Рудольф Сворень - Шаг за шагом. От детекторного приемника до супергетеродина
Смысл этой формулы предельно прост: для того чтобы увеличить частоту собственных колебаний f0, нужно уменьшить индуктивность Lк или емкость Ск контура; чтобы уменьшить f0, индуктивность и емкость нужно увеличить (рис. 47).
Рис. 47. Частота собственных электромагнитных колебаний в контуре зависит от индуктивности его катушки и емкости конденсатора. При уменьшении индуктивности или емкости частота растет.
Из формулы для частоты можно легко вывести (мы это уже делали с формулой закона Ома) расчетные формулы для определения одного из параметров контура Lк или Ск при заданной частоте и известном втором параметре. Удобные для практических расчетов формулы приведены на листах 73, 74 и 75.
БОРЬБА ЗА ДОБРОТНОСТЬ
Стечением времени амплитуды напряжения и тока в контуре уменьшаются — электромагнитные колебания затухают, подобно тому как затухают колебания маятника или струны (рис. 48, 49).
Рис. 48. Колебания маятника затухают потому, что запасенная при толчке энергия постепенно расходуется.
Рис. 49. Чтобы продлить свободные колебания маятника, то есть ослабить их затухание, необходимо уменьшить потери энергии (например, потери из-за трения).
Затухание электромагнитных колебаний в контуре связано с тем, что всякий раз при «перекачивании» энергии из конденсатора в катушку и обратно часть этой энергии безвозвратно теряется. Основные потери энергии в контуре — это потери в проводе катушки, в соединительных проводах, в изоляции проводов, потери в диэлектрике конденсатора и каркасе катушки, а также на излучение электромагнитных волн. Таким образом, если мы хотим нарисовать реальную схему контура, то, помимо контурной катушки Lк и конденсатора Ск, мы должны включить в нее и сопротивления, которые будут характеризовать потери энергии (лист 76). В действительности никаких сопротивлений (имеется в виду отдельная деталь) в контуре, конечно, нет. Но потери энергии в катушке, конденсаторе и т. д. существуют реально. Для того чтобы не забывать об этом, мы и рисуем на схеме не только катушку Lк и конденсатор Ск, но и условные сопротивления, которые отображают фактически существующие потери энергии.
Основные виды потерь — потери в катушке, потери на излучение и другие — условно характеризуются сопротивлением Rк, включенным последовательно, с Lк и Ск (лист 76, упрощенные схемы). Во время колебаний по сопротивлению Rк проходит весь контурный ток и, чем больше Rк, тем больше энергии на нем теряется.
Для учета некоторых видов потерь (потери в конденсаторе, в каркасе и др.) иногда приходится считать, что в контуре имеется еще одно сопротивление Rш, шунтирующее (лист 32), конденсатор Ск или катушку Lк. Во время разряда конденсатора ток разветвляется: часть его проходит через катушку и создает там запасы энергии в виде магнитного ноля. Другая часть разрядного тока проходит через сопротивление Rш и создаст там безвозвратные потери энергии. Чем меньше Rш, тем больший ток через него проходит, тем больше энергии теряется на этом сопротивлении.
Таким образом, для того чтобы уменьшить потери в контуре, нужно стремиться к тому, чтобы сопротивление Rк было как можно меньше, а сопротивление Rш как можно больше (рис. 50, 51).
Рис. 50. Электромагнитные колебания в контуре, как и механические колебания маятника, затухают из-за потерь энергии. Потери в контуре учитывают с помощью двух условных сопротивлений — последовательного и шунтирующего (параллельного).
Рис. 51. Чем меньше потери энергии, тем выше добротность контура, тем медленнее затухают в нем колебания. Для повышения добротности последовательное сопротивление нужно уменьшать, а параллельное увеличивать.
Сопротивления Rк и Rш на схемах радиоаппаратуры не изображаются, так как они не представляют собой самостоятельных деталей. Однако эти сопротивления реально существуют и, потребляя энергию, приводят к затуханию колебаний.
Для характеристики затухания колебаний существует специальная величина, называемая добротностью (лист 77).
Добротность обозначается буквой «Q» и представляет собой относительное число, показывающее, во сколько раз энергия, запасаемая в конденсаторе или катушке за четверть периода. больше, чем энергия, теряемая на сопротивлениях Rк и Rш за то же время. Совершенно очевидно, что, чем выше добротность Q, тем медленнее будут затухать колебания в контуре (лист 78).
Добротность реальных колебательных контуров обычно лежит в пределах от 30 (в контуре каждый раз теряется одна тридцатая часть, то есть около 3 % перекачиваемой энергии) до 300 (потери около 0,3 % от запасенной энергии). Добротность специальных колебательных систем (кварцевые пластины, объемные резонаторы) достигает нескольких десятков и даже сотен тысяч.
Ухудшить добротность контура (иногда возникает и такая необходимость) можно очень просто: достаточно увеличить потери в контуре, увеличив Rк или уменьшив Rш. Для этого можно, например, включить в контур обычные сопротивления.
Что же касается повышения Q (как правило, нам нужны контуры с высокой добротностью), то это довольно сложная задача, которая в основном решается путем уменьшения потерь в контурной катушке.
Индуктивность контурных катушек, применяемых на коротких и ультракоротких волнах (лист 81), очень мала и составляет единицы и даже десятые доли микрогенри (лист 66). Катушки такой маленькой индуктивности содержат лишь несколько витков сравнительно толстого (диаметр 0,6–1,2 мм) медного провода, как правило, без всякой изоляции или покрытого тонким слоем эмали (провод ПЭ, лист 79). Диаметр провода в миллиметрах указан в его названии цифрой, которая следует сразу же после букв, определяющих марку провода.
Для уменьшения потерь в таких катушках иногда применяют провод, покрытый тонким, толщиной в несколько микрон, слоем серебра. Дело в том, что при прохождении переменного тока по проводнику наблюдается интересное явление, получившее название поверхностного эффекта (лист 80) или скин-эффекта («скин» в переводе на русский язык значит «кожа»). Сущность этого явления состоит в том, что переменный ток не распределяется равномерно по всему проводнику, а проходит лишь по наружному его слою. Чем выше частота, тем сильнее проявляется поверхностный эффект, тем тоньше наружный слой проводника, по которому проходит ток. Поэтому для уменьшения потерь в высокочастотных катушках их не нужно целиком делать из серебряного провода (серебро, как известно, лучше всех других металлов пропускает ток, то есть обладает наименьшим удельным сопротивлением — лист 16), а достаточно применить посеребренный провод.
Катушки КВ и УКВ контуров выполняют на керамических или полистироловых каркасах, причем шаг намотки часто в полтора-два раза превышает диаметр провода, то есть между соседними витками имеются значительные просветы. Это, между прочим, и хорошо и плохо. Хорошо потому, что, сближая либо раздвигая соседние витки, можно подгонять индуктивность катушки, а плохо потому, что при недостаточно тугой намотке или недостаточно жестком каркасе витки сместятся и индуктивность катушки изменится.
Индуктивность катушек, применяемых в колебательных контурах на длинных и средних волнах (лист 82), составляет сотни и тысячи микрогенри. Такие катушки обычно содержат несколько десятков и даже сотен витков и выполняются из тонкого (диаметром 0,1–0,2 мм) медного провода. Чаще всего используют провод марки ПЭ — провод эмалированный или ПЭШО — провод эмалированный в шелковой оплетке. Намотку производят на каркасах из картона, эбонита, полистирола и других изоляционных материалов, причем всю обмотку часто делят на несколько секций что позволяет несколько снизить потери. В ряде фабричных приемников, особенно старых выпусков, широко применялась намотка «Универсаль», выполняемая на специальных станках. Намотка «Универсаль» характеризуется тем, что провод укладывается ровными рядами, несколько «перекрещенными», то есть повернутыми один относительно другого. В настоящее время намотка «Универсаль» применяется редко — вместо нее производят намотку «внавал», укладывая провод между двумя щечками.
