Генрих Кардашев - Радиоэлектроника-с компьютером и паяльником
В катушках индуктивности электромагнитная энергия запасается в виде магнитного поля, концентрирующегося внутри катушки. Индуктивность зависит от числа витков и общей геометрии катушки (рис. 6).
Рис. 6. Катушки индуктивности:
а — внешний вид; б — УГО; в — компоненты EWB
Магнитопровод (называемый в обиходе, в нарушение ГОСТ, сердечником), помещенный внутрь катушки, приводит к увеличению ее индуктивности пропорционально магнитной проницаемости материала, из которого он выполнен.
В подстраиваемых индуктивных катушках предусматривают возможность регулировки той части длины стержня из ферромагнетика, которая вводится внутрь катушки. Катушки индуктивности выполняют как одно-, так и многослойными. При изготовлении катушек индуктивностью от 100 мкГн до 100 мГн для областей низких и средних частот применяют чашечные ферритовые броневые магнитопроводы.
Одной из разновидностей катушек индуктивности является дроссель (от нем. Drossel — сокращать), используемый чаще всего как элемент фильтров выпрямителей. Индуктивности дросселей имеют типичные значения от 0,1 до 1 Гн.
Для устранения влияния внешних полей на работу катушки индуктивности или, напротив, полей их рассеяния на окружающие компоненты, катушки часто помещают в специальные экраны.
Катушки индуктивности могут быть одиночными или секционированными (с отводами). Несколько катушек индуктивности могут быть связаны также электромагнитными полями (взаимоиндукцией), образуя «связанные» контуры. Развитием подобных устройств являются трансформаторы.
Магнитные головки
Так называют небольшие катушки с магнитопроводом (сердечником, точнее — двумя С-образными полусердечниками), имеющим тонкий поперечный зазор, заполняемый твердым немагнитным материалом (например, бериллиевой бронзой). Это один из основных элементов разнообразной аппаратуры для магнитной записи и воспроизведения информации. Магнитное поле рассеяния вблизи зазора, взаимодействуя с движущимся в нем магнитным носителем, используется для записи, воспроизведения или стирания информации.
Магнитная запись была изобретена и впервые осуществлена датским инженером В. Паульсеном в 1898 г. В качестве носителя информации он использовал тонкую стальную проволоку; позже стали применять магнитные ленты и диски (гибкие и жесткие).
Ширина зазора у современной магнитной головки составляет 0,1…10 мкм. Сердечник изготавливают из специальных магнитно-мягких (не сохраняющих остаточную намагниченность) материалов: пермаллоя, сендаста или некоторых ферритов. Магнитный же носитель содержит слой магнитно-жесткого материала (например, магнитный порошок оксида железа или диоксида хрома), способного сохранять остаточную намагниченность. Для защиты от помех головки заключают в специальные экраны.
При записи сигнал в катушке создает соответствующее поле в зазоре, и оно намагничивает те участки носителя, которые к нему примыкают в данный момент. При воспроизведении, наоборот, эти участки, двигаясь в области зазора, создают в нем магнитное поле, характеристики которого несут информацию о создавшем их ранее сигнале при записи. В результате электромагнитной индукции в обмотке головки наводится ЭДС, являющаяся сигналом воспроизведения информации.
В зависимости от назначения различают аудио- и видеоголовки (рис. 7).
Рис. 7. Магнитные головки:
а — аудио; б — видео; в — УГО
Конструкции головок очень разнообразны, например, для обеспечения записи стереозвука универсальная головка имеет четыре рабочих зазора.
Головки характеризуют числом витков обмотки, шириной рабочего зазора и шириной дорожки, резонансной частотой, амплитудой тока записи и выходным напряжением воспроизведения, магнитной проницаемостью и индукцией насыщения.
В настоящее время, помимо чисто магнитных (индукционных) устройств, применяют и более сложные магнитоэлектронные головки (магнитооптические, магниторезистивные, магнитодиоды, элементы Холла и Виганда). Особый интерес представляют миниатюрные тонкопленочные магнитные головки, изготовляемые по интегральной технологии.
Трансформаторы
Электрический трансформатор (от лат. transformare — преобразовывать) является статическим (без подвижных частей) электромагнитным аппаратом, предназначенным для преобразования одного переменного напряжения в другое той же частоты.
Простейший трансформатор представляет собой две индуктивные катушки (обмотки), связанные своими магнитными полями через общий (замкнутый) магнитопровод. Если первичную обмотку подключить к источнику переменного синусоидального напряжения некоторой частоты (например, 50 Гц), то переменный ток, протекающий по этой обмотке, создаст в магнитопроводе переменный магнитный поток, также изменяющийся по синусоидальному закону с той же частотой. Этот переменный поток, пронизывая витки вторичной обмотки, индуцирует в ней переменную ЭДС той же частоты.
В зависимости от отношения числа витков первичной и вторичной обмоток, которое называется коэффициентом трансформации, могут встретиться три случая. Величина наведенной ЭДС может быть меньше первичного напряжения — понижающий трансформатор (число витков первичной обмотки больше, чем вторичной), больше его — повышающий трансформатор (обратное соотношение числа витков) и, в частном случае, равна ему — разделительный трансформатор. По назначению и в зависимости от конструктивных особенностей различают трансформаторы: силовые, согласующие, выходные, импульсные, измерительные и др. (рис. 8).
Рис. 8. Трансформаторы:
а — внешний вид; б — УГО; в — компоненты EWB
Трансформаторы малой мощности делятся по конструктивному выполнению магнитопроводов на три группы: броневые, стержневые и тороидальные. Броневые и тороидальные трансформаторы применяются на частотах 50…1000 Гц, тороидальные — на частотах 400 Гц-100 кГц и выше. На частотах до 1кГц трансформаторы выполняют одно- и трехфазными, а выше преимущественно однофазными.
Магнитопроводы трансформаторов имеют различную геометрическую форму и выполняются из различных материалов. Из тонких листов специальной трансформаторной стали, Ш-образной формы, часто выполняют силовые трансформаторы для источников вторичного электропитания. Магнитопроводы согласующих и выходных (для подключения громкоговорителей) трансформаторов, работающих в диапазоне частот до 35 кГц, для уменьшения потерь на нагрев магнитопровода в высокочастотных полях выполняют тороидальной формы из пермаллоевой ленты или полуколец спеченного феррита.
В ряде устройств, прямо на печатную плату, монтируют специальные (залитые компаундом на основе полимерных смол) так называемые «залитые трансформаторы», а также «сверхплоские трансформаторы».
При выборе трансформаторов необходимо учитывать допустимые токи и напряжения, полную мощность (В·А), потребляемую из сети, и активную мощность (Вт), которую он может передать в нагрузку. Следует также обращать внимание на диапазон рабочих частот, маркировку обмоток и выводов (особенно у многообмоточных трансформаторов).
При эксплуатации трансформаторов приходится учитывать ряд их особенностей. Напряжение на вторичной обмотке трансформатора снижается с увеличением мощности, потребляемой от него в нагрузке.
Трансформаторы создают помехи, поэтому надо принимать необходимые меры по экранировке и правильному их размещению относительно других устройств. При монтаже трансформаторов надо следить, чтобы никакие стяжки и крепления не превратились в короткозамкнутые витки. Поскольку трансформаторы нагреваются при работе, то наряду с другими компонентами для них может потребоваться также обдув воздухом от вентилятора.
1.2. Основные электронные компоненты
Электровакуумные приборы
Наиболее существенные успехи при зарождении радиоэлектроники в 1920–1930 годы прошлого века связаны с ламповой техникой. Сами же радиолампы (точнее, электронные лампы) ведут свою историю от еще более ранних открытий Эдисона, Томсона и Флеминга, приведших к созданию электровакуумного диода с катодом в виде нити накаливания и изобретения американским инженером и ученым Ли де Форестом трехэлектродной лампы (триода) в 1907 г. Именно введение управляющего электрода в виде сетки, размещаемой между катодом и анодом, позволило создавать радиоэлектронные устройства с самыми разнообразными характеристиками и назначением.
