Radijo imtuvas: kas slepiasi dėžutėje?

Turinys

• Įžanga
• I dalis. Elektronika: apžvalga
• II dalis. Elektronikos elementai
• III dalis. Rezistoriai
• IV dalis. Kondensatoriai
• V dalis. Induktyvumo ritės
• VI dalis. Virpesių kontūrai
• VII dalis. Transformatoriai
• VIII dalis. Maitinimo elementai
• IX dalis. Maitinimo blokai
• X dalis. Elektroakustiniai prietaisai
• XI dalis. Puslaidininkiniai elementai: diodai
• XII dalis. Puslaidininkiniai elementai: tranzistoriai
• XIII dalis. Elektroniniai stiprintuvai
• XIV dalis. Signalo demoduliacija. Detektorius
• XV dalis. Radijo imtuvo struktūrinė schema
• XVI dalis. Radijo imtuvo principinė schema

Įžanga

Turbūt nėra žmogaus, kuris nebūtų naudojęsis paprastu radijo imtuvu. Dar sunkiau būtų surasti tokį žmogų, kuris nežinotų, kaip jis atrodo. Dauguma paprastą radijo imtuvą įsivaizduoja kaip nedidelę dėžutę su jungtuku ir dviem – garsumo ir stoties nustatymo – reguliatoriais. Visi sukioja šiuos reguliatorius, „pasigauna“ patinkančią radijo stotį, nusistato norimą garso lygį. Ir tik vienas kitas žino, kas vyksta šios dėžutės viduje, tuo tarpu daugumai tai lyg juoda dėžė.

Jei bus noro ir užteks kantrybės, perskaitę šį straipsnį, suprasite radijo imtuvo veikimo principus ir į panašius įrenginius žvelgsite visiškai kitomis akimis.

Prieš skaitant šį dokumentą, jums nebūtina žinoti visų elektronikos smulkmenų, tačiau šiokį tokį supratimą apie elektrą, kodėl elektros srovė „krečia“ ir apie Omo dėsnį reikia turėti. Čia nebus labai smulkaus aiškinimo ir didelių skaičiavimų apie vienokius ar kitokius detalių parametrus ar savybes. Bus išdėstyti pagrindiniai elektronikos aspektai ir tai, kodėl detalės schemoje sujungtos būtent taip, o ne kitaip.

Šį dokumentą galima skaityti tiek iš eilės (pagal turinį), tiek laisva tvarka, laikant, kad jūs žinote praleistuose skyreliuose išdėstytą medžiagą.

I dalis. Elektronika: apžvalga

XXI a. pradžioje mes su elektronika susiduriame kiekviename žingsnyje: klausomės muzikos, žiūrime televizorių, ant rankos nešiojame elektroninius laikrodžius, kalbamės telefonu, naudojamės kalkuliatoriais ir dar daugeliu dalykų, už kuriuos turime būti dėkingi elektronikai. Dažnai šiuos daiktus naudojame net nepagalvodami apie tai, kiek juose „prikimšta“ radijo elementų (prisipažinkime, jog niekas, klausydamas muzikos, sklindančios iš muzikos centro, negalvoja apie tai, kaip to centro viduje laksto elektronai ar atsidarinėja tranzistoriai). Tačiau kiekvienas elementas, net ir mažiausias kondensatorius ar rezistorius, turi savo paskirtį ir darniai įsilieja į bendrą elektroninio įrenginio schemą.

Galima pamąstyti, kas atsitiktų, jei staiga netektume elektronikos teikiamų galimybių. Ko gero, sustotų visas gyvenimas. Net jeigu sugenda koks nors elektroninis prietaisas, iš karto iškyla problemos: sugedus kalkuliatoriui, imame ieškoti popieriaus ir pieštuko, nervuojamės, nes neatsimename, kaip raštu padalinti 180 iš PI, o sugedus kompiuteriui, puolame į paniką, nes laiku nepadarome laboratorinių darbų.

Perskaitę šį dokumentą, jūs neįgysite pakankamų žinių, kaip pataisyti, pavyzdžiui, kompiuterio maitinimo bloką, tačiau įgysite bendrų žinių ir šiokį tokį supratimą apie radijo elektroniką ir tai, kas dedasi „juodoje dėžėje“ tuo metu, kai jūs klausotės muzikos. Šio dokumento tikslas yra supažindinti su pagrindiniais elektronikos elementais ir jų funkcionavimu. Turint mintyje tai, kad bet kurį elektros įrenginį sudaro keletas pagrindinių elementų, tokių kaip rezistoriai, kondensatoriai, diodai ir jų atmainos bei tranzistoriai, apie kuriuos bus papasakota sekančiuose skyriuose, bus galima analizuoti bet kokią paprastesnę schemą ir suprasti, ką ji daro.

II dalis. Elektronikos elementai

Kaip jau minėta ankstesniame skyriuje, visus elektroninius prietaisus sudaro sauja rezistorių, kondensatorių, diodų, keletas tranzistorių, būtinai vienas arba keli maitinimo šaltiniai ar blokai bei visų išvardintų elementų atmainos. Vienur kitur galima surasti ir elektrovakuuminius prietaisus (radijo lempas, vakuuminius ir luminescensinius indikatorius ar kineskopus) ar pjezoelementus (kvarciniai generatoriai, pjezogalvutės ir pjezodavikliai). Kadangi šie elementai yra palyginti retai sutinkami, o paprastose schemose praktiškai visai nerandami, todėl jie nebus aprašyti šiame dokumente.

Dabar labai plačiai yra naudojami kombinuoti rezistorių / kondensatorių / tranzistorių blokai, kuriuose visi elementai yra sujungti pagal tam tikrą schemą ir atlieka tam tikras funkcijas. Šie blokai yra vadinami mikroschemomis, arba, kaip liepia vadinti kalbininkai, lustais, nors pastarasis terminas yra neprigijęs radistų tarpe ir neatspindi šiuo vardu vadinamo bloko natūros ir paskirties.

Gali susidaryti nuomonė, jog jei egzistuoja tik 5–6 pagrindiniai elementai, tai kaip galima padaryti šitiek daug įvairių elektroninių prietaisų, kurie skiriasi ne tik dydžiu ar elektros sunaudojimu, bet ir funkcionalumu ir panaudojimo sritimi? Visa tai yra gaunama, atitinkamai šiuos elementus sujungus tarpusavyje. Visiškai kaip statybose – turint keletą rūšių plytų, galima pastatyti bet kokį pastatą, pradedant sandėliuku ir baigiant gyvenamuoju namu; arba kaip chemijoje – iš H, C ir O bei dar keleto elementų atomų yra sudaryta gausybė įvairių medžiagų. Tačiau kaip architektui nepakanka žinoti kaip padaryta plyta, norint suprojektuoti namą, taip ir radijo technikui nepakanka žinoti, kaip veikia vienas ar kitas elementas, norint sukurti veikiančią schemą. Egzistuoja tam tikros elementų jungimo ir jų parametrų parinkimo taisyklės, kurių nevalia nepaisyti, norint užtikrinti ilgalaikį ir stabilų elektroninio prietaiso darbą.

III dalis. Rezistoriai

Tai yra plačiausiai visoje elektronikoje naudojamas elementai. Jie sudaro iki 35 % visų šiuolaikinių radioelektroninės aparatūros (REA) elementų . Tai yra elementas, turintis varžą ir kurį geriausiai aprašo Omo dėsnis I=U/R. Skiriami pastovios ir kintamos varžos, vieliniai ir nevieliniai rezistoriai. REA labiausiai paplitę nevieliniai rezistoriai, nes jų mažiausi matmenys, aktyvinė varža yra stabili.

Parametrai. Svarbiausi rezistorių parametrai yra šie:

• Rezistoriaus galia, kurią jis gali išsklaidyti pastoviai apkrautas pastovios temperatūros ir slėgio aplinkoje. Ši galia yra žymima P. REA dažniausiai naudojami nevieliniai 0,125, 0,25, 0,5, 1 ir 2 W galios rezistoriai. Rezistorius pagal galią parenkamas naudojantis formule P'=U*U/R; čia U – prie rezistoriaus prijungta įtampa voltais, R – rezistoriaus varža omais.
• Rezistoriaus vardinė varža R paprastai būna nurodyta ant korpuso. Reali rezistoriaus varža gali skirtis nuo vardinės tik tam tikru nurodytu dydžiu, išreikštu procentais. Dažniausiai yra naudojami 5 % tikslumo rezistoriai, tačiau yra gaminami nuo 0,05 % iki 20 % tikslumo rezistoriai.
• Temperatūrinis varžos koeficientas TKr nurodo varžos pokytį, temperatūrai pakitus vienu laipsniu. Jei pakilus temperatūrai varža padidėja – TKr teigiamas, jei pakilus temperatūrai varža sumažėja - TKr neigimas.

Rezistorių kodiniai žymenys. Šiuo metu yra paplitę du rezistorių kodiniai žymenys: raidinis-skaitmeninis ir spalvinis. Pastarasis yra dažniau vartojamas užsienyje, o pagal sovietinį standartą naudojamas raidinis-skaitmenis žymėjimas.

Spalvinio žymėjimo pavyzdys:

Kiekviena spalva reiškia skaičių nuo 0 iki 9. Spalvų reikšmės pateiktos žemiau:

Žiedai nuo 1 iki 3 reiškia rezistoriaus varžą, o ketvirtasis žiedas - tikslumą. Tikslumui žymėti naudojamos trys spalvos: balta (10 %) ir dvi papildomos – sidabrinė (5 %) ir auksinė (1 %). Spalviniu kodu žymimų rezistorių pirmasis žiedas yra tas, kuris yra arčiau išvado. Jų varža visada išreiškiama omais. Kodavimo taisyklė: pirmieji du žiedai reiškia skaičius, trečiasis – nulių skaičių po pirmųjų dviejų skaičių. Paveikslėlyje parodyto rezistoriaus varža lygi: 1 žiedas: 4, 2 žiedas: 7, 3 žiedas: 2. Pirmųjų dviejų žiedų reikšmes užrašę viena paskui kitą ir prirašę tiek nulių, kiek nurodo trečiasis žiedas, gausime 4700 omų arba 4,7 kiloomų. Rezistoriaus tikslumas (pagal 4 žiedą) yra 5 %.

Programėlė internete, sužinoti varžos nominalui.

Raidinio-skaitmeninio žymėjimo pavyzdys:

Naudojant šį žymėjimo būdą, naudojamos trys raidės: E, reiškianti omus, K, reiškianti kiloomus ir M, reiškianti megaomus. Varžos nuo 100 iki 910 omų išreiškiami šimtosiomis kiloomo dalimis, o nuo 100 iki 910 kiloomų – šimtosiomis megaomo dalimis. Jei varža išreiškiama sveikuoju skaičiumi, tai matavimo vienetas rašomas po jo, pvz. 68E – 68 omai, 51K – 51 kiloomas ir t. t.; jei sveikuoju skaičiumi su trupmena – matavimo vienetas rašomas vietoj kablelio, pvz. 5K6 – 5,6 kiloomo, 1M2 – 1,2 megaomo. Jei varžos sveikas skaičius lygus nuliui, tai matavimo vienetas rašomas vietoj nulio ir kablelio prieš trupmeninę dalį, pvz. K47 – 0,47 kiloomų arba 470 omų, M68 – 680 kiloomų. Paveikslėlyje parodyto rezistoriaus varža lygi 6,8 kiloomo.

Spalvinio kodo pranašumai: nereikia paėmus rezistorių vartyti jo, norint perskaityti jo nominalą, nereikia rezistoriaus išlituoti iš plokštės, nes dauguma raidiniu-skaitmeniniu kodu pažymėtų rezistorių pagal „kiaulystės dėsnį“ būna įlituota tekstu žemyn. Minusai – ne visuomet vienareikšmiškai galima nustatyti rezistoriaus varžą – būna, kad spalvos, reiškiančios 2, 3 ir 4 arba 5 ir 6 yra labai panašios (priklauso nuo gamintojų). Taip pat spalvos gali pasikeisti, jei rezistorius buvo įkaitęs. Skaitmeniniu-raidiniu kodu pažymėti rezistoriai šio trūkumo neturi, tačiau yra sunku perskaityti 0,125 ir 0,25 W galios rezistorių varžos nominalą.

Rezistorių žymėjimas schemoje. Nuo 1 iki 910 omų varžos rezistoriai schemose žymimi sveikuoju omų skaičiumi nenurodant matavimo vieneto, pvz. 470 reiškia 470 omų. Jei omų skaičius – trupmeninis, šalia varžos reikšmės nurodomas matavimo vienetas _O_. Nuo 1 iki 910 kiloomų varžos rezistoriai žymimi kiloomų skaičiumi, nurodant matavimo vienetą – raidę k. Nuo 1 megaomo varža žymima megaomų skaičiumi, nenurodant matavimo vieneto. Jei megaomų skaičius yra sveikasis – po jo rašomas kablelis ir nulis, pvz. 2 megaomų varža žymima 2,0.

Scheminis simbolis:

Identifikatorius – R n, kur n – rezistoriaus eilės numeris schemoje.

IV dalis. Kondensatoriai

Elektrinis kondensatorius – dažniausiai dviejų elektrodų, atskirtų dielektriku, sistema, sudaranti talpą. Pagal konstrukciją ir paskirtį kondensatoriai skirstomi į pastovios ir reguliuojamos talpos.

Parametrai. Svarbiausi kondensatorių parametrai yra šie:

• Kondensatoriaus talpa – gebėjimas kaupti ir išlaikyti elektroduose elektros krūvius, kai prijungta įtampa. Paprastai kondensatorių talpa matuojama mikrofaradais (uF), nanofaradais (nF) ir pikofaradais (pF). 1 uF = 10^3 nF = 10^6 pF. Kondensatoriaus talpa būna nurodyta ant korpuso su matavimo vienetu.
• Elektrinis atsparumas – maksimali įtampos reikšmė, kuriai esant kondensatorius gali patikimai dirbti ilgą laiką.
• Izoliacijos varža priklauso nuo dielektriko kokybės. Kuo ši varža yra didesnė, tuo kondensatorius yra kokybiškesnis ir mažesni energijos nuostoliai.

Kondensatorių tipai. Labiausiai paplitę kondensatorių tipai yra šie:

• Keraminiai – su keraminiu izoliatoriumi tarp elektrodų, kure yra užgarinami ant keraminės plokštelės paviršiaus. Privalumai: stabili talpa, aukšta darbo įtampa, nedideli gabaritai, labai didelė vidinė varža. Trūkumas – labai maža talpa.
• Elektrolitiniai – vienas elektrodas yra oksiduota metalo folija, kitas elektrodas yra skystas laidus elektrolitas. Dielektrikas – folijos oksido plėvelė, kuri yra labai plona, kas leidžia padaryti didelės talpos kondensatorius. Privalumai: didelė talpa, labai mažas korpuso/talpos santykis. Trūkumai: labai netiksli talpa (tikslumas 30 %), negalima sumaišyti poliaringumo, talpa priklauso nuo temperatūros ir ne itin aukšta vidinė varža.
• Žėrutiniai – kaip dielektrikas naudojama gamtinio žėručio plokštelės, mechaniškai ir elektriškai labai atspari medžiaga. Privalumai: atsparūs temperatūrai, mechaniniams poveikiams, labai didelis įtampų (nuo 25 iki 10000 V) diapazonas ir tikslumas. Trūkumas: brangūs.

Reguliuojamos talpos kondensatoriai. Šių kondensatorių konstrukcija numato galimybę pakeisti atstumą tarp abiejų elektrodų, ko pasiekoje pasikeičia jo talpa.

Scheminis simbolis:

Identifikatorius – C_n, kur n – kondensatoriaus eilės numeris schemoje.

V dalis. Induktyvumo ritės

Induktyvumo ritės dažniausiai naudojamos virpesių kontūruose ir kaip reaktyvinės varžos elementas filtruose. Ritės pasižymi netiesine varža įvairaus dažnumo srovėms – kuo didesnis dažnumas, tuo didesnė ritės varža. Būtent ši savybė yra naudojama įvairiuose dažnumų filtruose.

Parametrai. Svarbiausias ritės parametras yra induktyvumas, matuojamas henriais. Būtent jis apsprendžia ritės varžas įvairiems dažnumams (kuo induktyvumas didesnis, tuo varža tam pačiam dažnumui didesnė). Ritės induktyvumą įtakoja ritės vijų skaičius ir šerdies tipas. Kadangi tą patį induktyvumą galima gauti suvyniojus daugiau vijų arba panaudojus šerdį iš feromagnetinės medžiagos, pasirenkamas pastarasis elementas, nes ritės kokybei labai neigiamą įtaką daro jos reaktyvinė varža (laido, iš kurio ji yra suvyniota, varža). Akivaizdu, kad kuo trumpesnis laidas bus suvyniotas, tuo geresnė bus ritės kokybė. Ritės pagal konstrukciją skirstomos į vienasluoksnes ir daugiasluoksnes. Vienasluoksnių ričių visos vijos yra suvyniotos viena šalia kitos vienu sluoksniu, daugiasluoksnių – keliais sluoksniais. Vienasluoksnių ričių kokybė yra aukštesnė, bet daugiasluoksnės ritės užima mažiau vietos ir jų induktyvumas didesnis.

Scheminis simbolis:

Identifikatorius – L n, kur n – ritės eilės numeris schemoje.

VI dalis. Virpesių kontūrai

Virpesių kontūras – ritės ir kondensatoriaus kombinacija

Parametrai. Svarbiausias virpesių kontūro parametras yra jo savasis dažnis F, išreiškiamas hercais (Hz), lygus 1/(C*L), kur C – kondensatoriaus talpa faradais, L – ritės induktyvumas henriais.

Pagrindiniai virpesių kontūro tipai yra:

• Nuoseklus – ritė ir kondensatorius sujungti nuosekliai:
  
• Jo varža nuolatinei srovei (kai f=0) yra begalinė, nes kondensatorius visiškai nepraleidžia nuolatinės srovės. Kai f artėja į begalybę, ritės (ir viso kontūro) varža pasidaro begalinė. Esant tam tikram dažnumui F, ritės ir kondensatoriaus varžos pasidaro lygios ir srovė per kontūrą yra didžiausia. Čia nesileisime į fizikinius apmąstymus kodėl taip yra, užteks prisiminti faktą, kad yra tam tikras dažnumas F, kuriam esant kontūro varža yra mažiausia. Tai vaizdžiai iliustruoja amplitudinė-dažnuminė charakteristika:
  
• Lygiagretus – ritė ir kondensatorius sujungti lygiagrečiai:
  

Šis kontūras yra visiška priešingybė ankstesniajam Jo varža nuolatinei srovei (kai f=0) yra nulinė, nes ritės varža yra labai maža nuolatinei srovei. Kai f artėja į begalybę, kondensatoriaus (ir viso kontūro) varža artėja į nulį. Esant tam tikram dažnumui F, ritės ir kondensatoriaus varžos pasidaro lygios ir srovė per kontūrą tampa mažiausia, kitaip tariant, kontūre krenta mažiausiai energijos. Šio kontūro amplitudinė-dažnuminė charakteristika atrodo taip:

VII dalis. Transformatoriai

Transformatorius – tai dviejų (arba daugiau) ričių derinys be galvaninio ryšio tarp jų. Būtent dėl šios savybės jis dažnai naudojamas praktikoje. Kita, ne mažiau svarbi savybė yra ta, kad jis transformuoja į pirminę apviją ateinančią srovę ir įtampą į bet kokią srovę bei įtampą išėjime, išlaikydamas U1/U2= I2/I1 proporciją. Tai žinant, atsiveria labai plačios jo panaudojimo galimybės, apie kurias plačiau pakalbėsime skyrelyje apie maitinimo blokus.

Parametrai. Svarbiausi transformatoriaus parametrai:

• Transformacijos koeficientas – santykis tarp įeinančios įtampos ir išeinančios įtampos absoliučių verčių: n=|U1|/|U2|. Dažniausiai išreiškiamas maždaug taip – 1:10. Galima nesunkiai pastebėti, kad |I2|/|I1| taip pat lygu n.
• Darbinis dažnis – dažnis, kuriam esant transformatorius dirba su mažiausiais nuostoliais. Būna fiksuoto dažnio (pvz. 50 Hz) arba plačiajuosčiai (pvz. 100 Hz – 10 kHz) transformatoriai. Esant mažesniam dažniui transformatorius kaista, esant didesniam – transformacijos koeficientas pasidaro nestabilus.

Scheminis simbolis:

Identifikatorius – T_n, kur n – transformatoriaus eilės numeris schemoje.

VIII dalis. Maitinimo elementai

Maitinimo šaltinis plačiąja prasme yra neišvengiamas dalykas bet kuriame radiotechniniame prietaise. Tai gali būti bet kas, kas „sugeba“ atskirti protonus nuo elektronų: tiek paprasta baterija, tiek akumuliatorius, tiek tinklo įtampa, saulės baterija ar maitinimo blokas. Maitinimo šaltinis siaurąja prasme yra autonominis elementas (baterija, akumuliatorius, saulės baterija), kitaip tariant, elementas, kurio gaminama elektra nėra priklausoma nuo bendros elektros sistemos, pavyzdžiui, tinklo. Nors tai yra elementarus iš pirmo žvilgsnio dalykas, apie jį verta pakalbėti.

Parametrai. Svarbiausi maitinimo šaltinio parametrai:

• Įtampa, matuojama voltais. Tai bene pats svarbiausias parametras visoje elektronikoje. Gamintojas užtikrina, kad maitinimo šaltinį naudojant pagal taisykles jo įtampa bus fiksuota tam tikrą nustatytą laiką.
• Maksimali Srovė, kurią galima naudoti, nesugadinant maitinimo šaltinio. Matuojama amperais. Tai yra lygiavertės svarbos parametras kaip ir įtampa.
• Talpa – parametras, dažniausiai apibūdinantis akumuliatorius. Matavimo vienetas – ampervalandė. Šis parametras nusako, kokią maksimalią srovę galima naudoti kai akumuliatorius pilnai įkrautas, kad ta srovė būtų pastovi 1 valandą. Tipiška nešiojamo radijo imtuvo akumuliatoriaus talpa yra apie 750 mAh, automobilinio akumuliatoriaus ~65 Ah. Tai reiškia, kad, jei akumuliatorius yra pilnai įkrautas, galima naudoti 65 amperų srovę visą valandą.

Scheminis simbolis:

Identifikatorius – GB_n, kur n – maitinimo šaltinio eilės numeris schemoje.

IX dalis. Maitinimo blokai

Maitinimo blokas – tai įrenginys, skirtas teikti elektros energiją elektros įrenginiui. Tačiau tas tiekimas pasižymi keliomis savybėmis. Visų pirma, jis turi tiekti fiksuotos įtampos (rečiau – srovės) energiją. Priklausomai nuo energijos vartotojo, išėjimo įtampa (arba srovė) negali svyruoti daugiau, negu nurodyta (pavyzdžiui, kompiuterio maitinimo bloko išėjimo įtampa turi būti 5 V +- 0,01 V). Dažniausiai terminas maitinimo blokas apima ir transformatorių, ir stabilizatorių.

Parametrai. Svarbiausi maitinimo bloko parametrai sutampa su maitinimo šaltinio parametrais:

• Įtampa, matuojama voltais. Maitinimo bloko išėjimo įtampa, esant normaliam apkrovimui.
• Maksimali Srovė, kurią galima naudoti, nesugadinant maitinimo bloko. Matuojama amperais.
• Galingumas. Matavimo vienetas – vatas. Šis parametras nusako, kokio maksimalaus galingumo elektros prietaisą galima prijungti. Galingumas apskaičiuojamas pagal formulę P=U*I, kur U – maitinimo bloko išėjimo įtampa, I – maksimali srovė, kuri gali tekėti iš maitinimo bloko.

Dažniausiai maitinimo blokai naudojami elektroniniuose įrengimuose, kurie yra maitinami iš tinklo. Tokiuose maitinimo blokuose dažniausiai naudojami transformatoriai. Būtent tokie maitinimo blokai išnaudoja abi pagrindines transformatoriaus savybes: galvaninį išrišimą ir transformacijos koeficientą. Galvaninis išrišimas neleidžia tinklo įtampai tiesiogiai praeiti prie elektroninių įrenginio elementų, apsaugo nuo pernelyg didelio krūvio. Transformacija leidžia iš tinklo įtampos (~220 V) padaryti bet kokią įtampą, kuri reikalinga normaliam darbui užtikrinti. Pavyzdžiui, CD grotuvuose dažniausiai naudojama 12 V įtampa.

X dalis. Elektroakustiniai prietaisai

Elektroakustiniai prietaisai ir yra toji grandis, kuri susieja elektroniką su garsų pasauliu. Šis terminas aprėpia visą plačią mikrofonų ir garsiakalbių gamą. Yra prigalvota galybė priemonių ir būdų, kaip paversti garsą elektra ir atvirkščiai. Tai ir panaudojant talpą (kondensatoriniai mikrofonai), ir varžą (angliniai mikrofonai), ir pjezoelementus (pjezoelementai ir pjezogalvutės) ir bene patys populiariausi – elektrodinaminai mikrofonai ir garsiakalbiai. Kadangi mikrofonai yra gana specifinis dalykas, apie juos čia plačiai nekalbėsime. O garsiakalbius (dar vadinami dinaminėmis galvutėmis) trumpai peržvelgsime.

Parametrai. Svarbiausi garsiakalbių parametrai:

• Galia, matuojama vatais. Turbūt pats aktualiausias parametras perkant automobilinę aparatūrą. Galia nusako, kokį didžiausią galingumą (srovės it įtampos sandauga) galima paleisti garsiakalbiu, tačiau didelė galia ne visada reiškia stiprų garsą, o kokybę.
• Dažnumų diapazonas nusako, kokiame garso dažnių diapazone gali kokybiškai dirbti garsiakalbis.
• Netiesinių iškraipymų koeficientas – papildomo triukšmo ir naudingo signalo santykis. Kuo šis santykis yra mažesnis, tuo garsiakalbis kokybiškesnis. Ir atvirkščiai, kuo šis koeficientas didesnis – tuo garsiakalbis pigesnis.

Garsiakalbiai pagal elektrinių signalų keitimą garsu technologiją yra skirstomi:

• Elektrodinaminiai: labiausiai įprastas tipas, kai garsiakalbį sudaro nuolatinis magnetas, difuzorius ir prie jo nejudamai pritvirtinta ritė, kuri kartu su difuzoriumi elektrovaros jėgos veikiama juda nuolatinio magneto sukurtame magnetiniame lauke. Privalumai: didelis galingumas, aukšta kokybė. Trūkumai: dideli gabaritai, brangūs.
• Pjezogalvutė (arba kristalinė galvutė) – dvi metalinės plokštelės, tarp kurių yra pjezokristalas, pasižymintis įdomia savybe: kai jį ima veikti elektrinis laukas, jis susitraukia (arba išsiplečia, priklausomai nuo lauko krypties). Jei tas laukas – kintamas, tai kristalas atitinkamai atkartoja el. lauko stiprumo pasikeitimus. Privalumai: gali atkurti labai aukštą dažnį (iki kelių megahercų), užima mažai vietos. Trūkumai: mažas galingumas, prasta kokybė žemesnių dažnių srityje.
• Elektromagnetinės galvutės (telefonai) – elektromagnetas, virš kurio yra plieninė membrana. Kintant įtampai, kinta magnetinis laukas, atitinkamai kinta ir membranos išlinkimas. Pasižymi didele elektrine varža. Privalumai: pigūs. Trūkumai: itin prasta garso kokybė (girdisi metalinis „barškėjimas“), mažas galingumas.

Scheminis simbolis:

Identifikatorius – BA n, kur n – ritės eilės numeris schemoje.

XI dalis. Puslaidininkiniai elementai: diodai

PUSLAIDININKINIAI ELEMENTAI nusipelnė būti parašyti didžiosiomis raidėmis, nes jie yra visų elektroninių įrenginių pagrindas, be jų neveiktų joks prietaisas. Netgi tokiame mažame dalyke, kaip rankinis elektroninis laikrodis, yra prikimšt a tūkstančiai puslaidininkinių elementų – diodų, tranzistorių, netgi puslaidininkinių kondensatorių. Ir nors juokaujant galima visus puslaidininkinius elementus pavadinti paprastu smėliu (smėlis yra silicio oksidas, o visų dabartinių puslaidininkinių elementų pagrindas yra silicis), jų naudos negalima neįvertinti.

Pats paprasčiausias puslaidininkinis elementas – diodas. Jį sudaro viena pn sandūra (tikiuosi per fizikos pamokas / paskaitas įkišo į galvą supratimą apie p ir n tipo puslaidininkius), kuri pasižymi puikia savybe – „praleidžia el. srovę į vieną pusę“. Šią frazę žino kiekvienas, kas bent kartą girdėjo apie puslaidininkių taikymą. Nesigilinsime dabar į visus fizikinius procesus su elektronais ir skylutėmis, tik dar kartą prisiminsime šios sandūros voltamperinę charakteristiką:

Matome, kad ši charakteristika toli gražu nėra tiesi. Kol tiesioginė įtampa yra intervale nuo nulio iki Ut, srovė kinta nežymiai. Tačiau įtampai toliau didėjant srovė pradeda staigiai kilti, ir dar didinant įtampą diodas gali būti sugadintas. Ut yra vadinama darbine diodo tiesiogine įtampa, kuriai esant per diodą teka It srovė. Šitoks darbo režimas yra pagrindinis. Paprastai silicio diodų Ut = 0,5–0,7 V. Jei pabandysime per šią sandūrą paleisti atgalinę įtampą, pastebėsime, jog srovė šiek tiek teka, bet nepriklauso nuo įtampos tol, kol ši nepasiekia kritinės reikšmės Ua, kuomet srovė pradeda staigiai didėti (įvyksta diodo atgalinis pramušimas). Jei didinsime atgalinę įtampą toliau, vėlgi rizikuosime sugadinti diodą. Atgalinės įtampos maksimali reikš mė labai skiriasi ir gali būti nuo 3 V iki 1500 V, priklausomai nuo diodo paskirties.

Pagrindiniai parametrai:

• Tiesioginė srovė, matuojama amperais. Apsprendžia kokia maksimali srovė gali tekėti diodu ilgą laiką, jo nesugadinant. Bendros paskirties diodų srovė paprastai būna nuo 10 mA iki 200 mA, o lyginimo diodų – iki 100A ir daugiau.
• Atgalinė įtampa nusako, kokio didumo maksimali atgalinė įtampa gali būti prijungta prie diodo, kad šis patikimai veiktų ilgą laiko tarpą.
• Tiesioginė įtampa – įtampa, kuri krinta diode, kai juo teka maksimali leistinoji tiesioginė srovė.

Diodai yra skirstomi į tokias grupes:

• Lyginimo, skirti darbui didesnės srovės ir įtampos grandinėse. Paprastai būna žemo dažnio.
• Universalieji, skirti naudoti REA, pasižymi nedideliais gabaritais, maksimali srovė paprastai neviršija 200 mA.
• Stabilitronai – diodų atmaina, pritaikyta darbui atgalinio pramušimo režime.

Scheminis simbolis:

Identifikatorius – VD_n, kur n – diodo eilės numeris schemoje.

XII dalis. Puslaidininkiniai elementai: tranzistoriai

Tranzistoriai yra viena iš svarbiausių puslaidininkinių detalių ir tuo pačiu sunkiausiai įsisąmoninama. Tranzistorių sudaro tos pačios p ir n laidumo sritys, tik čia jų yra trys: pnp arba npn. Šių tranzistorių veikimas nesiskiria, skiriasi tik maitinimo poliaringumas. Visuomet vidurinis sandūros elementas yra vadinamas baze, kiti du – emiteris ir kolektorius. Aiškinant populiariai, tranzistoriaus veikimas yra toks: jei srovė bazės-emiterio sandūra neteka, tai tranzistorius yra uždarytas (t.y. kolektoriaus-emiterio varža yra labai didelė) ir tranzistoriumi srovė neteka. Jei mes paleisime tam tikrą nedidelę srovę bazės-emiterio sandūra, kolektoriaus-emiterio varža pradės mažėti tiesiškai proporcingai bazės-emiterio srovei, t. y. didėjant bazės-emiterio srovei, kolektoriaus-emiterio varža mažės. Tai vyks tol, kol bazės-emiterio srovė nepasieks tam tikros reikšmės, kuriai esant kolektoriaus-emiterio varža toliau nesikeis. Ši bazės-emiterio srovė yra vadinama soties srove, o tranzistorius dirbs soties režimu. Beje, reikia paminėti, kad pnp tipo tranzistoriaus bazės ir kolektoriaus įtampa emiterio atžvilgiu turi būti neigiama, o pnp tipo – teigiama.

Pagrindiniai parametrai:

• Srovės perdavimo koeficientas, rodo, kiek kartų padidėja kolektoriaus srovė, pakitus bazės srovei, kitaip tariant, tai yra santykis dIk/dIb, kur dIk – kolektoriaus srovės pokytis, dIb – bazės srovės pokytis.
• Maksimali kolektoriaus srovė rodo, kokio didumo maksimalią srovę gali tranzistorius valdyti.
• Maksimali kolektoriaus-emiterio įtampa – įtampa, kurią galima prijungti prie tranzistoriaus kolektoriaus ir emiterio elektrodų, jo nesugadinant.
• Maksimali dažnis – dažnis, kuriam esant tranzistoriaus srovės perdavimo koeficientas pasidaro lygus vienetui.

Tranzistoriai yra skirstomi į tokias grupes:

• Žemo galingumo, kolektoriaus srovė – iki 0,3 A.
• Vidutinio galingumo, kolektoriaus srovė –iki 1 A.
• Didelio galingumo, kolektoriaus srovė – virš 1 A (būna 60 A ir daugiau).

Scheminis simbolis:

Identifikatorius – VT_n, kur n – tranzistoriaus eilės numeris schemoje.

XIII dalis. Elektroniniai stiprintuvai

Šiame skyrelyje bus papasakota, kaip veikia paprasčiausias vieno laipsnio tranzistorinis stiprintuvas.

Šioje schemoje yra panaudoti keli elementai, kurie jau yra aprašyti anksčiau. Pagrindinis stiprinantis elementas yra npn tranzistorius, visi trys rezistoriai yra skirti sudaryti normalius tranzistoriaus darbo parametrus, kondensatoriai skirti atskirti kintamą elektros srovę nuo nuolatinės.

Toliau seka visų elementų paskirties aprašymas. Kaip jau minėjau, pagrindinis stiprinantis elementas yra tranzistorius VT1. Rezistoriai R1 ir R2 sudaro įtampos daliklį, kuris nustato tranzistoriaus darbo tašką. Darbo taškas parenkamas taip, kad tranzistorius būtų atsidaręs „pusiau“, t. y. tranzistoriaus kolektoriaus įtampa būtų lygi pusei maitinimo elemento BA1 įtampos. Kitaip tariant, reikia pasiekti, kad tranzistoriaus kolektoriaus-emiterio varža būtų lygi rezistoriaus R3 varžai. Šiuo atveju rezistorius R3 tarnauja kaip tranzistoriaus kolektoriaus apkrova.

Dabar paduokime signalą į įėjimą. Tegul įėjimo signalas bus paprasta sinusinė įtampa. Jei bazės įtampa (visos įtampos matuojamos emiterio atžvilgiu) padidės, tranzistoriaus varža sumažės, atitinkamai sumažės ir kolektoriaus įtampa. Vadinasi, šis stiprintuvas invertuoja fazę (t. y. „apverčia“ signalą). Analogiški procesai vyks, jei mes sumažinsime bazės įtampą. Nesunku suvokti, kad tuo metu kolektoriaus įtampa padidės.

Visa tai grafiškai atrodo taip:

Šiame grafike raudona linija vaizduoja įėjimo signalą, žalia – išėjimo.

Išanalizuotas stiprintuvas yra vienas iš paprasčiausių tranzistoriaus panaudojimo būdų, ir, beje, labiausiai paplitęs, tačiau jo pagrindinis trūkumas yra nestabilumas, t. y. didelė priklausomybė nuo temperatūros, tranzistoriaus parametrų ik kt. faktorių.

XIV dalis. Signalo demoduliacija. Detektorius

Visi esame girdėję santrumpas AM ir FM. Jos yra užrašytos ant bet kurie radijo ar magnetolos. Visi žinome, kad Kaune M-1 galima klausytis 106,6 MHz FM. Arba, tarkim, Lietuvos radijo I programa transliuojama 314 kHz AM. Tad kas gi yra šie AM ir FM? Tai yra angliški sutrumpinimai Amplitude Modulation (amplitudinė moduliacija) ir Frequency Modulation (dažnuminė moduliacija).

Yra žinoma, kad norint perduoti radijo bangomis kokią nors informaciją, reikia ją kažkokiu būdu išleisti į eterį, o po to – priimti. Tačiau kokį dažnį pasirinkti? Pavyzdžiui, garso dažnumo signalas yra kintama srovė, todėl jį galima būtų siųsti tokį, koks yra. Tačiau jo dažnis yra pernelyg mažas, kad jį būtų galima perduoti dideliu atstumu. Didesniu atstumu galima perduoti tik tokius signalus, kurių dažnis yra pakankamai didelis. Tačiau kaip perduoti garsą? Čia ir yra naudojami abu būdai – AM ir FM. Amplitudinė moduliacija naudojama tada, kai dažnis palyginti nėra aukštas (iki 5–15 MHz) ir nereikalinga labai aukšta perdavimo kokybė. Radijo imtuvai, pritaikyti šiam moduliacijos tipui, yra paprastesni, pigesni, tačiau labai jautrūs pašaliniams trukdymams (elektros varikliams, komutatoriams). FM radijo imtuvai atkuria garsą žymiai kokybiškiau, tačiau jie yra sudėtingesni, jų jautrumas turi būti didesnis, kas automatiškai atitinkamai „pakoreguoja“ kainą.

Toliau kalbėsime tik apie amplitudinę moduliaciją (AM). AM idėja maždaug tokia: turime garsinio dažnio signalą ir jį reikia perduoti radijo bangomis. Tam reikalui pasinaudojame pagalbiniu radijo dažniu, kurio dažnis yra n kHz. Norint kokybiškai perduoti balsą, n turi būti daug daugiau, negu žmogaus balso dažnio vidurkis, kitaip tariant, n>>3000 Hz. Pasirenkame n = 1 MHz. Toliau šį dažnį moduliuojame, t. y. jo amplitudę padarome didesne ar mažesne, priklausomai nuo to, koks yra garso signalas. Grafiškai tai atrodo taip:

Čia žalia linija yra pradinis garso signalas, raudona – moduliuotas pagal amplitudę radijo signalas. Dabar tokį signalą jau galima pasiųsti į eterį.

Radijo imtuvas, pagavęs tokį signalą, jį demoduliuoja, arba, kaip yra įprasta vadinti, detektuoja. Čia į pagalbą ir ateina puslaidininkiniai elementai – diodai. Jų pagalba „nupjauname“ apatinę radijo dažnio signalo pusę ir gauname tokį signalą:

Dabar panaudojame kondensatorių ir sulyginame visus radijo signalo šuoliukus:

Panaudojame dar vieną kondensatorių ir atskiriame nuo garso signalo nuolatinę dedamają ir gauname taip:

Gautą signalą galima sustiprinti anksčiau aprašytu stiprintuvu ir klausyti per garsiakalbį. Būtent tas diodas ir šie du kondensatoriai ir sudaro paprasčiausią detektorių.

XV dalis. Radijo imtuvo struktūrinė schema

Dabar, kai jau susipažinote su pagrindiniais elementais ir mazgais, galima bandyti projektuoti radijo imtuvą. Tarkime, kad tai bus paprastas tiesioginio stiprinimo 1T2 tipo radijo imtuvas. Pagrindiniai komponentai bus dažnio išrinkimo kontūras, radijo dažnio stiprintuvas (RDS), detektorius (D), garsinio dažnio stiprintuvas (GDS), garsiakalbis (BA) ir, žinoma, maitinimo šaltinis (M):

Pagal šią schemą gaminami visi paprasčiausi radijo imtuvai. Skiriasi tik vieno ar kito bloko realizacija. Tai priklauso tik nuo schemos autoriaus elektronikos išmanymo.

Dabar, kai jau baigtos beveik visos šio dokumento dalys ir liko tik vienas skyrius, pabandykite sugrįžti pradžią ir dar kartą viską trumpai peržvelgti, nes sekančiame skyriuje bus užduotis.

XVI dalis. Radijo imtuvo principinė schema

Čia pateikta viena galimų paprasčiausio radijo imtuvo schemų:

Pabandykite paanalizuoti šią schemą. Tada parsisiųskite trumpą testą, kurį suinstaliavę pas save, paleiskite ir pabandykite teisingai atsakyti į pateiktus klausimus. Sėkmės!