Рудольф Сворень - Шаг за шагом. От детекторного приемника до супергетеродина
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.
Ток, поступающий от генератора, действуя в такт с переменным током собственных колебаний, как бы «подталкивает» движущиеся заряды, помогая им преодолеть сопротивление потерь. Более того, благодаря «помощи» генератора амплитуда тока в контуре при резонансе сильно увеличивается. Правда, с увеличением тока возрастут и потери энергии: ведь контурный ток проходит по сопротивлению Rк и, чем больше ток, тем больше энергии будет теряться на этом сопротивлении. Поэтому при резонансе автоматически установится такой контурный ток, при котором энергия, поступающая от генератора, сможет компенсировать потери в контуре. Совершенно очевидно, что, чем меньше эти потери, то есть чем выше добротность Q контура, тем сильнее будет контурный ток при одной и той же энергии, поступающей от генератора.
Если увеличить ток, поступающий от генератора в контур, то возрастет и контурный ток. Если же с генератора будет поступать модулированный ток, то электромагнитные колебания в контуре также окажутся промодулированными.
При резонансе электромагнитная энергия, которой «обмениваются» конденсатор и катушка, в Q раз больше энергии, получаемой от генератора; подобно тому как потенциальная и кинетическая энергия, запасаемая при колебаниях маятника, может быть во много раз больше энергии наших подталкиваний, помогающих маятнику преодолеть трение. Разными способами подключая контур к генератору, можно добиться того, что при резонансе ток в контуре будет во много раз, а точнее, в Q раз больше, чем ток, поступающий от генератора. Этот случай получил название «резонанс токов». При другом способе соединения генератора и контура можно получить так называемый «резонанс напряжений», при котором напряжение на конденсаторе и на катушке будет в Q раз больше, чем напряжение генератора (листы 151, 152). Это свойство колебательного контура можно использовать в приемнике для того, чтобы повысить напряжение, которое подводится к детектору, и тем самым повысить громкость передачи.
В простых приемниках роль генератора, «подталкивающего» собственные колебания в контуре (этот контур часто называют «входным»), выполняет подключенная к нему антенна (листы 85, 86), в которой электромагнитные ваты наводят высокочастотный ток. Поскольку в антенне действует модулированный ток, то и напряжение, возникающее на контуре, также окажется модулированным. Это напряжение можно подвести непосредственно к детектору (точнее, к цепи детектор — телефон) и детектировать его так же, как мы это делали в простейшем приемнике.
При этом можно сразу же отметить, что приемник с контуром будет работать заметно громче простейшего приемника (рис. 53, 54).
Рис. 53. Простейший приемник не обладает избирательностью — он одинаково хорошо (точнее, одинаково плохо!) детектирует и воспроизводит все наведенные в его антенне сигналы, если, конечно, они достаточно сильны.
Рис. 54. Приемник с колебательным контуром обладает избирательностью — благодаря резонансу контур выделяет сигналы той станции, частота которой равна частоте собственных колебаний этого контура.
Это объясняется тем, что напряжение, возникающее на контуре, за счет резонанса, значительно больше, чем напряжение, которое подводилось к цепи детектор — телефон в бесконтурном приемнике. Чем больше напряжение, действующее на телефоне, тем больше и импульсы тока в его катушке (закон Ома!), тем сильнее колеблется мембрана, тем громче звук. Развивая эту мысль, можно заметить, что громкость возрастает и при увеличении добротности контура (рис. 55).
Рис. 55. Чем выше добротность контура, тем сильнее проявляются его резонансные свойства, тем лучше избирательность приемника. Кроме того, с увеличением добротности возрастает напряжение на контуре при резонансе, а значит, и громкость приема.
Хочется еще раз подчеркнуть, что резонанс в контуре наступает лишь в том случае, когда частота генератора, к которому этот контур подключен, равна частоте возникающих в контуре собственных колебаний. Так, например, если частота генератора равна 200 кгц, а частота собственных колебаний контура 150 кгц, то никакого резонанса, конечно, не будет. Для того чтобы добиться резонанса, необходимо либо уменьшить частоту генератора до 150 кгц, либо увеличить частоту собственных колебаний контура до 200 кгц. Последнее можно сравнительно просто сделать, уменьшив индуктивность Lк или емкость Ск контура. Ведь мы уже отмечали, что чем меньше Lк и Ск, тем больше частота собственных колебаний f контура (лист 73, рис. 47).
На листах 85 и 86 приведены четыре схемы детекторных приемников с колебательным контуром. Во всех этих приемниках детектор Д1, включенный последовательно с телефонами, подсоединен к контуру LкCK. Модулированное напряжение, действующее на этом контуре, создает в цепи детектор — телефон пульсирующий ток, который и заставляет мембрану телефона колебаться со звуковой частотой. На всех схемах Сф— это конденсатор фильтра, улучшающий работу детектора. Более подробно с ролью этого конденсатора мы познакомимся позднее. В приемнике, собранном по первой схеме (лист 85), сигнал из антенны передается прямо в контур (непосредственная связь контура с антенной).
При этом собственная емкость антенны СА[7] оказывается включенной параллельно конденсатору Ск, и общая емкость контура равна сумме СА + Ск (листы 88, 90 — общая емкость двух параллельно соединенных конденсаторов равна сумме их емкостей; соединить два конденсатора параллельно — это равносильно тому, что взять один конденсатор с большей площадью пластин). Недостатком непосредственной связи является сильное влияние антенны на настройку контура. При замене антенны может измениться СА и, следовательно, общая емкость контура. Это, в свою очередь, приведет к изменению частоты собственных колебаний f0, нарушит условия резонанса и уменьшит громкость передачи.
Все сказанное легко пояснить простым примером. Предположим, что в контур включен конденсатор Ск емкостью 50 пф и к приемнику подключена сравнительно небольшая антенна с собственной емкостью 50 пф. В этом случае общая емкость контура равна Ск общ = 50 + 50 = 100 пф и контур настроен на нужную нам станцию. Если теперь подключить большую антенну с собственной емкостью СА = 150 пф, то общая емкость контура окажется равной 50 + 150 = 200 пф, то есть увеличится в два раза по сравнению с первым случаем. При этом собственная частота резко уменьшится (чем больше Ск, тем меньше f0) и нужного нам резонанса уже не будет.
Можно уменьшить влияние антенны, подключив ее к контуру через конденсатор связи Ссв, обычно имеющий емкость 15–20 пф (емкостная связь контура с антенной). В этом случае параллельно контурному конденсатору Ск окажется включенной цепочка, состоящая из двух последовательно соединенных конденсаторов СА (собственная емкость антенны) и Ссв (конденсатор связи). При последовательном соединении двух конденсаторов с сильно различающейся емкостью (лист 89) общая емкость примерно равна наименьшей из емкостей (несколько меньше ее)[8]. Емкость антенны почти всегда больше, чем Ссв, и поэтому если подключать к контуру различные антенны с различной собственной емкостью, то общая емкость цепочки Ссв и СА все равно будет примерно равна 15–20 пф и условия резонанса не нарушатся.
Чем меньше емкость конденсатора связи Ссв, тем меньше будет влиять антенна на настройку контура. Однако делать емкость этого конденсатора слишком малой нельзя, так как, чем меньше Ссв, тем меньше напряжение сигнала, действующее на контуре. Для того чтобы пояснить это, рассмотрим, как ведет себя конденсатор в цепи переменного тока. Вопрос этот для нас очень важен, так как с конденсаторами, включенными в цепи переменного тока, мы будем встречаться на каждом шагу.
