, собираетесь реализовывать переключение диапазонов?

«А»: С помощью переключателя, естественно. Правда, если исходить из современных тенденций, можно попробовать использовать специальные переключающие диоды, например.

«Незнайкин»: Или панельку, как у калькулятора ил и у цифрового телефона.

«А»: Да, в конце-концов, поставить хороший герметизированный барабанный переключатель? Я знаю подходящие.

«С»: Это всё понятно! Иными словами, вы предлагаете в высококачественном приемнике, значительное количество слаботочных проводников вытянуть из-под экрана, дотянуть до переключателя, а затем тянуть обратно?

«А»: Я же говорил о переключающих диодах! Тогда всё можно решить тихо-мирно!

«С»: Это в высококачественном приемнике-то!? Какая милая шутка! То есть ввести в состав входных контуров заведомо нелинейные элементы, которые ещё и ухудшают развязку? Ну, уж нет!

«А»: А что ещё можно предложить?

«С»: Ничего, кроме коммутации входных цепей с помощью специализированых малогабаритных электромагнитных реле. На сегодняшний день они для этих применений зарекомендовали себя отлично!

«Н»: Один приятель принес как-то в класс электромагнитное реле. Здоровущее такое!..

«С»: Я говорил о специализированных! Напомню, что электромагнитные реле предназначены для коммутации электрических цепей в системах автоматики, сигнализации и связи. Вообще слово «реле» — французского происхождения и имеет многовековую историю. Раньше оно означало почтовые станции, на которых происходила перепряжка лошадей.

В нашем случае реле выглядит несколько иначе. Оно состоит из корпуса, сердечника, катушки и контактной группы. Или даже нескольких контактных групп. Всё это смонтировано на общем основании и закрыто чехлом.

«А»: Я слышал, что есть и так называемые ГЕРКОНОВЫЕ реле.

«С»: Да, есть. Вообще ГЕРКОН — это герметизированный контакт. Он помещается в стеклянную колбочку, заполненную инертным газом. Контакты геркона, находящиеся внутри колбочки, представляют из себя контактные ферромагнитные пружины. Они, одновременно, являются и элементом магнитной цепи. Если магнитное поле имеет достаточную напряженность, эти контактные пружины притягиваются. При этом они, обратимо деформируясь, замыкают или размыкают контакты.

«Н»: А в обычных реле не используются герконы?

«А»: В обычных — нет! Но меня смущает тот факт, что контактные группы обычных реле рассчитаны на значительные токи и напряжения. Они справятся с коммутацией очень малых сигналов?

«С»: Обычные реле НЕТ, не справятся! Но есть несколько типов реле, которые предназначены самим провидением для коммутации радиочастотных цепей. Это, например, герконовые реле типа РЭС-42; РЭС-43; РЭС-44; РЭС-64 и т. д. Но… все они достаточно великоваты, а учитывая их потребное количество, со вздохом, правда, но мы вынуждены будем по этой причине отказаться от их применения в нашей конструкции (рис. 20.1).

«Н»: Ну, а есть какие-нибудь ну очень миниатюрные реле, способные успешно коммутировать слабые высокочастотные сигналы?

«С»: К нашему общему удовольствию — да! Причем несколько типов.

Например: РЭС-49; РЭС- 60; РЭС-80 и т. д. Герконов они НЕ СОДЕРЖАТ! Из них самые подходящие и доступные — это РЭС-49. Они имеют одну контактную группу на переключающих контактах с серебряным или платиновым покрытием. Гарантированное количество срабатываний для нашего режима коммутации — до миллиона! Их габаритные размеры — площадь, занимаемая на плате — 5x10 мм. Высота — 15 мм.

«Н»: Совсем крохотные!

«С»: И тем не менее великолепно зарекомендовавшие себя в радио-технических цепях.

«А»: А какой у них ток срабатывания?

«С»: Существенный вопрос. Я предполагаю, что наиболее оптимальными для нас будут РЭС-49, имеющие номер технического паспорта 428. У них ток срабатывания — 7 мА; напряжение срабатывания — 11 вольт. Специфику их схемотехнического применения дадим тогда, когда перейдем к рассмотрению конкретных схем.

«А»: Какие еще элементы остались без рассмотрения?

«С»: Да вот, например. Что мы решаем по поводу регулирующего устройства для системы АРУ?

«А»: Пожалуй, можно подумать о применении в качестве таковой, системы, включающей в себя полевой транзистор. Мне как-то пришлось читать, что регулирующие устройства для аттенюаторов цепей АРУ бывают однозвенными, а также двузвенными. С продольным и поперечным включением регулируемого элемента (резистора). Я зарисовал это (рис. 20.2). Здесь на рис. 20.2, а и б изображены аттенюаторы с продольным расположением регулирующего резистора, а на рис. 20.2, в и г — с поперечным расположением.

«Н»: А в качестве регулирующего резистора ты и предлагаешь взять «полевик»?

«А»: Ну естественно!

«С»: Поздравляю, дорогой Аматор! Это очень неплохое решение, особенно если использовать варианты с поперечным расположением. У них нелинейность заведомо меньше, чем у продольных.

«А»: Тогда, может, приступим к выбору типа полевого транзистора для этой цели?

«С»: Мы бы немедленно приступили к этой работе, случись нам говорить на эту тему лет двадцать назад! Но мы говорим об этом именно сегодня. Поэтому я просто обязан заметить, что наиболее высокую степень линейности регулирования достигают не с помощью jFET или MOSFET, а с помощью совершенно иных приборов — ОПТРОНОВ и XОЛЛОTPОHОB!

«А»: О холлотронах я слышу вообще в первый раз!

«С»: Холлотрон — это преобразователь, основанный на эффекте Холла, управляемый магнитным полем. У этого прибора есть немало сторонников, но я не из их числа. Иное дело — ОПТРОН!

Вообще оптическая электроника — это бескрайний Океан! В нем можно утонуть с головой!

«Н»: Если перед этим акулы не съедят!

«С»: А их, поверь, хватает! Оптоэлектроника — это стремительно развивающаяся область электроники, оптики и еще Бог знает чего! Я листал недавно ведомственный справочник, так оптоэлектронные приборы занимают уже отдельные тома! Каких там только нет!? Так вот, из всего этого великолепия я выбрал один прибор, который существует, можно сказать, именно для нашего случая.

«А»: Ну, Спец, не томите душу…

«С»: Не стану. Вот я изобразил этот прибор схематически (рис. 20.3).

«Н»: Только и всего?

«А»: Как сказал муравей, увидав слона…

«С»: Дорогой Незнайкин, а разве этого мало? Все гениальное сперва может и не казаться таковым. Очевидно, ты просто не вдумался в то, что видишь?

«Н»: Ну, я так понимаю, что внизу изображен светодиод. А вверху, очевидно, фоторезистор. Когда светит светодиод — сопротивление фоторезистора R_ф МИНИМАЛЬНОЕ, а когда он не светит, то МАКСИМАЛЬНОЕ!

«С»: Все правильно, но не совсем. Дело в том, что излучающий светодиод имеет ЛИНЕЙНУЮ характеристику интенсивности излучения от величины тока, проходящего через него. Следовательно, фоторезистор R_ф будет также ЛИНЕЙНО и плавно изменять свое сопротивление!

«А»: Это действительно здорово! Во-первых, у сигнальной цепи НИКАКОЙ гальванической связи с управляющей цепью НЕТ! Даже у полевых транзисторов реальная АССИМЕТРИЯ характеристик, если поменять местами сток и исток все равно существует!

А здесь ее просто нет! А как называется это чудо?

«С»: С удовольствием сообщаю. Это АОР-124. Его данные мы помещаем в наш с вами справочник. Но мы связались с высокими частотами, однако ещё не решили вопрос, какими марками кабелей и разъемов мы с вами будем осуществлять коммутацию высокочастотных блоков? Поскольку обычные проводники длинною 7—10 см для передачи ВЧ-сигналов совершенно не пригодны. Они и сами «излучают» и «принимают» на себя высокочастотные электромагнитные поля.

«Н»: Я раньше думал, что кабель используется только для подачи сигнала от коллективной антенны к телевизору!

«А»: Полагаю, что теперь уже ты так не думаешь! Но я бы попросил рассказать о кабелях вас, Спец!

«С»: Линии передачи сигнала играют ответственную роль в радиочастотных цепях, где они используются в качестве путевода для сигналов от одного участка схемы к другому. Интересно, что линии передачи сигнала являются как бы исключением из того принципа, согласно которому полное сопротивление источника сигнала, в идеале, должно быть малым по сравнению с сопротивлением нагрузки, создаваемым возбуждаемой целью; а нагрузка должна иметь входное сопротивление, которое превышает сопротивление источника, к которому она (нагрузка) подключена. Вот как раз для линий передачи оказывается, что нагрузка должна иметь сопротивление, РАВНОЕ волновому сопротивлению линии.

«А»: В этом случае говорят, что «линия согласована»?

«С»: Именно так! При этом сами линии передачи сигнала бывают, в основном, двух видов: ПАРАЛЛЕЛЬНЫЕ ПРОВОДНИКИ и КОАКСИАЛЬНЫЕ ЛИНИИ. Именно коаксиальные линии используются в виде коротких отрезков с разъемами типа BNC (байонетными) для передачи сигналов между приборами, или блоками, или даже отдельными узлами. Коаксиальные линии, будучи полностью экранированными, исключают влияние излучения и наводок от внешних сигналов.

«А»: Я встречался с определениями, что такой-то кабель обладает «волновым сопротивлением — 75 Ом». Или 50 Ом. Что имеется в виду?

«С»: Это значит, что волна, бегущая по линии, имеет отношение напряжение/ток, равное Z₀. Это Z₀ обычно равно или 75 или 50 Ом. При работе с ВЧ сигналами ОЧЕНЬ ВАЖНО «согласовать» нагрузку с волновым сопротивлением линии.

«А»: В связи с тем, что «согласованная» нагрузка может передать импульс в оконечное устройство без искажений?

«С»: Верно! Причем именно в этом случае вся мощность сигнала попадает в нагрузку. Поэтому при конструировании узлов мы будем пользоваться коаксиальными линиями. Следовательно, входы и выходы ВЧ блоков будут выполняться с использованием ВЧ-разъемов.

«А»: Разъемы типа BNC (байонет) очень распространены. Их насчитывается десятки видов! Какие модификации найдут непосредственное применение в нашей разработке?

«С»: Вообще самые распространенные — это пара: СР-50-74 ПВ и СР-50-73 ФВ, рассчитанные на применение кабелей с внешним диаметром 3,5 мм. Но для нас наиболее предпочтительными являются такие пары, как: СР-50-104 ФВ и СР-50-103 ФВ или подобные им. Они рассчитаны на кабели с внешним диаметром 2,5 мм.

Ну вот, пожалуй и все по общим вопросам!

«Н»: Теперь можно перейти к схемотехнике?

«С»: Да, если бы не одна «мелочь». А именно, чем вы, друзья мои, собираетесь запитывать макет, а затем и конструктивно оформленные блоки радиоприемника?

«Н»: То есть необходим некий блок питания? А какое выходное напряжение он должен выдавать?

«А»: Полагаю, Незнайкин, что Н И КАКИМ одним выходным напряжением мы не обойдемся!

«С»: Правильная мысль! Давайте прикинем: для питания ОУ, а они у нас явно найдут применение, необходимо симметричное (как «+», так и «-») напряжение 15 вольт. Или, по меньшей мере, симметричное напряжение 10 вольт! Затем напряжение для ЦОУ. Его величина составляет + 7,5 вольт. Затем, относительно высокое напряжение для варикапов +30 вольт. Для питания усилителей, гетеродинов, преобразователей и наконец, УНЧ (усилителя низкой частоты) — тоже необходимо симметричное напряжение 15 вольт.

«А»: То есть необходимы, как минимум, ТРИ напряжения относительно мощных, способных отдать ток до 300 мА. И одно напряжение (для запитки варикапов), имеющее крайне незначительную токовую нагрузку.

«С»: Действительно, сами варикапы тока, практически, не потребляют! Но стабилизатор, запитывающий варикапы, некоторый ток все же потребляет. А поскольку напряжение на варикапы подается с движка многооборотного переменного резистора ППМЛ-1И, то важен номинал этого резистора. Наиболее предпочтителен номинал 22 кОм. Следовательно, ток потребляемый этим резистором, — около 2 мА. И внутреннее потребление стабилизатора — тоже, примерно, 2–3 мА. Вот из этого и будем исходить.

«Н»: Но ведь батарейки нас не спасут?

«А»: Ну конечно не спасут! Так что некий «лабораторный блок» сетевого питания строить все равно придется.

«С»: Это не проблема. Тем более, что это далеко не напрасный труд! Или этот же лабораторный блок, или такой же подобный, все равно должен войти в состав радиоприемника.

«Н»: Ну и отлично! Делать, так делать!

«С»: А еще говорят, что весь энтузиазм остался в прошлом!.. Ну, в таком случае, начнем рассмотрение схемотехнических вопросов именно с блока питания!

«Н»: Это, наверное, достаточно просто! Вот я сейчас зарисую «принципиалочку». Значит так… Трансформатор, выпрямители, а затем — на стабилитроны. Вот так, готово! А что, разве неправильно (рис. 20.4)?…

«А»: Твоими устами, Незнайкин, да мед бы пить!.. Представь себе, что идея у тебя правильная. Но, к сожалению, только в принципе! А любой прибор, Незнайкин, запомни это, должен работать НЕ В ПРИНЦИПЕ, А В КОРПУСЕ!

«Н»: А в чем ОНА — моя ошибка?

«А»: Если строить стабилизатор по предложенной тобой схеме, Незнайкин, учитывая тот факт, что сквозной ток стабилитрона СРАВНИМ ПО ВЕЛИЧИНЕ с током нагрузки, то плата за электроэнергию будет несколько выше оптимальной! А самое главное — стабилизатор этот все равно будет НИКУДА НЕ ГОДЕН! Потому что НЕСТАБИЛЬНОСТЬ выходного напряжения будет не менее нескольких ДЕСЯТКОВ МИЛЛИВОЛЬТ!

«Н»: Ну, а что с этим можно поделать?

«С»: Очень даже можно! Ты нарисовал так называемый ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ СТАБИЛИЗАТОР НАПРЯЖЕНИЯ. То есть такой, степень стабилизации которого зависит от параметров примененных стабилитронов.

Но в современной электронике подобные стабилизаторы давно не применяются! А имеют место только, так называемые, КОМПЕНСАЦИОННЫЕ СТАБИЛИЗАТОРЫ. Ты ведь имел с ними дело, дружище Аматор?

«А»: Да, это великолепная вещь! Принцип действия компенсационного стабилизатора (иначе КС) сводится к автоматическому регулированию выходного напряжения. Компенсационные стабилизаторы напряжения являются АВТОРЕГУЛИРУЕМЫМИ УСТРОЙСТВАМИ с замкнутой системой автоматического регулирования. Принцип действия показан на приведенном рис. 20.5.

«Н»: Получается, что делитель напряжения на резисторах R2 и R3 позволяет получать в точке «а» напряжение, пропорциональное выходному U_вых.

«А»: Да, если меняется U_вых, скажем, увеличивается, то увеличивается и потенциал точки «а». А если U_вых уменьшается, то это происходит и в названной точке тоже. Ну, рассуждай дальше…

«Н»: Я не знаю, как получается опорное напряжение в точке «б», но, оно НЕ ИЗМЕНЯЕТСЯ при изменении U_вых! Но тогда между точками «а» и «б» возникает некоторое напряжение, величина и знак которого зависят от U_вых?…

«С»: Смелее, Незнайкин! Далее это РАЗНОСТНОЕ напряжение заводится на входы УСИЛИТЕЛЯ РАССОГЛАСОВАНИЯ, на выходе которого вырабатывается сигнал, величина которого пропорциональна модулю напряжения рассогласования. А полярность такова, что управляемое им РЕГУЛИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО компенсирует ВСЕ изменения выходного напряжения.

Таким образом, СТАБИЛИЗАЦИЯ СВОДИТСЯ К УСТРАНЕНИЮ РАЗНОСТИ между эталонным (или опорным) напряжением и той частью выходного напряжения, которая поступает в точку «а». Ну вот, а теперь можно переходить к РЕАЛЬНЫМ принципиальным схемам!

КОНЕЦ ВТОРОЙ ЧАСТИ