Какой колебательный контур в радиоприемнике

17

Колебательный контур: принцип работы, виды контуров, параметры и характеристики

Колебательным контуром называют цепь, состоящая из конденсатора и катушки индуктивности.
(Для лучшего понимания работы колебательного контура рекомендую ознакомиться с страницами «Конденсаторы и способы их соединения» и «Катушка индуктивности»)
На рис.1 приведена схема контура, а на рис.2 — график, иллюстрирующий работу этого контура.
Когда переключатель SA1 установлен в положение 1 , то конденсатор С заряжается от батареи GB1 до напряжения этой батареи Uc .
При переводе переключателя в положение 2 конденсатор начинает разряжаться через катушку индуктивности L до момента t1 ( рис.2b ).
Если бы конденсатор разряжался через активное сопротивление, то этот процесс продлился какое то время до полного разряда конденсатора и на этом все и закончилось. Но катушка имеет интересное свойство — при протекании электрического тока он превращается в магнитную энергию поля вокруг катушки.
Заряд конденсатора уменьшается, а ток в катушке увеличивается и магнитное поле поле тоже. Катушка как бы аккумулирует электрический заряд конденсатора в магнитное поле.

При полном разряде конденсатора ток в катушке уменьшается, и магнитные силовые линии начинают «сужаться» к катушке пересекая ее витки, чем вызывает появлению ЭДС самоиндукции обратной полярности, которая «помогает» удержаться уменьшающемуся току и заряжает конденсатор с новой полярностью. Этот момент показан на рис.2с , когда конденсатор заряжен, а ток в катушке прекратился.
В следующий момент конденсатор начинает снова разряжаться через катушку. На рис.2d он уже полностью разрядился и ток Iк максимален.
Далее магнитное поле опять «сужается», а ЭДС опять заряжает конденсатор ( рис.2е ).

Эти электрические колебания представляют собой, по существу, синусоидальный контурный ток Iк .
Если рассматривать контур как идеальным (без потерь), то колебания будут незатухающими, т.е. будут продолжаться вечно. Но идеальных контуров нет и поэтому в реальном колебательном контуре колебания будут затухать тем быстрее, чем больше потери этого контура.

Частота собственных колебаний контура (ее еще называют резонансной частотой fp ) зависит от индуктивности катушки и емкости конденсатора и вычисляется по формуле Томсона из которой видно, что чем меньше значения емкости и индуктивности, тем выше собственная частота контура:

Можно определить индуктивность или емкость контура по известной частоте fp:

L=253•10 2 /f 2 p•C; C=253•10 2 /f 2 p•L.

Последовательный колебательный контур

В колебательном контуре можно получить незатухающие колебания, если подключить его к источнику переменного тока.
Если источник подключен последовательно с катушкой L и конденсатором С , то такая цепь называется последовательным колебательным контуром ( рис.3 ).

При подключении внешнего источника к контуру в нем возникают не собственные (свободные) колебания контура, которые определяются значениями L и C , а с частотой напряжения источника U=Um∙sinω∙t .
Такие колебания контура называются вынужденными .
При вынужденных колебаниях элементы контура L, C будут иметь, в зависимости от частоты источника, определенные индуктивное XL и емкостное Xc сопротивления и соответствующие падения напряжения UL, Uc на них.
Но контур имеет не только реактивные сопротивления, а еще и активное cопротивление потерь R , которое в основном равно сопротивлению провода катушки.

Так как в катушке и конденсаторе напряжения сдвинуты относительно тока на разные фазовые углы, то более наглядно их можно показать на векторных диаграммах ( рис.4 )

Напряжение на индуктивном сопротивлении UL опережает ток на 90° , а напряжение на емкостном сопротивлении Uc отстает от тока на такой же угол 90° И получается, что векторы UL и Uc сдвинуты между собой на 180° , т.е. находятся в противофазе.
Вектор напряжения на источнике U будет равен геометрической сумме напряжения вектора UR и вектора разницы напряжений реактивных сопротивлений UL-Uc .

Как видно из диаграммы рис.4а при UL > Uc напряжение внешнего источника опережает ток в колебательном контуре на угол φ и находится выше оси абcцисс в зоне напряжений индуктивности. Значит в данном случае контур имеет сопротивление индуктивного характера.
При UL ( рис.4b ) вектор источника уже будет отставать от вектора тока на угол φ и контур будет иметь емкостное сопротивление.

Полное сопротивление контура Z будет равно:

Амплитудное значение тока Im определяется по формуле:

где Um — амплитудное напряжение источника, а ω -его угловая частота.

При выполнении равенства:

получается наибольшее значение тока и имеет место явление, которое называется резонансом .
Резонанс возникает при условии совпадения частоты источника напряжения с собственной частотой колебания контура.

На рис.5 показан график характеристик зависимости тока Iк и полного сопротивления Z последовательного контура от частоты.

Чтобы понять природу электрического резонанса рассмотрим механический резонанс.
Явление резонанса можно наблюдать на опыте как показано на рис.6 .
Здесь на натянутой общей нитке привязаны три пары шаров 1-1′, 2-2′, 3-3′ каждый из которых представляет собой маятник.
Если раскачать рукой шар 1 , то начинает раскачиваться и шар 1 ‘, тогда как все другие шары остаются неподвижными. Точно так же, если раскачать шар 3 , начнет раскачиваться только шар 3 .
Этот механический резонанс объясняется следующим образом.
В нашем опыте собственные частоты каждой пары маятников одинаковы, т.к. шары одинаковые и длина их нитей тоже одинакова.
Раскачиваясь, маятник 1 передает по общей нитке свои колебания остальным маятникам. Но эти колебания раскачивают только маятник 1′ потому, что его частота собственных колебаний совпадает с частотой «толчков» общей нити от маятника 1 . Так как эти «толчки» совпадают с тактом собственной частоты маятника 1′ , то его амплитуда раскачивания все больше и больше возрастает и может стать больше амплитуды раскачивающего маятника 1 .

Так же, примерно, происходит и при электрическом резонансе.
Представим себе маятник 1 источником колебаний, а маятник 1′ — колебательным контуром.
Маятник 1 , допустим, будет качаться с постоянной амплитудой и частотой.
Маятник 1′ не сможет сразу достичь амплитуды и частоты маятника 1 потому, что раскачать мгновенно общую нить до резонансной частоты и амплитуды будут мешать различные тормозящие процессы — сопротивление воздуха, инерционность, провис нити и т.д. Это будет выглядеть как торможение тока контура индуктивным и емкостным сопротивлениеми при несовпадении частоты источника и контура.
С течением времени маятник 1 раскачает маятник 1′ до своей частоты и амплитуды. Начнется процесс резонанса.
Амплитуда маятника 1′ будет расти до какого то значения, пока сила «подталкивания» не уравновесится противоположной силой торможения.
Так же и в контуре резонансный ток не может возрастать бесконечно.

При резонансе амплитуда тока в контуре равна:

Напряжение на индуктивном сопротивлении —

на емкостном сопротивлении —

Tак как XL=Xc , то вектора UL и Uc будут равны (UL=Uc) , но противоположно направлены ( рис.7 ).
Вектор напряжения U источника совпадает с вектором тока I и равен по величине напряжению на активном сопротивлении UR .
Отсюда следует, что при резонансе контур оказывает источнику сопротивление активного характера R который не дает амплитуде напряжения Um увеличиваться до бесконечности:

При резонансе отношение между напряжением на индуктивном сопротивлении и напряжением источника будет равно добротности Q катушки:
А добротность контуров, применяемых в радиотехнике, большая. Поэтому напряжение на катушке может превышать в сотни раз напряжение источника.
Но так как при резонансе напряжение на катушке равно напряжению на конденсаторе, значит отношение напряжения на конденсаторе к напряжению источника тоже будет равно добротности:

Для примера на рис.8 показана схема последовательного контура с реальными значениями элементов схемы и параметров, а так же полученные величины напряжений на этих элементах. Отсюда видно, что напряжение на катушке и конденсатотре при резонансе будет больше напряжения источника в Q раз.

Резонанс в последовательном колебательном контуром называют резонансом напряжения, т.к. напряжение на реактивных элементах при резонансе становится больше напряжения внешнего источника.

Способность колебательного контура создавать интенсивные колебания на одной частоте (точнее в узкой полосе частот) и почти не реагировать на сигналы других частот называется избирательностью.
Избирательность S численно показывает во сколько раз ослабляются посторонние сигналы по сравнению с колебаниями резонансной частоты ( рис.9 ):
где I(▲f) — ток в контуре при расстройки контура на ▲f .

Полосой пропускания контура называют полосу частот, в пределах которой ток в контуре уменьшается не более, чем в заданное число раз по сравнению с током при резонансе ( рис.10 ):

где — k коэффициент пропорциональности, указывающий на каком уровне резонансного тока Ip измеряется полоса пропускания.

Для k=1 — уровень Ik = 0,707·Ip и

k=√3 — уровень Ik = 0,5·Ip и

В электрических схемах колебательный контур связан с источником сигнала разными способами — непосредственно, индуктивною или емкостной связью.
Если контур связан с источником И индуктивно ( рис.11 ), то контур будет являтся последовательным, т.к. в катушке колебательного контура индуктируется ЭДС, что равносильно последовательному включению источника с L и С .

Такая связь применяется в радиоприемниках для связи антенны с контуром( рис.12 ).
С помощью конденсатора переменной емкости можно настраивать контур в резонанс с нужной радиостанцией.
В этом случае контурный ток, вызванный сигналом этой радиостанции, становится относительно большим, в то время как контурные токи, вызванные другими станциями, ничтожно малы.
Напряжение между точками a — b , вызванное большим резонансным током, подается к следующим каскадам приемника.

Параллельный колебательный контур

В параллельном колебательном контуре источник сигнала соединен с катушкой индуктивности и конденсатором параллельно (рис.11).
При подаче переменного напряжения на контур происходит обмен энергиями между конденсатором и катушкой, но только в цепи внутри контура.

Для возникновения резонанса в нем, как и в последовательном контуре, необходимыми условиями являются равенство емкостного Хс и индуктивного ХL сопротивлений, а так же равенство частоты собственных колебаний контура и частоты колебаний источника тока.
Только резонанс в параллельном колебательном контуром, в отличии от резонанса в последовательном контуре, называют резонансом тока.

В идеальном параллельном контуре (без потерь) вектора индуктивного Ic и емкостного тока IL (при ХL=Xc ) при резонансе будут направлены в противоположные стороны и суммарный ток будет обращаться в нуль ( рис.14a ). А это значит, что сопротивление контура будет стремится к бесконечности.
Но в реальном параллельном контуре существует сопротивление потерь R которое сосредоточено в основном в индуктивности ( рис 14b ) и поэтому, даже при резонансе ток в контуре уже не равен нулю, а равен активной составляющей тока в цепи катушки — Iк=IL+IR.
Значит полное сопротивление контура Z будет уже не бесконечно, а равно:

На рис.15 показан график характеристик зависимости тока Iк и полного сопротивления Z параллельного контура от частоты.

Можно сделать вывод: в цепи параллельного контура существуют два тока — ток от источника I протекающий через активное сопротивление потерь катушки и реактивный ток контура Iк .
Внутри контура протекают реактивный ток довольно таки большой величины:

но он потребляет малый ток от источника, который необходим лишь для компенсации потерь в контуре:

Добротность Q параллельного контура, в отличии от последовательного контура, показывает во сколько раз ток в элементах контура больше потребления тока источника:

На рис.16 дан конкретный пример параллельного колебательного контура, где видно, что ток контура больше тока источника в Q раз.

В радиоприемниках так же применяется непосредственная связь колебательного контура с антенной, т.е. контур включен параллельно источнику сигнала ( рис.17 ).
Переменным конденсатором настраиваем контур на частоту сигнала нужной радиостанции. При резонансе контурный ток, вызванный нужной радиостанцией, становится относительно большим, а сопротивление контура тоже большим.Поэтому между точками а и b получается значительное напряжение.
Для других станций контур представляет малое сопротивление и сигнал радиостанции уходит в «землю».

Колебательный контур — что это такое и как он работает

Электрический колебательный контур является обязательным элементом любого радиоприемника, независимо от его сложности. Без колебательного контура прием сигналов радиостанции вообще невозможен.

Простейший электрический колебательный контур (рис. 20) представляет собой замкнутую цепь, состоящую из катушки индуктивности L и конденсатора С. При некоторых условиях в нем могут возникать и поддерживаться электрические колебания.

Чтобы понять сущность этого явления, проведи сначала несколько опытов с нитяным маятником (рис. 21). На нитке длиной 100 см подвесь шарик, слепленный из пластилина, или иной грузик массой в 20. 40 г.

Выведи маятник из положения равновесия и, пользуясь часами с секундной стрелкой, сосчитай, сколько полных колебаний он делает за минуту. Примерно 30. Следовательно, собственная частота колебаний этого маятника равна 0,5 Гц, а период (время одного полного колебания) — 2 с. За период потенциальная энергия маятника дважды переходит в кинетическую, а кинетическая в потенциальную.

Укороти нить маятника наполовину. Собственная частота колебаний маятника увеличится в полтора раза и во столько же уменьшится период колебаний. Вывод: с уменьшением длины маятника частота его собственных колебаний увеличивается, а период пропорционально уменьшается.

Изменяя длину подвески маятника, добейся, чтобы его собственная частота колебаний составляла 1 Гц (одно полное колебание в секунду). Это должно быть при длине нитки около 25 см. В этом случае период колебаний маятника будет равен 1 с.

Колебания нитяного маятника являются затухающими. Свободные колебания любого тела всегда затухающие. Они могут стать незатухающими только в том случае, если маятник в такт с его колебаниями слегка подталкивать, компенсируя таким образом ту энергию, которую он затрачивает на преодоление сопротивления, оказываемого ему воздухом и силой трения.

Частота собственных колебаний маятника зависит от его массы и длины подвески.

Теперь натяни горизонтально нетолстую веревку или шпагат. Привяжи к растяжке тот же маятник (рис. 22). Перекинь через веревку еще один такой же маятник, но с более длинной ниткой. Длину подвески этого маятника можно изменять, подтягивая рукой свободный конец нитки.

Приведи его в колебательное движение. При этом первой маятник тоже станет колебаться, но с меньшим размахом (амплитудой). Не останавливая колебаний второго маятника, постепенно уменьшай длину его подвески — амплитуда колебаний первого маятника будет увеличиваться.

В этом опыте, иллюстрирующем резонанс колебаний, первый маятник является приемником механических колебаний, возбуждаемых вторым маятником — передатчиком этих колебаний. Причиной, вынуждающей первый маятник колебаться, являются периодические колебания растяжки с частотой, равной частоте колебаний второго маятника. Вынужденные колебания первого маятника будут иметь максимальную амплитуду лишь тогда, когда его собственная частота совпадает с частотой колебаний второго маятника.

Собственная частота, вынужденные колебания и резонанс, которые ты наблюдал в этих опытах, — явления, свойственные и электрическому колебательному контуру.

Электрические колебания в контуре. Чтобы возбудить колебания в контуре, надо его конденсатор зарядить от источника постоянного напряжения, а затем отключить источник и замкнуть цепь контура (рис. 23).

С этого момента конденсатор начнёт разряжаться через катушку индуктивности, создавая в цепи контура нарастающий по силе ток; а вокруг катушки индуктивности — магнитное поле тока. Когда конденсатор полностью разрядится и ток в цепи станет равным нулю, магнитное поле вокруг катушки окажется наиболее сильным — электрический заряд конденсатора преобразовался в магнитное поле катушки.

Ток в контуре некоторое время булет идти в том же направлении, но уже за счет убывающей энергии магнитного поля, накопленной катушкой, а конденсатор начнет заряжаться. Как только магнитное поле катушки исчезнет, ток в контуре на мгновение прекратится.

Но к этому моменту конденса-fop окажется перезаряженным, поэтому в цепи контура вновь пойдет ток, но уже в противоположном направлении. В результате в контуре возникают колебания электрического тока, продолжающиеся до тех пор, пока энергия, запасенная конденсатором, не израсходуется на преодоление сопротивления проводников контура.

Электрические колебания, возбужденные в контуре зарядом конденсатора, свободные, а следовательно, за-тухающие. Зарядив снова конденсатор, в контуре мож-но возбудить новую серию затухающих колебаний.

Подключи к батарее 3336Л электромагнитные головные телефоны. В момент замыкания цепи в телефонах появится звук, напоминающий щелчок. Такой же щелчок слышен и в момент отключения телефонов от батареи.

Заряди от этой батарей бумажный конденсатор возможно большей емкости, а затем, отключив батарею, подключи к нему те же телефоны. В телефонах услышишь короткий звук низкого тона. Но в момент отключения телефонов от конденсатора такого звука не будет.

В первом из этих опытов щелчки в телефонах являются следствием одиночных колебаний их мембран при изменении силы магнитных полей катушек электромагнитных систем телефонов в моменты появления и исчезновения тока в них.

Во втором опыте звук в телефонах — это колебания их мембран под действием переменных магнитных полей катушек телефонов. Они создаются короткой очередью затухающих колебаний очень низкой частоты, возбужденных в. этом контуре после подключения заряженного конденсатора.

Собственная частота электрических колебаний в контуре зависит от индуктивности его катушки и емкости конденсатора. Чем они больше, тем ниже частота колебаний в контуре и, наоборот, чем они меньше, тем выше частота колебаний в контуре. Изменяя индуктивность (число витков) катушки и емкость конденсатора, можно в широких пределах изменять частоту собственных электрических колебаний в контуре.

Чтобы вынужденные колебания в контуре были незатухающими, контур в такт с колебаниями в нем надо пополнять дополнительной энергией. Для приемного контура источником этой энергии могут быть электрические колебания высокой частоты, индуцируемые радиоволнами в антенне радиоприемника.

Контур в радиоприемнинике. Если к колебательному контуру подключить антенну, заземление и цепь, составленную из диода, выполняющего роль детектора, и телефонов, то получится простейший радиоприемник — детекторный (рис. 24).

Для колебательного контура такого приемника используй катушку индуктивности, намотанную тобой еще при прохождении третьего практикума. Конденсатор переменной емкости (G2) для плавной и . точной настройки контура на частоту радиостанции сделай из двух жестяных пластин, припаяв к ним проводники. Между пластинами, чтобы они не замыкались, положи лист сухой писчей или газетной бумаги.

Емкость такого конденсатора будет тем больше, чем больше площадь взаимного перекрытия пластин и чем меньше расстояние между ними. При размерах пластин 150X250 мм и расстоянии между ними, равном толщине бумаги, наибольшая емкость та?-кого конденсатора может быть 400. 450 пФ, что тебя вполне устроит, а наименьшая несколько пикофарад.

Антенной-времянкой (W1) может служить хорошо изолированный от земли и от стен здания отрезок провода длиной 10. 15 м, подвешенный на высоте 10. 12 м. Для заземления можно использовать металлический штырь, вбитый в землю, трубы водопровода или центрального отопления, имеющие, как правило, хороший контакт с землей.

Роль детектора (VI) может выполнять точечный диод, например, серии Д9 или Д2 с любым буквенным индексом. В1 — головные телефоны электромагнитные, высоко-омные (с катушками электромагнитов сопротивлением постоянному току 1500. 2200 Ом), например, типа ТОН-1. Параллельно телефонам подключи конденсатор (C3) емкостью 3300. 6200 пФ.

Все соединения должны быть электрически надежными. Лучше, если они пропаяны. Из-за плохого контакта в любом из соединений приемник работать не будет. Приемник не будет работать и в том случае, если в его цепях будут короткие замыкания или неправильные соединения.

Настройка контура приемника на частоту радиостанции осуществляется: грубая — скачкообразным измене-нием числа витков катушки, включаемых в контур (на рис. 24 показано штриховой линией со стрелкой); плав-ная и точная — изменением емкости конденсатора путем смещения одной из его пластин относительно другой.

Если в городе, крае или области, где ты живешь, работает радиостанция длинноволнового диапазона (735,3. 2000 м, что соответствует частотам 408. 150 кГц), то в контур включай все витки катушки, а если станция средневолнового диапазона (186,9. 571,4 м, что собтвет-ствует частотам 1,608 МГц.„525 кГц), то только часть ее витков.

При одновременной слышимости передач двух радиостанций включи между антенной и контуром конденсатор емкостью 62. 82 пФ (на рис. 24 — конденсатор С1, показанный штриховыми линиями). От этого громкость звучания телефонов несколько снизится, но селективность (избирательность) приемника, то есть его спог собность отстраиваться от мешающих станций, улучшится.

Как работает такой приемник в целом? Модулированные колебания высокой частоты, индуцируемые-в проводе антенны радиоволнами многих станций, возбуждают в контуре приемника, в который входит и сама антенна, колебания разных частот и амплитуд.

В контуре же возникнут наиболее сильные колебания только той частоты, на которую он настроен в резонанс. Колебания всех других частот контур ослабляет. Чем лучше (добротнее) контур, тем четче он выделяет колебания, соответствующие колебаниям его собственной частоты, и больше их амплитуда.

Детектор также важный элемент приемника. Обладая односторонней проводимостью тока, он выпрямляет высокочастотные модулированные колебания, поступающие к нему от колебательного контура, преобразуя их в колебания низкой, то есть звуковой, частоты, которые телефоны преобразуют в звуковые колебания.

Конденсатор C3, подключенный параллельно телефонам, — вспомогательный элемент приемника: сглаживая пульсации тока, выпрямленного детектором, он улучшает условия работы телефонов.

Проведи несколько экспериментов.

1. Настроив приемник на радиостанцию, введи внутрь катушки толстый гвоздь, а затем конденсатором переменной емкости подстрой контур, чтобы восстановить прежнюю громкость звучания телефонов.

2. Сделай то же самое, но вместо гвоздя возьми медный или латунный стержень.

3. Подключи к контурной катушке вместо конденсатора переменной емкости такой конденсатор постоянной емкости (подбери опытным путем), чтобы приемник оказался настроенным на частоту местной станции.

Запомни конечные результаты этих экспериментов. Вводя внутрь катушки металлический сердечник, ты, конечно, заметил, что собственная частота контура при этом изменяется: стальной сердечник уменьшает собственную частоту колебаний в контуре, а медный или латунный, наоборот, увеличивает. Судить об этом можно по тому, что в первом случае для подстройки контура на сигналы той же станции емкость контурного конденсатора пришлось уменьшить, а во втором увеличить.

Контурная катушка с высокочастотным сердечником. Подавляющее большинство контурных катушек современных приемников имеет высокочастотные, обычно ферритовые, сердечники в виде стержней, чашек или колец.

Ферритовые стержни, кроме того, являются обязательными элементами вхрдных контуров всех транзисторных переносных и так называемых «карманных» приемников.

Высокочастотный сердечник как бы «сгущает» линии магнитного поля катушки, повышая ее индуктивность и добротность. Подвижный сердечник, кроме того, позволяет регулировать индуктивность катушки, что используют для подстройки контуров на заданную частоту, а иногда даже настраивать контуры на частоты радиостанций.

В порядке эксперимента сделай приемник с колебательным контуром, настраиваемым ферритовым стержнем марки 400НН или 600НН длиной 120. 150 мм (рис. 25). Такие стержни используют Для магнитных антенн транзисторных приемников.

Из полоски бумаги, обернув ею стержень 3. 4 раза, склей и хорошо просуши гильзу длиной 80. 90 мм. Внутрь гильзы стержень должен входить свободно. Вырежь из картона 9. 10 колец и приклей их к гильзе на расстоянии 6. 7 мм друг от друга.

На получившийся секционированный каркас -намотай 300. 350 витков лровода ПЭВ, ПЭЛ или ПЭЛШО 0,2. 0,25, укладывая его по 35. 40 витков в каждой секции. От 35. 40-го -и от 75. 80-го витков сделай два отвода в виде петель, чтобы иметь возможность изменять число витков катушки, включаемых в контур.

Подключи к катушке антенну, заземление и цепь детектор — телефоны. Чем больше витков катушки будет участвовать в работе контура и глубже внутрь катушки будет введен ферритовый стержень, тем на большую длину волны может быть настроен приемник.

Детекторный приемник работает исключительно благодаря электромагнитной энергии, излучаемой антенной передатчика радиостанции. Поэтому телефоны звучат негромко. Чтобы повысить громкость работы детекторного приемника, к нему надо добавить усилитель, например транзисторный.

Литература: Борисов В. Г. Практикум начинающего радиолюбителя.2-е изд., перераб. и доп. 1984.

1.9.2. Основы радиоприема

Прием и воспроизведение радиопередач осуществляется радио­приемниками. Несмотря на внешние различия в схемах для всех радиоприемников характерны следующие основные физические процессы, выполняемые в шесть этапов:

первый — преобразование энергии электромагнитных волн в энергию электрического тока во входных цепях радиоприемника;

второй — выделение сигнала принимаемой радиостанции из множества других сигналов, улавливаемых антенной приемника;

третий — усиление принятого ВЧ-сигнала;

четвертый — выделение из принятого модулированного сигна­ла звуковой (низкой) частоты, несущей аудиоинформацию;

пятый — усиление НЧ-сигнала до необходимой мощности;

шестой — преобразование электрических колебаний в звуковые.

Первый этап. Происходит прием радиоволн — процесс воз­буждения колебаний электрического тока в медном проводе ан­тенны бегущими электромагнитными волнами. Явление возбуж­дения в проводнике электрического тока переменным магнитным полем было впервые открыто Майклом Фарадеем, развито Ген­рихом Герцем и практически использовано в радиотехнике Алек­сандром Поповым.

В антенне возбуждаются ВЧ-колебания, излучаемые всеми ра­диостанциями мира. Различаются они лишь частотой колебаний и напряжением. Для воспроизведения доступны не все сигналы. Не могут быть приняты сигналы с частотой ниже чувствительности радиоприемного устройства и сигналы, находящиеся вне преде­лов принимаемых частот.

Большинство радиоприемников имеет антенны двух типов — магнитные и телескопические. Магнитная антенна представляет собой катушку с намотанным медным проводом и с ферромаг­нитным сердечником, который обладает высокой магнитной проницаемостью.

Магнитная антенна имеет направленность приема, поэтому малогабаритные радиоприемники при настройке на радиостанцию рекомендуется разворачивать в направлении источ­ника сигнала. Настольные аппараты имеют встроенную вращающуюся антенну с приводом от ручки, расположенной на лицевой панели. Магнитная антенна применяется в основном для приема в диапазонах ДВ и СВ. „

Телескопическая выдвижная антенна служит для приема на КВ и УКВ. Общая ее длина в развернутом состоянии достигает 1 м, в нерабочем состоянии она складывается и размещается в корпусе приемника.

Второй этап. Антенна в радиоприемнике соединена с шасси радиоприемника или, что то же самое, с землей 1 , поэтому все токи наведенные в антенне электромагнитными волнами, «стекают» на землю. Для выделения сигналов нужной радиостанции в цепи «антенна-земля» поставлен колебательный контур.

Колебательный контур обладает большим индуктивным сопро­тивлением переменному току, если его собственная резонансная частота не совпадает с частотой колебаний проходящего через него тока, но в то же время это сопротивление ничтожно мало, если эти частоты совпадают.

Сущность выбора сигналов нужной радиостанции заключается в настройке частоты колебательного контура на электрический резонанс с ее собственной частотой. В этом случае ВЧ-колебания настраиваемой радиостанции без сопротивления проникают в колебательный контур, а вместе с этим и на вход соединенного с ним усилителя сигналов высокой частоты. Для остальных радио­станций, частоты которых отличаются от резонансной, колеба­тельный контур представляет собой большое сопротивление и препятствует их проникновению в усилитель.

Колебательные контуры могут быть пассивные (перестраива­емые) и активные с задающим генератором высоких частот.

Пассивный колебательный контур состоит из набора катушек индуктивности и конденсаторов переменной емкости, которые позволяют изменять его собственную частоту в больших пределах. Переключением катушек индуктивности изменяют диапазоны принимаемых радиоволн (ДВ, СВ, КВ и УКВ), а плавным изме­нением емкости конденсатора ручкой настройки радиоприемни­ка добиваются приема нужной радиостанции в пределах каждого диапазона. Радиоприемники с таким способом настройки называ­ют аналоговыми.

В активных колебательных контурах в качестве задающего гене­ратора используются цифровые синтезаторы частот. Синтезатор частот — это генератор электрических колебаний, основная час­тота которого задается кварцевым резонатором. С помощью спе­циальных схем (умножения и деления частоты, выделения нужных гармоник) синтезатор может вырабатывать колебания любой частоты, значения которых в цифровом виде отражаются на дисплее и могут храниться в ячейках блока памяти. Радиоприем­ки с цифровым синтезатором частот называют цифровыми.

Чтобы обеспечить прием сигналов нужной радиостанции, достаточно нажатием кнопки или методом сканирования указать ее частоту.

Микропроцессор при этом подключит к кварцевому гене­ратору колебательные цепи, частота которых будет резонировать с частотой выбираемой радиостанции.

Третий этап. Выделенный высокочастотный модулированный сигнал невелик по напряжению, поэтому он направляется на усилитель сигналов высокой частоты.

В колебательный контур вместе с сигналами радиостанций мо­гут проникать атмосферные помехи. Чтобы освободиться от них сигналы пропускают через электрические фильтры, настроенные на частоту 465 кГц, называемую промежуточной частотой. Так как радиостанции работают на разных частотах, отличающихся от 465 кГц, их сигналы предварительно с помощью гетеродина и смесителя преобразуют в промежуточную частоту. Гетеродин — маломощный генератор высоких частот. Конструкция гетеродина такова, что при настройке приемника на любую радиостанцию он автоматически начинает вырабатывать колебания с частотой, превышающей частоту радиостанции на 465 кГц.

В транзисторе-преобразователе происходит сложение колебаний сигнала радиостанции и гетеродина, в результате чего на выходе транзистора возникают биения электрического тока с частотой, равной разности частот радиостанции и гетеродина, т. е. 465 кГц. После такого преобразования сигналы любой радиостанции сво­бодно проходят через полосовой фильтр, а атмосферные помехи пройти не могут, так как их частоты отличаются от 465 кГц. Все радиоприемники, имеющие гетеродин, называются супергетеро­динными.

Радиоприемники без гетеродина называют радиоприемниками прямого усиления. Схемы таких радиоприемников используют в сигнальных устройствах и в игрушках. Качество их звучания очень низкое.

В связи с тем что на УКВ используется частотная модуляция сигналов, а привнесенные сигналы атмосферных помех носят ам­плитудный характер, от них легко освободиться, пропуская их через ограничитель амплитуды и отсекая тем самым ее всплески, вызванные атмосферными помехами.

Четвертый этап. На этом этапе происходит детектирование – выделение из модулированного сигнала звуковых колебаний. В ка­честве детекторов используют обычно полупроводниковые диоды, которые пропускают ток только в одном направлении.

По каналам радиосвязи с помощью полярной модуляции можно передавать и стереофо­нические сигналы.

Стереофонические радио­приемники характеризуются наличием стереодекодера и двухканального усилителя сигналов звуковой частоты. Стерео­сигнал вследствие полярной модуляции несет информацию о двух зву­ковых каналах. Положительные полупериоды колебаний не­сущей частоты модулированы правым аудиоканалом, отрицательные — левым. Для разделения каналов в состав стереодекоде­ра входит полярный детектор, состоящий из двух диодов, вклю­ченных в обратных направлениях. Полярный детектор выделяет два сигнала, один из которых подается на усилитель сигналов зву­ковой частоты (УСЗЧ) правого канала, другой — на УСЗЧ левого канала.

Пятый этап. НЧ-сигнал доводится до необходимой мощности с помощью встроенного или автономного усилителя сигналов низкой частоты. Усилитель сигналов НЧ в радиоприемниках об­щий для ЧМ- и АМ-каналов.

Шестой этап. Электрические колебания преобразуются в зву­ковые с помощью встроенного громкоговорителя или выносных акустических систем.

Какой колебательный контур в радиоприемнике

Му-р-р-р.
Процессы.
Всё в этой
жизни со
временем
меняется.
Но всё в этой
жизни
повторяется.
и сама хизнь,
и смерть.
Мыр -р-р.
Что-то я в
философию
въехал.
STOP!

Частично я уже затрагивал эту тему в статьях «Простейший радиоприёмник», «Принципы радиосвязи» и «Переменный ток», и вот настала пора поговорить об этом конкретно. По просьбам активных читателей – с минимальным привлечением математического аппарата. Но не без оного!
Используемые сокращения; КК – колебательный контур, ЭМИ – электромагнитная индукция, ЭП – электрическое поле, МП – магнитное поле, ЭМК – электромагнитные колебания, ЭМП – электромагнитное поле, ЭМВ – электромагнитная волна, КПЕ – конденсатор переменной емкости.

1. Что такое КК?
а)общее определение КК;
б)идеальный и реальный КК;
в)параллельный и последовательный КК.

2. Воспоминание №1: механические колебания и их параметры:
а) колебания и графики;
б) период, частота, уравнение;
в) свободные или затухающие колебания;
г) параметры колебательных систем.

• 3. Колебания в контуре:
  • а) главная проблема;
  • б) как вывести колебательный контур из равновесия;
  • в) процесс колебаний и механическая аналогия;
  • г) наблюдение реальных затухающих колебаний в контуре;
  • д) формула Томсона.

  • а) механические автогенераторы;
  • б) структурная схема автогенератора и описание;
  • а) к ак получить резонанс в КК;
  • б) р езонанс напряжений в последовательном КК;
  • в) резонанс токов в параллельном КК.

  • а) в радиопередатчиках;
  • б) в радиоприёмниках.

  1. Что такое КК?
  КК представляет собой катушку индуктивности и конденсатор, соединённые между собой проводниками. На рисунке показан параллельный идеальный КК.
  Почему параллельный, думаю, понятно. А вот почему идеальный? Дело в том, что проводники, которыми соединены катушка и конденсатор, да и провод, которым наматывается катушка, в действительности имеют некоторое активное сопротивление R (см. мою статью «Переменный ток»). Если мы это сопротивление не учитываем, то электрический ток в контуре должен протекать без потерь на нагревание проводников. Это и есть идеальный контур. В действительности, конечно, Rимеет место быть, нагревание проводников также наличествует. На электрических схемах активное сопротивление контура обозначают резистором, молчаливо полагая при этом, что в нём сосредоточено ВСЁ активное сопротивление:
  
  Аналогично в последовательном контуре:
  
  Такого рода контуры получили широкое распространение в радиотехнике, электротехнике, электронике благодаря своим замечательным свойствам, о которых будет рассказано дальше.

  2. Воспоминание №1: механические колебания и их параметры.
  Традиционно принято рассматривать процесс протекания колебаний в контуре по аналогии с колебаниями механическими, взяв в качестве примера маятник на нитке или на пружине. При этом подразумевается, что люди, желающиеразобраться с процессом колебаний в контуре, имеют:
  а) вполне отчётливое представление о механических колебаниях и их параметрах;
  б) понимание того, что такое конденсатор и зачем он вообще нужен в электро- и радиотехнике;
  в) знания об явлении ЭМИ, о соответствующих эффектах, об индуктивности и самоиндукции.
  Я также буду опираться на этот воображаемый базис и постараюсь, по-возможности, не повторяться (см. мои статьи, обозначенные в начале данной).
  Итак, почему механические колебания считаются более простыми? В первую очередь из-за их наглядности. Не надо обладать развитым абстрактным мышлением, чтобы непосредственно увидеть колебания грузика на нитке или на пружинке.

  Колебание – это непрерывный процесс. Поэтому на графиках колебания представляются в виде гладкой кривой – синусоиды. Она может быть сдвинута на некоторый угол относительно начала координат и даже превратиться в косинусоиду, поскольку сдвиг фаз между Sinи Cos составляет ¶/2.
  Как известно, график можно построить по точкам, а можно «заставить» маятник нарисовать его, если чертить на движущейся бумажной ленте «след» колебаний.

  Существует много давно известных способов сделать это:
  
  В моей статье «Механический способ записи-воспроизведения звука» также говорится о записи звуковых колебаний в виде волнообразной «дорожки» на поверхности закопчённого стекла или на поверхности цилиндра в фонографе Эдисона, или на поверхности диска для изготовления грампластинок. Это аналоговая форма записи звуковых колебаний.
  Вернёмся к механическим колебаниям. Они характеризуются некоторым набором параметров:
  Т – время одного полного колебания называется «период колебаний», единица измерения 1с.
  V=1/Т – частота колебаний это величина, обратная периоду, единица измерения 1 Гц.
  В уравнении колебаний x – координата, Xm – амплитуда, – фаза колебаний, – циклическая частота, – начальная фаза.
  В реальных колебательных системах всегда присутствует трение (сопротивление движению), поэтому если качнуть маятник, то размах его колебаний будет постепенно уменьшаться – колебания будут затухать и, в конце-концов, прекратятся вообще. На графике это выглядит следующим образом:
  
  Период и частота колебаний зависят от параметров колебательной системы. Для маятника на нитке:
  
  Для маятника на пружинке:
  
  В этих формулах – собственные частоты колебательных систем. Их ещё называют резонансными, и определяются они только параметрами колебательных систем: длиной нити, значением ускорения свободного падения, массой груза, коэффициентом жёсткости пружинки.
  Понятно и то, что для поддержания колебаний незатухающими нужно постоянно восполнять потери энергии на преодоление трения (сопротивления).

  3. Колебания в контуре.
  Разберёмся, каким образом колебания возникают в контуре.
  Главное и самое сложное состоит в том, что их НЕЛЬЗЯ увидеть. При колебаниях в контуре периодически будут меняться электрические величины: заряд конденсатора, энергия ЭП, напряжение, величина тока, величина ЭДС самоиндукции, энергия МП катушки, величина тока самоиндукции. Мы можем отследить изменения этих величин только по приборам, и, если они будут меняться периодически, можно будет говорить о колебаниях. Об электромагнитных колебаниях (ЭМК).
  Для того, чтобы в системе возникли колебания, её нужно вывести из состояния равновесия. В КК это делается достаточно просто – конденсатор нужно зарядить, а затем замкнуть на катушку. В цепи потечёт нарастающий ток. Возрастает, соответственно, МП катушки, и возникает ЭДС самоиндукции. Ток самоиндукции препятствует нарастанию тока в цепи. Когда конденсатор полностью разрядится, энергия его ЭП полностью перейдёт в энергию МП катушки. Затем МП катушки начинает уменьшаться, ЭДС самоиндукции теперь будет поддерживать ток в цепи, и это будет происходить до тех пор, пока МП не уменьшится до нуля, ток также станет равным нулю. Конденсатор полностью ПЕРЕЗАРЯДИТСЯ, т.е. его обкладки поменяют знак заряда. Это первая половина периода колебаний.
  
  На картинке:
  а) конденсатор полностью заряжен (пружина максимально растянута);
  б) нарастает ток, конденсатор разряжается, увеличивается МП катушки (пружина сжимается);
  в) конденсатор разряжен, ток максимален, МП катушки максимально (положение равновесия тела на пружине);
  г) МП катушки уменьшается, ток уменьшается, конденсатор перезаряжается (пружина сжимается);
  д) конденсатор полностью перезарядился, МП катушки равно нулю, ток равен нулю (пружина максимально сжата) – это половина периода колебаний.
  После этого процесс повторится в обратном порядке: конденсатор разряжается – ток нарастает – возрастает МП катушки – ток и МП достигают максимума – МП уменьшается – ток уменьшается – конденсатор перезаряжается – ток равен нулю – МП равно нулю – ЭП конденсатора достигает максимума. Это вторая половина периода колебаний.
  Таким образом, за ОДИН период картина полностью повторяется, колебательная система – КК – возвращается в исходное состояние. Затем начинается следующее колебание и т.д. В идеальном КК процесс будет протекать бесконечно долго, поскольку нет потерьэнергии на преодоление сопротивления проводников. Строго говоря, ЭМП системы также никак не может удержаться внутри конденсатора и катушки и рассеивается в окружающем пространстве в виде ЭМВ, да и токи смещения слегка нагревают конденсатор.
  Наблюдать колебания тока и напряжения можно с помощью осциллографа. Поскольку я несколько «повёрнут» на ретро-аппаратуре, то покажу, как это выглядит с помощью старинного оборудования из кабинета физики. В эксперименте я использую старый осциллограф, катушку от демонстрационного трансформатора (обмотка на 220В), батарею конденсаторов (включаю ёмкость 1-1,5 мкФ), разделительный конденсатор (2 мкФ) и соединительные провода.
  Чтобы конденсатор контура периодически подзаряжался, я подаю на него через разделительный конденсатор пилообразное напряжение строчной развёртки, а снимаю сигнал с соответствующих точек КК. Вот схемка:
  
  Вот её реальное воплощение:
  
  Увеличиваю ёмкость конденсатора или индуктивность катушки – частота колебаний уменьшается:
  
  Хочу напомнить, что осциллограф показывает колебания в РЕАЛЬНОМ КК. Такие колебания всегда ЗАТУХАЮЩИЕ. Именно такой сигнал передавался и принимался вибраторами Герца в его знаменитых опытах, когда он впервые в мире получил ЭМВ (см. мою статью «Принципы радиосвязи»).
  Английский физик Уильям Томсон (лорд Кельвин, 1824-1907) в 1853 году вывел формулу, которая связывает период Т собственных электрических или электромагнитных колебаний в КК с ёмкостью С конденсатора и индуктивностью L катушки: Она так и называется — формула Томсона.
  Поскольку частота обратно пропорциональна периоду, то получается, что при увеличении L и/или C частота уменьшается, а при уменьшении параметров КК – увеличивается. Что и было показано выше.

  4. Воспоминание №2: как сделать колебания незатухающими?
  Как было отмечено ранее, колебания затухают потому, что при каждом колебании часть энергии, которая была сообщена колебательной системе в начальный момент (чтобы вывести систему из положения равновесия), расходуется на преодоление сопротивления, она превращается во внутреннюю энергию и рассеивается в виде тепла. Этот процесс необратим. Чтобы амплитуда колебаний оставалась постоянной, системе необходимо после каждого колебания сообщать ровно такую порцию энергии (квант), которая пошла на преодоление сопротивления. Желательно этот процесс автоматизировать. Такие устройства люди придумали довольно давно. В физике они называются автогенераторами.

  Механические автогенераторы. Примеры:

  а)человек раскачивает качели так, что амплитуда колебаний качелей остаётся постоянной. Качели – это колебательная система. Человек играет роль обратной связи, регулятора, который дозирует (квантует) порции энергии, передавая их в систему и источника энергии. Всё вместе взятое (с человеком, разумеется) и есть автогенератор, создающий автоколебания.

  б) я помню те времена, когда не считалось роскошью иметь механические часы. Те времена, когда часы из СССР вполне конкурировали с японскими и швейцарскими, но это – несколько иная история. Так вот, любые механические часы также представляют собой автогенератор: маятник – колебательная система, пружина или гири – источник энергии, анкерный механизм реализует обратную связь и регулирует порции энергии (кванты), поступающие в систему.

  Примером механической автоколебательной системы могут быть часы с анкерным ходом

  Часы с маятником

  Взаимодействие анкера
  с ходовым колесом

  в) и далее: орган, духовые инструменты, сердечно-сосудистая система, паровые машины, двигатели внутреннего сгорания и т.д.
  

  

  Любая автоколебательная система состоит из 4 частей:
  — колебательной системы;
  — источника энергии, компенсирующего потери энергии на преодоление сопротивления;
  — регулятора (или клапана) – устройства, регулирующего поступление энергии в колебательную систему определенными порциями и в определенный промежуток времени;
  — обратной связи – устройства для обратного воздействия автоколебательной системы на регулятор, управляющего работой регулятора за счет процессов в сам о й колебательной системе.
  
  Принцип действия любого автогенератора состоит в следующем: колебательная система выводится из состояния равновесия и совершает одно полное колебание – через обратную связь поступает сигнал о выдаче порции (кванта) энергии для компенсации потерь – регулятор (клапан) посылает в колебательную систему ровно такой квант энергии, которого достаточно для компенсации потерь – система совершает второе полное колебание с прежней амплитудой и, естественно, частотой, поскольку её параметры не меняются – снова сигнал и т.д.
  Здесь приведена общая структурная схема автогенератора.

  5. Электронные автогенераторы.
  После столь продолжительного и, надеюсь, глубокого воспоминания о механических автогенераторах настало время поговорить об их электронных аналогах. Я не буду даже пытаться охватить всё многообразие данных устройств, а остановлюсь на тех, которые содержат то, что обозначено в заголовке – КК.
  С точки зрения структуры и общего принципа действия электронные автогенераторы абсолютно идентичны своим механическим собратьям, а вот конструкция у них несколько иная.
  Автогенератор на электронной лампе будет первым, поскольку радиолампы как радиотехнические компоненты появились раньше транзисторов.

  В 1904 году английский ученый-физик, член Лондонского королевского общества Джон Амброз Флеминг запатентовал созданную им первую двухэлектродную электронную лампу – диод, сыгравшую важную роль в истории радиотехники (см. мою статью «Электронная лампа»).

  
  В 1906 году американский изобретатель Ли де Форрест создал первую в мире трёхэлектродную электронную лампу – триод. Именно триод используется в ламповом автогенераторе.

  Так выглядит схема самого простого лампового генератора. Основными его элементами являются электронная лампа (триод) и колебательный контур. Нить накала лампы питается от отдельного источника тока (он не показан на схеме). В цепь анода включена анодная батарея Ба и КК, состоящий из катушки индуктивности Lк и конденсатора Ск. Катушка связи Lcв включена в цепь сетки и индуктивно связана с катушкой Lк колебательного контура, т.е. обе катушки расположены на общем каркасе и могут иметь общий ферромагнитный сердечник. Если зарядить конденсатор, а затем замкнуть его на катушку индуктивности Lк, то в цепи КК возникнут затухающие электрические колебания тока и напряжения. Для получения незатухающих колебаний переменного тока необходимо, как было отмечено выше, периодически с определенной частотой добавлять энергию в колебательный контур с помощью быстродействующего устройства. Таким устройством является триод.
  Если накалить катод лампы и замкнуть анодную цепь (выключатель S), то в цепи анода появится электрический ток, который зарядит конденсатор Ск. Конденсатор, разряжаясь на катушку индуктивности Lк, вызовет в контуре затухающие колебания. Переменный ток, проходящий при этом через катушку Lк, индуцирует в катушке Lcв переменное напряжение, воздействующее на сетку лампы и управляющее силой тока в цепи анода.
  Когда на сетку лампы подается отрицательное напряжение, анодный ток в ней уменьшается. При положительном напряжении на сетке лампы в анодной цепи увеличивается ток. Если в этот момент на верхней пластине конденсатора Ск будет отрицательный заряд, то анодный ток зарядит конденсатор и тем самым скомпенсирует потери энергии в контуре.
  Процесс уменьшения и увеличения тока в анодной цепи лампы повторится во время каждого периода электрических колебаний в контуре.
  Если при положительном напряжении на сетке лампы верхняя пластина конденсатора Ск заряжена положительным зарядом, то анодный ток не увеличивает заряда конденсатора, а, наоборот, уменьшает его. При таком положении колебания в контуре не будут поддерживаться, а будут затухать. Чтобы этого не случилось, необходимо правильно включать концы катушек (это очень важно!) Lк и Lc, и обеспечить этим своевременный заряд конденсатора. Если колебания в генераторе не возникают, то необходимо поменять местами концы одной из катушек.
  Ламповый генератор является преобразователем энергии постоянного тока анодной батареи в энергию переменного тока, частота которого зависит от индуктивности катушки и ёмкости конденсатора, образующих КК. Напоминаю, что это преобразование в схеме генератора выполняет триод. ЭДС, индуцируемая в катушке Lcв током колебательного контура, периодически воздействует на сетку лампы и управляет анодным током, который, в свою очередь, с определенной частотой подзаряжает конденсатор, возмещая таким образом потери энергии в контуре. Такой процесс повторяется многократно в течение всего времени работы генератора.
  Рассмотренный процесс возникновения незатухающих колебания в контуре называют самовозбуждением генератора, так как коле­бания в генераторе сами себя поддерживают.
  На рисунке показан демонстрационный ретро-генератор на вакуумном триоде с гальванометром в качестве индикатора. Автоколебания можно наблюдать и на экране осциллографа.
  

  

  Мой ретро-генератор собран на триоде 6С2С из коллекции радиоламп с октальным цоколем:

  

  В конце 1947 года американские физики Уолтер Браттейн, Уильям Шокли и Джон Бардин собрали первый в мире транзистор – полупроводниковый прибор, способный заменить электронную лампу-триод.

  Упрощенная схема генератора на p-n-p транзисторе практически идентичная схеме на вакуумном триоде. Не зря ведь транзистор сначала называли полупроводниковым триодом. Колебательный контур соединен последовательно с источником напряжения и транзистором таким образом, что на эмиттер подается положительный потенциал, а на коллектор – отрицательный. При этом переход эмиттер-база (эмиттерный переход) является прямым, а переход база-коллектор (коллекторный переход) оказывается обратным, и ток в цепи не идет. Это соответствует разомкнутому выключателю S.
  Чтобы в цепи контура возникал ток и подзаряжал конденсатор контура в ходе колебаний, нужно сообщать базе отрицательный относительно эмиттера потенциал, причем в те интервалы времени, когда верхняя пластина конденсатора заряжена положительно, а нижняя — отрицательно. Это соответствует замкнутому выключателю S.
  В интервалы времени, когда верхняя пластина конденсатора заряжена отрицательно, а нижняя — положительно, ток в цепи контура должен отсутствовать. Для этого база должна иметь положительный потенциал относительно эмиттера.
  Таким образом, для компенсации потерь энергии колебаний в контуре, напряжение на эмиттерном переходе должно периодически менять знак в строгом соответствии с колебаниями напряжения на контуре. Для этого, как и раньше, к эмиттерному переходу подключена катушка Lсв, индуктивно связанная с катушкой Lк. Колебания в контуре, вследствие ЭМИ, возбуждают колебания напряжения на концах катушки Lсв, а тем самым и на эмиттерном переходе. Если фаза колебаний напряжения на эмиттерном переходе подобрана правильно, то «толчки» тока в цепи контура действуют на контур в нужные интервалы времени, и колебания не затухают, поэтому важность подключения концов катушек остаётся в силе. Напротив, амплитуда колебаний в контуре возрастает до тех пор, пока потери энергии в контуре не станут точно компенсироваться поступлением энергии от источника. Эта амплитуда тем больше, чем больше напряжение источника. Увеличение напряжения приводит к усилению «толчков» тока, подзаряжающего конденсатор.
  

  Для справки: когда-то в СССР выпускалось множество радиодеталей, в частности:

  первые советские транзисторы П1А выпуска 1957г – триоды германиевые плоскостные.

  

  Более современные транзисторы 90-х голов – тоже из СССР.

  

  «Опытная установка» для наблюдения автоколебаний показана на рисунке:

  Её практическая реализация на p-n-p транзисторе МП41А:
  

  Кстати, если применить транзистор структуры n—p—n, то генератор на транзисторе не будет отличаться от лампового даже полярностью подключения батареи:

  Это снова напоминает нам, почему транзисторы называли кристаллическими, плоскостными, но всё же ТРИОДАМИ!

  6. Воспоминание №3: резонанс в механике.
  Резонансом называют физическое явление возрастания амплитуды колебаний в системе, если частота внешнего воздействия (вынуждающей силы) совпадает с собственной частотой колебательной системы. В результате резонанса при некоторой частоте вынуждающей силы колебательная система оказывается особенно отзывчивой на действие этой силы. Степень отзывчивости в теории колебаний описывается величиной, называемой добротностью. При помощи резонанса можно выделить и/или усилить даже весьма слабые периодические колебания.
  Явление резонанса впервые было описано Галилео Галилеем в 1602 г. в работах, посвященных исследованию маятников имузыкальных струн.
  Увеличение амплитуды — это лишь следствие резонанса, а причина — совпадение внешней (возбуждающей) частоты с некоторой другой частотой, определяемой параметрами колебательной системы, такими как внутренняя (собственная) частота, коэффициент вязкости и т.п. Обычно резонансная частота не сильно отличается от собственной нормальной, но далеко не во всех случаях можно говорить об их совпадении.

  Воздействие звуковых (акустических) волн на стеклянный бокал:
  а) диаграмма распределения колебаний в бокале;
  б) треснувший в результате резонанса бокал.

  На графике резонанс выглядит следующим образом:
  сначала происходит возрастание амплитуды колебаний, затем она достигает некоторого постоянного значения, если величина внешнего воздействия также постоянна. Это связано с наличием трения и сопротивления в колебательной системе. Если размах колебаний довольно значителен, то это может привести к разрушению самой системы.
  Частота, при которой амплитуда вынужденных колебаний максимальна, называется резонансной. График зависимости амплитуды колебаний от частоты внешнего воздействия называется резонансной кривой:
  Чем меньше трение (сопротивление), тем больше амплитуда резонансных колебаний и тем острее пик резонансной кривой:
  Fтр4>Fтр3>Fтр2>Fтр1.

  7. Резонанс в КК.
  Для получения резонанса в КК также необходимо внешнее воздействие – вынуждающая сила. В роли таковой может выступать источник переменного тока – генератор. Резонанса в КК можно добиться тремя способами: изменяя частоту источника переменного тока, изменяя индуктивность Lк или ёмкость Ск.
  Например,
  или .
  Первый генератор позволяет менять частоту сигнала. Второй генератор вырабатывает переменный ток постоянной частоты.
  Поскольку есть два вида колебательных контуров – последовательный и параллельный, то и резонанс в них также бывает двух видов – резонанс напряжений и резонанс токов.
  Рассмотрим последовательный контур, подключенный к источнику переменного напряжения, частоту которого можно менять.
  При резонансе напряжений реактивное сопротивление КК становится равным нулю:
  – это и есть условие резонанса. Алгебраическая сумма (эти напряжения находятся в противофазе). При этом ток I в контуре совпадает по фазе с напряжением U, полное сопротивление z=R и I=U/R. Резкое возрастание тока в цепи при резонансе напряжений вызывает также резкое возрастание напряжений , причем их значения могут во много раз превышать напряжение U источника, питающего цепь.
  При резонансе напряжение на катушке или конденсаторе в Q раз больше, чем напряжение генератора U.
  Отношение называется добротностью контура.
  Чем выше добротность контура Q, тем больше увеличение напряжения при резонансе. Повышение напряжения на катушке и на конденсаторе характерно для резонанса напряжений,само название которого подчеркивает увеличение напряжения в момент резонанса.
  Большие напряжения на катушке и конденсаторе получаются за счет постепенного накопления энергии в контуре в процессе возникновения в нем колебаний. ЭДС генератора возбуждает в контуре колебания, амплитуда которых нарастает до тех пор, пока энергия, поступающая от генератора, не станет равна потерям энергии в активном сопротивлении контура. После этого в контуре происходят мощные колебания, характеризующиеся большой величиной тока и большими напряжениями, а генератор расходует небольшую мощность только для компенсации потерь энергии.
  При резонансе напряжений в величину активного сопротивления контура входит внутреннее сопротивление генератора. Если оно велико, то качество контура может стать низким и резонансные свойства его будут выражены слабо. Поэтому для резонанса напряжений генератор, питающий контур, должен иметь малое внутреннее сопротивление. Резонансная кривая показана именно для такого случая.

  Теперь параллельный КК подключен к тому же генератору. Условияполучения резонанса токов в параллельном контуре такие же, как и для резонанса напряжений, т.е..
  Однако, по своим свойствам резонанс токов, практически, противоположен резонансу напряжений. В этом случае на катушке и на конденсаторе напряжение Uтакое же, как у генератора. Сопротивление контура между точками разветвления становится максимальным, а ток генератора будет минимальным.Полное (эквивалентное) сопротивление контура (z) для генератора при резонансе токов можно подсчитать по формулам:.
  Сопротивление , называемое резонансным сопротивлением, является чисто активным и поэтому при резонансе токов нет сдвига фаз между напряжением генератора и его током.
  В самом контуре при резонансе происходят сильные колебания и поэтому ток внутри контура во много раз больше, чем ток генератора. Токи в индуктивности и ёмкости можно рассматривать как токи в ветвях или как ток незатухающих колебаний внутри контура, поддерживаемых генератором.
  Чем меньше активное сопротивление в контуре, тем меньше разница между этими токами, тем меньше ток генератора и тем больше сопротивление контура. Это вполне понятно. Ток, идущий от генератора, пополняет энергию в контуре, компенсируя потери ее в активном сопротивлении. При уменьшении активного сопротивления уменьшается потеря энергии в нём, и генератор расходует меньше энергии на поддержание незатухающих колебаний.
  Если бы контур был идеальным, то начавшиеся колебания продолжались бы непрерывно, без затухания и не требовалось бы энергии от генератора на их поддержание. Ток генератора был бы равен нулю, а сопротивление контура — бесконечности.
  Для резонанса токов так же, как и для резонанса напряжений, характерно возникновение в контуре мощных колебаний при незначительной затрате мощности генератора.
  На явление резонанса в параллельном контуре большое влияние оказывает внутреннее сопротивление питающего генератора. Если это сопротивление мало, то напряжение на зажимах генератора, а следовательно, и на контуре незначительно отличается от ЭДС генератора и остается почти постоянным по амплитуде, несмотря на изменения тока при изменении частоты.
  Полное сопротивление цепи в этом случае приближенно равно только сопротивлению контура. При резонансе оно сильно возрастает и ток генератора резко уменьшается. Кривая изменения тока на соответствует именно такому случаю.

  8. Применение резонанса в КК.
  Резонанс напряжений применяется в радиотехнике для получения максимального тока в контуре.
  Например, антенный контур радиопередатчика настраивают на резонанс напряжений для того, чтобы ток в антенне был максимальным. Тогда дальность действия передатчика будет наибольшей.
  Для наиболее полной передачи энергии с выхода передатчика по линии питания к антенне должны соблюдаться следующие два основных условия:
  а) нагрузка (антенна), должна представлять для генератора (выходной контур передатчика) чисто активное сопротивление без емкостной и индуктивной составляющих;
  б) полное сопротивление нагрузки должно быть согласовано с полным сопротивлением генератора.
  В радиотехнических схемах параллельный контур обычно питается от генератора с большим внутренним сопротивлением, роль которого выполняет электронная лампа (см. рис. выше) или полупроводниковый прибор. Если внутреннее сопротивление генератора значительно больше, чем сопротивление контура, то параллельный контур приобретает резко выраженные резонансные свойства.
  
  Передатчик. Кадр из фильма «Операция «Ы» и другие приключения Шурика. Наваждение».

  Входной контур приемника настраивают на резонанс токов для того, чтобы получить максимальное усиление напряжения сигналов той радиостанции, на частоту которой настроен контур. Напряжения сигналов других радиостанций, частоты которых отличаются от резонансной частоты приемного контура, усиливаются незначительно. Настройка может выполняться с помощью конденсатора переменной ёмкости (КПЕ) или катушки с изменяемой индуктивностью.
  В первых детекторных радиоприёмниках изменение частоты настройки входного контура осуществлялось именно путём изменения индуктивности катушки, что проще всего сделать, меняя количество её витков.
  Такой приёмник сильно напоминал реостат, где с помощью скользящего контакта также меняется количество витков катушки. Но это сходство чисто внешнее!
  Были радиоприёмники с настройкой, когда взаимное расположение (вращением или смещением) отдельных секций катушек входного контура. Внешний вид такого приёмника: 1 — панель приёмника, 2— подвижная катушка для настройки, 3— переключатели связи и настройки, 4 — детектор, 5 — зажимы антенна— земля, 6 — гнёзда для подключения телефона.

  Я застал ещё то время, когда в радиолюбительской литературе описывались технологии самостоятельного изготовления КПЕ. Когда же они стали более доступны, входные контуры стали настраиваться, чаще всего, именно изменением ёмкости конденсаторов.
  
  Детекторный приёмник из кабинета физики. Прекрасно виден входной КК, состоящий из катушки и КПЕ.
  
  Самодельный детекторный приёмник.
  
  Шасси промышленного радиоприёмника. Справа магнитная антенна с катушками, позади неё – КПЕ.
  Картинки из радиолюбительской литературы:
  
  Методика изготовления детекторного радиоприёмника.
  
  Радиоприёмник на одной комбинированной лампе.

  Демонстрационный детекторный приёмник с ламповым УНЧ. Я собрал здесь и ретро-усилитель, и ретро-динамик.
  

  

  

  На этом завершаю разговор о КК. Надеюсь, у Вас хватило терпения дочитать статью до конца.
  Я не пытался «объять необъятное», и многое осталось недосказанным…