ПРИМЕНЕНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ДИОДА И ТРАНЗИСТОРА. МОДУЛЯЦИЯ И ДЕТЕКТИРОВАНИЕ.
Задача передачи информации на расстояние с помощью радиоволн была решена в начале ХХ века. Проблема заключалась в том, что электромагнитные волны звуковой частоты (20...20 000 Гц) плохо излучаются антеннами. Поэтому с помощью генератора на транзисторе получают волны высокой частоты радио диапазона (0,5...200 Мгц), на которые разными способами накладывают волны звукового сообщения - речь или музыку. Этот процесс называется
модуляцией.
Излученные передающей антенной они, распространяясь в окружающем пространстве, достигают антенны приёмника. Полученный сигнал в радиоприёмнике
детектируют, иначе говоря, отделяют звуковое сообщение от высокочастотного сигнала, и получают возможность слышать переданную звуковую информацию.
Установка. Нам потребуется генератор сигналов (слева в окне анимации), осциллограф (справа) и интерактивные схемы передатчика и приёмника радиосигналов (см. ниже под приборами).
Генератор сигналов - прибор для получения в данном случае переменного напряжения звуковой частоты. Вместо него можно использовать микрофон или любой другой электронный источник звукового сигнала, например компьютер.
Осциллограф - прибор для наблюдения и изучения формы электрических сигналов. По горизонтальной оси в нашем случае будет откладываться
время t, а по вертикальной
напряжение U. Такое включение осциллографа позволяет как бы остановить во времени быстропротекающие электрические процессы, которые другими способами наблюдать и изучать было бы чрезвычайно трудно.
Эксперимент. В нашей установке вы можете делать шаги кнопками ВПЕРЁД и НАЗАД, всё более приближаясь к пониманию идеи радиопередачи и приёма.
ШАГ 1. Напряжение звукового сигнала с генератора сигналов подаём на левую, первичную обмотку трансформатора TV1, а со вторичной обмотки сигнал подается на осциллограф для наблюдения его формы. Это, как мы видим, сигнал низкой (звуковой) частоты.
Вы имеете возможность прослушать этот сигнал, кликнув кнопку Play звукового проигрывателя внизу окна анимации (если у вас подключён динамик или наушники Z).
ШАГ 2. Такой сигнал, как мы поняли, передать не получается (и пока забудем о генераторе сигналов), а добавим в схему источник высокочастотного сигнала, который можно получить в колебательном контуре LC, подобрав нужные L и C для заданной частоты по известной формуле:
. Сделайте ШАГ 2, чтобы увидеть дополнение к нашей схеме. Будем получать эти колебания, подключая и отключая батарею. Колебания-то получаются, как видим на осциллограмме, но, к сожалению, затухающие. Так дело не пойдет! Колебания высокой частоты услышать нельзя.
ШАГ 3. Надо заставить наш выключатель подавать энергию батареи в колебательный контур с частотой работы колебательного контура (несколько миллионов раз в секунду). Механически это не получится никак! А заставим это делать транзистор. Сделаем ШАГ 3.
Для управления включением/выключением транзистора Т добавим в схему катушку связи L
св, индуктивно связанную с катушкой L. Как только ток в катушке L начнёт расти, он будет расти и в катушке связи L
св, открывая транзистор Т, подкачивая энергией колебательный процесс в контуре LC (в нашем случае транзистор - тот же выключатель). А когда ток начнёт в контуре уменьшаться, в катушке связи ток пойдёт в другую сторону и транзистор закроется отрицательным напряжением на L
св. В этой фазе транзистор не будет мешать естественному колебательному процессу. Через пол-периода транзистор снова будет открыт, а колебательный контур получит новую порцию энергии. Потери колебательного контура на нагрев приводов и излучение электромагнитной энергии будут своевременно восполняться, и колебания станут незатухающими (см. осциллограмму). Обратите внимание, мы получили колебания более высокой частоты, чем звуковые колебания в ШАГе 1.
Сплошная линия между катушками трансформатора обозначает индуктивную связь между ними по низкой частоте, а пунктирная линия между L и L
св обозначает их связь по высокой. Буквами СВЕ обозначены соответственно коллектор, база и эмиттер транзистора.
ШАГ 4. Передатчик. Терпение, и "золотой ключик" будет наш. Мы получили незатухающие высокочастотные электромагнитные колебания. Теперь надо прибавить к ним наш информационный сигнал - звуковую волну. Это сделать можно довольно просто. Звуковой трансформатор подключим последовательно с батареей питания. Получится, что к ЭДС батареи питания добавляется переменное напряжение звуковой волны звукового трансформатора TV1. В итоге амплитуда сигнала высокой частоты будет то больше, то меньше в такт со звуковой волной. Осталось подключить антенну А, и электромагнитные волны высокой частоты понесут в эфир наш звук на своих плечах, как лошадка наездника.
Внимательно отследите все изменения в схемах по шагам, чтобы понять что мы делали, и что получилось. Не оставляйте без внимания и осциллограмму, теперь мы видим полноценный модулированный сигнал: нужную нам смесь высокочастотного сигнала (для успешного узлучения в эфир) и звукового (информационного). Теперь представьте себе, как от нашей антенны во все стороны расходятся электромагнитные волны такой формы, как показано на осциллограмме.
Подобный кусочек схемы есть обязательно в вашем смартфоне или мобильном телефоне для передачи ваших сообщений.
ШАГ 5. Приём сигналов. Итак, сигнал ушёл в эфир, нам осталось только его поймать на расстоянии в несколько километров (или сотен километров) от передатчика. Для этого достаточно иметь кусок провода в качестве антенны (сделайте ШАГ 5). А вот генератор сигналов нам для приёма, понятно, не нужен, уберём его. Вместо него мы поместили фото действующей модели радиоприёмника. Его работу мы и разберём.
На осциллографе какого-либо отчётливого сигнала мы не увидим, даже при наличии заземления З. Причин для этого две. Во-первых, наша антенна будет ловить все электромагнитные сигналы, какие только есть в эфире. В их нагромождении мы вряд ли можем различить нужный нам один из всех. Во-вторых, сигнал этот настолько мал, что на фоне шумов мы его не различим.
ШАГ 6. Решать задачу приёма нашего сигнала будем, как водится, по шагам. Сделайте ШАГ 6. Для того, чтобы выделить нужный нам сигнал из всеобщего хаоса воспользуемся явлением резонанса. Подключим к нашей антенне точно такой же как в передатчике колебательный контур LC, но с конденсатором переменной ёмкости (его ёмкость можно менять появившимся под окном анимации слайдером). Перемещая его ручку (меняя ёмкость), мы в конце концов сможем настроить этот контур на частоту, равную частоте излучаемого радиосигнала. Возникающий резонанс в контуре даст нам сигнал намного большей амплитуды именно нашего передатчика по сравнению со всеми остальными. Это уже много. Подберите слайдером "Ёмкость", не торопясь, ёмкость конденсатора так, чтобы получить самый сильный сигнал от колебательного контура. Запомните эту величину ёмкости конденсатора.
ШАГ 7. Полученный нами сигнал не может непосредственно быть услышанным, это, как видим, сигнал высокой частоты. Чтобы отделить от него звуковой сигнал, добавим в схему приёмника детектор VD (диод, или прибор с односторонней проводимостью), сделайте ШАГ 7. В итоге у нас останутся только положительные импульсы тока (см. осциллограмму).
ШАГ 8. Добавим в нашу схему конденсатор такой ёмкости (не слишком большой, но и не слишком маленькой), чтобы он сглаживал импульсы высокой частоты, но не сглаживал колебания звуковой частоты. Полюбуйтесь на осциллограмму, мы получили почти такой сигнал, какой отправляли в эфир нашим передатчиком. Поэтому в нашей схеме появился наушник Z. С его помощью уже можно послушать принятый сигнал, нажав кнопку Play на звуковом проигрывателе. Можно поиграть слайдером "Ёмкость", и вы увидите, чем дальше частота приёмного контура от частоты передатчика, тем меньше будет амплитуда (громкость) принятого сигнала. Так настраивают приёмник на нужную радиостанцию.
Ура!
Это чудесно: отправили с помощью передатчика сигнал и его же и услышали в нашем приёмнике! Почти его же.
Несколько слов о модели радиоприёмника, что появилась у нас в левом верхнем окне анимации. Найдите чёткое соответствие деталей на фото и элементов схемы. Сверху и снизу две чёрным клеммы для подключения соответственно антенны А и заземления З. Слева посередине катушка L и конденсатор C (серебристого цвета в центре) с чёрной ручкой для настойки на нужную волну. Над ним детектор (диод), а справа чёрные клеммы для подключения наушника, а параллельно ему - конденсатор.
Всё понятно? А теперь проверьте себя, постарайтесь ответить на вопросы к нашему заданию.
