Генрих Кардашев - Радиоэлектроника-с компьютером и паяльником
Ограничимся кратким перечнем изделий, построенных на базе микроконтроллеров: микроАТС, автоответчики, АОНы, мобильные телефоны, зарядные устройства, факсы, модемы, пейджеры, таймеры, системы сигнализации, измерительные приборы, счетчики воды, газа и электроэнергии, дозиметры, приборы автосигнализации, системы управления зажиганием и впрыском топлива, приборные панели и радарные детекторы, интеллектуальные датчики, системы управления электродвигателями, промышленные роботы, регуляторы температуры, влажности, давления и т. д., схемы управления принтерами и плоттерами, сетевые контроллеры, сканеры, схемы управления аудиосистемами, системы синтеза речевых сообщений, видеоигры, системы дистанционного управления, кассовые аппараты и т. д.
Безусловно, этот впечатляющий список будет и расширяться, и углубляться, и читателям, после освоения основ электроники — начального старта, безусловно, придется окунуться в эту бурно развиваемую область.
1.3. Дополнительные компоненты
Электроакустические и электромеханические компоненты
Важно до конца выяснить, какую роль в восприятии звука играет то обстоятельство, что человеку дано именно два, а не одно ухо.
Т. Хаясака. Электроакустика
Электроакустические устройства представляют собой преобразователи электрических колебаний в акустические (излучатели звука: наушники, громкоговорители и т. п.) или, наоборот, акустических колебаний в электрические (приемники звука: микрофоны, гидрофоны и т. п.). Как правило, это выходные или входные компоненты соответствующих аудиоустройств. Электроакустические преобразователи имеют различный принцип действия, конструктивные особенности и технические характеристики.
Микрофоны
История изобретений микрофонов тесно переплетается с историей рождения телефонов (телефонных аппаратов и телефонной связи), так как они являются обязательными компонентами этих систем.
Официальной датой рождения телефона считается 1876 г., когда американец Александр Грэхем Белл получил свой знаменитый патент. Однако первый телефонный разговор, как свидетельствует околонаучный фольклор, произошел за 16 лет до этого. «Лошади не лопают огуречный салат!» — прокричал в раструб своего замысловатого аппарата Филипп Рейс. «Это я и без тебя знаю, старый осел!», — отчетливо прозвучал в ответ голос его друга, говорившего в аппарат, но в другом помещении. Свое устройство Рейс назвал «телефон» от греческих слов tele — вдаль, далеко и phone — звук; правда, аппарат Белла был более совершенным.
В своем изобретении Рейс использовал то, что на современном языке называется бионикой, взяв за основу механизм восприятия звука ухом. Его «одноухий» звукоприемник представлял собой раструб, прикрепленный сбоку к отверстию в деревянной коробке, закрытому упругой диафрагмой из свиной кишки (аналог барабанной перепонки). В центре диафрагмы размещалась платиновая пластинка, соединенная с одним из полюсов батареи. Второй полюс батареи был соединен с другим аппаратом, и далее цепь замыкалась через платиновую иглу (аналог ушного молоточка), касающуюся углубления в центре пластинки. Внутри углубления помещалась капелька ртути. При попадании звука в раструб колебания диафрагмы приводили к изменению площади касания в системе «игла — ртуть — пластинка» и. следовательно, изменению величины контактного сопротивления. Таким образом, ток в цепи модулировался звуковыми колебаниями.
Излучающее устройство второго аппарата состояло из железной вязальной спицы, укрепленной горизонтально на деревянном резонаторном ящике, а вокруг спицы размещалась катушка, соединенная с первым аппаратом. Переменный ток в катушке возбуждал колебания спицы, и из резонатора раздавался звук, отчасти похожий на тот, который был послан в первый аппарат… Возвращаясь к фольклору, отметим, что в продолжение приведенной выше фразы там пишется: «Рейс так обрадовался удаче, что не обратил внимания на не слишком вежливый ответ». А он и не мог его услышать по этому телефону: его звукоприемник не обладал свойством обратимости, им обладал только второй аппарат. Если друг Рейса произнес ответ, то, в принципе, спица в его аппарате пришла в соответствующие колебания и промодулировала ими ток в цепи аппаратов (так работают электромагнитные адаптеры в электрогитарах). Однако у аппарата Рейса колебания тока не привели бы к синхронным колебаниям иглы и диафрагмы и последующему излучению звука. Для дуплексной связи необходимо было бы иметь второй комплект подобной аппаратуры, с обратными функциями. Поэтому друг Рейса, пока они не изготовили два комплекта, мог бы выразиться и более смачно…
Американский изобретатель Д. Юз в 1878 г. усовершенствовал звукоприемное устройство Рейса (и частично некоторые конструкции Эдисона), заменив, по сути, платиновую иглу на угольный стерженек (типа карандашного грифеля), заостренный с двух концов и опирающийся на углубления в угольных опорах, находящихся на деревянной деке. Переходное сопротивление в угольных опорах изменялось здесь гораздо больше, чем у Рейса. Это — «микрофон Юза», хотя приставка «микро» здесь пока и не очень уместна (если только не сравнивать с ушами слона).
Годом позже железнодорожный инженер из г. Львова Маврикий Махальский, «раскрошив» угольный стержень Юза, получает патент на конструкцию микрофона с чувствительным элементом из угольного порошка. Этот микрофон был усовершенствован и впоследствии превратился в капсюльный угольный микрофон. Увы, как всегда, «страна своих героев не помнит», и этот микрофон, доживший до наших дней, сплошь и рядом, называют именем Юза…
Вполне понятно, что чувствительность этого микрофона значительно превышала чувствительность прототипа, благодаря использованию громадного числа изменяемых под действием звукового давления контактных поверхностей и большой подвижности отдельных зерен порошка.
В телефонах конструкции Белла, как для приема, так и для передачи звука, использовались, по сути, электромагниты с железной мембраной. В режиме микрофона звук колебал мембрану, и она вызывала модуляцию тока в цепи катушки электромагнита, подключенного к батарее, либо имевшей подмагничивание постоянным магнитом. Если этот ток протекал по другому аналогичному устройству, соединенному с первым проводами, то его мембрана колебалась в такт с первой, излучая звук в окружающее пространство.
Помимо порошкового угольного микрофона Махальского, который по принципу действия является тензорезистивным, и микрофона Белла, являющегося электромагнитным, известны микрофоны, основанные на иных принципах: электродинамические, конденсаторные, пьезоэлектрические и электретные (рис. 17).
Рис. 17. Микрофоны:
а — внешний вид; б — УГО
В электродинамическом микрофоне катушечного типа, который изобрели американские ученые Э. Венте и А. Терас в 1931 г., применена диафрагма из тонкой полистирольной пленки или алюминиевой фольги, жестко связанная с катушкой из тонкой проволоки, находящейся в кольцевом зазоре магнитной системы. При колебаниях диафрагмы под действием звука витки катушки пересекают магнитные силовые линии и в катушке наводится ЭДС, создающая переменное напряжение на ее зажимах.
В электродинамическом микрофоне ленточного типа, изобретенном немецкими учеными Э. Герлахом и В. Шоттки в 1924 г., вместо катушки в магнитном поле располагается гофрированная ленточка из очень тонкой (около 2 мкм) алюминиевой фольги.
В конденсаторном микрофоне, изобретенном американским ученым Э. Венте в 1917 г., звук действует на тонкую металлическую мембрану, изменяя зазор и, следовательно, электрическую емкость между мембраной и металлическим неподвижным корпусом, представляющими собой пластины конденсатора электрического. При подведении к пластинам постоянного напряжения изменение емкости вызывает появление тока через конденсатор, сила которого изменяется в такт со звуковыми колебаниями.
В пьезоэлектрическом микрофоне, сконструированном советскими учеными С. Н. Ржевкиным и А. И. Яковлевым в 1925 г., звук воздействует на пластинку из вещества, обладающего пьезоэлектрическими свойствами, например из сегнетовой соли, вызывая на ее поверхности появление электрических зарядов. В настоящее время в качестве чувствительного элемента в подобных микрофонах используют специальные пьезокерамические материалы (титанат бария, цирконат-титанат свинца и др.).
В электретном микрофоне, изобретенном японским ученым М. Егучи в начале 1920-х годов, по принципу действия и конструкции схожем с конденсаторным, роль неподвижной обкладки конденсатора и источника постоянного напряжения играет пластина из «электрета». «Электреты» относятся к материалам, способным сохранять постоянную электрическую поляризацию (и противоположные заряды на поверхностях), подобно тому, как постоянные магниты сохраняют свою намагниченность. С электретными микрофонами связана одна курьезная история времен Второй мировой войны, когда к американцам попал целехонький японский эсминец, и они немедленно стали изучать его техническое оснащение. И вот, когда дело дошло до оценки внутренней телефонии, то американские связисты оказались в полном недоумении из-за отсутствия в телефонах электромагнитов и источников питания. Однако связь безупречно работала. Только после весьма продолжительного специального научного исследования они разгадали эту японскую загадку: телефоны были электретными.
