Как сделать колебательный контур своими руками
Как заколебать ток. Конденсаторы и катушки
Автор:
Опубликовано 01.01.1970
Начинаем с первого и самого главного блока — ГВЧ (Генератор Высокой частоты).
Как вы помните, генератор обязан преобразовать постоянный ток батарейки в переменный ток ВЧ. Для этого обычно используют транзистор и еще две детали, с которыми мы пока что не знакомы: конденсатор и катушку индуктивности.
Конденсатор — это элемент, способный накапливать в себе электрическую энергию. Конденсатор состоит из двух металлических пластин, изолированных между собой непроводящим материалом (диэлектриком). Эти пластины называют обкладками конденсатора.
Обозначение конденсатора на схеме полностью объясняет его конструкцию:
Конденсатор можно сравнить с батарейкой. Вот только, в нем нет той силы, которая перекидывает заряд в обратную сторону.
Если вспомнить нашу научно-экспериментальную установку с бутылками, то сначала (пока мы не стали вычерпывать воду из в одной бутылки в другую) ее можно было сравнить именно с конденсатором. То есть: наливаем воду в одну бутылку, вторая пуста. Пускаем воду по шлангу. Вторая бутылка — заполняется, первая — опустошается. Это происходит до тех пор, пока уровни в двух бутылках не сравняются, и ток не прекратится.
Так же и в конденсаторе. Когда он заряжен — на одной обкладке электронов больше, чем на другой. То есть, у них разные заряды, а значит — есть разность потенциалов (напряжение). Если к заряженному конденсатору подключить нагрузку, скажем, резистор — потечет ток, и через определенное время заряды двух обкладок сравняются, ток прекратится. То есть — конденсатор разрядится. Чтобы ток пошел снова, нужно опять создать разность потенциалов — то есть, зарядить конденсатор.
Вот так, в общем, все несложно.
Катушка индуктивности — это такая обычная катушка из металлической проволоки.
Можно на что угодно намотать кусок проволоки — это уже будет катушка индуктивности.
На схеме она изображается так:
Катушка обладает некоторыми полезными электрическими свойствами. Какими? Сейчас разберемся.
Итак, коль уж вспомнилась нам лабораторная установка из бутылок — давайте ее апгрейдить.
На сей раз нам понадобится водяная турбина. Честно говоря, я не пробовал ее делать, поэтому — не скажу рецепт приготовления =). Однако, если кто-то решится, и у него получится — можете поделиться с народом своим счастьем… и технологией.
Водяная турбина состоит из лопастей, сидящих на оси. Все это находится внутри герметичного кожуха, но ось выводится наружу. При протекании воды, лопасти начинают вращаться. Такие турбины используют, например, на гидроэлектростанциях. На их оси сидят электрогенераторы.
У нас же все проще и меньше. И на ось мы посадим не мощный генератор, а просто какое-нибудь тяжелое круглое колесико, чтобы воде было трудно его вращать.
Кстати! Протекающая вода вращает турбину. Но возможно и обратное: вращающаяся турбина может вызывать ток воды. Помним об этом…
Ну, в общем, всобачим эту турбину между двумя бутылками, и нальем в левую бутылку воды. Смотрим, что происходит.
А вот что происходит. Поскольку есть разность потенциалов (то есть, давлений) — вода хочет течь из левой бутылки в правую. Но на пути — турбина! Ничего не остается, как ее крутить. Хочешь жить — умей вертеться. =)
Однако, турбина начинает крутиться не сразу, а постепенно, потому что на ее оси — тяжелое колесо, которое создает инерцию. Поэтому, сначала вода течет медленно, и постепенно, своим током разгоняет турбину. Чем быстрее крутится турбина — тем быстрее перетекает вода в правую бутылку. Перетекает, перетекает… И вот — уровни сравнялись! Казалось бы, пора остановиться. Куда там! Турбина раскрутилась до таких оборотов, что и не думает остановиться, и продолжает по инерции гнать воду из левой бутылки в правую. Однако, постепенно ее скорость снижается, и через некоторое время, она, все же, останавливается.
Но теперь уже в правой бутылке воды больше, чем в левой. И она хочет течь обратно. Турбина начинает крутиться в обратную сторону. Сначала — нехотя, потом — все быстрее и быстрее. В момент, когда уровни равны, турбина опять несется на полных оборотах, и продолжает гнать. Останавливается она, когда в левой бутылке уровень снова больше, чем в правой. Все повторяется заново.
То, что мы видим, называется простым и знакомым нам словом — «колебания».
В идеальных условиях (отсутствие трения и т.п.), этот колебательный процесс длится бесконечно. В реальности — через несколько циклов (периодов), он затухнет. То есть, уровни таки сравняются. Но не в этом суть. Главное, что мы только что познакомились с принципом работы самого распространенной в радиотехнике схемы — колебательного контура. На водяной его модели. =)
Так вот, турбина в нашей научно-экспериментальной мегаустановке — это и есть катушка индуктивности.
У катушки индуктивности, надо сказать, весьма скверный характер. Она, по русски выражаясь, «тормозит». То есть, когда ток, текущий через нее начинает увеличиваться — она всячески препятствует его увеличению. А когда ток уменьшается — она наоборот, «подгоняет» его, не давая уменьшаться. Ну чем не турбина?!
Однако, в счастливом союзе с конденсатором, катушка образует тот самый колебательный контур, без которого не смог бы работать ни один радиоприемник и передатчик.
Вот как выглядит колебательный контур:
Если зарядить конденсатор, а потом подключить к нему катушку — ток в катушке начнет мотаться туда-сюда точно так же, как вода — в турбине.
Как вы, может быть, уже догадались — именно колебательный контур мы будем использовать для преобразования постоянного тока в переменный в нашем генераторе. Однако, прежде чем преступить к преобразованию, познакомимся еще с одним элементом. Без него ничего не получится.
Колебательные контуры и фильтры
Радиоприемники, радиопередатчики, антенны
Введение ферритового сердечника внутрь катушки повышает её индуктивность, добротность, уменьшает поле рассеяния, но снижает такой параметр приёмного устройства, как динамический диапазон.
Рис. 1. Входное устройство приёмника с балансным смесителем. Схема принципиальная электрическая
Сильный сигнал, по приходу из антенны во входной колебательный контур, превращает его катушку с сердечником в своеобразный электромагнит, сердечник которого перемагничивается РЧ током с частотой сигнала и воздействует на АЧХ контура, перестраивая её по закону, определяемому сильным сигналом, т.е., происходит модуляция принимаемых из эфира внутриполосных для фильтра основной селекции приёмника шумов, полезных сигналов, помех.
Если этот сильный сигнал желательный – внутриполосный, то никаких проблем, вроде, нет, присутствует лишь мягкое его ограничение в каскадах приёмника, АРУ уменьшает усиление каскадов, отчего падает уровень сопутствующего сигналам из эфира шума, что также повышает комфортность приёма. Если же сильный сигнал – внеполосный, то “дышащий” в такт с ним эфир способен частично или полностью сорвать проведение связей с более слабыми корреспондентами (ситуация подобна той, при которой туман, дымка, мгла закрывают горизонт, мешая рассмотреть детали).
Существуют несколько способов борьбы с этим явлением: одни используют пространственную селекцию с помощью разных антенн, вычитая мешающий сигнал, принятый дополнительным приёмником, из рабочего канала, другие – пытаются применять различного рода узкополосные фильтры (кварцевые) в ПЧ и по входу приёмника, применяют систему High Cut/Low Cut, стремясь подавить полосы выше или ниже принимаемого сигнала… хорошо, если бы такая система стояла по входу приёмника…
До известной меры можно бороться с внеполосными помехами и при применении ферритовых сердечников на входе РПУ (чтобы “непущать” нежелательные внеполосные сигналы даже на вход, нужно многократно увеличить добротность контуров по входу приёмника, оставив помехи за полосой их пропускания), тем более, что они (с ферритовыми сердечниками, резонансно работающими в полосе частот принимаемых сигналов) способствуют и сужению полосы принимаемых частот, а, значит, ослабляют внеполосные помехи.
Различного рода многозвенные ПФ, ФСС, аттенюаторы позволяют почистить эфир, сделать его приемлемым для повседневной работы. Следует отметить, что борьба с помехами – явление серьёзное, и в ход пускаются все доступные средства – не нужно сетовать на то, что появляется дополнительный узел регулировки или несколько, любая альтернатива здесь будет предполагать ухудшение подавления помех из-за неточной настройки входного устройства на полезный сигнал, недостаточного сужения полосы пропускания совокупности его элементов.
В качестве примера здесь приводится описание входного устройства (ВУ) к балансному смесителю. На рис. 1 показана принципиальная схема ВУ на трансфлюкторе (ферритовом сердечнике с двумя отверстиями – “бинокле”) [1…6]. Сигнал из антенны поступает на катушку связи L1, обычно эта катушка делается неподстраиваемой, т.е., её “холодный” вывод соединяется
с общим проводом (заземляется), что, на первый взгляд, служит лишь апериодической первичной обмоткой РЧ трансформатора (имеющей, кстати, свою резонансную частоту, которая, в союзе с ёмкостью антенны и собственной межвитковой, может совпасть с частотой помехи, выделив её), вторичная обмотка этого РЧ трансформатора, в союзе с параллельно включенным конденсатором, представляет собой резонансный контур, настроенный на частоту сигнала.
Поскольку задача, поставленная нам (максимально отстроиться от внеполосных помех), подразумевает максимально возможное сужение полосы пропускания сразу на входе приёмника (“не пущать!”), первый контур L1C1 будет уже резонансным последовательным, настроенным на частоту полезного сигнала, например, – 14,060 МГц (QRP-участок).
В последовательном контуре минимальное сопротивление и максимальный ток обеспечиваются на резонансной частоте, следовательно, максимальный магнитный поток в сердечнике будет обеспечен лишь для тока сигнала резонансной для L1C1 частоты, а для токов сигналов внеполосных частот наступит подавление, тем более, что и добротность катушки на ферритовом сердечнике будет высокой (ферритовый сердечник и минимальная ёмкость в последовательном контуре), катушка намотана на кольцевом сердечнике, что уменьшает прямые наводки на контур извне.
Кроме того, конденсатор С1 является одновременно ещё и переменным средством для оптимального согласования антенны со входом приёмника, что также благоприятно сказывается на условиях приёма. Контур L2C2 – обычный параллельный резонансный контур, сигнал с которого поступает на затвор полевого транзистора (ПТ) усилителя РЧ, выполненного на VT1, из-за высокого входного сопротивления ПТ контур включен полностью для уменьшения уровня шумов и непосредственно.
Контуры L3C3 и L4C4 служат для дальнейшего подавления внеполосных сигналов, выделения нужных по диапазону, немного расстраиваются относительно центральной частоты диапазона, если это требуется, с целью выравнивания чувствительности приёмника по диапазону. Подобные контуры могут отсутствовать при работе вблизи от одной частоты в узком участке частот или их может быть больше, если расширяется диапазон принимаемых частот.
Катушка L5 является катушкой положительной обратной связи, которая встроена в УРЧ и служит всё для той же цели – сузить полосу принимаемых приёмником частот (множитель добротности): часть усиленного полезного сигнала из истоковой цепи в фазе поступает на входной контур, уменьшая в нём потери, конденсатор С2 настраивает контур L2C2 в резонанс, что приводит к выделению полезного сигнала, переменным резистором R2 регулируется подход к режиму самовозбуждения УРЧ.
Пользуясь тремя ручками подстройки КПЕ (С1, С2) и резистора (R2), последовательно устанавливаем наилучшие условия приёма. Принятый и отфильтрованный сигнал с истока и стока ПТ VT1 в противофазе (каскад УРЧ с разделённой нагрузкой) поступает на балансный смеситель, выполненный на ПТ VT2 и VT3, сигнал подаётся на смеситель с истока и стока VT1 в противофазе (желательным является лишь уравнивание его амплитуд подбором сопротивления резистора R1), напряжение гетеродина подаётся в цепь истоков транзисторов VT2, VT3 с отвода
катушки L9 или дополнительной катушки связи, намотанной на одном каркасе с L9 (L10).
Сигнал ПЧ (сигнал биений между входным сигналом и напряжением гетеродина) выделяется в дифференциальном контуре L6C11C12 (по аналогии с двухтактным трансформаторным выходным каскадом УЗЧ – в первичной обмотке трансформатора, правда, в примере с трансформатором, – апериодической, не настраиваемой, широкополосной) и с катушки L7 (как со вторичной обмотки трансформатора ЗЧ – в нагрузку) или резонансного контура – L7C13, образующего с предыдущим контуром фильтр ПЧ, подаётся для дальнейшего усиления в УПЧ и обработки в схеме детектора и УЗЧ.
L8 – РЧ дроссель служит для возможности подачи напряжения питания на “горячие” по РЧ стоки транзисторов смесителя с “плавающей” нулевой точкой по РЧ. Кварцевый гетеродин с уводом частоты собран на ПТ VT4. Кварцевый резонатор возбуждается в генераторе на частоте первой гармоники (например, 24,050 МГц при ПЧ = 10 МГц – частота гетеродина для возможности её максимального увода выбрана выше частоты принимаемого сигнала, поэтому в ПЧ для выделения верхней боковой нужно установить соответствующий фильтр) и может уводиться вверх с помощью конденсатора переменной ёмкости С13 с малой начальной ёмкостью.
Рис. 2. Эскиз экспериментальной монтажной платы ВУ, УРЧ и смесителя. Вид со стороны печатных проводников. Размеры платы: 85х50х1,5 мм. Сделан припуск для размещения дополнительных деталей ВУ
Применена осцилляторная схема генератора без видимой обратной связи, генерация возникает за счёт большой добротности необертонного резонатора, стоящего в высокоомной цепи затвора ПТ VT4. Напряжение гетеродина выделяется в контуре L9C14 и с части витков катушки L9 или c катушки связи L10 подаётся на смеситель. На рис. 2, рис. 3 показаны эскизы экспериментальных монтажных плат для ВУ с УРЧ и смесителем и для кварцевого гетеродина, соответственно.
Рис. 3. Эскиз экспериментальной монтажной платы кварцевого гетеродина. Вид со стороны печатных проводников. Размеры платы: 85х27,5х1,5 мм
При монтаже РПУ плату гетеродина следует отделить от сигнальной платы экраном. На рис. 4, рис. 5 приведены эскизы расположения деталей на платах: ВУ – УРЧ – смесителя и кварцевого гетеродина, соответственно. Резистор R* (100 кОм), отсутствующий на принципиальной схеме и присутствующий на монтажной плате, служит как защитный, при настроечных операциях, исключающий отрыв затвора ПТ VT1 от общего провода, после настройки – удаляется.
Рис. 4. Эскиз экспериментальной монтажной платы ВУ-УРЧ-смесителя. Вид со стороны расположения деталей
Конденсатор С* устанавливается со стороны печатных проводников в случае применения малоактивного кварцевого резонатора ZQ1, его ёмкость подбирается с помощью градуированного КПЕ по максимуму напряжения нужной гармоники на контуре L9C15 (индикация резонансным волномером).
Рис. 6. Защитные последовательные контуры (такие контуры можно настраивать и на ПЧ, с целью дополнительного ослабления прямого приёма сигналов с промежуточной частотой, несмотря на применение балансного смесителя). Схема принципиальная электрическая. L1С1
и L2С2 – контуры ВУ приёмника.
Для повышения степени защиты от внеполосных помех можно также призвать явление резонанса, например: включить дополнительные последовательные контуры (фильтры типа “дырка”), настроенные на частоты местных мощных, создающих помехи станций L3C3 и L4C4 (рис. 6) – в качестве фильтров типа “дырка” можно применить и четвертьволновые отрезки коаксиального кабеля, разомкнутые на свободном конце и настроенные на частоты помех или применить комбинированный фильтр (рис. 7).
Рис. 5. Эскиз экспериментальной монтажной платы гетеродина. Вид со стороны расположения деталей
Высокая добротность последовательных контуров и высокий импеданс в полосе задерживания позволяют подключать эти контуры параллельно, когда их резонансные частоты разнятся. При настройке последовательных контуров на одну и ту же частоту, с целью повышения эффективности подавления помехи, следует разделить последовательные контуры параллельным (фильтр типа “пробка”), настроенным на ту же частоту.
Рис. 7. Фильтр. Схема принципиальная электрическая
В этом случае сигнал резонансной частоты (помехи) последовательными контурами, включенными параллельно, будет избирательно замкнут на общий провод, а параллельный контур, включенный последовательно, будет избирательно всячески мешать прохождению помехи за счёт высокого сопротивления прохождению токов РЧ на резонансной частоте. Итак, контур L2C2 (рис. 7) выделяет сигнал помехи, не даёт ему распространяться далее, контур L1C1 успешно замыкает этот сигнал на корпус, остатки помехи, просочившейся через параллельный контур L2C2, на общий провод замыкает контур L3C3.
Для лучшего понимания можно привести аналогию: представьте себе насыпной мостик через арык, под которым проложена труба малого диаметра, по обе стороны моста прорыты под прямым углом к арыку канавы. Вода из арыка пойдёт, естественно, в канаву до моста, но часть прольётся и по трубе за мост, где её поджидает следующая канава – несправедливо для полива, но для понимания сути фильтра…
Чем выше добротность контуров фильтра, тем лучше он будет справляться с подавлением помехи и меньше ослаблять полезный сигнал. Количество звеньев фильтра можно увеличивать, при этом необходима экранировка входных цепей приёмника для устранения прямого приёма помехи, минуя фильтр, все звенья фильтра следует поместить в отдельные экранированные отсеки. При увеличении количества звеньев фильтра несколько ослабляется и полезный сигнал, нужен компромисс.
Если последовательные и параллельный контур поменять местами, то фильтр будет не подавлять, а выделять сигнал, в этом случае его настраивают на полезный сигнал. Для устранения непосредственного влияния контуров фильтра друг на друга (паразитная ёмкостная и индуктивная связь) и прямого без фильтра приёма, звенья фильтра заключают в отдельные отсеки из проводящего материала (металл, фольгированные материалы), полностью фильтр заключается в металлические глухие коробки с выводами к антенне и приёмнику, соединение с приёмником производится экранированным (коаксиальным) кабелем (ещё лучше, – с двойной экранировкой).
Поскольку характеристическое сопротивление кабеля – низкое, а выходное сопротивление (импеданс) фильтра – высокое, необходимо согласование, иначе ёмкость соединительного кабеля напрочь испортит характеристику фильтра – его способность защищать приёмник от помех.
Согласование можно выполнить, применив последовательный контур, настроенный на частоту полезного сигнала, или параллельный, используя автотрансформаторную или трансформаторную связь, как вариант можно применить и связь с помощью ёмкостного делителя.
Все катушки (кроме L1) – рис. 1 размещены в одном отверстии трансфлюктора, хотя, желательно, чтобы каждая катушка была размещена в своём (“многодырочный” трансфлюктор), при этом осуществляется их связь только через общий магнитный поток в сердечнике и минимальное влияние друг на друга, по этой же причине катушки следует мотать проводом ПЭЛШО, т.е., обеспечив минимально возможную межвитковую ёмкость и ёмкостную связь между катушками, при намотке их в одном отверстии.
Диаметр провода катушек зависит от размера отверстий в трансфлюкторе, количества катушек в одном отверстии и диапазона частот, обычно на КВ, это – 0,1…0,33 мм. Для повышения добротности контуров, следует применять подстроечные конденсаторы и КПЕ с минимальными начальными емкостями, например, 2…7; 3…60; 4…15 пФ. Схема смесителя может быть и другой, но данная выбрана из-за минимального количества моточных деталей, однако, не всё так просто:
полевые транзисторы придётся подобрать идентичными друг другу по одинаковому току стока (ещё лучше) и по напряжению отсечки и другим параметрам или применить интегральную сборку ПТ, остальные детали противоположных плеч (конденсаторы, катушки) тоже желательно подобрать идентичными друг другу. От этого зависит возможность точной балансировки смесителя, т.е., обеспечения полного подавления напряжения гетеродина на контуре ПЧ, что уменьшает долю вносимых шумов и увеличивает динамический диапазон УПЧ.
Резисторы в истоковых цепях транзисторов смесителя можно заменить и одним – подстроечным общего сопротивления (для “наглядности” баланса), однако, это можно сделать только в том случае, когда подобраны все компоненты смесителя для работы в симметричной схеме, иначе добиться полной симметрии не удастся, а, значит и полного подавления напряжения гетеродина и входного сигнала – смеситель балансируется как по напряжению гетеродина, так и по сигнальному входу.
Такой смеситель устойчив к перегрузкам в приёмниках и может применяться не только в приёмном, но и в передающем тракте [7]. При виде ВУ с несколькими контурами, возникает желание применить систему в многодиапазонном варианте, а контуры L2C2…L4C4 настроить на разные диапазоны (с переключением к ним КПЕ), такая схема, при апериодической катушке связи с антенной L1, будет “собирать” сигналы с различных диапазонов частот, на которые будут откликаться выше упомянутые контуры, а вот при резонансной цепи L1C1 такое применение возможно: один сердечник на несколько диапазонов, правда, и предварительная настройка ВУ усложнится, переключений не избежать (КПЕ), а ёмкость С1 в союзе с катушкой L1 должны будут перекрывать все применяемые диапазоны.
Отдельная плата ВУ с УРЧ (или в союзе со смесителем) может быть выполнена конструктивно как часть радиоприёмника или отдельно. Обычно многодиапазонные приёмники (да и передатчики) делаются компромиссными: детали одного диапазона “не совсем подходят” для другого, например, сказывается трудность в подборе ПЧ, в одном диапазоне нет поражённых частот, в другом, при одной и той же ПЧ в обоих случаях, в одном из них появляются свисты…
При современных малогабаритных деталях, возможно изготовление радиочастотных блоков целиком до УЗЧ (оптимальных, с собственной ПЧ) как частей, например, барабанного переключателя, переключая который можно использовать РЧ блоки на сто процентов их возможностей в каждом диапазоне. При современных методах обработки (DSP), возможности РПУ ещё более расширяются, хотя никто не мешает ввести фильтры и в те переключаемые целиком блоки.
Увеличивается стоимость аппаратуры… Да, это так, но для повышения качественных показателей радиоприёмной аппаратуры при DX-инге можно пойти и на это, тем более, что “цифровизация” радиолюбительской аппаратуры достигла такого уровня, что в аппаратуру перестали устанавливать моточные (читай: фильтрующие) изделия, руководствуясь уменьшением габаритов конструкций, коммерческими мотивами…
Рис. 8. Электрическая схема устройства для подбора идентичных по току полевых транзисторов (в пределах 2,5….3,5 мА с указанными номиналами резисторов и напряжением питания)
Устроит ли радиолюбителя аппарат размером со спичечный коробок, к которому, для развязки по электромагнитному полю с окружением, нужно полкомнаты различных фильтров… Тем более, что радиолюбителю и самому хочется что-нибудь сделать своими руками… На рис. 8 приведена схема для подбора идентичных параметров полевых транзисторов всего по одному параметру – заданному значению тока стока, при постоянных сопротивлениях резисторов в истоковой цепи и цепи затвора (такой способ подбора ПТ используется в [7]).
Рис. 9. Схема измерения напряжения отсечки ПТ
На рис. 9 – схема для измерения и подбора идентичными таких параметров транзисторов, как напряжение отсечки ПТ используемых в дифференциальных и балансных схемах. На рис. 10 – схема для измерения и подбора идентичными начальных токов стоков ПТ для балансных схем. В качестве измерительных приборов (mА, V) следует использовать современные мультиметры с высокой разрешающей способностью и цифровой индикацией, с пределами не выше указанных на рис. 8…10.
Рис. 10. Измерение начального тока стока ПТ. Ток насыщения стока (начальный ток стока) и напряжение отсечки принято измерять при напряжении на стоке, равном 10 В, и напряжении на затворе, равном 0 В.
Для подбора ПТ в смеситель достаточным оказывается отбор транзисторов по одной заданной точке (рис. 8). При ловкости рук транзисторы можно впаивать и выпаивать многократно. Подбор ПТ осуществляется по одинаковому (хотя бы приблизительно) току стока, его абсолютное значение должно быть в пределах 2,5…3,5 мА, при значениях сопротивлений резисторов, указанных на схеме (рис. 8) и выбранной рабочей точке ПТ. Обычно, характеристики транзисторов одной партии идентичны, – хорошо совпадают на всём протяжении, так что достаточно и такой методики подбора.
Для тех же, кто хочет достигнуть ещё более высоких (прецизионных) результатов, следует дополнительно измерить (и подобрать равными у двух отобранных экземпляров) напряжения отсечки, например, при токе стока 50 мкА. Платой за усердие будет сверхсимметричный смеситель, который линейно перенесёт спектр сигнала от УРЧ на ПЧ, при этом полностью подавив напряжения смешиваемых частот.
Колебательный контур. Схема. Расчет. Применение. Резонанс. Резонансная частота. Формула. Рассчитать. Схематические решения.
(А) — последовательный колебательный контур, (Б) — параллельный колебательный контур.
Вашему вниманию подборка материалов:
Практика проектирования электронных схем Искусство разработки устройств. Элементная база. Типовые схемы. Примеры готовых устройств. Подробные описания. Онлайн расчет. Возможность задать вопрос авторам
Последовательный колебательный контур
Если соединить последовательно электрический конденсатор и катушку индуктивности, то для синусоидального сигнала определенной частоты указанная схема будет демонстрировать нулевое реактивное сопротивление. Этот эффект называется резонансом колебательного контура, сама схема из конденсатора и индуктивности — последовательным колебательным контуром, а частота, на которой проявляется этот эффект — частотой резонанса.
Хотя и катушка индуктивности, и конденсатор имеют некоторое реактивное сопротивление, вместе они реактивного сопротивления не проявляют. Причина проста. Конденсатор и катушка накапливают и отдают энергию, но делают это по-разному. В тот момент, когда катушка накапливает энергию, конденсатор ее отдает, и наоборот. Конечно, этот эффект проявляется только для синусоидального сигнала, на определенной частоте, в установившемся режиме. Если частота сильно отличается от резонансной, то схема теряет свои чудесные качества и проявляет себя, как катушка и конденсатор. Если последовательный колебательный контур не был запитан, а теперь на него подали синусоидальный сигнал резонансной частоты, то сопротивление будет уменьшаться постепенно, по мере перехода контура в стационарный режим работы.
Если пропускать через последовательный колебательный контур синусоидальный электрический ток резонансной частоты, то падение напряжения на контуре будет равно нулю. Но падение напряжения на конденсаторе отдельно, индуктивности отдельно будет иметь место. Просто эти напряжения компенсируют друг друга в каждый момент времени. Напряжения на конденсаторе и катушке могут быть очень значительными. Одной из популярных ошибок при проектировании последовательного колебательного контура является неправильная оценка напряжения на конденсаторе. Напряжение может в разы, десятки, сотни раз превышать напряжение источника питания. На основе этого эффекта даже разработаны схемы повышающих преобразователей напряжения.
[Амплитудное значение напряжения на конденсаторе, В] = [Амплитудное значение силы тока через контур, А] * [ZC], где [ZC] = 1 / (2 * ПИ * [Частота сигнала, Гц] * [Емкость конденсатора, Ф])
Необходимо также обратить внимание, чтобы ток через последовательный контур не приводил к насыщению сердечника катушки индуктивности.
В схемотехнике последовательный колебательный контур применяется, если необходимо пропустить сигнал определенной частоты и отфильтровать все другие. Колебательные контуры бывают небольшие, рассчитанные на работу с небольшими токами и напряжениями, например, во входных и внутренних цепях радиоприемника. Но бывают и силовые, рассчитанные на большие токи и напряжения, например, в радиопередатчиках, силовых резонансных фильтрах и т. д.
Параллельный колебательный контур
Другой интересной резонансной схемой является параллельный колебательный контур. В нем конденсатор и катушка индуктивности соединены параллельно. Если снабдить такой контур энергией, например, зарядив конденсатор, или вызвав ток в катушке индуктивности, то далее энергия будет перетекать из конденсатора в катушку и обратно. На конденсаторе будет формироваться синусоидальное напряжение. Его частота называется частотой резонанса параллельного колебательного контура. Если бы не было потерь, то колебания продолжались бы бесконечно, но из-за потерь колебания постепенно затухают.
Что произойдет, если к параллельному колебательному контуру приложить переменное напряжение резонансной частоты. Сначала будут переходные процессы, но потом колебания установятся, и будет складываться такая ситуация. Напряжение на контуре, возникающее за счет собственных колебаний, будет равно напряжению, подводимому извне, так что ток через цепь подачи переменного напряжения протекать не будет. Так что можно считать, что на этой частоте параллельный колебательный контур имеет бесконечное сопротивление. Сказанное верно для идеального случая, когда потери отсутствуют. Если учесть потери, то некоторый ток от источника синусоидального сигнала будет проходить и компенсировать эти потери, но все равно реактивное сопротивление параллельного колебательного контура на резонансной частоте будет высоким.
То, что через внешние цепи на данной частоте ток практически не протекает, не должно вводить в заблуждение инженера — электронщика. В катушке индуктивности течет электрический ток значительной силы. Этот ток сначала разряжает конденсатор, потом заряжает его, не вытекая во внешние цепи. Катушка индуктивности должна быть спроектирована так, чтобы не входить в насыщение и выдерживать указанный ток, конденсатор также должен быть рассчитан на этот ток.
[Амплитудное значение тока в контуре, А] = [Амплитудное значение напряжения на контуре, В] / [ZL], где [ZL] = 2 * ПИ * [Частота сигнала, Гц] * [ Индуктивность катушки, Гн]
Параллельный колебательный контур применяется, если необходимо воспрепятствовать прохождению сигнала определенной частоты, пропуская другие сигналы, например, убрать помеху на определенной частоте (фильтр — пробка) или наоборот, заземлить все сигналы, кроме нужного, данной частоты. С помощью таких контуров радиоприемники выделяют нужную радиостанцию из бесчисленного множества других и эфирных помех.
Резонансная частота
Резонансные частоты последовательного и параллельного колебательных контуров, если в них использованы одинаковые катушка и конденсатор, равны между собой. Резонанс достигается на той частоте, на которой модуль реактивного сопротивления катушки индуктивности равен модулю реактивного сопротивления конденсатора.
[Резонансная частота контура, Гц] = 1 / (2 * ПИ * корень_квадратный([Емкость конденсатора, Ф] * [Индуктивность катушки, Гн]))
Применение колебательных контуров
Хорошим примером применения силовых последовательного и параллельного колебательных контуров является силовой резонансный фильтр для получения синусоидального напряжения
Еще интересные схемы:
(А), (Б), (В) — фильтры сигнала заданной частоты, (Г) — фильтр-пробка, (Д) — входная цепь радиоприемника, (Е) — стабилизатор переменного напряжения. Катушка L2 специально сделана насыщающейся при некотором нужном переменном напряжении на ней, что обеспечивает поддержание этого выходного напряжения по форме близкого к синусоиде.
К сожалению в статьях периодически встречаются ошибки, они исправляются, статьи дополняются, развиваются, готовятся новые. Подпишитесь, на новости, чтобы быть в курсе.
Позвольте не согласиться с вашим выражением (Если последовательный колебательный контур не был запитан, а теперь на него подали синусоидальный сигнал резонансной частоты, то сопротивление будет уменьшаться постепенно, по мере перехода контура в стационарный режим работы). Что означает ‘постепенно’? Читать ответ.
Насколько я помню в контуре (и последовательном, и в параллельном) на резонансной частоте сопротивление носит активный характер, вы же при рассмотрении параллельного контура допустили выражение реактивное сопротивление контура на резонансной частоте. На частотах ниже резонансной (в параллельном контуре) сопротивление носит индуктивный характер, на частотах выше резонансной соп Читать ответ.
Расчет дросселя, катушки индуктивности. Рассчитать, посчитать онлайн, .
Форма для онлайн расчета дросселя, катушки индуктивности. Для изготовления индук.
Практика проектирования электронных схем. Самоучитель электроники.
Искусство разработки устройств. Элементная база радиоэлектроники. Типовые схемы.
Силовой резонансный фильтр для получения синусоиды от инвертора.
Для получения синусоиды от инвертора нами был применен самодельный силовой резон.
Металлоискатель самодельный. Сделать, собрать самому, своими руками. С.
Схема металлоискателя с высокой разрешающей способностью. Описание сборки и нала.
Техника радиоприёма
«Классическая» схема детекторного приемника изображена на рис. 2.1. Она повторяется во всех популярных книжках и даже школьных учебниках. Ниже мы покажем, что этот «классический» детекторный приемник сконструирован неправильно и может быть существенно улучшен, но чтобы понять, каким образом, сначала разберем его схему и назначение деталей подробнее.
Антенна WA1 и заземление присоединены непосредственно к колебательному контуру, образованному 
катушкой L1 и конденсатором переменной емкости (КПЕ) С1. Колебательный контур служит для выделения из всей массы принимаемых антенной сигналов лишь одного, желаемого. Радиостанции работают на разных частотах, контур также имеет свою, резонансную частоту, и если частота сигнала радиостанции совпадает с частотой настройки контура, напряжение на нем максимально.
Резонансная частота (частота настройки) колебательного контура определяется формулой Томсона: f0 = 1/2π(LС) 1/2 . Для изменения частоты настройки можно изменять как индуктивность, так и емкость. Чаще всего для настройки в пределах диапазона изменяют емкость (используют КПЕ), а для переключения диапазонов изменяют индуктивность, подключая разные катушки или переключая отводы обмотки.
На резонансной частоте f0 индуктивное сопротивление катушки в точности равно емкостному сопротивлению конденсатора, и оба они носят название характеристическое сопротивление контура ρ: XL = Хс = ρ. Для тех, кто подзабыл, что такое реактивные сопротивления, напомним, что индуктивное сопротивление прямо пропорционально частоте: XL= jωL, а емкостное сопротивление обратно пропорционально: Хс = 1/jωC. Эти зависимости показаны на рис. 2.2.
Знак j в математике указывает на мнимую величину, и в электротехнике соответствует реактивному характеру сопротивлений. Реактивные сопротивления не рассеивают мощности, поскольку ток в них сдвинут по фазе относительно напряжения на 90°, в индуктивности ток отстает, а в емкости опережает напряжение.
Если бы в контуре не было больше никаких сопротивлений, кроме равных друг другу индуктивного и емкостного, то свободные колебания тока в контуре на частоте f0, единожды возникнув, продолжались бы до бесконечности, то есть были бы незатухающими.
Реально всегда имеется активное сопротивление, хотя бы сопротивление провода катушки, показанное на эквивалентной схеме (рис. 2.3а), в виде последовательного сопротивления r. В активном сопротивлении r выделяется мощность, поэтому свободные колебания будут затухать, как показано на рис. 2.4.
Скорость затухания колебаний определяется добротностью — отношением реактивного сопротивления ρ к активному r: Q = ρ / r. Число свободных колебаний в контуре до их практического прекращения (уменьшения амплитуды примерно до 0,05 от начальной) как раз и равно добротности. Величину, ей обратную, иногда называют затуханием контура. Затухание может вноситься не только последовательным, но и параллельно подключенным сопротивлением R, например входным сопротивлением детектора, который также потребляет мощность (на этот раз с полезными целями), см. рис. 2.3б. Добротность в этом случае равна Q = R / ρ. Для облегчения анализа удобно пересчитывать параллельное сопротивление в последовательное и наоборот, это легко сделать при не слишком малой добротности контура (от десятков и выше): R = ρ 2 / r.
От добротности зависит амплитуда вынужденных колебаний в контуре, создаваемых полезным сигналом. Реакция контура на возбуждение сигналами разных частот дается резонансной кривой (рис. 2.5). По вертикали отложены значения тока в контуре, или практически пропорционального ему напряжения на катушке, по горизонтали — частота сигнала. Кривые построены для трех значений добротности. Видно, что чем выше добротность, тем острее резонансная кривая и выше селективность приемника.
Если в цепь (рис. 2.3а) последовательно включить некоторый источник ЭДС, изменять частоту его колебаний и измерять напряжение на катушке высокочастотным вольтметром, то мы и получим резонансную кривую (рис. 2.5). Напряжение на катушке при резонансе в Q раз превосходит значение вводимой в контур внешней ЭДС. Как же так? Разве могут напряжения в цепи превосходить напряжение источника? В резонансных цепях могут. Посмотрим на рис. 2.6.
На резонансной частоте реактивные сопротивления 
катушки и конденсатора равны и противоположны по знаку, поэтому компенсируются, и полное сопротивление цепи активно и равно r. Ток максимален и равен ε/r. Но этот ток протекает через реактивные сопротивления катушки и конденсатора, которые в Q раз больше, следовательно, и напряжения на них во столько же раз больше. При расстройке источника вниз по частоте возрастает емкостное сопротивление конденсатора, а при расстройке вверх — индуктивное сопротивление катушки. В любом случае ток в цепи падает в соответствии с резонансной кривой.
Пересчитав входное сопротивление детектора — полезной нагрузки — R в последовательное rд и обозначив общее сопротивление потерь контура rп, мы получим эквивалентную схему контура, позволяющую рассчитать его КПД и показанную на рис 2.7. Поскольку один и тот же ток проходит через оба сопротивления, КПД контура оказывается равным отношению приведенного сопротивления детектора к общему: КПД = rд / (rд + rп).
Из формулы видно, что для повышения КПД сопротивление потерь контура должно быть малым. Полезно ввести понятие собственной добротности контура. В хорошо спроектированном приемнике собственная добротность контура должна быть как можно выше. А какой должна быть нагруженная добротность? Оптимальной. Если мы сделаем ее слишком высокой, то селективность приемника возрастет, но будут ослаблены высокие звуковые частоты, поскольку полоса пропускаемых контуром частот окажется уже спектра принимаемого сигнала. Если же нагруженная добротность мала, то при высоком КПД получится низкая селективность: вместе с полезным сигналом могут прослушиваться соседние по частоте станции.
В принципе, проблему решают многоконтурные фильтры. При высокой собственной добротности контуров в них удается получить и широкую полосу пропускания, и высокую селективность, и малые потери, то есть высокий КПД. Любопытно, что впервые трехконтурные фильтры, содержащие антенный, детекторный и промежуточный контуры, были предложены еще в доламповый период развития радиотехники, в 1907 г., Франклином и Стоуном независимо друг от друга.
Полосу пропускания контура (как, впрочем, и других устройств — усилителей, радиоприемников) отсчитывают по точкам на резонансной кривой, где амплитуда колебаний уменьшается до 0,7 от максимальной, при этом мощность колебаний падает в два раза. Требуемая при этом расстройка (рис. 2.8) обозначена как Δf, а полная ширина полосы получается 2Δf. Полоса пропускания 2Δf, частота настройки f0 и добротность Q связаны простым соотношением: 2Δf = f0/Q. Это соотношение часто используют при измерении добротности, поскольку полосу пропускания определить очень легко, подключив к контуру генератор стандартных сигналов и высокочастотный вольтметр или осциллограф.
Рекомендуем: 