Принцип действия модели звукового локатора

Создавая модель звукового локатора, мы также воспользовались решениями, используемыми летучей мышью. Блок-схема аппаратуры, данная на рисунке   (см. приложения, рисунок 10), поможет разобраться в ее работе.

Всего в аппаратуре четыре «черных ящика», плюс громкоговоритель, ми­крофон и частотомер со стрелочным прибором. Назначение усилителей не требует пояснений — они усиливают сигнал. Звуковой генератор — это при­бор, вырабатывающий сигнал определенной частоты. В разбираемой схеме частота равна 5000 Гц. Детектор выделяет из звукового импульса его огибающую. Частотомер измеряет частоту сигнала. По показаниям стрелочного прибора можно определять расстояние до препятствия, поскольку оно одно­значно связано с частотой генерации.

Работает схема так. Сразу же после включения аппаратуры начинает действовать звуковой генератор. Но мощность его выходного сигнала, к со­жалению, невелика.

Поэтому между звуковым генератором и громкоговорителем поставлен усилитель мощности. В результате громкоговоритель будет издавать доволь­но громкий звук с частотою 5000 Гц.

По прошествии некоторого времени эхо от посланного сигнала попадет на микрофон. Далее оно усилится усилителем сигнала и поступит на детектор. Как только на выходе детектора появится сигнал огибающей, он тут же заставит замолчать звуковой генератор. Так специально устроена схема. Пока на выходе детектора имеется какое-то напряжение, звуковой генератор не работает. Значит, работал генератор ровно столько, сколько времени потребовалось, чтобы сигнал от громкоговорителя дошел до микро­фона. Столько же времени после этого громкоговоритель будет молчать.    

Рассмотренный цикл, состоящий из звукового импульса и паузы, будет повторяться через каждые Т с. В результате схема будет генерировать зву­ковые посылки с частотой:

 

Остается измерить частоту генерации и перевести ее в расстояние до препятствия. Эту задачу решает частотомер. Расстояние до препятствия равно:

 

 

где с — скорость звука в метрах за секунду, f — частота генерации в герцах.

Вот так работает мой звуковой локатор. Примерно так же работает и локатор летучей мыши.

Как и большинство кибернетических конструкций, описываемых в книге, модель звукового локатора разбита на самостоятельные платы. Всего плат три: плата усилителя сигнала, плата усилителя мощности и плата звукового генератора совместно с детектором. Начинать нужно с их изготовления и на­ладки. Тогда сборка всей аппаратуры не займет у вас много времени и ло­катор непременно сразу же заработает. При такой последовательности в ра­боте вы не только глубже поймете функционирование каждого «черного ящика», но и сможете внести усовершенствования в блок-схему. Схема ча­стотомера настолько проста, что монтируется она вся на небольшой панель­ке, укрепленной сзади стрелочного прибора.

Усилитель сигнала

 

Электрическая схема дана на рисунке 11 (см. приложения). Это трехкаскадный усилитель с коэффициентом усиления около 1000. Он одинаково хорошо усиливает переменное напряжение звуковой частоты в пре­делах от 100 Гц до 10 кГц. В радиоэлектронике в таком случае говорят, что усилитель имеет линейную частотную характеристику в пределах от 100 Гц до 10 кГц.

Схема усилителя интересна для нас еще тем, что она имеет четыре отри­цательных обратных связи. На три каскада — четыре обратных связи! Не слишком ли много?

Поскольку все обратные связи отрицательные, то от усилителя можно ожидать стабильной работы. Как бы ни менялись внешние условия, включая температуру и питающее напряжение или параметры отдельных деталей, его основные характеристики будут оставаться неизменными. Это прежде всего относится к коэффициенту усиления.

Отрицательная обратная связь всячески старается свести к нулю любое первоначальное возбуждение схемы и тем самым ста­билизирует ее работу. Другое дело положительная обратная связь. Доста­точно незначительного отклонения от состояния равновесия, как оно будет все возрастать и возрастать, пока система не придет в другое, новое для нее состояние.

Чтобы пояснить стабилизирующее действие отрицательной обратной связи и дестабилизирующее действие положительной обратной связи, на ри­сунке 12 (см. приложения) приведены два примера из механики. Левый рисунок эквивалентен устойчивой системе, охваченной отрицательной обратной связью. Если по каким-либо причинам шарик отклонится от состояния равновесия, то после нескольких покачиваний он обязательно все же снова его займет. Что ка­сается правого рисунка, то без пояснения понятно, что в этом случае поло­жение шарика крайне неустойчиво. Он обязательно скатится вправо или влево. Этот случай эквивалентен поведению схемы с положительной обрат­ной связью.

К примерам с шариками мы еще не раз вернемся. Более наглядно, пожа­луй, и не расскажешь, что такое устойчивая система и как ведет себя не­устойчивая система.

Под рисунками с шариком даны четыре электрические схемы. Три из них — различные усилители с отрицательной обратной связью. Четвертая схема представляет генератор звуковых частот. Эта схема охвачена поло­жительной обратной связью.

Рассмотрение начнем со схемы «а». Это обычный однокаскадный усили­тель с обратной связью в цепи эмиттера. Один такой каскад обеспечивает усиление сигнала в 50 — 100 раз.

Для чего понадобилось усложнять схему и включать резистор R_э, а па­раллельно ему еще конденсатор С_э?

Больше всего неприятностей при работе транзистора доставляет зависи­мость обратного тока коллектора I_к.о. от температуры. При повышении тем­пературы обратный ток транзистора увеличивается примерно в два раза на каждые 10°С. Если, например, при температуре 20°С ток 1_К.₀ составляет 5 мкА, то при повышении температуры до 50° С он возрастет примерно до 40 мкА. Само по себе такое изменение тока коллектора (всего на 35 мкА) в большинстве случаев было бы не страшно. Но имеется одно «но», которое портит все дело. При включении транзистора в схему «а» в цепи коллектора, помимо тока, равного 10-Д будет протекать так называемый сквозной ток I^’_к.о.:

I^’_к.о.= I_к.о·(b+1),

где b — коэффициент усиления транзистора, а I_б — ток базы, определяемый резистором R₆.

Из формулы следует, что увеличение тока I_к.о на величину DI_к.о =35 мкА будет соответствовать, например при b = 49, увеличению тока коллектора на величину:

DI^’_к.о.» I_к.о·(b+1)=35(49+1)=1,75мА.

Обратный ток коллектора возрос на 35 мкА, а общий ток — на 1,75 мА. С таким током уже нельзя не считаться.

Возрастание тока коллектора нежелательно по двум причинам. Во-пер­вых, оно приведет к увеличению падения напряжения на резисторе R_э-Напряжение между коллектором и эмиттером транзистора при этом резко уменьшится и может упасть почти до нуля. Во-вторых, увеличение тока кол­лектора влечет за собой изменение параметров транзистора и в первую оче­редь коэффициента усиления b.

Обе разобранные причины и заставили нас прибегнуть к усложнению схемы, чтобы повысить стабильность рабочего коллекторного тока при из­менении температуры. Вот как теперь она работает.

Увеличение сквозного тока коллектора DI^’_к.о (см. приложения, рисунок 12 «а») при повышении температуры приведет к увеличению падения напряжения на резисторе К_э. Вследствие этого напряжение между точками 1 и 2 уменьшится, что при­ведет к уменьшению тока I_б в резисторе R_б, а также и в базе транзистора. Составляющая тока коллектора I_K ⁼ I_бb при этом уменьшится. Зная, что пол­ный ток коллектора I_к состоит из двух составляющих

I_к=I^’_к.о.+I_б·b

можно сделать такой вывод: температурные изменения первого слагаемого (I^’_к.о) приведут к обратным по знаку изменениям второго слагаемого (I_б·b). При правильном выборе параметров схемы оба слагаемых в некоторой мере компенсируют друг друга так, что коллекторный ток транзистора при этом остается неизменным.

Усилитель — это, пожалуй, самый простой «черный ящик». К тому же он чаще других встречается в кибернетических конструкциях.

Нигде обратная связь так широко не используется, как в радиоэлек­тронике.

Каждый из двух каскадов схемы «б» (см. приложения, рисунок 12) работает точно так же, как схема «а». Их работа стабилизируется отрицательной обратной связью за счет резисторов R_э1 и R_э2- Но этого оказалось недостаточно. За счет ре­зистора Ro.c оба каскада охвачены еще третьей обратной связью. Разберем, как она работает.

Допустим, по каким-либо причинам, включая повышение температуры, несколько возрос коллекторный ток транзистора T₁.Тут же уменьшится на­пряжение между коллектором первого транзистора и общим проводом, и как следствие упадет ток базы второго транзистора. При этом коллекторный ток Т₂ также уменьшится, что повлечет уменьшение падения напряжения на ре­зисторе R_э2. Поскольку ток базы транзистора T₁ в основном определяется этим напряжением, то он также уменьшится.

Кольцо обратной связи замкнулось, в результате чего коллекторный ток первого транзистора восстановит свое прежнее значение. В схеме «б» мы имеем дело с отрицательной обратной связью. Устойчивость работы схемы обеспечена.

За счет отрицательной обратной связи, охватывающей оба каскада Ro.c, схема «б» стабильно работает при изменении окружающей температуры от -10°С до +40°С. Общий коэффициент усиления равен 1000. По той же причине входное сопротивление усилителя повысилось с 500—1000 Ом до 1,5—2,0 кОм.

Кольцо обратной связи замкнулось, в результате чего коллекторный ток первого транзистора восстановит свое прежнее значение. В схеме «б» мы имеем дело с отрицательной обратной связью. Устойчивость работы схемы обеспечена.

За счет отрицательной обратной связи, охватывающей оба каскада Ro.c, схема «б» стабильно работает при изменении окружающей температуры от — 10°С до +40°С. Общий коэффициент усиления равен 1000. По той же причине входное сопротивление усилителя повысилось с 500—1000 Ом до 1,5—2,0 кОм.

Режим работы второго транзистора выбирается из условия, чтобы напря­жение между коллектором Т₂ и общим проводом было равно половине пи­тающего напряжения. Это достигается подбором величины резистора R_э1 в пределах 500—1000 Ом. Величина коллекторного напряжения первого транзистора не критична и может меняться в зависимости от b транзи­стора от 2 до 4 В.

Усилитель одинаково хорошо усиливает сигнал с частотами от 100 Гц до 10 кГц.

Очень интересна в работе схема «в» (см. приложения, рисунок 12). В литературе она назы­вается эмиттерным повторителем. На эмиттерном резисторе R_э полностью повторяется входной сигнал с коэффициентом передачи, несколько меньшим единицы.

Тут же возникает вопрос: для чего нужна такая схема, если она не уси­ливает сигнала?

Эмиттерный повторитель — это каскад, имеющий большое входное сопро­тивление (несколько сотен килоом) и очень малое выходное сопротивление, равное 5—20 Ом. Это, собственно, не усилитель, а трансформатор сопро­тивлений. Ставится он там, где нужно в схеме иметь низкоомный выход и высокоомный вход.

Входное сопротивление эмиттерного повторителя примерно равно R_вх»R_э·b. Сопротивление R_э рекомендуется брать в пределах 1—4,7 кОм, a b = 20—50. При этом R_вх будет лежать в пределах 20—250 кОм.

Ни в одной другой схеме нет такой отрицательной обратной связи, как в эмиттерном повторителе. Здесь она равна 100%. Это значит, что весь сигнал с выхода схемы полностью прикладывается к ее входу. Схема рабо­тает очень стабильно. Разберите схему обратной связи самостоятельно. Необходимый опыт у вас теперь есть.

Рассмотрев работу всех трех схем, «а», «б» и «в» (см. приложения, рисунок 12), можно сде­лать следующий вывод: отрицательная обратная связь всегда повышает устойчивость работы аппаратуры. Этого никогда не следует забывать, и надо стараться как можно чаще ею пользоваться.

Рассказывая об использовании обратной связи в радиоэлектронных схе­мах, следует напомнить о генераторах синусоидальных колебаний. Без них теперь не обходится ни радиопередатчик, ни радиоприемник. Схема, пока­занная на рисунке 3, г, есть генератор звуковых частот. Ее подробный раз­бор будет дан при описании платы «детектор — звуковой генератор».

Изготовление платы «усилитель сигнала» (см. приложения, рисунок 11) начинается с основа­ния. Вырезается оно из куска гетинакса или текстолита толщиной 2,0—2,5 мм. Размеры берутся из рисунка 13 (см. приложения). Монтажными стойками служат кусочки медной проволоки (гвоздики) толщиной 1 мм, вставленные в отверстия платы, залитые на рисунке черной краской.

Данные деталей берутся из электрической схемы. Резистор R₅ пока не ставить. Сделать это при на­лаживании схемы.

Транзисторы T₁ —T₃ перед установкой в схему проверяются на тестере. Коэф­фициент усиления должен находиться в пределах 50—100. Подойдут не только транзисторы, указанные на схеме, но и П13 —П16.

Налаживание платы сводится к подбору резистора R₅. Временно ставится вместо него переменный резистор 1,5—2,2 кОм. Нужно подобрать величину так, чтобы вольтметр постоянного тока, подключенный параллельно R₈, показы­вал 4,5 В. Далее переменный резистор заменяется постоянным. Его ве­личина должна быть равна сопротивлению переменного резистора, заме­ренному на омметре.

Для окончательной проверки работы схемы на вход усилителя (точки 2—3) от любого звукового генератора подаётся сигнал в 1 мВ с частотой 1000 Гц.

Движок переменного резистора R₃ поставьте в крайнее верхнее положение. На выходе (точки 6—7) вольтметр переменного тока должен показать не менее 1 В.

Разделив показания прибора на 1 мВ, вы получите величину коэффициента усиления усилителя. Как уже говорилось, он не должен быть меньше 1000. В крайнем нижнем положении движка резистора R₃ вольтметр покажет отсутствие сигнала.

Усилитель мощности

 

Не всегда от усилителя требуется, чтобы он усиливал сигнал по напряжению. Иногда как раз все наоборот, на вход по­дается сигнал, больший по амплитуде, чем снимается с выхода.

Значит, такой усилитель вовсе не усиливает? Нет, усиливает. Только усиливает он сигнал не по напряжению, а по мощности. На вход его по­ступает сигнал незначительной мощности, ну, скажем, в несколько микро­ватт (мкВт), а с выхода снимаются сотни милливатт (мВт), а то и целые ватты (Вт).

Выходная мощность нашего усилителя (см. приложения, рисунок 14) составляет 0,2—0,25 Вт. Питается схема от любого источника постоянного тока напряжением 9—12 В. Одним из вариантов питания являются две последовательно соединенные ба­тареи от карманного фонаря типа 3336Л.

Усилитель потребляет ток 30—35 мА в режиме максимальной мощности. Выход усилителя рассчитан на работу с электродинамическим громкогово­рителем, имеющим сопротивление звуковой катушки 6—10 Ом. Нам подой­дут малогабаритные громкоговорители типа 0,1 ГД, 0,15ГД, 0,2ГД и 0,25ГД. Входное сопротивление усилителя составляет 2 кОм. Чувствительность, со­ответствующая номинальной мощности, равна 0,2—0,3 В.

Схема (см. приложения, рисунок 14) имеет один каскад предварительного усиления напряже­ния на транзисторе Т1 и выходной двухтактный каскад, работающий в ре­жиме класса В на транзисторах Т₂ и Т₃.

Выбранная схема выходного каскада делает усилитель очень экономич­ным по питанию. Транзисторы Т₂ и Т₃ работают при токе покоя коллектора в несколько миллиампер. Когда на схему не подается никакого сигнала, ток коллектора Т₂ и Т₃ равен 1—2 мА.

Пожалуй, самыми ответственными деталями усилителя являются транс­форматоры Тр₁ и Тр₂. При их изготовлении нужно быть особенно вниматель­ными. Лучше всего купить их в магазине. Междукаскадный трансформатор и выходной трансформатор — от карманных приемников «Гауя», «Селга», «Сокол», «Альпинист», «Атмосфера» или «Юпитер». Мож­но использовать и другие типы трансформаторов от малогабаритных прием­ников, лишь бы их намоточные данные были близки к приводимым ниже.

Самодельный междукаскадный трансформатор Тр₁ выполнен на сердеч­нике из пермаллоевых пластин Ш-6 или Ш-8, толщина набора —6 мм. Пер­вичная обмотка содержит 2000 витков провода ПЭ 0,1. Вторичная обмотка состоит из двух секций по 500 витков провода ПЭ 0,1 в каждой.

Выходной трансформатор Тр₂ собирается на таком же сердечнике, что и междукаскадный. Первичная обмотка содержит две секции по 400 витков провода ПЭ 0,14. Вторичная обмотка имеет 100 витков провода ПЭ 0,35. Когда трансформаторы полностью собраны, проверьте их обмотки на обрыв.

Данные остальных деталей усилителя мощности приведены на рисун­ке 9. Транзисторы Т₁—Т₃ перед тем, как впаивать в схему, обязательно про­верьте на тестере. Нам подойдут транзисторы с коэффициентом усиления от 30 до 60. Обратите обязательно внимание на начальный ток коллектора I_к.н. Отберите те транзисторы, у которых I_к.н. не превышает 5 мкА.

Вся электрическая схема, включая два трансформатора, монтируется на гетинаксовой или текстолитовой плате размером 120X80 мм, толщиной 2,0—2,5 мм.

По рисунку 6, а на плате произведите разметку отверстий. Те из них, что залиты краской, просверлите сверлом диаметром 1 мм. Затем во все миллиметровые отверстия вставьте кусочки медного провода (гвоздики) диаметром 1 мм и длиной 10 мм.

Расположение деталей на плате и сам монтаж сделайте строго по ри­сунку 15, б (см. приложения). Особенно внимательны будьте при распайке выводных концов трансформаторов. Напутаете в их подключении, усилитель работать не будет. Отыскать такую ошибку бывает трудно даже опытному инженеру, в распоряжении которого имеется вся необходимая измерительная аппа­ратура.

Наладка схемы сводится в первую очередь к проверке монтажа. Необ­ходимо тщательно проверить распайку выводов транзисторов. При этом же­лательно убедиться в правильности номинальных значений резисторов. Кто из вас не имеет еще достаточного опыта, именно в этом чаще всего допу­скает ошибки. Если ошибочно впаяна деталь с другим номиналом, отыскать неисправность бывает очень трудно.

Необходимо в этой схеме замерить мощность сигнала, подаваемого на громкоговоритель. Она и является выходной мощностью нашего уси­лителя.

Подайте на вход платы (см. приложения, точки 2 —3, рисунок 15) от звукового генератора переменное напряжение 0,2 В, частотой 1000 Гц. К точкам 6—7 подключите громкоговоритель нужного типа. Перемещая движок резистора R₁ вверх, добейтесь максимальной громкости сигнала. Усилитель работает!

Любым вольтметром переменного тока измерьте напряжение сигнала, подаваемого на громкоговоритель (точки 6—7). Подсчет выходной мощ­ности производится по формуле:

где U — напряжение по прибору в вольтах, R — сопротивление звуковой ка­тушки громкоговорителя в омах.

Предположим, что прибор покажет напряжение 1,5 В, а сопротивление звуковой катушки равно 10 Ом. Тогда мощность сигнала, подаваемого на

громкоговоритель, равна: 

 

В этом случае из громкогово­рителя должен раздаваться довольно громкий чистый звук.

Если полученная мощность окажется меньше 0,2 Вт, то следует подо­брать величину резистора R₆. Эту операцию удобно проводить с помощью переменного резистора несколько большего номинала, нежели рекомендуе­мый. Последовательно с переменным резистором обязательно включите по­стоянный резистор в 2 — 3 кОм. Он предохранит транзисторы от случайной перегрузки большим током, который может возникнуть при выдвижении движка в сторону минимального значения.

Одновременно контролируется коллекторный ток обоих транзисторов. В режиме покоя, то есть при отсутствии входного сигнала, он не должен быть больше 1—2 мА. Миллиамперметр с током полного отклонения в 5 мА включается между средней точкой трансформатора Тр₂ и проводом питания.

Как ни проста схема усилителя мощности, но и в ней не удается обойтись без обратной связи. Я уже говорил, в схемах радиоэлектроники они вас будут преследовать всюду, и к этому будьте всегда готовы. В рассматри­ваемой плате имеется одна отрицательная обратная связь за счет эмиттерного резистора R ₄. Работа похожей схемы нами уже разбиралась. Такая связь не только стабилизирует работу первого каскада по температуре, но и увеличивает входное сопротивление до 4—5 кОм.