Колебательный контур и его работа

September 21, 2010 by admin Комментировать »

   
   

   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 (СЗ) 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 СЗ, 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. — М.: ДОСААФ, 1984. 144 с., ил. 55к.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты