ПРЕКРАСНЫЕ ИСКАЖЕНИЯ

Если вы построите приемник по одному из приведенных в этой книге описаний и захотите, не меняя основной схемы ввести в приемник коротковолновый диапазон, то знайте – это напрасная затея.

На первый взгляд может показаться, что, для того чтобы принимать короткие волны, нужно лишь изготовить новый колебательный контур с очень небольшой индуктивностью. Резонансная частота контура при этом резко увеличится, и если правильно рассчитать индуктивность катушки, то можно вогнать частоту настройки контура в границы коротковолнового диапазона. Однако такая мера, как это ни странно, ничего не даст – контур будет настраиваться на коротковолновые станции, а принимать их вы наверняка не будете.

Причин здесь несколько. На коротких волнах, то есть на частотах от нескольких Мгц до нескольких десятков Мгц, все наши усилительные схемы, не работают или в лучшем случае работают плохо. Начинают сказываться паразитные емкости, которые не играли почти никакой роли на средних и длинных волнах, то есть на частотах меньше или немного больше чем 1 Мгц. Из‑за тех же паразитных емкостей возникают обратные связи, и усилитель, как правило, возбуждается. Но даже если в результате долгого, кропотливого налаживания удастся миновать эти неприятности и провести сигналы коротковолновых станций от антенны до детектора, то и в этом случае пользоваться приемником все равно нельзя будет, потому что контур пропустит в приемник сразу очень большое число станций.

На коротких волнах даже очень хороший контур не в состоянии отделить нужную станцию не только от соседней, но и от соседей этой соседней станции. Понять это нетрудно. Радиовещательные станции отстоят друг от друга на 10 кгц: если одна станция работает, например, на частоте 700 кгц, то уже на 710 кгц или 690 кгц может работать другая станция. Сравнительно небольшой интервал – 10 кгц – на длинных волнах составляет примерно 2–7 % резонансной частоты. Такое отличие частот, такое отклонение от резонанса хороший контур может легко заметить, и поэтому на длинных волнах он обладает неплохой избирательностью, неплохо ослабляет соседние мешающие станции.

На средних волнах дело уже обстоит хуже: здесь частота соседней мешающей станции отличается от резонансной частоты всего на 0,7–2 % (это вполне понятно – с переходом от длинных волн к средним резонансная частота контура повышается, а расстояние до соседней станции остается таким же, каким и было, – 10 кгц). Вот почему на средних волнах избирательность оказывается значительно хуже, чем на длинных.

Ну, а что касается коротковолнового диапазона, то здесь входной контур любого из наших приемников, по сути дела, вообще не обладает никакой избирательностью. На КВ диапазоне частота соседней станции отличается от резонансной частоты всего на 0,05–0,2 %, и заметить такое различие контур не в состоянии. Практически он сразу может пропустить в приемник без заметного ослабления двадцать – пятьдесят радиовещательных станций, не считая множества «морзянок», индустриальных и атмосферных помех.

Если вы захотите в порядке «психологического практикума» найти выход из создавшегося трудного положения, то наверняка прежде всего предложите два решения. Решение первое: можно увеличить число колебательных контуров. Решение второе: можно ввести положительную обратную связь и с ее помощью улучшить добротность контура, сделать его резонансную кривую более острой.

К сожалению, практически ни одно из этих двух решений не приемлемо. Увеличив число контуров, вы страшно усложните приемник: ведь каждый контур – это самостоятельная катушка, отдельная секция переключателя диапазонов и, что страшнее всего, отдельный, но в то же время связанный с остальными конденсатор настройки (все контуры должны перестраиваться одновременно поворотом одной ручки!). Но даже если бы мы создали столь громоздкую многоконтурную систему настройки, то и она не решила бы проблему перевода наших простейших приемников на короткие волны. Что же касается положительной обратной связи, то на коротких волнах она крайне неустойчива и может лишь истрепать нервы владельцу приемника, но никак не обеспечить устойчивый, уверенный прием коротковолновых станций.

В этом месте, по‑видимому, многие из вас хотят задать вопрос: если все так сложно и все так мрачно, то как же работают на коротких волнах такие, например, транзисторные приемники, как «Спидола», «Спорт‑2», «Соната», «Сувенир» и другие? Ответ прост: в этих приемниках применен совершенно особый, еще не знакомый нам супергетеродинный принцип радиоприема.

Сущность его состоит в следующем. В каком бы диапазоне ни велся прием, какую бы станцию мы ни принимали, ее сигнал в приемнике прежде всего преобразуется в новый сигнал, имеющий стандартную, для всех случаев одинаковую частоту: 465 кгц. А дальше уже усиливается этот двойник сигнала принимаемой станции, усиливается сигнал промежуточной частоты (ПЧ). На промежуточной частоте происходит и очистка от мешающих соседних станций. Теперь их частоты и для средневолнового диапазона и для коротковолнового отличаются от резонансной (не забудьте, она всегда равна 465 кгц) на весьма ощутимую величину – более чем на 2 %. Но даже не эта цифра радует больше всего. Самое главное то, что промежуточная частота всегда одинакова, а значит, в усилитель ПЧ можно включить большое число раз и навсегда настроенных контуров.

После того как с таким блеском предстали перед нами достоинства супергетеродинного приема, остается доказать, что этот принцип в действительности может быть реализован, что можно сигнал любой принимаемой станции превратить в сигнал стандартной промежуточной частоты.

Нажмите две близкие клавиши рояля – сначала по отдельности, а затем вместе. Внимательно прислушавшись, вы обнаружите, что при совместном звучании клавиши создают какой‑то низкий, хрипловатый и довольно слабый призвук, которого не дает ни одна из них в отдельности. Этот призвук появляется в результате одновременного искажения двух сигналов, в данном случае – двух самостоятельных звуков, которые дают две одновременно нажатые клавиши.

Дело в том, что наше ухо в какой‑то степени ведет себя как полупроводниковый диод: оно имеет нелинейную характеристику (см. стр. 161) и слегка искажает форму звукового сигнала, искажает спектр звука. Когда в ухо попадает только один звук, то в результате искажений появляются его гармоники, составляющие с более высокими и всегда кратными частотами. Когда же искажениям подвергаются одновременно два звука, то, кроме гармоник каждого из них, появляются синусоидальные колебания с так называемыми комбинационными частотами – суммарной и разностной (промежуточной).

Поясним это числовым примером. Допустим, что нажата клавиша, издающая звук с частотой 440 гц («ля» первой октавы). В результате искажений этого звука появятся его гармоники – 880 гц, 1320 гц, 1760 гц и т. д. Аналогично звук с частотой 523 гц («до» второй октавы) даст гармоники 1046 гц, 1569 гц, 2092 гц и т. д. Когда же наше ухо подвергнет искажениям одновременно оба звука, то, кроме всех этих гармоник, появятся многочисленные комбинационные частоты и в их числе – синусоидальные колебания с суммарной частотой 963 гц (523 + 440) и разностной (промежуточной) частотой 83 гц (523–440).

Детально пояснить причину появления комбинационных частот довольно трудно: для этого нужны длинные математические выкладки и немало новых, сравнительно сложных понятий. Поэтому всем желающим убедиться в том, что разностная (промежуточная) частота действительно возникает, можно посоветовать лишь нажимать на две близкие клавиши рояля и внимательно прислушиваться к их совместному звучанию.

Есть, правда, еще один способ удостовериться в том, что при одновременном искажении двух сигналов появляется разностная (промежуточная) частота: достаточно включить какой‑нибудь супергетеродинный приемник и убедиться в том, что он действительно работает. Лучшего доказательства существования промежуточной частоты и не придумаешь. Потому что в супергетеродине сам сигнал принимаемой станции, как правило, перестает существовать уже в первом каскаде. А дальше усиление, отделение от помех и детектирования производится с рожденным в самом приемнике сигналом промежуточной частоты.

Блок‑схема супергетеродинного приемника приведена в верхней левой части рис. 119, листок А . Принятый сигнал с частотой f_сиг подается на преобразователь частоты. Туда же подается вспомогательный сигнал с частотой f_г от собственного маломощного генератора, расположенного в самом приемнике. Этот генератор называется гетеродином, а частоту его можно менять переключением катушек и изменением емкости конденсатора настройки. Преобразователь частоты соединен с усилителем ПЧ, все контуры которого раз и навсегда настроены на промежуточную частоту f_пр .

Рис. 119. При одновременном искажении двух сигналов возникают составляющие с разностной и суммарной частотами.

Мы уже говорили, что на коротких и даже на средних волнах входной контур может пропустить сразу несколько сигналов. Встретившись в преобразователе частоты с этими прошедшими через входной контур сигналами, переменное напряжение гетеродина создаст с ними разностные частоты. Но только одна из этих разностных частот, принадлежащая только одной, нужной нам станции, будет равна стандартной промежуточной частоте, на которую настроены все контуры приемника. И только эту разностную частоту усилитель ПЧ пропустит к детектору.

Если вы захотите принять другую станцию, то нужно будет изменить частоту гетеродина так, чтобы он создал сигнал стандартной промежуточной частоты уже с этой другой станцией. Изменяя частоту гетеродина, мы будем получать промежуточную частоту 465 кгц, то с одной, то с другой, то с третьей станции, то есть будем перестраивать приемник с одной станции на другую.

Несколько слов о самом главном элементе супергетеродина – о преобразователе частоты. Этот элемент должен обязательно искажать форму сигнала так, как, скажем, наше ухо искажает звук. Без этих искажений в принципе не могут появиться новые составляющие, в том числе не может появиться и разностная частота. Иногда роль преобразователя частоты выполняет диод, но чаще – транзистор, работающий где‑то в районе загиба входной характеристики. Только в этом случае оба сигнала – поступивший из входной цепи и сигнал собственного гетеродина – будут искажаться и дадут разностную частоту.

Кстати, о слове «искажения». В данном случае его, по‑видимому, нельзя считать удачным, хотя оно и правильно отражает все, что происходит с сигналами. Подобно тому, как наше ухо искажает звук с «хорошими намерениями» и в результате таких искажений у звука лишь появляется приятная тембровая окраска, так и преобразователь обычно не искажает, не портит низкочастотную огибающую принятого сигнала, не портит конечную продукцию приемника – звук. И когда дело касается создания промежуточной частоты, то никогда не говорят об искажении сигналов, а называют этот процесс преобразованием частоты.

Уделив так много внимания принципу супергетеродинного приема, мы сейчас совершим резкий поворот и оставим в стороне практические схемы транзисторных супергетеродинов.

Во‑первых, постройка такого приемника связана со многими трудными для любителя операциями, в частности – с настройкой большого числа контуров. Во‑вторых, каждый желающий построить транзисторный супергетеродин сможет воспользоваться одним из многих его подробных описаний, имеющихся в радиолюбительских брошюрах и журналах. И, наконец, третье. Совсем не обязательно строить приемник для того, чтобы на практике посмотреть, как осуществляется преобразование частоты. Понаблюдать за этим интересным процессом можно и в каком‑нибудь другом электронном приборе, например в металлоискателе или электромузыкальном инструменте – терменвоксе.

Этот инструмент получил свое название по имени изобретателя – советского радиоинженера Льва Термена. Он построил терменвокс еще лет пятьдесят назад, и с тех пор этот родоначальник электронной музыки обошел весь мир. Лев Термен демонстрировал терменвокс Ленину, и, как рассказывают очевидцы этой демонстрации, Владимир Ильич проявил большой интерес к одному из первенцев электроники.

Принцип действия терменвокса поясняет рис. 120.

Рис. 120. В терменвоксе и металлоискателе используется изменение разностной частоты при расстройстве одного из генераторов.

Основа этого музыкального инструмента – два высокочастотных генератора и преобразователь частоты. Частоты генераторов f₁ и f₂ выбираются таким образом, чтобы разностная частота f _разн лежала в звуковом диапазоне. Так, например, если f₁ = 100 кгц, а f₂ = 101 кгц, то разностная частота как раз и составит 1 кгц, то есть попадет в область звуковых частот.

В дальнейшем электрические колебания разностной частоты усиливаются и превращаются в звук с помощью громкоговорителя. Один из генераторов терменвокса всегда дает постоянную частоту, а частоту второго генератора можно в небольших пределах менять. При этом меняется и разностная частота, то есть меняется высота звука. А именно это прежде всего и требуется от музыкального инструмента.

Необходимое изменение частоты одного из генераторов терменвокса осуществляется следующим образом. К контуру этого генератора подключают металлический штырь и приближают к нему руку. При этом создается некий конденсатор, одной обкладкой которого является штырь, а второй – рука. В контур вносится дополнительная емкость С_вн , которая зависит от расстояния между рукой и штырем. Перемещая руку относительно штыря, мы меняем емкость контура, а значит, и частоту генератора. Вместе с ней меняется разностная частота, меняется высота звука.

Практическая схема простого транзисторного терменвокса приведена на рис. 112.

Рис. 112 . Схема электрическая принципиальная терменвокса .

Генератор фиксированной частоты (Т₁ ) собран по трехточечной схеме с емкостной обратной связью. В колебательный контур входят не только катушка L₁ и конденсатор С₃ , но еще и емкостный делитель С₄С₅ , подключенный параллельно контуру (один конец делителя соединен с контуром непосредственно, а второй – через «землю» и конденсатор С₁ ). Транзистор подключен к контуру так, чтобы выполнялось условие фаз: эмиттер соединен со средней точкой емкостного делителя, а к крайним точкам контура присоединены коллектор (непосредственно) и база (через конденсатор С₂ ). Остальные элементы генератора нам известны по предыдущим схемам – это резисторы термостабилизации и развязывающий фильтр.

Точно по такой же схеме собран и второй генератор (Т₂ ), частота которого должна меняться. Связь контурной катушки со штырем осуществляется с помощью катушки связи L₃ .

Следующий каскад – усилитель высокой частоты, на который с обоих генераторов (с эмиттеров Т₁Т₂ ) подаются два высокочастотных напряжения с частотами f₁ и f₂ . Генераторы соединены с входом усилителя ВЧ (Т₃ ) через RС‑цепочки (R₁₉C₁₂ и R₁₀C₁₁ ), которые ослабляют взаимное влияние генераторов, препятствуют «затягиванию» частоты. Это явление состоит в том, что при небольшой разности между частотами f₁ и f₂ один генератор «навязывает» свою частоту другому, и в итоге оба они дают одну и ту же частоту. При этом разностная частота становится равной нулю, то есть звук просто исчезает. «Затягивание» препятствует приближению частоты f₂ к частоте f₁ , то есть препятствует получению достаточно низких звуков (50–80 гц). Чтобы предотвратить «затягивание», для каждого генератора часто делают собственный, так называемый буферный, усилитель ВЧ и уже с этих усилителей подают сигналы на детектор.

В данной схеме оба сигнала с общего усилителя ВЧ также подаются на триодный детектор (Т₄ ), где в результате одновременного искажения этих сигналов и появляется разностная частота f_разн = f₂ – f₁ . Детектор терменвокса называют так потому, что он работает с отсечкой тока во входной цепи. Отрицательное смещение, поступающее через R₁₅ , почти полностью компенсируется положительным смещением, возникающим на Rn, и таким образом каскад оказывается почти без смещения. Однако этот явный детектор все же правильнее было бы назвать преобразователем частоты, так как именно этот процесс лежит в основе получения звука.

Сигнал разностной частоты выделяется на нагрузке детектора‑преобразователя (R₁₆ ), в то время как высокочастотные составляющие с частотами f₁ и f₂ и их гармоники замыкаются накоротко через конденсатор С₁₈ . Потенциометр R₂₁ служит для регулировки громкости. На его оси можно закрепить длинный тонкий стержень и во время исполнения мелодий менять уровень громкости, слегка перемещая этот стержень свободной рукой.

Данные деталей: катушки L₁ и L₂ одинаковые и содержат по 240 витков провода ЛЭШО 5x0,05 (ПЭ 0,1). Они намотаны на стандартных четырехсекционных каркасах (рис. 45, ж ) с небольшими ферритовыми сердечниками. Непосредственно к катушке L₂ примыкает катушка связи L₃ , которая намотана на трехсекционном каркасе и содержит три тысячи витков провода ПЭ 0,06. Катушки L₂ и L₃ могут размещаться на одной оси или на небольшом расстоянии закрепляться на общей монтажной плате.

Катушки могут быть намотаны на других каркасах и другим проводом. При изготовлении катушек главное – сделать одинаковыми L₁ и L₂ , обеспечить достаточно сильную связь между L₂ и L₃ , а также предусмотреть возможность подгонки частоты с помощью сердечников. Такая подгонка необходима для того, чтобы установить минимально возможную разностную частоту при наибольшем приближении руки к штырю. При удалении руки на большое расстояние разностная частота должна быть настолько большой, чтобы ее совсем не было слышно. Если нет возможности изготовить катушки с сердечниками, то для подгонки частоты генераторов можно подключить параллельно С₃ и С₈ подстроечные конденсаторы. В качестве штыря удобно использовать телескопическую антенну.

Низкочастотный сигнал с выхода терменвокса можно подать на любой усилитель НЧ и, в частности, на вход «звукосниматель» любого приемника.

Налаживание терменвокса нужно начинать с проверки генераторов. Прежде всего следует убедиться, что генераторы дают незатухающие колебания. А для этого нужно включить вольтметр постоянного напряжения параллельно конденсатору С₁ (а затем С₆ ) и периодически замыкать контур накоротко. Если генерация была, то при замыкании контура она прекратится и постоянное напряжение на коллекторе (а именно его, по сути дела, измеряет вольтметр) несколько понизится.

Если окажется, что генератор не работает, то можно предположить, что не выполняется условие связи, так как условие фаз в трехточечных схемах при правильной их сборке выполняется всегда. Чтобы повысить напряжение положительной обратной связи, нужно увеличить емкостное сопротивление той части емкостного делителя, с которой это напряжение снимается. Практически нужно несколько уменьшить емкость конденсатора С₅ (или С₁₀ ), имея, конечно, в виду, что подобная мера приведет к некоторому увеличению генерируемой частоты. Усилить обратную связь можно и иначе – уменьшая емкостное сопротивление верхней части делителя, то есть увеличивая емкость С₁₄ (С₉ ).

Если оба генератора работают, то дальнейшая накладка сводится к подгонке частот f₁ и f₂ , и в случае необходимости к подбору режимов усилителя ВЧ и детектора.

На том же принципе, что и «музыкальный супер» – терменвокс, – может работать другой распространенный прибор – металлоискатель (рис. 120). Контурная катушка одного из его генераторов выполняется в виде большой многовитковой «рамки» или «кольца». Если вблизи этой катушки оказывается стальной предмет, то ее индуктивность изменяется и одновременно, так же как в терменвоксе, изменяется разностная частота на выходе преобразователя. По этому изменению частоты и можно судить о приближении «рамки» к стальному предмету.

Подобные, по сути дела, очень простые приборы во время войны широко использовались в нашей армии в качестве миноискателей и спасли многие тысячи человеческих жизней.

Металлоискатель можно смело отнести к тому классу электронной аппаратуры, который принято называть «электроникой в народном хозяйстве». С несколькими другими представителями работающей деловой электроники мы познакомимся в следующем разделе.

КЛЮЧИ К АВТОМАТИКЕ

О том, что электронные приборы могут выполнять многие сложные операции, которые всегда считались монополией человека, сейчас уже знают все. Значительно меньше людей знает, как именно это делается.

Сейчас мы познакомимся с несколькими транзисторными схемами, которые могут наметить для вас путь в тайны электронной автоматики. Это схемы для выполнения простейших логических операций «и », «или », «не » и схема для выполнения одной из арифметических операций – деления на два. Чтобы вам было интереснее знакомиться с этими схемами, мы в итоге применим их в весьма полезном электронном приборе – в переключателе елочных гирлянд. Это будет «умный» переключатель, умеющий логически «рассуждать» и «знающий» арифметику.

Когда вы нажимаете кнопку лифта, то наверняка не думаете о том, что и лифт, прежде чем сдвинуться с места, обязательно должен немного «порассуждать».

«Я могу разрешить движение, – как бы говорит один из автоматов лифта, – если закрыта дверь шахты, если закрыта дверь кабины, если пассажир весит не менее, двадцати пяти килограммов и с достаточной силой давит на пол, – маленьким детям одним в лифте ездить не разрешается. Но, конечно, перегружать лифт тоже нельзя: в случае перегрузки я не разрешу включить мотор, и никакие просьбы, никакое хлопанье дверью не поможет. Если все эти мои требования выполнены, то я дам разрешение на подъем, но только после того, как будет нажата одна из кнопок: если пассажир не нажал кнопку, то он еще не решил, куда ему ехать и ехать ли вообще. Мне безразлично, какая именно кнопка будет нажата, – пусть об этом думает другой автомат, которому поручено доставлять пассажиров на нужный им этаж. Мое же дело – безопасность, и, пока я не удостоверюсь, что все в порядке, лифт с места не сдвинется»,

В правой части рис. 121 приведена упрощенная схема блока безопасности, которая, по сути дела, производит подобные «рассуждения».

Рис. 121. Логические элементы «и », «или », «не » широко используются в автоматике.

Через этот блок подается питание на двигатель лифта. Первые три верхних (по схеме) выключателя выполняют операцию «и » – цепь будет замкнута только в том случае, если замкнут и первый, и второй, и третий выключатель. Если хотя бы один из них разомкнут, то включение двух других не имеет смысла.

Следующая группа выключателей, связанная с кнопками этажей, тоже участвует в операции «и », но внутри этой группы выполняется операция «или »: цепь будет замкнута, если замкнут или первый, или второй, или третий выключатель этой группы, то есть независимо от того, на какой этаж осуществляется подъем.

Наконец, последний выключатель, предохраняющий двигатель от перегрузки, выполняет операцию «не ». По сравнению со всеми остальными выключателями он «действует наоборот».

Если все выключатели для нормальной работы должны быть замкнутыми, то выключатель, выполняющий операцию «не », должен быть разомкнутым. В противном случае он просто замкнет двигатель накоротко, и тот, конечно, работать не будет (что касается автоматики лифта, то это не реальный, надуманный пример, нужный лишь для того, чтобы пояснить работу схемы «не »).

Знакомство со схемой блокировки лифта у некоторых из вас наверняка вызовет недовольство. Стоит ли такие простые схемы и такие простые операции связывать со столь сложным и высоким понятием, как «логические рассуждения»?

Начав подробно разбираться в этом вопросе, мы автоматически включились бы в философскую дискуссию о возможностях мозга и машины, в дискуссию, которая не затихает вот уже лет двадцать. Конечно, было бы интересно поспорить на эту тему, но мы не можем позволить себе подобную роскошь.

Философская дискуссия может отвлечь нас от намеченной цели – от создания переключателя елочных гирлянд. Поэтому вместо подробного общего ответа на поставленный вопрос мы сделаем лишь два коротких конкретных замечания.

Утром, перед тем как уйти в школу, вы также наверняка проделываете логические операции «блокировки». Вы отправляетесь в путь лишь в том случае, если надеты и рубашка, и брюки, и туфли, и носки (как правило, безразлично, какие у вас носки: или синие, или черные, или коричневые), если вложены в портфель и книги, и тетради, и карандаши. Вы уйдете в школу лишь в том случае, если свет не горит, газ не включен и дело происходит не в воскресенье. Как видите, ваши логические рассуждения в этом случае очень напоминают те «рассуждения», которые выполняет блок безопасности рядового лифта. Так почему же в одном случае слово «рассуждения» принято писать в кавычках, а в другом случае – без них?

И второе замечание: элементы «и », «или » и «н е» в нашем примере выполняли довольно простую совместную операцию потому, что они входили в довольно простую схему. В сложных схемах такие элементы могут проводить длинные и очень запутанные логические «рассуждения», выполняя для принятия окончательного решения многие тысячи взаимосвязанных логических операций. Даже ненамного усложнив схему блокировки лифта, ненамного увеличив число логических элементов, можно построить такой, например, автомат, который будет играть в известную игру «крестики и нолики». И при этом никогда не будет проигрывать.

Логические элементы могут быть основаны на самых разных физических процессах. Это могут быть и гидравлические системы – трубы с заслонками, и уже знакомые нам выключатели и схемы, состоящие из реле, диодов или транзисторов (рис. 121).

Чтобы получить транзисторную схему «или », нужно запереть транзистор сравнительно небольшим напряжением, чтобы любой попадающий на его вход импульс отпирал триод. Если при этом подавать импульсы от двух источников, то такая схема выполнит с этими импульсами операцию «или ». На выходе транзистора – на эмиттерной нагрузке R_н – будет появляться выходной сигнал или под действием входного сигнала U_вх‑1 или под действием входного сигнала U_вх‑2 .

Для получения схемы «и » нужно подать на базу такое запирающее смещение, чтобы один импульс не мог открыть транзистор и чтобы для его отпирания понадобилось совместное действие и напряжения U_вх‑1 , и напряжения U_вх‑2 . Наконец, схему «не » можно получить, если включить нагрузку не в эмиттерную цепь, как в двух предыдущих схемах, а в коллекторную. При этом увеличение «минуса» на базе будет приводить к уменьшению «минуса» на коллекторе. То есть, по сути дела, схема в ответ на импульс напряжения будет реагировать понижением напряжения.

Одна из самых важных схем электронной автоматики – это так называемый триггер (рис. 122), который осуществляет деление на два.

Рис. 122. Триггер, переходя из одного устойчивого состояния в другое, может выполнять операцию «деление на два».

Триггер широко используется в вычислительных машинах, и различные сочетания триггеров позволяют производить самые различные математические операции, такие, как сложение, умножение, возведение в степень, извлечение корня, логарифмирование и др.

По своей схеме триггер очень напоминает мультивибратор: в нем также работают два транзистора и коллектор одного из них связан с базой другого. Главное отличие триггера лишь в том, что в нем не происходит «самовольного» переключения транзисторов, и если уж один из транзисторов заперт, а другой открыт, то никакие внутренние силы не могут вывести триггер из этого устойчивого состояния. Для того чтобы триггер переключился, нужно подать на его вход откуда‑нибудь «со стороны» отпирающий импульс.

Каждый отпирающий импульс переводит триггер из одного устойчивого состояния в другое. Если, например, до появления отпирающего импульса триод Т₁ был закрыт, а триод Т₂ открыт, то под действием внешнего импульса картина переменится на обратную – открытым окажется Т₁ , а закрытым Т₂ .

Под действием следующего импульса триггер опять «перебросится» в первоначальное состояние, и транзистор Т₂ опять окажется открытым, а Т₁ закрытым и т. д. Триггер может находиться в устойчивом состоянии сколь угодно долго, потому что, коллекторы и базы транзисторов связаны не только по переменному току через емкость, как в мультивибраторе, но еще и по постоянному току через резисторы. Если один из триггеров окажется открытым, то «минус» на его коллекторе почти исчезнет (из‑за падения напряжения на нагрузке). При этом исчезнет и постоянное отпирающее смещение на втором транзисторе, и он запрется (постоянным напряжением, которое открытый транзистор создает на общем резисторе R_э ) и будет находиться в таком запертом состоянии до тех пор, пока не пройдет следующий внешний отпирающий импульс. На первый транзистор отпирающий импульс не повлияет – тот уже и без импульса открыт. А вот второй транзистор, который был закрыт, под действием отпирающего импульса откроется. Как только второй транзистор откроется, то «минус» на его базе исчезнет и одновременно исчезнет «минус» на базе первого транзистора. Теперь уже он окажется закрытым и будет дожидаться очередного отпирающего импульса.

Из этого краткого описания можно сделать такой вывод: триггер делит на два частоту поступающих на его вход отпирающих импульсов. То есть один из транзисторов триггера будет открываться только от четных импульсов, второй – только от нечетных. Если, например, на вход триггера поступает двадцать импульсов в. секунду, то на каждом из двух выходов триггера будут появляться чередующиеся импульсы с половинной частотой – десять импульсов в секунду. Ну, а если эти импульсы подать еще на один триггер, то мы получим деление на четыре: первый триггер разделит частоту входных импульсов на два, второй еще на два, а дважды два, как известно, четыре. С помощью цепочки триггеров можно осуществить деление на 8, 16, 32, 64 и т. д.

На рис. 123 приведена схема переключателя елочных гирлянд, который поочередно включает четыре группы лампочек, причем две из них «мигают» в два раза реже, чем две другие.

Рис. 123. Переключатель гирлянд с триггерами.

Основа переключателя, – тактовый генератор отпирающих импульсов. За ним следуют два триггера, один из которых делит частоту тактового генератора на два, а второй – еще на два. Каждый из транзисторов обоих триггеров управляет работой другого, мощного транзистора – своего рода транзисторного реле, которое и включает свою гирлянду.

Гирлянда лампочек является нагрузкой мощного транзистора. Когда транзистор открыт, то сопротивление его коллекторной цепи очень мало, все питающее напряжение, по сути дела, приложено к гирлянде, и лампочки горят. Когда же мощный транзистор заперт, то напряжение на нагрузке (на гирлянде) равно нулю, и лампочки не горят.

Роль тактового генератора выполняет уже знакомый нам мультивибратор (T₂T₃ ). Элементы его схемы подобраны так, что тактовая частота составляет примерно один герц. То есть отпирающий импульс появляется примерно раз в секунду. С тактового генератора сигнал подается на так называемую дифференцирующую цепочку R₈C₅ . Она превращает прямоугольный импульс в два остроконечных импульса, так как ток в цепи конденсатора, а значит, и напряжение на R₈ появляется только во время изменения напряжения, проводимого к этой цепочке (рис. 25). Поэтому остроконечные импульсы на выходе дифференцирующей цепочки будут созданы только передним и задним фронтом прямоугольного импульса, который идет с мультивибратора.

Отрицательный остроконечный импульс отпирает триод усилителя (T₄ ), и после усиления сигнал подается на вход первого триггера (T₅T₆ ).

С коллекторной нагрузки каждого из транзисторов триггера постоянное напряжение подается на базу транзисторного реле (T₉T₁₀ ), в котором работает мощный триод, например, П201. На эмиттер этого мощного триода всегда подается отрицательное (относительно общего провода) напряжение с делителя R₁R₂ . Это напряжение приложено «плюсом» к базе и поэтому запирает мощный транзистор. Необходимо сравнительно большое отрицательное напряжение, чтобы его отпереть, и именно такое отпирающее напряжение поступает с триггера. Когда какой‑нибудь транзистор триггера закрыт, то на его коллекторе оказывается сравнительно большой «минус» – почти полное питающее напряжение, которое и отпирает мощный триод. Поскольку «минусы» на коллекторах появляются поочередно и держатся довольно долго – около одной секунды, – то и мощный транзистор оказывается открытым целую секунду в ожидании следующей «переброски» триггера.

Аналогично действует и следующий триггер, но он уже включает свои транзисторы‑реле в два раза реже, и они остаются включенными по две секунды.

В коллекторную цепь мощных транзисторов включены гирлянды лампочек, которые зажигаются только при отпирании транзисторов (рис. 52). Таким образом, эти гирлянды мигают с частотой переключения триггеров.

Чтобы система работала устойчиво, питание на тактовый генератор импульсов и на триггеры подается с простейшего стабилизатора напряжения, в котором используются один транзистор Т₁ и стабилитрон Д₆ . Это кремниевый диод, специально устроенный так, что он работает в области электрического пробоя (рис. 19), сопротивление которого поэтому, сильно меняется при изменении приложенного напряжения. Причем сопротивление это меняется таким образом, что напряжение на диоде остается почти неизменным. В данном случае это напряжение управляет триодом (Т₁ ), и ток через него остается неизменным при изменениях подводимого напряжения, потому что коллекторный ток практически зависит только от управляющего напряжения (рис. 57), а оно стабилизировано.

Питающее напряжение около 8 в для управляющей части (тактовый генератор, усилитель импульсов, триггеры) получают от мостикового выпрямителя, к которому подводится переменное напряжение 6,3 в. Потребление тока в этом блоке невелико, и обмотка II силового трансформатора Тр₁ может быть намотана сравнительно тонким проводом 0,3–0,5 мм².

Напряжение на исполнительную часть (мощные транзисторы) подается с отдельного выпрямителя, который не должен давать более 20 в, то есть подводимое к выпрямителю эффективное переменное напряжение не должно быть больше 14 в. Ограничение связано с тем, что сам транзистор П201 не допускает большего напряжения между коллектором и эмиттером (см. таблицу 10). Можно, конечно, применить транзисторы с более высоким допустимым коллекторным напряжением (например, П214, допускающие напряжение на коллекторе до 65 в) и тем самым повысить напряжение, подводимое к исполнительному блоку. А это, в свою очередь, позволит включать в каждую гирлянду большее число последовательно соединенных лампочек.

Вообще число лампочек подбирается таким образом, чтобы полностью использовать подводимое напряжение. В данном случае, когда это напряжение составляет 20 в, в каждую гирлянду нужно включить четыре лампочки на 6,3 в, или шесть лампочек на 3,5 в, или, наконец, восемь лампочек на 2,5 в.

Без дополнительного теплоотвода для транзистора П201 допустимый ток коллектора составляет 1,5 а. Это позволяет в коллекторную цепь каждого триода включить параллельно несколько групп последовательно соединенных лампочек. Так, например, если применены лампочки, потребляющие ток 0,3 а, то можно соединить параллельно пять групп таких лампочек (для спокойствия лучше четыре) или десять групп (лучше восемь) лампочек, потребляющих ток 0,15 а. Уменьшить число параллельных групп можно как угодно, так как транзистору от этого только легче.

Мы не приводим данных вторичных обмоток трансформатора. Число витков для них легко рассчитать, если известно число витков первичной обмотки, а значит, и число витков на один вольт (см. стр. 109). Общая потребляемая мощность для четырех переключающих транзисторов не превышает 60 вт.

Мощные транзисторы работают поочередно, и каждая пара потребляет примерно 30 вт (22 в·1,5 а), а значит, трансформатор Тр ₁ можно изготовить из небольшого силового трансформатора от сетевого приемника. С трансформатора удаляют все обмотки, кроме сетевой, и располагают ни их месте обмотки II и III. Обмотку III нужно намотать довольно толстым проводом, диаметром 1,0–1,2 мм.

Выбор диаметра провода для обмотки III и диодов, заменяющих Д₅ , нужно производить с учетом нагрузки мощных транзисторов. Совсем не обязательно давать им предельную нагрузку – 1,5 а. Вполне достаточно нагрузить каждый триод током до 0,6 а (например, две гирлянды по 0,3 а каждая).

С учетом среднего выпрямленного тока 3 а выбран диод Д₅ для выпрямителя, питающего транзисторные реле, а значит, и сами гирлянды. Если под руками нет диода, рассчитанного на ток 3 а, то можно соединить параллельно десять диодов, допускающих выпрямленный ток 0,3 а (300 ма). При этом последовательно с каждым диодом нужно включить одинаковые резисторы по 3–5 ом каждый (объяснение см. на рис. 27–15 ).

К переключателю можно добавить еще некоторое количество триггеров с мощными транзисторами и получить таким образом мигание гирлянд с периодом 4 сек, 8 сек и т. д.

Для переключателя с большим числом переключаемых гирлянд нужно намотать обмотку III более толстым проводом и подобрать диод Д₅ , допускающий нужную величину выпрямленного тока.

Описанный нами переключатель для елки – это ближайший родственник гигантов электроники: электронных вычислительных машин. Попробуйте представить себе, что мы может вводить в блок триггеров строго определенное число миганий лампочек. Тогда наш переключатель сам становится вычислительной машиной. Действительно, для того чтобы разделить какое‑либо число на четыре, достаточно ввести это число в виде импульсов на вход блока триггеров и получить результат, подсчитав импульсы на выходе второго триггера. А чтобы умножить какое‑либо число на два, нужно отсчитать соответствующее этому числу количество импульсов на выходе первого триггера, а затем определить, сколько импульсов за соответствующее время было подано на вход этого триггера с тактового генератора.

В действительности, конечно, в вычислительных машинах все происходит намного сложнее, но принцип остается тот же: числа представлены в виде электрических сигналов, в виде серий импульсов, и именно с этими сигналами машина производит всевозможные преобразования.

В электрических импульсах, включающих тот или иной элемент схемы, записана и программа действия машин. Например, вводятся в машину два числа А и Б и дается такая программа: «Умножить число А на число Б , затем прибавить число А к числу Б , разделить первый результат на второй…».

Работая по этой программе, машина будет всякий раз при любых вводимых в нее двух числах выдавать вам значение результирующей емкости при последовательном соединении двух конденсаторов или результирующего сопротивления при параллельном соединении резисторов.

В виде чисел‑сигналов вводятся в машину описания самых разных событий и их характеристики. Возьмем, к примеру, машину, играющую в шахматы. Для нее обязательно производят предварительную числовую оценку фигур. Ферзя, например, оценивают в 10 условных единиц, ладью – в 5 единиц, пешку – в единицу и т. д. Имеют свои числовые оценки сдвоенная пешка, рокировка, давление на центральные поля и т. д.

Положение фигур, правила их передвижения и само передвижение, правила снятия фигур и т. п. также выражаются комбинациями цифр. Поэтому и каждый ход сводится к операциям над числами, и результат этого хода также представляет собой число, которое легко может быть превращено в определенное положение фигур на доске.

Можно построить переключатель гирлянд, который будет иллюстрировать работу логических элементов «и », «или », «не ». Основа такого переключателя (рис. 124) – два мультивибратора (МВ₁ и МВ₂ ), два тактовых генератора, генерирующих прямоугольные импульсы разной длительности, например с периодом 1,5 сек и 1 сек. На два транзисторных реле (ТР ₁ и ТР₂ ) эти импульсы подаются непосредственно с мультивибраторов, а на остальные транзисторные реле – через логические элементы. Так, импульсы, поступающие на транзисторное реле (ТР₃ ) через элемент «или », будут зажигать свою гирлянду под действием сигнала любого из мультивибраторов.

Рис. 124. Скелетная схема (1 ) и диаграмма (2 ) работы переключателя гирлянд с «логикой».

Импульсы, отпирающие транзисторное реле (ТР₅ ) через элемент «и », будут включать гирлянду лишь при появлении импульсов одновременно от двух мультивибраторов. Каждый из логических элементов можно снабдить еще и элементом «нe », который будет включать соответствующее транзисторное реле (ТР ₄ и ТР₆ ) тогда, когда основное реле (ТР ₃ и ТР₅ ) будет выключаться. При желании можно усложнить схему и ввести в нее еще ряд логических элементов. Можно, например, ввести элемент «или » («или »₂), который будет зажигать гирлянду (Л₇ ) от двух источников редко появляющихся импульсов («и » и «не »₂). На рис. 124 под блок‑схемой переключателя приведен график появления импульсов в гирляндах лампочек. Изменяя длительность импульсов тактовых генераторов, можно получить самые причудливые мигания лампочек, лишенные, казалось бы, всякого порядка.

Мы не приводим детальную схему «логического» переключателя не только из‑за ее громоздкости, но еще и потому, что ее легко составит каждый, кто разобрался в предыдущей схеме. Во всяком случае, основные элементы будущей схемы – мультивибраторы и транзисторные реле – нам уже известны.

Логические элементы тоже построить нетрудно. Подав два сигнала на общий резистор и подобрав его величину так, чтобы под действием любого из этих сигналов на резисторе появлялось необходимое для мощного транзистора отпирающее напряжение, мы получим элемент «или ». Уменьшив сопротивление резистора примерно вдвое и уменьшив тем самым отпирающее напряжение, можно добиться, чтобы оно достигало нужной величины лишь при совместном действии сигналов. Таким образом, мы получим элемент «и ». Наконец, снимая отпирающее напряжение для транзисторного реле не с эмиттера, а с коллектора предыдущего каскада, можно получить элемент «не »: предварительно запертый постоянным напряжением мощный транзистор будет отпираться лишь тогда, когда прекратится ток в этом предварительном каскаде и на его коллекторе резко возрастет «минус».

Обе схемы «умных» переключателей хотя и не очень сложны, однако же и не очень просты. Во всяком случае, их налаживание требует понимания принципов работы транзистора, суммирования и вычитания напряжений и токов в сложных цепях, взаимного влияния элементов, входящих в единую электрическую цепь, и т. д. и т. п. Для тех, кто захочет начать с более простого переключателя, на рис. 113 приводится схема, которая не «рассуждает» и не «считает», а просто переключает две группы лампочек. В этой схеме мощные транзисторы (Т₃Т₄ ), способные переключать гирлянды лампочек, работают непосредственно от мультивибратора (Т₁Т₂ ). Собрав два таких мультивибратора с разными периодами импульсов, можно получить довольно эффектную систему переключения и от нее уже постепенно (например, добавляя триггеры или логические элементы) двигаться к более сложному, более «умному» переключателю.

Рис. 113. Схема электрическая принципиальная переключателя елочной гирлянды.

Данные трансформатора и самих гирлянд такие же, как для переключателя по схеме рис. 123.

Во всех схемах, о которых шла речь в этом разделе, транзисторы работают в ключевом режиме – они либо полностью заперты, либо полностью открыты. Транзистор в таком режиме действительно напоминает ключ (выключатель), замыкающий либо размыкающий электрическую цепь. Транзистор‑ключ – один из самых популярных элементов электронной автоматики.

То, что было рассказано о применении транзисторов в автоматике, можно рассматривать лишь как приглашение заняться этой интересной областью. Каждый, кто захочет принять такое приглашение, сможет двинуться дальше под парусами богатой любительской литературы по электронной автоматике. Мы же на этом закончим знакомство с транзисторными ключевыми схемами и тем самым вообще закончим свое путешествие, считая, что первый шаг в транзисторную электронику сделан.