Путеводитель в мир электроники. Книга 2 - Семенов Борис Юрьевич. Страница 18

Итак, мы рассмотрели свободные колебания, то есть такие, которые, возникнув, не поддерживаются более никакими способами. Существует также особый класс, называемый вынужденными колебаниями. Вынужденные колебания могут существовать даже в контуре с потерями бесконечно долго — важно лишь, чтобы их постоянно поддерживал внешний — вынуждающий — источник. Вынужденные колебания напрямую связаны с таким интересным явлением, как резонанс.

Явление механического резонанса знакомо многим. Если вы живете вблизи оживленной автомагистрали, то при прохождении мимо дома тяжеловесных автопоездов стекла в окнах вашей квартиры начинают звенеть. Причем звон усиливается с приближением автопоезда и ослабляется с его удалением. Легковые автомобили, как правило, не вызывают звона, отсутствует он и тогда, когда на дороге нет автомобилей. Почему? Оконное стекло, особенно плохо закрепленное в раме, является колебательной системой, то есть «звенит» на собственной частоте при ударе. Автомобильный двигатель, вращаясь на определенной частоте, создает колебания. При совпадении частоты колебаний двигателя и собственной частоты оконного стекла последнее начинает вибрировать под действием вынуждающих колебаний. Амплитуда этих вынужденных колебаний тем больше, чем больше амплитуда вынуждающего колебания и чем выше добротность.

Точно так же возникают и вынужденные электрические колебания в колебательном контуре. Чтобы в полной мере ощутить природу этих колебаний, соберем схему, показанную на рис. 10.38.

Рис. 10.38. Исследование вынужденных колебаний в LC-контуре

Генератор G создает синусоидальный сигнал, который можно перестраивать по частоте. Он соединен с контуром LC не непосредственно, а через катушку связи L_cв, намотанную поверх основной катушки. В контур включены амперметр РА1 и вольтметр PV2, по которым мы будем наблюдать за током в катушке индуктивности и за напряжением на конденсаторе. При перестройке частоты генератора от низкого к высокому значению в какой-то момент мы увидим увеличение тока через индуктивность и возрастание напряжения на конденсаторе. Далее, перестраиваясь по частоте, мы можем найти максимум показаний приборов РА1 и PV2, и затем показания начнут падать.

На какой частоте мы получили максимум? На резонансной! Резонансная частота контура при действии вынуждающих колебаний (рис. 10.39) совпадает с частотой свободных колебаний в нем и определяется по формуле Томсона.

Рис. 10.39. Резонанс в колебательном контуре — результат вынужденных колебаний

Как мы уже говорили, добротность контура влияет на характер свободных колебаний. Оказывает она влияние и на вынужденные колебания (рис. 10.40).

Рис. 10.40. Амплитуда электрических колебаний при резонансе в зависимости от величины добротности (Q) контура

Чем выше добротность контура, тем большую амплитуду колебательного процесса мы сможем получить. Представьте, что в высокодобротных системах можно достигнуть увеличения электрических величин в сотни раз!

Теперь нам понятно, как обеспечивается селективность приемника? Колебательный контур, входящий в его состав, настраивается в резонанс с электромагнитной волной определенной частоты, а все побочные частоты, лежащие вне резонанса, контуром отсекаются.

В практических схемах используются два вида колебательных контуров: последовательные и параллельные. Вид контура определяется в зависимости от того, как соединен генератор вынуждающих колебаний с катушкой индуктивности и конденсатором.

Последовательный колебательный контур представлен на рис. 10.41.

Рис. 10.41. Последовательный колебательный контур

Во время резонанса общее сопротивление цепи равно R_пот — сопротивлению потерь контура. Реактивное сопротивление катушки индуктивности равно по величине и противоположно по знаку реактивному сопротивлению конденсатора, в результате чего они взаимоисключаются. Напряжение на конденсаторе в Q раз (значение добротности) больше напряжения генератора G. Ток, протекающий по цепи, максимален и равен:

Параллельный колебательный контур представлен на рис. 10.42.

Рис. 10.42. Параллельный колебательный контур

При резонансе общее сопротивление контура определяется из выражения:

Это сопротивление называют резонансным сопротивлением параллельного колебательного контура. Оно представляет собой большую величину, так что ток во внешней цепи при резонансе мал и равен:

А ток внутри колебательного контура в Q раз больше тока во внешней цепи.

Резонансная частота последовательного и параллельного колебательных контуров вычисляется по формуле Томсона.

* * *

Вот мы и подошли вплотную к практической главе, рассказывающей о создании несложных радиоприемников. Но, прежде чем перейти к увлекательному занятию конструирования, расскажем о человеке, который очень много сделал для. современного радиовещания. На основании его идей создается современная аппаратура, осуществляется высококачественное УКВ-ЧМ-вещание.

Эдвин Говард Армстронг (1890–1954) — американский изобретатель и инженер-электрик. Он сделал такие известные технические открытия и изобретения, как обратная связь, регенеративный радиоприемник, супергетеродинный радиоприемник, ввел в обиход частотную модуляцию (ЧМ).

Рис. 10.43. Пропуск в компанию Western Electric, выданный Э. Армстронгу перед Первой мировой войной

Удивительно, но сам — изобретатель трехэлектродной лампы Ли де Форест не смог досконально разобраться в принципах ее работы, а вот 22-летний Армстронг в 1912 г. не только разобрался с аудионом, но снял сигнал с выхода лампы и подал обратно на ее вход, что позволило значительно улучшить параметры существовавших тогда радиоприемников. Этот способ, названный регенеративным, сегодня используется широко не только в области радиотехники, но еще и в других областях электроники. Правда, название он получил другое — положительная обратная связь.

В 1919 г. Армстронг изобрел супергетеродинный приемник (о нем мы поговорим в следующей главе). Талантливый теоретик и большой умелец, Армстронг собственноручно изготовил один из первых «супергетеродинов» и подарил его своей невесте. Этот приемник развлекал молодоженов во время их свадебного путешествия. Ученый в свадебной поездке не только отдыхал, но и всесторонне проверял работу своего изобретения.

В начале 1930-х гг. Армстронга увлекает идея радиовещания с помощью частотной модуляции. Он пытается теоретически доказать преимущества высококачественного. ЧМ вещания, но владельцы мощных коммерческих AM радиостанций не принимают его идеи, чувствуя источник конкуренции. И тогда Армстронгу ничего не остается делать, как экспериментально доказать преимущества ЧМ. Все работы по созданию экспериментальной аппаратуры ЧМ Армстронг финансирует из личных средств.