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.
Звуковой генератор и детектор
Полная электрическая схема дана на рисунке 16 (см. приложения).
С первого взгляда любая схема кажется сложной и запутанной. Но этого не следует бояться, сложна она только вначале.
С чего начинать разбор электрической схемы неизвестного электронного устройства?
Вначале все устройство постарайтесь представить в виде «черного ящика» и уясните, для чего он нужен, для решения каких задач предназначен. Заодно уточните сигналы, которые подаются на «ящик» и которые с него снимаются.
Как бы ни было сложно устройство, разобраться в нем поможет описание блок-схемы машины.
Назначение блок-схемы — разбить машину на блоки (устройства) и рассмотреть, как они взаимодействуют друг с другом.
А что значит на языке кибернетики «взаимодействуют друг с другом»? Это значит, какими сигналами обмениваются между собою отдельные устройства, какие сигналы подаются на их входы и какие снимаются с выходов.
В нашем случае «черный ящик» — это плата звукового генератора и детектора. Разбирая блок-схему модели звукового локатора, вы должны были уяснить себе ее назначение. На вход платы (см. приложения, рисунок 16, точки 2—3) подается сигнал эха, который перед этим усиливается платой усилителя сигналов. Входной сигнал имеет вид прерывистых звуковых импульсов с частотой заполнения около 5000 Гц.
Далее нам известно, что в плате имеется схема генератора звуковых колебаний, которая генерирует только тогда, когда сигнал на входе отсутствует. При возвращении эха генератор тут же прекращает работать на время, пока сигнал не исчезнет. Сигнал звукового генератора, работающего все время вот в таком прерывистом режиме, и является выходным сигналом платы.
Больше о работе разбираемой платы вам пока ничего не известно. Но, оказывается, и того, что известно, вполне достаточно, чтобы самостоятельно составить электрическую схему внутренностей «черного ящика». Вариантов здесь будет, конечно, много. Каждый из вас захочет внести какие-либо «усовершенствования».
Разбирать работу незнакомой схемы советую всегда слева направо по направлению прохождения сигнала. Вы уже могли заметить, что вход схемы всегда чертится на рисунке слева, а выход — справа.
Как правило, если не все, то большинство каскадов вам всегда будет знакомо. Тогда остается разобраться во взаимодействии их друг с другом. Например, в плате рисунка 16 (см. приложения) первые два каскада вам должны быть известны.
Каскад на транзисторе T1—это электрический фильтр. Работает он так же, как и электронное реле, с той лишь разницей, что реагирует только на сигнал со строго определенной частотой. Когда сигнал на вход каскада не подается или подается с частотой, не равной частоте настройки фильтра, транзистор заперт.
Как вы думаете, почему в плате используется селективное электронное реле? То есть такое реле, которое реагирует на сигнал с определенной ча стотой, равной резонансной частоте контура L1C1.
С выхода первого каскада (см. приложения, рисунок 16) сигнал через резистор R4 поступает на эмиттерный повторитель, собранный на транзисторе Т2. Напряжение на его выходе полностью повторяет сигнал на входе.
Нагрузкой эмиттерного повторителя служит каскад на транзисторе Т3. Это и есть генератор звуковых частот. Когда транзистор T1 заперт, все напряжение питания платы через резисторы R 3 и R 4 прикладывается к базе транзистора Т2 и далее на схему генератора. В результате генератор генерирует звуковые колебания. Когда транзистор T1 открыт — генератор не работает, напряжение на него не подается.
Генератор, генерировать... Как часто мы произносим эти слова. А что такое генератор?
Если обратиться к «Словарю радиолюбителя» С. Э. Хайкина (1966), то там сказано так: «Генератор — это прибор, генерирующий (создающий) электрические напряжения или токи». Кибернетику трудно согласиться с таким определением. На любое незнакомое устройство он смотрит как на «черный ящик» и старается прежде всего исследовать его входной и выходной сигналы.
Физика это положение тоже подтверждает. Из нее вы знаете, что перпетуум мобиле невозможен!
Чтобы генератор генерировал, на него нужно подавать питающее напряжение. Это и будет в конкретном случае входным сигналом разбираемого «черного ящика». Выходным сигналом является генерируемое переменное напряжение звуковой частоты. Если входной сигнал отсутствует, то есть если на схему генератора не подается питающего напряжения, то, естественно, выходной сигнал будет равен нулю.
Внутренности генератора могут быть самыми разными. Но во всех случаях в схеме должен быть усилитель с коэффициентом усиления больше единицы, охваченный положительной обратной связью.
Разберем, как действует положительная обратная связь в схеме рисунка 16 (см. приложения).
Усилитель в схеме найти нетрудно. Он собран на транзисторе Т3. Его нагрузкой является колебательный контур L2, C3, С4. Подобный усилитель в радиотехнике называется резонансным усилителем. Ему не безразлично, какой сигнал усиливать. Если частота входного сигнала близка к резонансной частоте контура, коэффициент усиления резко возрастает. Для всех остальных частот он может быть даже меньше единицы. Вот почему рассматриваемую схему еще называют селективным усилителем.
Цепь положительной обратной связи — это провод, идущий от конденсаторов С3—С4 к резистору R7. Поскольку используется селективный усилитель, то схема будет генерировать сигнал только с частотой, равной резонансной частоте контура L2, C3, С4. Это потому, что положительная обратная связь работает только на этой частоте. Перестройку частоты проще всего производить, изменяя индуктивность катушки сердечником подстройки.
В схеме генератора можно использовать и обычный усилитель, где нагрузкой является резистор. Но в этом случае условия генерации соблюдаются одновременно для большого числа гармонических сигналов с различными частотами. Получится обычный мультивибратор, с работой которого вы уже знакомы по второй главе.
На этом разбор схемы звукового генератора и детектора закончим.
Чертеж и монтажная схема даны на рисунке 8.
Катушки L1 и L2 намотайте, используя ферритовый броневой сердечник типа СБ-14 или ОБ-12. Число витков — 200—250, провод — ПЭ 0,1.
Налаживание платы лучше начинать с генератора. Подайте на него от двух последовательно включенных батареек 3336Л необходимое напряжение и подбором резистора R5 добейтесь, чтобы схема генерировала. Подключите к точкам 6—7 высокоомные головные телефоны, и вы услышите довольно громкий писклявый тон. Генератор работает. Измерьте частоту выходного сигнала. Если она значительно отличается от 5000 Гц, то попробуйте сердечником катушки L2 перестроить индуктивность. Когда и это не помогает, изменяйте число витков катушки.
Вторым настраивается селективное реле на транзисторе T1. Резонансная частота должна равняться частоте сигнала генератора. В противном случае придется подстраивать контур L1C1.
Для окончательной проверки платы восстановите схему и включите питание. В телефонах, подключенных на выход (точки 6—7), вы услышите звук. Соедините коллектор транзистора Т1 с общим проводом питания, звук должен пропасть. Напряжение питания в этом случае на генератор не подается. Вот почему он замолчал.
Тот же результат вы получите, если точку 2 соедините с точкой 1. Транзистор T1 откроется, и, как результат, напряжение на его коллекторе упадет до нуля.
Испытания схемы подтвердят вам не только исправную работу всех трех каскадов, но и правильное их совместное функционирование. Ни одну плату, а тем более такую сложную, как эта, нельзя ставить в устройство без предварительной проверки.
Частотомер
Это прибор, на вход которого подается электрический сигнал неизвестной частоты напряжением 1—5 В. Частота определяется непосредственно по стрелочному прибору, шкала которого размечена в герцах. И что самое ценное, в описываемом частотомере никакой предварительной градуировки не требуется. Все достигается расчетным путем с вполне достаточной для нас точностью.
При использовании частотомера в модели звукового локатора шкалу удобнее разметить прямо в метрах до препятствия. Как перевести метры в герцы и наоборот, я уже писал в начале раздела.
Схема частотомера приведена на рисунке 18 (см. приложения). Принцип измерения основан на заряде и разряде конденсатора С2. Проследим с самого начала, как все получается. Во-первых, это поможет понять работу прибора, а во-вторых, нам нужно вывести формулу, которая бы связала показания миллиамперметра с измеряемой частотой сигнала.
Измеряемый сигнал через конденсатор С1 и ограничительный резистор R2 поступает на базу транзистора T1. Посмотрите повнимательнее на схему: то, что нарисовано слева, — это самый обычный каскад усиления напряжения. Единственное, что может вас смутить, так это несколько необычная его нагрузка, состоящая из двух диодов Д1 и Д2 и стрелочного прибора.
Рабочая точка транзистора выбирается строго на середине линейного участка, что достигается соответствующим подбором резистора R1. В результате на выходе каскада на резисторе К3 имеем ограниченное с двух сторон переменное напряжение неизвестной частоты. Но это только тогда, когда величина входного сигнала превышает 1 В. Вот почему каждый раз перед определением частоты неизвестного сигнала требуется измерить его напряжение.
Когда транзистор T1 заперт, все напряжение источника питания прикладывается к конденсатору С2, последовательно включенному с диодом Д1 и миллиамперметром. Диод Д2 в этот момент заперт, так как включен в обратном направлении. Конденсатор С2 будет заряжаться. Его зарядный ток, проходя по рамке прибора, вызовет отклонение стрелки, пропорциональное среднему значению проходящего тока.
В тот момент, когда транзистор ti открыт, конденсатор С2 разряжается через диод Д2 и проходное сопротивление коллектор—эмиттер транзистора.
Постоянные времени цепей заряда и разряда выбраны таким образом, что при каждом цикле заряд — разряд конденсатор успевает зарядиться до напряжения источника питания и разрядиться до нуля. Поэтому можно считать, что полный заряд конденсатора равен:
где Q—заряд конденсатора, а Eб—напряжение источника. Об этой формуле вы можете прочитать в учебнике по физике для 10-го класса.
Весь ток электрического заряда протекает через миллиамперметр за время одного периода измеряемого сигнала — Тизм. Отсюда среднее значение тока, то есть ток, который показывает прибор, равен:
где fизм— частота в герцах. Остальные обозначения вам уже известны. Чтобы получить окончательное выражение формулы. Q мы заменили на
Теперь решим полученное выражение относительно fизм и получим искомую формулу, связывающую частоту сигнала с показаниями миллиамперметра:
где С2 — емкость в микрофарадах, Iпр — показания стрелочного прибора в миллиамперах, Еб—напряжение источника питания в вольтах, Еб = 9 В.
Емкость конденсатора и напряжение питания постоянны. Следовательно, ток, проходящий через прибор, зависит только от измеряемой частоты сигнала. При конденсаторе С2 = 1,1 мкФ расчетная формула принимает вид:
Например, прибор показывает ток, равный 0,5 мА. В этом случае измеряемая частота равна 50 Гц.
В схеме частотомера используется миллиамперметр с током полного отклонения в 1 мА, что будет соответствовать частоте 100 Гц.
При С2 =0,11 мкФ расчетная формула принимает вид:
что соответствует 1000 Гц при полном отклонении стрелки прибора.
Изготовление частотомера начинайте с подбора необходимых радиодеталей согласно электрической схеме (см. приложения, рисунок 18).
В качестве миллиамперметра подойдет любой стрелочный прибор постоянного тока с чувствительностью 1 мА на всю шкалу.
Необходимую величину емкости С2 проще всего получить из двух параллельно включенных конденсаторов.
Транзистор T1 может быть любого .типа из МП39—МП42. Лишь бы он был исправен и имел коэффициент усиления 50—100. Перед тем, как его впаивать в схему, не забудьте проверить на тестере.
Величина резистора R1, подбирается в зависимости от b транзистора из условия работы каскада строго на середине линейной характеристики.
При проверке диодов Д1 и Д2 на омметре обратите внимание на величину прямого сопротивления. Отберите те, у которых наименьшее прямое сопротивление. Схема настолько проста, что предварительно собирать ее на макетном шасси нет необходимости. Один из вариантов расположения деталей на плате, а также общий вид прибора показаны на рисунке 9.
После того, как прибор смонтирован и подобрана величина резистора R1 еще раз проверьте полярность подключения диодов. Шкалу стрелочного прибора разметьте в герцах или метрах.
Сборка звукового локатора
Полная схема звукового локатора дана на рисунке 19 (см. приложения). Она включает три платы: плату усилителя сигналов, плату усилителя мощности и плату звукового генератора с детектором. С работой и изготовлением всех трех плат вы познакомились. Как работает частотомер, тоже знаете. Микрофон и громкоговоритель можно использовать от эхолокатора «Редут-0001». Не забудьте, что громкоговоритель подключается без выходного трансформатора, прямо к точкам а-а (рис. 5).
Из физики вы знаете, как подсчитать длину волны звуковых колебаний, зная их частоту и скорость звука. Формула такая:
где l — длина волны звука в воздухе в сантиметрах, с — скорость звука в воздухе в сантиметрах за секунду, f — частота звуковых колебаний в герцах. В нашем локаторе частота звуковых колебаний выбрана равной 5000 Гц. Отсюда длина волны звуковых колебаний в воздухе равна 6,8 см.
Рупор будет тогда излучать и принимать звук узким пучком, когда его размеры больше длины волны. Рупор от локатора «Редут-0001» этому условию полностью не удовлетворяет. Лучше сделать другой рупор, большего размера, а капсюль оставить от ДЭМШ-1. Одно плохо: сразу же увеличатся габариты аппаратуры в целом.
Конструктивно локатор может быть выполнен в двух вариантах (см. приложения, рисунок 20). Один из них рассчитан на установку аппаратуры на катер или автомобиль, второй — чтобы держать в руках. Оба варианта питаются от комплекта батарей из двух 3336Л.
Проверку работы локатора начинайте на предметах, имеющих большую поверхность отражения, таких, как забор или стена дома. Убедившись, что все работает, переходите к обнаружению стволов деревьев и густых кустарников. При некотором опыте вы и их будете уверенно «видеть» на расстоянии до 5 м.
Используя звуковой локатор для измерения скорости звука, частоту импульсных посылок придется определять с большей точностью. Описанный частотомер для этих целей уже не подойдет. Он слишком груб. Здесь подойдет метод измерения частоты с помощью осциллографа и звукового генератора по фигуре Лиссажу.
Установите жестко локатор на расстоянии пяти метров от глухой стены здания и измерьте частоту звуковых импульсов в герцах. Скорость звука при этом определяется по формуле:
с – 4l •f (м/с),
где l - расстояние от рупора до стены в метрах.
Чем точнее измерите расстояние до препятствия и частоту импульсов, гсм точнее получите результат. Эксперимент можно усложнить и попытаться определить зависимость скорости звука от температуры и влажности воздуха.
Хотя звуковой локатор я и назвали моделью, но работает он отлично, как настоящий!
Литература
1. Э.Ш.Айрапетьянц, А.И.Константинов, «Эхолокация в природе», Ленинград, издательство «Наука» ленинградское отделение, 1974г.
2. В.Г.Борисов, “Юный радиолюбитель”, Москва, издательство «Радио и связь», 1972г.
3. А.И.Константинов, «Эхолокация животных», Москва, издательство «Знание», 1982г.
4. Ю.М.Отряшенков, “Юный кибернетик”, Москва, издательство «Радио и связь», 1978г.
5. Р. Сворень «Электроника шаг за шагом», Москва, издательство «Детская литература», 1986г.
6. С.Э.Хайкин, “Словарь радиолюбителя”, издательство «Радио и связь», 1966г.
7. «Большая энциклопедия животного мира», / Е.Л.Богатырева, Т.В.Воронина, М.В.Комогорцева и др., Москва, издательство «Росмэн», 2001г.
