В выпрямителе, для того чтобы пропустить к нагрузке только постоянную составляющую, используют параллельный фильтр с конденсатором и последовательный с катушкой. Первый из них шунтирует нагрузку, отводит от неё переменный ток, второй не пропускает его к нагрузке. Чтобы лучше очистить постоянную составляющую от переменных токов, нередко используют многозвенные фильтры с R-, С- и L-элементами.
При выборе элементов фильтра, конечно, учитывается частота, на которой он должен работать. Так, например, если фильтр очищает от переменных составляющих выпрямленный сетевой ток, то конденсаторы должны иметь малое ёмкостное сопротивление на частоте 50 Гц, а для этого у них должна быть весьма большая ёмкость — десятки и сотни микрофарад. На высоких частотах (килогерцы, мегагерцы) ёмкость фильтра, как правило, может быть в сотни и тысячи раз меньше.
Т-148. Частотная характеристика — график, рассказывающий о том, как ведёт себя электрическая цепь на разных частотах. Представим себе, что в нашем распоряжении есть измерительный генератор переменной э.д.с., частоту которой можно плавно изменять поворотом ручки. Так же, например, как поворотом ручки мы меняем громкость звучания в приёмнике. Такие генераторы реально существуют, это широко распространённые приборы электротехнической и электронной лаборатории.
Если подключить к нашему измерительному генератору делитель напряжения из двух активных сопротивлений, то на всех частотах он будет делить общее напряжение Uг (напряжение, поступающее от генератора) в одной и той же пропорции. А вот в делителях, куда входят реактивные элементы (конденсатор и катушка), напряжение будет по-разному делиться на разных частотах, такие делители как раз и используются в качестве электрических фильтров. Об их поведении рассказывает график, который называется «частотная характеристика» — он показывает, как с изменением частоты меняется напряжение на элементах фильтра при неизменном напряжении на его входе. По схеме фильтра нетрудно представить себе его частотную характеристику и возможности использования.
В отличие от фильтров, которые по-разному будут вести себя на разных частотах, есть электрические и электронные устройства, у которых создана идеальная частотная характеристика — горизонтальная линия. Именно такую частотную характеристику желательно иметь, в частности, в усилителях звука — они должны одинаково хорошо передавать все звуковые частоты, не ослаблять басы контрабаса или высокие звуки флейты в звучании симфонического оркестра.
ВК-172. Если подвести к диоду переменное напряжение, то дважды в течение периода его полярность будет меняться, и диод будет пропускать ток только в течение одного полупериода. Иными словами, под действием переменного напряжения через диод из-за его односторонней проводимости пойдёт пульсирующий ток. Этот пульсирующий ток имеет уже довольно сложный спектр, то есть он может быть представлен в виде суммы синусоидальных составляющих, и в их числе постоянная составляющая (f = 0).
Т-149. Коэффициент передачи показывает, во сколько раз напряжение или ток на выходе больше или меньше, чем на входе. Не вдаваясь в устройство какого-либо фильтра, нарисуем его в виде прямоугольника и для определённости будем считать, что при входном напряжении Uг = 10 В выходные напряжения на частотах 3 и 5 кГц соответственно равны 2 и 8 В. Приведённые цифры показывают, что есть смысл ввести ещё одну важную характеристику фильтра, да и вообще любого элемента электрической цепи или всей этой цепи в целом. Эта характеристика — коэффициент передачи К, он в данном случае сообщает, что конкретно происходит на частотах 3 и 5 кГц. Коэффициент К указывает соотношение между выходным и входным напряжением, он составляет 0,2 (для 3 кГц) и 0,8 (для 5 кГц). В каких-то случаях К может быть больше единицы, если, например, происходит усиление электрического сигнала.
Т-150. Децибел — универсальная единица, показывающая, во сколько раз какая-либо величина больше или меньше другой. В каких единицах нужно измерять коэффициент передачи? Вполне подошла бы для этого единица «раз» или хорошо известные проценты. Ведь мы так и говорим: «На частоте 3 кГц напряжение ослабляется в 5 раз, на частоте 5 кГц — в 1,25 раза». Однако чаще используется не «раз», а другая единица — децибел, сокращённо дБ, она названа так по имени изобретателя телефона Александра Белла.
ВК-173.Появление постоянной составляющей в спектре пульсирующего тока можно объяснить очень просто. Этот ток появляется с перерывами, но движется всегда в одну сторону. Именно это движение отображает постоянная составляющая — постоянный ток (f = 0), без которого спектр был бы неверным. Можно с помощью фильтра отделить постоянную составляющую от переменных — для них нужно создать лёгкий и короткий путь через конденсаторы, а для него через резистор Rф к нагрузке Rн.
Децибел — единица универсальная, она применяется для того, чтобы показать отношение любых двух величин: напряжений, токов, давлений, мощностей и других. Переход от характеристики «во столько-то раз» к децибелам и обратно проще всего произвести с помощью справочной таблицы, один из очень простых вариантов которой помещён на рисунке Р-70. Если коэффициент передачи меньше единицы, то есть если фильтр или другой элемент цепи уменьшает напряжение (ток), то децибелы получаются отрицательные. А если коэффициент передачи больше единицы, то есть если выходное напряжение (ток) больше входного, то децибелы положительные.
Особо нужно сказать о том, как в справочной таблице выражено соотношение мощностей. Между мощностью и током, а также между мощностью и напряжением существует квадратичная зависимость. То есть если увеличить напряжение или ток на каком-то участке цепи в два раза, мощность возрастёт в четыре раза. Эта зависимость как раз и находит отражение в таблице: во сколько бы раз ни изменилось напряжение (ток), мощность изменится в то же число раз, возведённое в квадрат.
Децибел — единица логарифмическая, и с этим связаны её многие достоинства. Так, например, если вы знаете, что один фильтр ослабляет переменное напряжение на 20 дБ, а затем оно поступает на другой фильтр и там ослабляется ещё на 30 дБ, то общее ослабление подсчитывается как сумма (-20) + (-30) = -50 дБ. По приведённой справочной таблице легко определить, что напряжение в этом случае ослабляется в 316 раз и мощность в 10 000 раз.
Во многих областях электрической техники, в частности в телефонии, звукоусилении, телевидении, дальней связи, радиоприёме, широко используется оценка коэффициента передачи в децибелах, профессионалы привыкли к ним, как мы привыкли к метрам или килограммам.
Обогатившись представлением об измерительном генераторе, коэффициенте передачи, частотной характеристике и оценке уровня в децибелах, мы легко можем перейти к знакомству с особым фильтром, без которого не обходятся радиосвязь, сотовый телефон, телевидение, радиолокация, телефония больших дистанций и многие другие области работающего электричества.
Глава 14В мире качающихся маятников
Физические, химические, биологические и иные процессы могут протекать по-разному. В одних случаях мы видим нарастание какой-либо величины: нарастает скорость взлетающей ракеты, температура поставленного на плиту чайника с водой, вес зреющего на поле арбуза. В других случаях наблюдается уменьшение чего-либо, убывание: убывает вода в дырявом ведре, напряжение пружины в заведённых часах, скорость автомобиля, у которого на ровной дороге вдруг заглох двигатель.
А есть ещё и такие процессы, в которых происходит непрерывная смена нарастаний и убываний, процессы, которые без всякого вмешательства извне меняют своё направление, сами по себе идут то туда, то обратно. Это так называемые свободные колебания, примером которых могут служить колебания маятника или гитарной струны.
Т-151. Вы тронули гитарную струну, и она запела гимн свободным колебаниям. Вы слегка оттянули гитарную струну и передали ей какую-то порцию энергии. Мы часто производим подобную передачу энергии, например, когда двигаем по столу книгу, ударяем молотком по гвоздю или ногой по футбольному мячу. В итоге отданная нами энергия частично расходуется, а частично сохраняется. Некоторые накопители энергии природа связала друг с другом особым образом, именно благодаря этой связи и возникают свободные колебания.
Это хорошо видно на примере маятника или струны. Когда мы оттягиваем струну, то энергию захватывает первый из двух главных накопителей — упругая деформация. Это явление сложное, оно связано с изменением внутренней структуры вещества, с его упругостью. При первой возможности струна вернётся в первоначальное своё состояние и вернёт вложенную в неё энергию.
Вернёт, но кому?
Спортсмен, который обычно прыгает в длину шесть-семь метров, не преодолеет и четырёх, если лишить его возможности разбега, заставить прыгать с места. Дело в том, что при разбеге спортсмен создаёт некоторый дополнительный запас энергии, который в нужный момент добавляет к силе своих мускулов. Физика очень точно определяет этот дополнительный запас — это не что иное, как кинетическая энергия, ею обладает любое движущееся тело, в нашем примере бегущий человек. Чем больше масса тела и его скорость, тем больше энергетический запас, больше кинетическая энергия. Это легко поймёт тот, кому приходилось, разогнав велосипед, долгое время катиться бесплатно, за счёт накопленной кинетической энергии. Шофёры хорошо знают, что чем больше скорость автомобиля и чем сильнее он нагружен, тем труднее его остановить, то есть погасить в тормозах накопленную машиной кинетическую энергию.
Представив читателю два накопителя энергии, можно проследить за свободными колебаниями струны. Натянув струну, мы передали ей порцию энергии. Отпускаем струну, она выпрямляется и при этом набирает скорость — энергия упругой деформации постепенно переходит в кинетическую энергию, в энергию движения. Когда струна проходит среднюю, нейтральную линию, деформации уже нет, а кинетическая энергия максимальна. Из-за неё струна не может остановиться, она продолжает двигаться по инерции, кинетическая энергия вновь переходит в энерги