книги / Устройство, эксплуатационно-техническое обслуживание и ремонт станционного оборудования радиорелейных линий связи

лен, сопротивление изоляции и диэлектрика, в которых имеют место потери энергии.

Эти параметры имеют тем большие значения, чем выше частота электрических сигналов в цепях, где включены конденсаторы.

При длительной работе основные параметры конденсатора мо­ гут изменяться, однако во многих случаях это не нарушает нор­ мальной работы аппаратуры, т. е. не приводит к отказу.

Отказ конденсатора обычно возникает в результате его пробоя или обрыва в месте ввода. Пробой и обрыв являются результатом накапливающихся необ­ ратимых изменений в диэлектрике и выводных контактах под влиянием внешних воздействий и электрического режима (превышение допустимого напряжения).

Катушки индуктивности — это элементы, принцип действия которых основан на взаимодействии электрического тока и создаваемого им магнитного поля.

Их используют для создания значительного сопротивления переменному току при малом сопротивлении постоянному току, для связи между электрическими цепями через магнитный поток, для селекции (разделения) сигналов с помощью резонансных кон­ туров и т. д.

В катушке индуктивности энергия электрического тока пре­ вращается в энергию магнитного поля, образующегося при про­ хождении тока через катушку. При уменьшении тока через катуш­ ку энергия магнитного поля превращается в энергию, противо­ действующую уменьшению тока.

Основными параметрами катушки являются ее индуктивность L и добротность Q.

Конструктивно катушка индуктивности представляет собой намотанный на каркас изолированный провод. Чем больше витков и диаметр каждого витка, тем больше индуктивность катушки.

Для увеличения индуктивности без увеличения размеров катушки внутрь ее помещают сердечник. Если катушка индуктивности предназначена для работы в электрических цепях низкой (звуко­ вой) частоты, то сердечник выполняют из электротехнической ста­ ли, имеющей большую магнитную проницаемость р и малые потери на вихревые токи.

Для уменьшения потерь на вихревые токи сердечник собира­ ют из большого количества тонких, изолированных одна от дру­ гой, пластин. На радиочастотах потери на вихревые токи в сталь­ ных сердечниках заметно возрастают, поэтому чаще применяют ферритовые сердечники, для которых эти потери меньше (правда меньше и р).

Ферритовый сердечник изготовляют в виде сплошного цилин­ дра с резьбой, поэтому его можно ввинчивать в катушку или вы­ винчивать из нее, изменяя тем самым (в некоторый пределах) ин­ дуктивность катушки. Если требуется катушка с малой индуктив­ ностью, то обходятся не только без сердечника, но и без каркаса, однако в последнем случае надо брать провод такого диаметра, при котором обеспечивается механическая прочность катушки (в противном случае индуктивность катушки будет случайно из­

меняться при изменении расстояния между витками). Условные графические обозначения катушек индуктивности приведены на рис. 37

Катушки индуктивности не находят такого широкого приме­ нения, как резисторы или конденсаторы, и технология их изготов­ ления не является слишком специфической. Поэтому их разраба­ тывают и изготовляют не на специализированных предприятиях в масштабе страны, а в рамках ведомства или даже предприятия, используя при этом унифицированные детали (ферритовые сер­ дечники, каркасы, провода и т. п.). В связи с этим для катушек нет стандартизованного ряда номинальных значений индуктив­ ностей, и этот основной их параметр может быть произвольным.

Так же, как резистор и конденсатор, катушка индуктивности имеет «паразитные» параметры. Основными из них являются ак­ тивное сопротивление (сопротивление постоянному току) и собст­ венная емкость, обусловленная емкостью между витками и емко­ стью между катушкой и корпусом аппаратуры. Активное сопротив­ ление катушки Rl , обусловленное сопротивлением вводов и про­ водов катушки, является основным источником потерь. Это со­ противление отображается добротностью катушки QL, опреде­ ляемой по формуле

где L — индуктивность катушки, а С — ее собственная емкость.

Для исключения влияния на катушку посторонних магнитных полей (например, от соседних катушек), а также для локализации собственного электрического и магнитного поля ее часто поме­ щают в экран.

Экран обычно имеет форму цилиндра или прямоугольного па­ раллелепипеда без резких граней. Его выполняют'из алюминия. Индуктивность катушки в результате экранирования уменьша­ ется и тем больше, чем меньше размер экрана. Ухудшается и добротность катушки, так как по поверхности экрана протекают наведенные катушкой токи, что приводит к дополнительным поте­ рям энергии. Кроме того, увеличивается собственная емкость

Рис. 37. Условные графические обозначения катушек индуктивности:

а — без сердечника; б — с подстраивающим сер­ дечником; в — с сердечником, но без возможно­ сти подстройки; г — с отводами

катушки, ибо экран и катушка являются как бы пластинами кон­ денсатора.

Экраны применяют там, где защита катушек от внешних влия­ ний важнее, чем борьба с потерями энергии.

Дроссель — это та же катушка индуктивности, но со значительно большим значением L.

Основное назначение дросселя — создание значительного со­ противления для переменных токов различных частот, необходи­ мого для фильтрации этих токов. Сердечники дросселей, приме­ няемых на радиочастотах, как правило, ферритовые, а дросселей, применяемых в источниках питания,— из электротехнической стали. Дроссели по устройству напоминают трансформаторы.

Трансформатор — это устройства с двумя,-тремя и более обмотками, ин­ дуктивно связанными между собой.

Трансформаторы предназначены для передачи электрической энергии из одной цепи в другую без гальванической (контактной) связи между ними. При такой передаче возможно преобразова­ ние значений напряжения и тока, а также согласование входных и выходных сопротивлений цепей. Различают трансформаторы:

питания, импульсные и согласования.

Рассмотрим трансформаторы согласования. Основное их на­ значение — передача электрических сигналов с изменением значе­ ния напряжения и тока при минимальных потерях мощности и ис­ кажениях формы сигнала. При этом согласовываются входные и выходные сопротивления электрических цепей, в которые включен трансформатор. Кроме того, эти трансформаторы применяют для разделения электрических цепей по постоянному току.

Для создания сигналов с минимальными искажениями формы необходимо, чтобы максимальная идукция была в пределах линей­ ных участков зависимостей магнитной проницаемости и индукции от напряжения на входе трансформатора. Поэтому в отличие от трансформаторов питания в трансформаторах согласования, при­ меняемых в цепях звуковой частоты, сердечник делают с воздуш­ ным зазором. Такой трансформатор в некоторых устройствах работает при наличии постоянной составляющей тока (с подмагничиванием), которая изменяет положение рабочей точки на ха­ рактеристике магнитной проницаемости, сдвигая ее на середину линейного участка.

В трансформаторах согласования, применяемых в цепях высо­ кой частоты, сердечник ферритовый или вообще отсутствует. Все это зависит от значения частоты и от параметров, которыми должен обладать трансформатор. Основными параметрами транс­ форматоров согласования являются: количество витков в первич­ ной и вторичной обмотках w \ и коэффициент трансформации п = w%/w\, индуктивности первичной и вторичной обмоток Li, La, ток подмагничивания /м. «Паразитные» параметры — это потери

на активном сопротивлении обмоток и вихревые токи (тепловые потери), потери за счет частичного рассеяния магнитного пото­ ка, которые учитываются индуктивностью рассеяния и, наконец,

собственная емкость обмоток трансформатора.

Условные графические обозначения трансформаторов на схе­ мах показаны на рис. 38.

Фильтры — элементы, обладающие избирательными свойствами по отноше­ нию к электрическим колебаниям разных частот (как и колебательные контуры).

Их подразделяют на фильтры низких частот (ФНЧ), пропус­ кающие сигналы, частота которых ниже заданной /ф*, фильтры высоких частот (ФВЧ), пропускающие сигналы, частота которых выше заданной; полосовые фильтры (ПФ), пропускающие сигналы в определенной полосе частот от / . до/ ; режекторные фильтры (РФ), не пропускающие сигналы в определенной полосе частот.

Электрические фильтры бывают пассивные, содержащие толь­ ко резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности, и актив­ ные, содержащие также активные электрорадиоэлементы (трио­ ды).

Кроме того, различают фильтры с сосредоточенными пара­ метрами и фильтры с распределенными параметрами, у которых емкость и индуктивность распределены по длине конструкции фильтра, например по длине волновода. Последние применяют в СВЧ-диапазоне. По физической сущности происходящих в фильт­ рах процессов различают фильтры электромеханические и элект­ рические. Электромеханические фильтры используют на сравни­ тельно низких частотах (не более 10 МГц) и в радиорелейных стан­ циях они почти не встречаются.

Рассмотрим только пассивные электрические фильтры. Основу фильтра составляет звено. Фильтр может состоят из одного, двух и более звеньев.

Принцип действия звена достаточно прост. Надо только пом­ нить, что чем выше частота сигнала, тем больше сопротивление катушки и тем меньше сопротивление конденсатора. Тогда понят­ но, что звено, показанное на рис. 39, а, с повышением частоты бу­ дет стремиться к короткому замыканию, т. е. ослаблять высокие частоты, а чем ниже частота, тем лучше условия для прохожде­ ния сигнала. Лучше всего через такой фильтр будет проходить постоянный ток.

Рис. 38. Условные графические обозначения трансформаторов:

а — с магнитодиэлектрическим сердечником; б — с ферромагнитным сердечником; в — без сердечника; г — с общей подстройкой; д — с подстройкой каждой обмотки

о\ \ - +

Рис. 39. Схемы звеньев фильтров

В звене, представленном на рис. 39, б, все наоборот — чем ниже частота сигнала, тем лучше его будет пропускать индук­ тивность, тем ближе звено к режиму короткого замыкания. Для постоянного тока входное сопротивление звена ограничивается только активным сопротивлением провода катушки.

Звено, показанное на рис. 39, в, применяют в полосовых филь­ трах, так как параллельный колебательный контур представляет большое сопротивление в определенной полосе частот (на кото­ рую он настроен), а последовательный колебательный контур, на­ оборот, в этой полосе частот имеет минимальное сопротивление.

Среднее значение частоты в этой полосе должно быть равно резо­ нансной частоте обоих контуров.

Аналогично ведут себя сопротивления колебательных конту­ ров в режекторном фильтре (рис. 39, г) но включены они так, чтобы не пропускать, а задерживать (ослаблять) сигналы в той полосе частот, на которую они настроены.

Чем выше добротность колебательных контуров, тем меньше полоса частот, которые пропускаются или ослабляются фильтром.

Если эффективность фильтров, состоящих из одного звена, недостаточна, то применяют многозвенные фильтры (рис. 40).

Свойства любого фильтра хорошо отображаются его амплитудно-частотной характеристикой (ЛЧХ) — зависимостью амплитуды сигнала на выходе фильтра от частоты.

Рис. 40. Варианты схем трехзвенных фильтров:

а — низких частот; б — высоких частот

и

f9 Ф

f' 5) f

fmm fmax	f	fmin	fmax f
5)		2)
Рис. 41. Амплитудно-частотные характеристики			фильтров

Чтобы построить АЧХ на вход фильтра, подают последова­ тельно один за другим электрические сигналы строго определен­ ной (одинаковой) амплитуды, отличающиеся только частотой. На выходе фильтра отмечают амплитуды этих сигналов и строят график. Так как в фильтре сигналы разных частот ослабляются по-разному, то получается некоторая кривая линия, которая и яв­ ляется АХЧ данного фильтра. На рис. 41 показаны АЧХ фильтров низких (рис. 41, а), высоких частот (рис. 41,6), полосового (рис. 41, в) и режекторного (рис. 41, г). Сплошные линии соот­ ветствуют АЧХ идеальных, а пунктирные — АЧХ реальных филь­ тров.

Из характеристик видно, что реальные фильтры не совсем чет­ ко работают в районе граничных частот (/ф, /mjn , /тах ), недоста­ точно ослабляя те сигналы, частоты которых находятся вблизи границ. Это необходимо учитывать при эксплуатации систем с фильтрами. Граничные частоты /ф, / , f

устанавливаются на уровне 0,7 от амплитуды пропускаемого фильтром сигнала.

Линии задержки применяют для задержки сигнала с минимальными искажениями на время т3.

Простейшая электрическая линия задержки состоит из индуктивностей и емкостей (рис. 42). Сопротивление нагрузки RH на конце линии должно быть равно волновому сопротивлению

линии p = VZ/c , иначе на конце линии про­ изойдет отражение сигналов. Время задержки одного звена такой линии.

L L L

}

Рис. 42. Простейшая схема электрической линии задержки

а) 5) 6)

Пи

пи

| пи |

г) д) е)

Рис. 43. Услов­ ные графические обозначения:

а —линий задер­ жки; б — общее фильтра; в — фильтра низких частот; г — филь­ тра высоких час­ тот; д — полосо­ вого фильтра; е—

режекторного

фильтра

Tj = VZc.

Искажения, вносимые линиями задержки, особенно заметны при задержке импульсных сигналов. Импульс после линии за­ держки из прямоугольного становится колоколообразным, так как удлиняются передний и задний фронты импульса. Кроме того, уменьшается амплитуда импульса. Форму импульса затем можно восстановить, зато необходимая задержка осуществлена.

Условные графические обозначения линий задержки и филь­ тров показаны на рис. 43.

§ 12. Активные электрорадиоэлементы

Активные электрорадиоэлементы непосредственно создают или усиливают элек­ трические и электромагнитные колебания за счет использования энергии источ­ ников питания. Одними из первых таких элементов явились электронные лампы, принцип действия которых основан на управлении потоком электронов в вакууме.

Большинство ламп выполнено в виде стеклянного баллона из которого откачан воздух, т. е. создан вакуум. Внутри баллона смонтирован катод — устройство, способное испускать электроны.

Для этого его надо нагреть (накалить), пропуская ток либо непо­ средственно через катод, выполненный из проволоки, либо через подогреватель (проволочку, размещенную внутри трубчатого ка­ тода). Вторым элементом (электродом), смонтированным в бал­ лоне, является анод. Если на него подать положительное напря­ жение, то электроны, находящиеся около катода (в виде облака), устремятся к аноду.

Электронная лампа, состоящая только из анода и катода (двух электродов), называется диодом.

На рис. 44, а показано условное графическое обозначение дио­ да, а на рис. 44, б — вариант включения его в электрическую цепь. Ток в цепи проходит только тогда, когда источник.£ созда­ ет на аноде А положительное напряжение. При отрицательном напряжении на аноде в цепи тока нет, так как электроны оттал­ киваются от анода (они же заряжены отрицательно).

В этом и состоит основное свойство диода — односторонняя проводимость. Он пропускает электрический ток только в одном направлении, когда на его анод подано положительное напряже­ ние. В соответствии с этим свойством диод используют в выпрями­ телях, детекторах и т. п.

Если между катодом и анодом поместить еще один электрод (третий), то получится триод.

Третий электрод называют сеткой, хотя конструктивно он на сетку не похож. Условное графическое обозначение триода и ва­ риант включения его в электрическую цепь показаны на рис. 45, а,

3 4 <0

Рис. 44. Условное графи­ ческое обозначение лампо­ вого диода (а) и вариант включения его в электри­ ческую цепь (б)

Рис. 45. Условное гра­ фическое обозначение лампового триода и ва­ риант включения его в электрическую цепь

б соответственно (цепь накала на схемах обычно не показывают). Сетка располагается ближе к катоду, чем к аноду, и если на нее подать небольшое отрицательное напряжение, то электроны не попадут на анод, даже если к нему приложено положительное напряжение. Правда, можно настолько увеличить напряжение на аноде, что некоторые электроны все же «проскочат» через сетку

ипопадут на анод.

Ванодной цепи (от катода к аноду — через анодное сопротив­

ление /?а, источник питания, на катод) пойдет ток. При уменьше­ нии отрицательного напряжения на сетке (например, до нуля) анодный ток будет увеличиваться, и, наоборот, можно так увели­ чить отрицательное напряжение на сетке, что анодный ток прекра­ тится. В этом случае говорят «триод заперт»,

Так как сетка расположена к катоду ближе, чем к аноду, то изменением на­ пряжения на сетке в небольших пределах можно в больших пределах изменять анодный ток (если позволяет источник питания), а значит, и падение напряже­ ния на анодном сопротивлении Ra.

Напряжение, снимаемое с Ra и является выходным сигналом

такой цепи. Получается эффект усиления сигнала. Если на сетку подавать слабый сигнал UBX, с небольшой амплитудой, то анод­ ный ток и изменения напряжения на аноде будут повторять изме­ нения напряжения сигнала на сетке в значительно больших пре­ делах и на выходе схемы получится усиленный сигнал UBых.

Фазы сигналов UBX и UBых будут отличаться на 180°, так как увеличение напряжения на сетке вызывает увеличение тока, па­ дения напряжения на Ra, а значит, и уменьшение UBbiX, потому что Е постоянна, a UBbl* = Е — URa.

Разделительный конденсатор Са препятствует прохождению постоянного тока от источника питания Е к следующей цепи и про­ пускает полезный сигнал (таким образом разделяют цепи перемен-

ного и постоянного токов). Сопротивление утечки Ry предназна­ чено для стекания к катоду электронов, попавших на сетку, кон­ денсатор Су является разделительным в цепи сетки.

Для повышения эффективности работы триода в баллоне раз­ местили еще одну сетку. Получился тетрод — четырехэлектрод­ ная лампа, затем еще одну сетку, получился пентод — пятиэлек­ тродная лампа. Затем стали делать комбинированные лампы — в одном баллоне две лампы (двойной диод, двойной триод, триодпентод и др.). Условные графические обозначения этих электрон­ ных ламп представлены на рис. 46.

При монтаже цепей непосредственно к выводам электродов (штырькам) провода и выводы резисторов и других элементов не припаивают. На плате (шасси) устанавливают ламповую панель* (гнездо) и к ее ламелям припаивают соответствующие элементы. При таком монтаже удобно заменять вышедшую из строя лампу. Ее даже не вывинчивают (как электролампу), а просто вынимают старую и вставляют новую. Однако, чтобы при монтаже не пере­ путать, к какой ламели какие провода припаивать, существуют специальные схемы цоколевки ламп. На цоколевке указано, какой штырек с каким электродом соединен. На цоколе лампы штырьки располагаются по порядку номеров, по часовой стрелке (если лам­ пу повернуть цоколем к себе). Первый штырек расположен около «ключа» (свободного от штырьков места). Цоколевка ламп по­ казана цифрами на рис. 44, а; 45, а; 46.

Серьезным недостатком электронных ламп являются их срав­ нительно большие размеры и большое потребление энергии.

В 60-х годах были разработаны первые полупроводниковые приборы, имеющие по сравнению с лампами значительно мень­ шие размеры, потребляющие значительно меньше энергии, но выполняющие те же функции. Для полупроводниковых приборов не нужен вакуум.

Принцип их действия основан на переносе электрических зарядов в объеме твердого тела — полупроводника.

В качестве полупроводникового материала используют крем­ ний или германий, но не в чистом виде, а с добавлением примесей.

Рис. 46. Условные графические обозначения электронных ламп:

а — двойного диода; б — двойного триода; в — пен­ тода; г — триод-пентода

Так, если в кремний добавить немного фосфора, то получится по­ лупроводник, у которого много свободных отрицаттельных зарядов. Он будет обладать электропроводностью м-типа (negative — отрицательный). В кремнии с примесью бора много свободных положительных зарядов. Он обладает электропроводностью р- типа (positive — положительный). Если полупроводник м-типа соединить с полупроводником p-типа, то в месте соединения об­ разуется так называемый р-м-переход, который обладает одно­ сторонней проводимостью. Такую композицию можно использо­ вать как диод. Если соединить три полупроводника с разными ти­ пами электропроводности, то получится полупроводниковый триод — биполярный транзистор (рис. 47).

Из рисунка видно, что в зависимости от чередования областей с разным типом электропроводности транзисторы могут быть разных типов.

Принцип действия транзистора основан на том, что под дейст­ вием приложенных с полярностью, показанной на рис. 47, напря­ жений электрические заряды перемещаются из крайней левой об­ ласти, называемой эмиттером Э (источником), в крайнюю правую, называемую коллектором К (собирателем). Изменяя в неболь­ ших пределах напряжение, приложенное к средней части прибо­ ра, которая называется базой Б, можно изменять ток коллектора в значительных пределах, получая таким образом эффект уси­ ления. Так как в транзисторах разных типов носители электри­ ческих зарядов различные (отрицательные или положительные), то и полярности подключаемых к эмиттеру, базе и коллектору напряжений разные.

Условные графические обозначения полупроводниковых р-п-р- транзисторов, м-р-м-транзисторов и диодов, а также полярности подаваемых на их выводы напряжений, под воздействием которых они открыты (верхний ряд) или закрыты (нижний ряд), показаны на рис. 48, а, б, в соответственно. Эмиттер при этом обозначают

7*^71+ к
d	» |7'| ~
	3		±-Е*—
	а)H h -
		^
	= 4
гА	р М р
	а)+	5)	й)

Рис. 47.	Структура транзисторов:	Рис. 48. Условные графические обозначе-
а	— п-р-п\ б — р -п -р	ния полупроводниковых диодов и транзи­
		сторов