Н. — Пожалей меня, иначе я не выйду отсюда живым!
Л. — Ты преувеличиваешь опасность. Желаешь ли ты начать наши занятия завтра?
Н. — Лучше послезавтра. А я тем временем перечитаю все то, что ты рассказал мне в свое время о радио.
Л. — Превосходная идея. Это будет тебе исключительно полезно. Но особое внимание обрати не на подробности из области радио, а на разделы, посвященные общей электротехнике, электронным лампам и транзисторам.
Беседа вторая
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ И МАГНИТНЫХ ВЕЛИЧИН. МЕХАНИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
Наши друзья говорят о «преобразователях» — средствах измерений, которые преобразуют изучаемые физические явления в электрический сигнал. Даже если исходное явление само по себе имеет электрическую природу (постоянное или слишком высокое напряжение), иногда тем не менее нужен преобразователь. Существуют преобразователи магнитных величин. При изучении механических усилий в качестве преобразователя можно использовать специальные резисторы, сопротивление которых изменяется, например, вследствие их удлинения под воздействием силы; при этом сопротивление обычно измеряют мостом Уитстона. И, наконец, вибрирующие струны и пьезоэлектрические элементы также могут использоваться в качестве преобразователей, превращающих механические воздействия в электрические сигналы.
Любознайкин. — Ну как, Незнайкин, ты сегодня в форме?
Незнайкин. — Да, все в порядке. Правда, я недостаточно хорошо понимаю некоторые формулы, но в целом довольно легко перечитал свои записи, сделанные во время наших первых бесед. И раз уж сегодня мы решили говорить о преобразователях, расскажи мне, как работают знаменитые фотоэлементы.
Л. — Пока еще рано, Незнайкин. Мы начнем с преобразователей, чувствительных к воздействию электричества.
От электричества… к электричеству
Н. — Любознайкин, да ты смеешься надо мной! Ты сказал мне, что преобразователь преобразует изучаемые физические явления в электрический сигнал. Если же физическое явление — уже само по себе электрическое, то преобразовывать нечего — работа преобразователя уже выполнена!
Л. — Должен признать, что в некоторых случаях ты прав, но не во всех. Может случиться так, что «электрическое явление» непосредственно использовать нельзя. Тогда, чтобы сделать его пригодным к использованию, нужно модифицировать его с помощью преобразователя. И вот первый пример: предположим, что мы имеем дело с очень небольшим постоянным напряжением, что ты сделаешь?
Н. — Для начала я подам это напряжение на усилитель…
Л. — Именно этого я и ожидал! Но, Незнайкин, усилители, которые ты знаешь, усиливают лишь переменные напряжения. Правда, вскоре мы будем говорить и об устройствах, способных усиливать также и постоянные напряжения, но, как ты увидишь, эти аппараты явно предпочитают использовать достаточное входное напряжение, в противном случае приходится чрезмерно повышать их коэффициент усиления, «уход» которого может оказаться для нас серьезной помехой. Нет, несомненно лучше преобразовать наше небольшое постоянное напряжение в переменное…
Н. — Ну, здесь-то я могу сказать, что в этом случае ты не воспользуешься трансформатором, потому что он пригоден только для преобразования переменных напряжений.
Л. — Ты совершенно прав. Я воспользуюсь специальным вибропреобразователем, именуемым «прерывателем». Это очень тщательно сделанное и, к сожалению, весьма дорогое реле, которое заставляют очень быстро вибрировать. Если ты посмотришь на изображенную ниже схему (рис. 4), то увидишь, что напряжение е на входе схемы равно напряжению на входе усилителя U, когда контакт К вибропреобразователя разомкнут (мы предполагаем, что входное сопротивление усилителя по сравнению с R велико). Но когда контакт К замкнут, напряжение U почти равно нулю, естественно, при условии, что сопротивление контакта К по сравнению с R мало. Следовательно, напряжение U переменное, а точнее оно представляет собой переменную составляющую, которую усилитель усиливает без искажений и которую мы после этого детектируем.
Рис. 4. Периодически замыкающийся и размыкающийся контакт К преобразует постоянное напряжение е в переменное U, которое легче усилить (маленький прямоугольник обозначает катушку с магнитным сердечником).
Н. — Эта система очень хитрая. Но как ты заставишь контакт К вибрировать?
Л. — Посмотри внимательно на схему: я посылаю в катушку переменный ток, например с частотой 50 гц. В этой катушке имеется магнит, который заставляет реле замыкаться только 50 раз в 1 сек, а не 100…
Н. — Я знаю, в чем заключается эта хитрость: именно такой метод применяется в головных телефонах или в старых магнитных громкоговорителях. Но скажи мне, нельзя ли здесь использовать тот же метод, что и в динамических громкоговорителях, и заставить подвижную катушку приводить в действие контакт?
Л. — Это не только возможно, но уже начинает применяться на практике, и я думаю, что этому методу принадлежит будущее.
Н. — Хорошо, это мне больше нравится. Но почему ты сказал, что эти специальные реле так дороги? Ведь скорость его срабатывания не так уж велика.
Л. — Подумай сначала о количестве срабатываний, которое должен выдержать контакт. При 50 замыканиях и размыканиях в секунду это составит 180 000 в час или 4 300 000 в сутки.
Н. — Сжалься и не говори мне, сколько это составит в месяц, я и без этого уже чувствую себя уставшим!
Л. — Реле устанет раньше тебя: модели хорошего качества выдерживают не более 100 ч работы. А, кроме того, необходимо также, чтобы катушка не наводила никаких напряжений в образованной контактом цепи, не говоря уже о возможных остаточных напряжениях, которые могут возникнуть, когда контакт реле замыкается.
Н. — Ну, с этим-то я не согласен! Когда два металлических элемента соприкасаются, цепь замыкается накоротко, разве не так?
Л. — Да, если эти два металла идентичны. Но когда начинают измерять напряжения в милливольтах, все оказывается не так просто. И, наконец, запомни, что такие вибропреобразователи сложны в изготовлении… и весьма дороги.
Н. — И, следовательно, мы завершили главу о преобразователях, которые ты называешь преобразователями электрических величин.
Очень высокие напряжения
Л. — Ну, до этого еще далеко. Правда, при всем желании мы не сможем рассмотреть всего, но я хотел бы спросить тебя, как думаешь ты использовать высокое переменное напряжение, например 30 000 в?
Н. — Прежде всего я буду очень осторожен.
Л. — И ты несомненно прав. Но этого недостаточно, ибо это напряжение все же нужно использовать. Я надеюсь, ты не станешь подавать это напряжение непосредственно на вход усилителя?
Н. — Оставь, пожалуйста, свой сарказм: я уже наговорил немало глупостей, но все же не дошел до такого абсурда. Для начала я приложу это напряжение к потенциометру…
Л. — Ой, ой! Если ты возьмешь обычный потенциометр, то он просто взорвется. Не следует все же забывать, что напряжение 30 000 в может дать искру в воздухе более 40 мм. В случае необходимости ты можешь сделать специальный делитель напряжения, показанный на рис. 5.
Рис. 5. Делитель высокого напряжения Uвх; сопротивление R состоит из большого количества резисторов, благодаря чему напряжение на каждом резисторе не слишком высокое.
Отношение напряжения на выходе к напряжению на входе делителя равно:
Н. — Хорошо. На мой взгляд, все это правильно, но почему сопротивление R состоит из нескольких последовательно соединенных резисторов?
Л. — Я нарисовал всего лишь четыре резистора, а на самом деле их придется поставить более ста, чтобы на выводах каждого из них было не более 300 в. За исключением специальных моделей резисторы не выдерживают большего напряжения. Но обрати внимание, что, несмотря на деление, полученное напряжение все еще относительно велико. Не забывай, что наше напряжение переменное и, следовательно, неизбежно проявляется паразитная емкость С, параллельная резистору r; это емкость соединительных проводов и емкость входа твоего электронного устройства, на которое ты подашь снятое с r напряжение.
