Журнал «Юный техник» - Юный техник, 2010 № 02
Волчок-хамелеон (рис. 13) получается так. Возьмите круглую картонку, поместите ее между двумя пробочными кружками и проденьте сквозь все это круглый карандаш. С помощью такого приспособления вы можете делать всевозможные опыты и изучать свойства цвета. Например, разделите круг на желтые и синие сектора, и, когда волчок завертится, вся поверхность будет казаться зеленой.
Разберите волчок и вставьте другой круг, разделенный на оранжевые и голубые отделения: на этот раз получится белый цвет, так как оранжевый и голубой — дополнительные цвета.
Попробуйте также повторить опыт знаменитого английского ученого И. Ньютона: раскрасьте круг семью цветами радуги, которые, сливаясь при вращении, дадут опять-таки белый цвет.
Еще можно, когда волчок как следует раскрутится, класть на него кольца из разноцветной бумаги. Мы увидим тогда волчок-хамелеон, который будет менять цвет, стоит только притронуться пальцем к одному из этих колец.
Волчок-счетчик (рис. 14) позволяет определить, сколько всего кругов он сделает. Пустите волчок с карандашом в центре по слегка наклоненному листу картона. Волчок начнет понемногу спускаться, описывая на картоне петли, которые легко сосчитать. Каждая из этих петель будет соответствовать одному полному обороту волчка.
Волчок-карусель (рис. 15) получается, если воткнуть по краям булавки с флажками, а между ними наклеить бумажных лошадок с седоками.
ЗАОЧНАЯ ШКОЛА РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ
Чудеса обратной связи
В прошлом номере «ЮТ» мы рассмотрели вопросы усиления сигналов и предложили построить простой приемник, позволяющий прослушивать сигналы местных радиовещательных станций.
Теперь поговорим об обратной связи, которая очень широко используется в усилительных устройствах самого различного назначения. Основная идея обратной связи (ОС) состоит в том, что часть усиленного сигнала с выхода усилителя подается обратно на его вход и складывается со входным сигналом (см. рис. 1).
На рисунке мы видим основной усилитель, имеющий коэффициент усиления Ко по напряжению, и цепь обратной связи (ОС), ослабляющую выходной сигнал в b раз. Эта, ослабленная, часть выходного сигнала снова подмешивается ко входному.
Если фаза сигнала ОС совпадает с фазой входного, то суммарный сигнал возрастает; такая ОС называется положительной (ПОС). Если же фаза сигнала ОС противоположна фазе входного, суммарный сигнал уменьшается, и такая ОС называется отрицательной (ООС).
Зачем ослаблять уже усиленный сигнал с помощью ООС? Современные транзисторы и интегральные микросхемы могут дать огромное усиление сигнала, поэтому потерять его часть не жалко. Но зато усилитель с ООС приобретает несколько важных достоинств — уменьшение искажений, выравнивание частотной характеристики, увеличение входного сопротивления, общее увеличение стабильности.
Поговорим об этих достоинствах подробнее. При усилении сигнал неизбежно искажается. А потому через цепь ООС на вход усилителя поступает искаженный сигнал. Суммар- ный сигнал (Uвx — Uос) на входе основного усилителя тоже искажен, но его искажения противоположны тем, что произойдут с ним в усилителе (ведь ОС отрицательная), поэтому общие искажения уменьшаются.
В случае усилителя звуковых частот (УЗЧ) звук становится чище, яснее.
Второе достоинство станет яснее, если посмотреть на амплитудно-частотную характеристику (АЧХ), показанную на рисунке 2.
Это зависимость коэффициента усиления от частоты сигнала. Верхняя кривая отображает частотную зависимость коэффициента усиления основного усилителя (обозначен треугольником на рис. 1). Видно (рис. 2), что Ко уменьшается как на низких, так и на высоких частотах. Первое обусловлено, в основном, действием разделительных конденсаторов между каскадами, второе — влиянием паразитных емкостей коллекторных переходов и ухудшением усилительных свойств транзисторов с повышением частоты.
С помощью АЧХ можно найти fн и fв — граничные частоты полосы пропускания усилителя, на которых усиление падает до 0,7 от максимального значения.
Для телефонной связи, например, достаточна полоса пропускания от 300 Гц (fн) до 3 кГц (fв), для высококачественного радиовещания нужна полоса не менее 50 Гц — 10 кГц.
Усилители радиочастоты способны усиливать до сотен мегагерц (МГц) и выше. Они могут быть как узкополосными (резонансными), так и широкополосными. На тех частотах, где усиление больше, ООС действует сильнее, снижая усиление. А где усиление меньше, там и ООС слабее. В результате АЧХ выравнивается, и полоса усиливаемых частот fн'— fв' расширяется.
От входного сопротивления усилителя зависит шунтирование им источника сигнала. Пьезоэлектрический звукосниматель, например, в проигрывателе грампластинок имеет очень высокое внутреннее сопротивление. Нагрузив его низким входным сопротивлением транзисторного усилителя, мы получим очень малый сигнал. А усилитель с высоким входным сопротивлением шунтировать кристалл почти не будет, и звукосниматель разовьет большее напряжение.
Влияние ООС на входное сопротивление может быть двояким, в зависимости от схемы сложения входного сигнала и сигнала ОС. Если Uoc вводится последовательно со входным Uвx, то входное сопротивление растет, если параллельно — уменьшается.
Улучшение стабильности с помощью ООС рассмотрим на примере простого транзисторного усилителя (рис. 3), который мы опубликовали в предыдущем номере «ЮТ» и установили, что сопротивление резистора смещения (он же создает и ОС) Roc должно быть в В раз больше сопротивления нагрузки Rн.
При коллекторном напряжении, равным половине напряжения питания, искажения сигнала минимальны. Случайное изменение коллекторного напряжения изменяет ток через Roc. Например, если оно увеличилось, возрастает ток базы, транзистор откроется сильнее, вырастет падение напряжения на Rн и коллекторное напряжение, уменьшаясь, придет в норму.
Здесь напряжение ОС приложено параллельно входному, значит, входное сопротивление уменьшается, что в ряде случаев нежелательно. Как сделать так, чтобы ООС стабилизировала режим, не уменьшая усиление и Rвx? Надо разделить сопротивление Roc на две части, можно равные, и включить конденсатор значительной емкости С2 (см. рис. 4).
На постоянном токе и очень низких частотах он действовать не будет, и ООС стабилизирует режим, а на более высоких частотах он замкнет переменный ток ОС на общий провод, устранив ООС. Емкости конденсатора С2 и разделительных конденсаторов С1 и СЗ подбирают так, чтобы получить требуемую нижнюю границу полосы пропускания fн. Подобный способ стабилизации режима используют во многих, значительно более сложных УЗЧ.
Положительная ОС увеличивает усиление, но вместе с тем увеличивает неравномерность АЧХ и искажения. В УЗЧ ее практически не применяют, а вот в резонансных усилителях радиочастоты (УВЧ или УРЧ) она очень полезна. Искажения сигнала там не особенно важны, поскольку колебательный контур их устраняет, поддерживая синусоидальную форму сигнала.
А вот увеличение усиления повышает чувствительность простого радиоприемника. Увеличение неравномерности АЧХ усилительного каскада с колебательным контуром означает, что АЧХ становится острее, то есть возрастает селективность приемника, его способность выделять полезный сигнал на фоне других.
ПОС очень легко ввести в описанный в прошлом номере простой приемник, превратив его в аппарат, способный принимать дальние станции, а вся доделка сводится к намотке катушки обратной связи на тот же ферритовый стержень магнитной антенны.
Схема модернизированного приемника показана на рисунке 5.
Катушка ОС L2 содержит от 2 до 5 витков того же провода, что и контурная. Ее следует намотать на бумажном кольце, которое легко передвигается по стержню — так мы будем регулировать ОС. Катушка ОС включена в эмиттерную цепь обоих транзисторов, где протекает усиленный ток радиочастоты. Включите приемник без катушки ОС, затем надевайте ее на стержень. В зависимости от направления намотки контурной катушки L1 (она расположена в середине стержня) и катушки ОС L2, обратная связь будет либо отрицательной, либо положительной. Если получилась ООС, что заметно по уменьшению громкости приема, снимите катушку ОС, переверните ее на 180 градусов и надевайте снова. Громкость приема и чувствительность возрастут.
При чрезмерно сильной ПОС в приемнике возникает генерация колебаний на частоте настройки и прием станций сопровождается свистом. Это нормальное явление. ОС надо постараться отрегулировать так, чтобы максимально близко подойти к порогу возникновения генерации. При этом чувствительность и селективность максимальны. Описанный приемник с ПОС позволил принять в Москве вечером на СВ радиостанции многих европейских и ближневосточных городов.
