Рудольф Сворень - Шаг за шагом. От детекторного приемника до супергетеродина
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.
Раньше для намотки ДВ и СВ катушек широко применялся провод литцентрат (ЛЭШО — литцентрат эмалированный в шелковой оплетке), состоящий из нескольких тонких (диаметром 0,05—0,07 мм), изолированных друг от друга медных проводов. Общая поверхность всех этих проводов получается довольно большой, и поэтому на высоких частотах сопротивление литцентрата оказывается несколько меньше, чем у обычного провода такого же диаметра. Следует отметить, что в случае применения литцентрата необходимо тщательно зачищать и пропаивать все его проводники. Одна непропаянная жилка может во много раз ухудшить добротность катушки.
Несмотря на то что литцентрат позволяет заметно уменьшить потери в катушке, в настоящее время он почти не применяется. Уменьшение потерь в катушке получают более эффективным и в то же время более простым и дешевым способом — путем применения ферромагнитных сердечников (лист 83).
Как уже говорилось, ферромагнитный сердечник резко увеличивает индуктивность катушки. Поэтому, если изготовить две катушки с одинаковой индуктивностью — одну из них с сердечником, а другую без него, то у катушки с сердечником будет намного меньше витков, и поэтому сопротивление ее тоже будет меньше (сопротивление проводника зависит от его длины: чем длиннее проводник, тем больше его сопротивление).
Для катушек, по которым течет переменный ток, нельзя использовать сердечник из целого куска стали, так как изменяющееся магнитное поле катушки наведет в таком сердечнике вихревой ток, потеряв на это большую часть энергии. Таким образом, сердечник, с помощью которого мы хотели уменьшить потери в катушке, сам становится источником потерь, которые возрастают с увеличением частоты переменного тока в контуре.
Для борьбы с этим видом потерь сердечники низкочастотных катушек (то есть катушек, по которым проходит ток низкой частоты) собирают из отдельных, изолированных друг от друга пластин. Ток, наведенный в каждой такой пластине, создает свое магнитное поле, которое… ослабляет токи в соседних пластинах. В результате токи в пластинах сердечника оказываются очень слабыми, и он «отбирает» у катушки мало энергии. Чем тоньше пластины, из которых собран сердечник, тем меньше потери в нем.
В высокочастотных катушках собирать сердечник из тонких пластин уже оказывается недостаточным. Сердечники для этих катушек прессуют из ферромагнитного порошка, смешанного со специальными связующими веществами (бакелитовый лак, полистирол и др.). Связующее вещество обволакивает отдельные крупинки ферромагнитного порошка и изолирует их друг от друга. Спрессованные подобным образом ферромагнитные порошки плохо проводят электрический ток, и поэтому они получили название магнитодиэлектриков. Для изготовления сердечников высокочастотных катушек чаще всего используются следующие магнитодиэлектрики: магнетит, альсифер, карбонильное железо и ферриты. Наиболее широко в последнее время используются ферриты, большинство которых увеличивает индуктивность катушки намного сильней, чем другие магнитодиэлектрики. Обычно сердечник выполняют в виде стержня с резьбой, который ввинчивается в каркас катушки. Выпускаются также сердечники типа СБ (сердечник броневой), имеющие форму закрытой чашки (горшка), внутрь которой вставляется сама катушка. В горшкообразном сердечнике также имеется подвижной стерженек, снабженный резьбой. Применение ввинчивающихся сердечников имеет одно большое достоинство: перемещая такой сердечник внутри катушки, можно в значительных пределах менять ее индуктивность, а это часто бывает очень важно.
Применение сердечников из магнитодиэлектриков позволяет в несколько раз уменьшить сопротивление потерь и, следовательно, повысить добротность Q контура. Другие пути уменьшения потерь — это применение в качестве Ск керамических, слюдяных и воздушных конденсаторов, обладающих малыми потерями; монтаж высокочастотных цепей короткими проводами; использование для каркаса катушки материала с малыми потерями, а также ряд других мер. В любительских условиях не всегда имеется возможность да и не всегда есть смысл принимать все возможные меры для уменьшения потерь, и поэтому часто приходится мириться с несколько пониженной добротностью контуров.
Добротность Q контура зависит не только от потерь в нем, но и от соотношения между индуктивностью Lк и емкостью Ск; чем больше Lк и чем меньше Ск, тем выше добротность. С другой стороны, из формулы для определения f0 (рис. 47, лист 73) видно, что одну и ту же частоту собственных колебаний можно получить при различных соотношениях Lк и Ск. Иными словами, если емкость Ск уменьшить, например, в 10 раз и во столько же раз увеличить индуктивность Lк, то произведение LкCк останется неизменным, а значит, не изменится и частота f0.
Из всего этого можно сделать простой вывод: если хочешь повысить добротность контура, уменьшай его емкость и увеличивай индуктивность (в одно и то же число раз, иначе изменится частота!).
Если посмотреть на схему самых различных приемников и передатчиков, то можно увидеть, что в контурах почти всегда используются конденсаторы, емкость которых не превышает нескольких сотен пикофарад. А ведь если бы соотношение между Lк и Ск не влияло на величину добротности, то мы, пожалуй, еще подумали, каким путем легче построить контур — применяя громоздкую катушку большой индуктивности и конденсатор малой емкости или же используя конденсатор емкостью в несколько микрофарад и простейшую катушку, содержащую всего два-три витка.
В заключение необходимо отметить, что в погоне за высокой добротностью нельзя беспредельно увеличивать индуктивность и уменьшать емкость контура. Здесь существует ряд ограничений, разбирать которые мы не имеем возможности, так как это отвлечет нас от основной задачи.
Итак, мы выяснили, что в контуре, состоящем из конденсатора и катушки, могут возникнуть собственные электромагнитные колебания и что постепенно эти колебания затухают. Чем меньше потери энергии в контуре, то есть чем выше его добротность, тем медленнее затухают в нем собственные колебания.
Но как можно использовать контур в приемнике и какое значение при этом будет иметь добротность?.. К выяснению этих вопросов мы сейчас и приступаем.
РЕЗОНАНС
Давайте раскачивать маятник в такт с его собственными колебаниями. Качнулся маятник вправо — и мы слегка подтолкнем его вправо; двигается маятник в противоположную сторону — и мы опять поможем ему, подтолкнув влево. Если мы будем подталкивать маятник с той же частотой, с какой он сам колеблется, то колебания не только перестанут затухать, но станут намного сильнее. Произойдет это потому, что подталкивание маятника скомпенсирует потери энергии, из-за которых раньше колебания затухали. Более того, наши подталкивания помогут маятнику преодолеть сопротивление воздуха и трение в подшипнике и увеличить амплитуду отклонений. Чем меньше общие потери энергии, тем больше будет амплитуда отклонений при толчках одной и той же силы.
Подобную картину можно наблюдать и в колебательном контуре, если с помощью специального генератора пропустить через этот контур переменный ток (рис. 52), частота которого равна частоте собственных (свободных) электромагнитных колебаний. В этом случае, который получил название «резонанс», в контуре происходит ряд интересных явлений, широко используемых в радиотехнике.
Рис. 52. Колебательный контур, в отличие от обычного сопротивления, по-разному пропускает токи различных частот. Наибольший ток в контуре и наибольшее напряжение на нем будет при резонансе, то есть тогда, когда частота подводимого переменного тока (например, от специального генератора) окажется равной частоте собственных колебаний контура.
