КАК ЧИТАТЬ РАДИОСХЕМЫ

Сейчас трудно определить, кто первый придумал этот заголовок – «Как читать радиосхемы», – но можно с уверенностью сказать, что ему уже не один десяток лет. Под таким заголовком вышло множество плакатов, статей и книжек, и, по‑видимому, всякий, кто в итоге все же научился читать схемы, начинал именно с одного из таких пособий.

К сожалению, довольно часто попытка научить чтению радиосхем не идет дальше рассказов о самой азбуке – о тех условных обозначениях, с помощью которых на бумаге изображаются конденсатор, резистор или переключатель. Не зная азбуки, читать нельзя – это факт. Но знание азбуки, знание условных обозначений, представляется лишь ничтожно малой частью того, что нужно для чтения радиосхем.

Чтобы прочесть схему, чтобы по запутанному чертежу быстро представить себе сложное электронное устройство и все происходящие там процессы, нужно многое знать и уметь. И, конечно, прежде всего нужно знать законы электрических цепей и уметь применять их при разборе конкретных схем.

Прежде чем учиться читать конкретные, практические схемы, полезно познакомиться с некоторыми общими, абстрактными решениями, с некоторыми принципами построения схем. Один из таких принципов – это разделение цепей постоянного и переменного тока, которое осуществляется, например, для того, чтобы элементы этих цепей не оказывали вредного влияния друг на друга. Сейчас на примере входных и выходных цепей транзисторного усилителя мы попытаемся выяснить, чем вызвано, что дает и как осуществляется такое разделение. Но еще перед этим придется попутно решить небольшую задачу, связанную с питанием самого транзистора.

До сих пор в наших схемах работало два источника постоянного тока – коллекторная батарея Б_к и батарея смещения Б_см . Однако в реальных схемах этот «дуэт» встречается редко. При разработке схем всегда стараются выбросить батарею смещения и обойтись одной коллекторной батареей. О том, что так можно поступить, говорят цифры: напряжение на коллекторе обычно составляет 4–12 в, а напряжение смещения, как правило, лежит в пределах от 0,1 в до 0,5 в. Значит, задача сводится к тому, чтобы просто уменьшить напряжение и получить необходимое смещение от коллекторной батареи, не освобождая ее при этом от основных обязанностей.

На рис. 75 приведены три упрощенные схемы, показывающие, каким образом коллекторная батарея практически может выполнять работу по совместительству – как она может одновременно с питанием коллекторной цепи еще и создавать смещение в схеме ОЭ (листок а ), в схеме ОБ (листок б ) и в схеме ОК (листок в ).

Рис. 75. Отрицательное смещение на базу можно подать от коллекторной батареи, разделив при этом постоянную и переменную составляющие входного тока.

В схеме ОЭ проще всего получить смещение от коллекторной батареи, если ее «минус» через добавочный резистор соединить с базой. При этом резистор R_б вместе с сопротивлением R_эб эмиттерного pn ‑перехода образует делитель, на котором распределяется все напряжение коллекторной батареи Е_к . На долю самого эмиттерного перехода приходится некоторая часть Е_к ,а именно – напряжение U_см , нужную величину которого можно установить подбором резистора R_б . Чем больше сопротивление R_б , тем меньшая часть общего напряжения достается эмиттерному переходу, тем меньше U_см (рис. 76).

Рис. 76. Изменяя сопротивление резистора, через который на базу подается «минус», можно установить нужное начальное смещение.

Итак, подбором резистора R_б в цепи базы мы можем установить нужное по величине смещение. Но не напрасны ли будут наши старания? Попадает ли это смещение на базу в нужной полярности? Окажется ли на базе «минус» относительно эмиттера?

«Плюс» коллекторной батареи оказывается подключенным к эмиттеру, самой нижней точке делителя, образованного резистором R_б и эмиттерным переходом. На всех более высоких точках этого делителя действует «минус» относительно этой самой нижней точки. А это, в свою очередь, означает, что напряжение U_см приложено «плюсом» к эмиттеру и «минусом» к базе, то есть именно так, как должно быть приложено к эмиттерному переходу отпирающее его начальное смещение.

Примечание.При разборе схем часто пользуются выражениями «вверху», «внизу», «вправо», «влево», которые, разумеется, можно относить лишь к данному конкретному изображению. Эти выражения нужны для того, чтобы как можно проще и как можно короче рассказать о полярности тех или иных напряжений или направлений тех или иных токов. Однако найденные таким простейшим способом полярности напряжений и направления токов существуют в действительности. Если вы, например, определите на схеме‑чертеже, что в точке а действует «плюс» относительно расположенной вправо от нее точки б и если вы в реальной, смонтированной схеме найдете эти точки, то а действительно будет иметь «плюс» относительно б , но уже, конечно, при любом их взаимном расположении. А если вы определите, что в данной начерченной схеме ток идет налево от точки m к точке n , то и в монтаже ток будет идти в том же направлении – от m к n , но уже, конечно, независимо от того, где будет «право», а где «лево».

Итак, своеобразный делитель из R_б и R_эб позволяет подать часть коллекторного напряжения на базу в качестве начального отрицательного смещения. Аналогично с помощью делителя напряжения можно получить смещение от коллекторной батареи и в схеме ОБ (рис. 75, листок б ). Только здесь элементом делителя, на котором образуется U_см, является уже не R_эб , а специально введенный в схему резистор R'_д . Меняя соотношение между элементами делителя – резисторами R'_д и R''_д , можно менять и само смещение. Чем больше R'_д сравнению с R''_д , тем большая часть общего напряжения Е_к достается участку база – эмиттер, тем, следовательно, больше U_см. В схеме ОБ полярность полученного смещения тоже станет такой, какой она и должна быть: «плюс» приложен к эмиттеру, «минус» – к базе.

Почти так же, как и в схеме ОЭ, может быть получено смещение и в схеме ОК (листок в ). Здесь, правда, коллекторное напряжение Е_к распределяется на делителе, состоящем уже из трех участков: из добавочного сопротивления R_б , сопротивления эмиттерного рn ‑перехода R_эб и сопротивления нагрузки R_н . Но это не меняет существа дела: участку эмиттер – база, так же как в схеме ОЭ, достается некоторое напряжение U_эб нужной полярности («плюс» на эмиттере, «минус» на базе), которое и является смещением. Величину напряжения U_эб можно установить, подбирая сопротивление R_б . Однако в схеме ОК при этом возникают некоторые «побочные явления»: одновременно с изменением смещения меняется и постоянное напряжение на нагрузке, а значит, и напряжение U_бк , которое после дележа достается «хозяину» батареи Б_к – коллектору. Точно так же при изменении самой нагрузки меняется и доля коллекторного напряжения, которая достается сопротивлению эмиттерного pn ‑перехода, то есть меняется смещение.

Все три схемы, о которых только что шла речь, – это упрощенные схемы, причем в них сделано несколько упрощений. Самое серьезное, пожалуй, заключается в том, что введение новых цепей смещения сделано без учета параметров источника сигнала. А может так получиться, что этот источник либо нарушит нормальную работу цепи смещения, либо, наоборот, сам окажется ее жертвой. Собственно говоря, нам и раньше следовало обратить внимание на то, как уживутся в общей входной цепи источник сигнала и источник смещения. Ну, а сейчас выяснить возможность и, если понадобится, выработать условия их сосуществования просто необходимо.

Начнем со схемы ОЭ. Вполне вероятно, что источник сигнала обладает очень небольшим сопротивлением для постоянного тока (если, например, напряжение U_сиг снимается с контурной катушки или тем более с некоторой ее части), сильно шунтирует сопротивление R_эб . При этом общее сопротивление нижней части делителя может уменьшиться во много раз, и для того, чтобы сохранить нужную пропорцию деления напряжения Е_к , необходимо будет уменьшить и R_б . В итоге общий ток, который пойдет через делитель R_бR_эб , возрастет и это, естественно, сократит срок службы коллекторной батареи.

Еще хуже обстоит дело в схеме ОК, где источник сигнала шунтирует резистор R_б , имеющий довольно большое сопротивление (чтобы U_см было в несколько раз меньше, чем коллекторное напряжение, сопротивление резистора R_б должно быть в несколько раз больше, чем R_эб ). В результате такого шунтирования от большого сопротивления резистора не остается и следа (Воспоминание № 8), а напряжение смещения резко возрастает.

Совсем другого рода неприятность может возникнуть в схеме ОБ. Здесь источник сигнала оказывается включенным последовательно с резистором R'_д , и он «пожирает» значительную часть входной мощности, которая должна была бы стать достоянием только самого рn ‑перехода.

Все эти неприятности в принципе могут быть устранены довольно просто – достаточно с помощью простейших RC фильтров отделить источник сигнала от источника смещения, разделить во входной цепи переменный и постоянный токи.

На рис. 75 (листки г, д, е ) показано, как такое разделение может осуществляться. В схеме ОЭ (листок г ) источник сигнала подключается ко входу транзистора через разделительный конденсатор С_р . Его емкость выбрана с таким расчетом, чтобы даже на самой низкой из усиливаемых частот емкостное сопротивление конденсатора было небольшим (если х_с мало на низких частотах, то на высоких оно еще меньше. Воспоминание № 13) и чтобы на нем не терялось столь нужное нам напряжение сигнала. С другой стороны, для постоянного тока конденсатор обладает бесконечно большим сопротивлением, и поэтому цепочка источник сигнала – конденсатор х_с по постоянному току входную цепь практически не шунтирует. Цепь смещения как бы существует сама по себе, а цепь переменного напряжения (сигнала) тоже сама по себе.

Аналогично в схеме ОК (листок е ) резистор R_б освобождается от шунтирующего влияния источника сигнала благодаря подключению его к транзистору через конденсатор С_р . В схеме ОБ (листок д ) разделительный конденсатор С_р соединяет источник сигнала с эмиттером помимо резистора R'_д . Емкость конденсатора выбирают так, чтобы его емкостное сопротивление (опять‑таки на самых низких частотах) было очень мало, во всяком случае во много раз меньше, чем R'_д . Можно считать, что для переменного тока этого резистора нет вообще и нижний конец источника сигнала соединен непосредственно с базой. В то же время для постоянного тока в схеме все остается без изменений, так как для постоянного тока практически безразлично, есть конденсатор С_р в схеме или его нет совсем.

Убедившись на примере источников смещения и сигнала в том, что иногда просто невозможно обойтись без разделения цепей постоянного и переменного тока и что оно осуществляется довольно просто, перейдем к другим цепям усилителя, где также необходимо произвести операцию разделения.

Прежде всего подключим конденсатор фильтра С_ф (рис. 77) параллельно коллекторной батарее Бк и освободим ее таким образом от переменной составляющей коллекторного тока. Правда, батарея Б_к обладает очень небольшим внутренним сопротивлением R_вн , и переменный ток идет через нее довольно легко. Но, несмотря на это, конденсатор С_ф во многих схемах необходим: когда батарея «стареет», ее внутреннее сопротивление растет, и во избежание неприятностей (самовозбуждение многокаскадного усилителя, см. стр. 303) переменную составляющую коллекторного тока лучше пропустить мимо батареи.

Рис. 77. Чтобы предотвратить взаимную связь каскадов через источник питания, необходимо зашунтировать его конденсатором, по которому будут замыкаться переменные составляющие коллекторных токов.

Следующий наш шаг будет таким: мы попытаемся выделить в чистом виде переменное выходное напряжение U_вых , которое возникает на нагрузке R_н .

По нагрузке R_н проходит коллекторный ток, меняющийся под действием входного сигнала, и неизменный, когда этого сигнала нет. Точно так же, когда сигнала нет, на нагрузке действует постоянное напряжение U_н= , а с появлением сигнала оно меняется «вверх» и «вниз» от постоянного. А это значит, что напряжение U_н содержит и постоянную U_н= и переменную U_н~ составляющие. Но только одну из них – переменную составляющую – можно назвать выходным сигналом.

Постоянная составляющая никому не нужна, даже если она идет в виде бесплатного приложения. Мы хотим получить на выходе усилителя только переменное напряжение потому, что сам усиливаемый сигнал – это тоже только переменное напряжение, без всяких бесплатных добавок.

Выделить выходной сигнал в чистом виде можно с помощью простейшего фильтра, в который входит само сопротивление нагрузки R_н и цепочка R_н~ С_р (рис. 78).

Рис. 78. Для того чтобы получить выходной сигнал в чистом виде, нужно с помощью простейшего фильтра отделить его от постоянного напряжения на нагрузке.

Эта цепочка подключена параллельно R_н , и осуществляется такое соединение следующим образом. Один конец цепочки R_н~ С_р соединен с коллектором, а другой – с эмиттером. Между коллектором и эмиттером включена и нагрузка R_н : ее верхний (по схеме) конец также подключен к коллектору, а другой – соединен с эмиттером для переменного тока (часто говорят «по переменному току») через конденсатор С_ф .

Цепочка R_н~С_р – это, по сути дела, делитель напряжения, возникающего на нагрузке. Некоторая часть этого напряжения достается конденсатору С_р , а другая часть – резистору R_н~ .

Однако один из участков делителя, а именно конденсатор С_р имеет разное сопротивление для постоянного и переменного тока. Поэтому постоянная U_н= и переменная U_н~ составляющие напряжения U_н на нагрузке распределяются на делителе R_н~ С_р неодинаково.

Постоянная составляющая полностью приложена к конденсатору, так как его сопротивление постоянному току бесконечно велико. А чем больше сопротивление какого‑либо участка делителя, тем большая часть напряжения ему достается.

С переменной составляющей все наоборот: емкостное сопротивление конденсатора мало (именно так выбрана его емкость), и почти вся переменная составляющая U_н~ приложена к резистору R_н~ . Это и есть переменное выходное напряжение U_вых «в чистом виде».

Обо всем этом можно сказать и иначе. Под действием напряжения U_н , приложенного к цепочке R_н~С_р , в ней возникает ток. Но постоянный ток в этой цепочке под действием постоянной составляющей U_н= не возникнет. Его не пропустит конденсатор С_р , который для постоянного тока представляет собой разрыв цепи. Поэтому по цепочке R_н~С_р идет лишь переменный ток, созданный переменной составляющей напряжения U_н~ . Предполагается, что емкость конденсатора достаточно велика и он не оказывает сопротивления переменному току. Таким образом, переменный ток встречает лишь сопротивление резистора R_н~ и именно на нем создает напряжение U_вых . Оно‑то является выходным сигналом, очищенным от постоянной составляющей.

Разделение постоянных и переменных составляющих во входных и в выходных цепях приводит к появлению в нашем электронном государстве двух самостоятельных государств – в усилителе появляются самостоятельные цепи постоянного и переменного тока. И хотя они входят в единый электронный узел – транзисторный усилитель, – у каждой из этих цепей есть свои неприкосновенные территории и даже может быть своя «столица»: своя собственная общая (заземленная) точка.

Так, в частности, сказав, что усилитель выполнен по схеме ОБ, мы указываем лишь общую точку для входного и выходного сигнала, то есть общую точку для переменного тока. И совсем не обязательно, чтобы база была местом встречи выходных и входных цепей постоянного тока.

Как правило, большинство цепей электронного прибора сходится к одному из выводов источника питания – в транзисторном усилителе к «плюсу» коллекторной батареи. И волею большинства этот «плюс» оказывается общим проводом, на который удобно ориентироваться при монтаже схем и особенно при их изучении. Поскольку к «плюсу» коллекторной батареи подключается и заземление, если оно, конечно, предусмотрено в данной схеме, то общий «плюсовый» провод очень часто называют «землей». А если какой‑нибудь элемент схемы соединен с этой «землей», то о нем так и говорят – «заземленный резистор», или «заземленный конденсатор», или, наконец, «заземленный коллектор».

Одна и та же точка схемы может быть заземленной по переменному току и не быть заземленной по постоянному или наоборот. При монтаже на металлическом шасси к нему всегда подключается этот самый общий, заземленный провод, и тогда заземлить ту или иную деталь – это значит просто соединить ее с корпусом. При монтаже на изоляционной пластинке часто прокладывают земляную шину – толстый оголенный провод, к которому удобно подключать детали, расположенные в разных концах монтажа (рис. 44–2 ).

Вы уже знаете, что соединение с общей «землей» (металлическое шасси, монтажная шина) имеет свое условное обозначение – небольшой черный прямоугольник. Разумеется, все прямоугольники «земля» на одной и той же схеме нужно представить себе соединенными единым, общим проводом. Научиться прослеживать электрические цепи, которые проходят через «землю», может быть, и не очень просто, но научиться этому необходимо для всякого, кто хочет читать радиосхемы.

На листках А, Б, В, Г рис. 79 показано несколько вариантов одной и той же схемы. Первый из них (листок А ) нам уже хорошо известен – это типичный усилитель по схеме ОЭ, элементы которого встречались на рис. 75 и на рис. 78. В качестве пояснения к схеме отдельно изображены цепи постоянного тока (листок а" ) и переменного тока (листок а' ) этого усилителя. На листке Б вы видите другое изображение предыдущей схемы: вместо общего провода, соединенного с «плюсом» коллекторной батареи, изображено несколько соединений с корпусом, несколько заземлений.

Рис. 79. Общий провод, к которому подключаются многие элементы схемы, часто называют «землей».

На примере схем А и Б легко проследить пути перехода от одного способа изображения общего провода к другому. Но, конечно, не в этом состоит наша главная задача. Она прежде всего сводится к тому, чтобы показать, как один и тот же элемент может быть заземленным по переменному току и не быть заземленным по постоянному.

На листке В приводится еще один вариант той же схемы, хотя на практике почти и не встречающийся, но для учебных целей очень удобный. В этом варианте заземлен не «плюс», а «минус» батареи, и поэтому эмиттер, который должен быть соединен с «плюсом», уже нельзя заземлить по постоянному току. Но по переменному току эмиттер по‑прежнему остается заземленным – он соединен с «землей» («корпусом») через конденсатор С_ф . Поэтому, как и прежде, остаются заземленными источник сигнала и резистор R_н~ . В схемах А и Б они соединялись с эмиттером непосредственно или через «землю» («корпус»), а в схеме В соединение этих элементов с эмиттером осуществляется через «землю» и через конденсатор С_ф .

Обратите внимание вот на что: вместо «плюса» батареи мы заземлили «минус», и это повлекло за собой целый ряд изменений. Пришлось заземлить верхние концы резисторов R_б и R_н , отключить от «земли» эмиттер. Но резистор R_н~ и источник сигнала как были заземленными, так и остались – постоянный ток по этим элементам вообще не идет, а переключение полюсов батареи касается только цепей постоянного тока.

Может быть, кому‑нибудь наши опыты по распутыванию запутанных схем кажутся скучными. Не станем против этого возражать. Есть люди, которые считают, что самое интересное в мире дело – это раскладывание пасьянса, а другим расшифровка языка дельфинов представляется интересным занятием. Не будем открывать дискуссию по этому поводу, не будем спорить о том, от какой работы человек получает наибольшее удовлетворение. Отметим лишь со всей определенностью, что, не научившись разбираться в схемной путанице, вы никогда не освободитесь от страха перед электронной аппаратурой, не почувствуете, что электроника – это действительно очень просто.

В заключение еще один вариант нашей схемы (листок Г ), где заземлен не «плюс» батареи и даже не ее «минус», а сам коллектор. Это, однако, не означает, что вместо схемы ОЭ мы получили ОК – источник сигнала как был включенным между эмиттером и базой, так и остался (его нижний вывод для этого пришлось отключить от «земли», куда теперь присоединен коллектор), в то время как в схеме ОК источник сигнала должен быть включен между базой и коллектором. Легко обнаружить сходство с двумя предыдущими схемами и для всех остальных цепей постоянного и переменного тока.

Если вы знаете буквы и умеете читать, то прочтете любое слово, как бы оно ни было написано – слева направо, сверху вниз или даже «вверх ногами». Разбирая радиосхемы, часто приходится решать задачи, напоминающие чтение «вверх ногами».

Существует множество вариантов размещения на схеме‑чертеже деталей одной и той же электрической цепи. И не всегда просто узнать в том или ином начертании схем своих старых добрых знакомых. К сожалению, нельзя дать простые рецепты, как привести незнакомую, казалось бы, схему к знакомому виду, – это дело времени, опыта и сообразительности.

В качестве первой и сравнительно легкой тренировки попробуйте рассмотреть три упрощенные схемы ОБ, ОЭ, ОК на рис. 80 несколькими разными способами. На этом рисунке отличие схем одного «семейства» только в том, как расположены детали на самом чертеже,

Рис. 80. Разное расположение деталей при вычерчивании одной и той же схемы может создать впечатление, что на рисунке разные схемы.

Освоившись с приемами, пусть самыми простыми, разделения и объединения цепей постоянного и переменного тока, мы сделали очень важный шаг в познании общих свойств, общих методов построения транзисторных усилителей. Очень важный шаг, но, к сожалению, еще не последний.