Думается, что большинство из нас в детстве качалось на «качельках» :-), при этом, некоторые, даже во взрослом возрасте не прекращают этого занятия — и речь пойдёт не о base jumping и подобных модных вещах, а о гораздо более интересном занятии — применении «качелек» в электронике: использовании колебательных контуров…
Упоминание выше о «качельках», не случайно, так как даже само название «колебательный контур» подсказывает нам, что мы имеем дело с неким «колебательным», или, если хотите, «волновым» процессом.
Колебательные контуры весьма широко распространены в электронике, и, в связи с этим, если вы ещё с не сталкивались, то имеет смысл немножко приоткрыть завесу над этим вопросом, так как овладение подобным первокирпичиком электроники даёт новые возможности, которые вы сможете гибко применять. Итак…
Явление колебательного контура было открыто достаточно давно (приблизительно, это вторая половина XIX века — самое время бума электрических исследований и открытий), и ряд исследователей сходятся к тому, что это было не открытие как таковое, а следствие множества исследований, целого ряда учёных (У. Томсон, Б.В.Феддерсен, Г.Герц и др.), которые последовательно формулировали законы колебательных процессов, что в итоге и вылилось в конкретное устройство и его концепцию.
В электронике колебательным контуром называется система, состоящая, как минимум, из источника питания, конденсатора, и катушки индуктивности — соединённых с помощью проводников последовательно или параллельно, в единую цепь (ниже показано последовательное соединение, объяснение параллельного будет ещё несколько ниже):
Работает система следующим образом: допустим, конденсатор был заряжен каким-то током, после чего, цепь была замкнута и в цепи начинает течь ток, который, протекая сквозь катушку, создаёт в ней и вокруг неё электромагнитное поле, и, на каком-то этапе, когда конденсатор будет полностью разряжен, ток сквозь катушку прекращается, и это поле не может пропасть мгновенно — поэтому, говорят что поле начинает схлопываться, порождая ток в обратном направлении — который снова начинает течь в цепи, перезаряжая конденсатор током обратной полярности.
Такие колебания могут происходить многократно, до тех пор, пока вся энергия, первоначально запасённая в конденсаторе, не будет полностью истрачена (в случае, если нет внешней подпитки).
То есть, мы видим, что колебательный контур представляет собой в полном смысле некую реализацию тех самых «качелек», где постоянно происходит перелив энергии: из запасённой в конденсаторе — в запасённую в магнитном поле* и наоборот:
*К запасению энергии в магнитном поле прибавляется ещё разворот магнитных доменов (магнитных моментов атомов вещества), если используется сердечник-ферромагнетик.
С колебательным контуром неразрывно связано и понятие его добротности, где смысл этого понятия, если сказать простыми словами, заключается в том, насколько долго в контуре не затухают колебания и, большей частью, величина добротности зависит от собственной ёмкости катушки индуктивности и сопротивления контура (сопротивления всех проводников).
В этой цепи, катушка индуктивности представляет собой намотку из проводника, намотанную либо в виде цилиндра, либо в виде спирали — где под спиралью подразумевается намотка проводника в одной плоскости, в один слой*.
*Тут сразу надо оговориться, что мы говорим о самом простом варианте, когда катушка индуктивности имеет один слой, где, в то же время, она может содержать и целый ряд слоёв — и всё зависит от задачи: в общем случае, можно сказать, что количество слоёв позволяет увеличить «индуктивность» катушки — то есть, насколько много энергии катушка может запасти в магнитном поле (это если простыми словами).
Катушка индуктивности может как иметь ферритовый сердечник, так и быть намотанной без него: в общем случае, можно сказать, что имеется 4 варианта выбора конкретного решения:
конструктивно мало места, поэтому увеличиваем индуктивность, размещением сердечника;
не хотим мотать много витков, необходимо получить большую индуктивность и у нас есть подходящий ферритовый сердечник под рукой — поэтому используем вариант с сердечником;
нет подходящего ферритового сердечника, поэтому вынужденно мотаем относительно много витков, в относительно много слоёв, чтобы получить необходимую индуктивность;
система будет работать на относительно высоких частотах (примерно 100 МГц и более), поэтому, вынужденно, отказываемся от сердечника и используем исключительно проволочную намотку, так как на таких частотах сердечник не будет эффективно работать и будет греться — причиной этого будет являться неспособность магнитных доменов (что это такое, рассмотрим ниже) в ферромагнетике быстро разворачиваться вслед за изменениями магнитного поля, и, поэтому, феррит перестанет работать как накопитель магнитного поля, а вся энергия магнитного поля будет уходить в его нагрев.
Кроме того, катушка индуктивности может быть (как уже было выше упомянуто), намотанной в плоскости, в виде спирали, либо в виде цилиндрической намотки.
В общем случае, помимо опоры на 4 варианта выбора, перечисленных выше, выбор конкретного конструктивного решения может опираться как на:
чисто производственные моменты (плоскую катушку можно изготовить, например, в виде вытравленной спиральной дорожки, на печатной плате, где, таким образом, достигается компактность устройства и простота производства, а кроме того, и высокая повторяемость параметров);
так и на необходимость работы на высоких частотах, где плоская катушка, при прочих равных, имеет меньшую межвитковую ёмкость (на 30-50%, в среднем), по сравнению с цилиндрической.
Что значит межвитковая ёмкость: мы ведь знаем, что два параллельных проводника подключенных питанию, представляют собой конденсатор? И здесь в полной мере наблюдается этот эффект, где из-за параллельного расположения витков проводника, возникает ёмкость между ними — то есть, образуется конденсатор.
Это приводит к тому, что, на определённой частоте, образуется как бы параллельный путь тока, что приводит к собственному резонансу катушки и, при прочих равных, чем меньше ёмкость катушки, тем более поздно это произойдёт — то есть, от этого будет зависеть максимально допустимая частота катушки.
Сразу надо отметить, что здесь и далее, мы сначала рассмотрим понятие резонанса самой катушки, а потом резонанса системы (колебательного контура), где первое является скорее негативным явлением, если катушка работает в составе контура, а второе — штатный рабочий режим колебательного контура.
Итак, резонанс катушки:
Может показаться, что в резонансе нет ничего плохого, ведь зачастую, в разных системах, мы, наоборот, пытаемся достигнуть этого пресловутого резонанса!
Однако, в этом случае резонанс является негативным явлением, так как просто-напросто, система перестаёт функционировать так, как мы её замышляли вот и всё — то есть, минус не в самом резонансе как таковом, а в том, что рушится наша задумка: катушка начинает привносить в колебательный контур непредусмотренный элемент (если мы это не учли).
Как мы знаем, ёмкость конденсатора зависит от близости обкладок к друг другу, где, при прочих равных, чем обкладки ближе (насколько это позволяют физические свойства материала, без пробоя), тем больше его ёмкость.
Исходя из этого, одним из способов борьбы с паразитной ёмкостью катушки является просто-напросто разнесение витков на некоторое расстояние друг от друга — например, в случае цилиндрической намотки, это можно осуществить, если намотку производить сразу двумя проводами: после чего, один из проводов отматывается обратно. Таким образом, получается, что между витками образуется аккуратный промежуток, шириной в один провод*, который мы отмотали.
*Не обязательно в один провод расстоянием, возможно и более.
Интересно, что этот режим работы катушки (в резонансе) ещё вызывают специально, так как в этом случае, можно сэкономить и убрать конденсатор: например, такое можно применять для создания преграды какому-то сигналу на определённой частоте, где возникновение резонанса катушки, не даёт ему пройти (классический пример — катушки-дроссели на катоде микроволновой печи, которые блокируют выход СВЧ излучения наружу из печки).
Или, например, подобный же подход используется в так называемых «удлинительных катушках» антенн, которые позволяют виртуально удлинять короткие антенны приёмников/передатчиков, которые, например, в противном случае, должны были бы иметь длину в 10м а будут иметь длину в полметра (цифры условные, поэтому просьба к ним сильно не привязываться).
Минус такого подхода только в том, что он не гибкий, то есть, необходимо очень точно наматывать катушку, чтобы вызвать резонанс на определённой частоте, в то время как с использованием внешнего конденсатора это было бы проще — нужно просто менять его ёмкость, как вариант.
Но резонанс катушки, это всего лишь элемент, который необходимо учесть, чтобы он не помешал планам, в то время как резонанс колебательного контура — это его штатный режим работы — поэтому, при проектировании катушки и колебательного контура в целом, делают так, чтобы потенциальная частота резонанса катушки была в несколько раз выше (2-3), чем рабочая частота резонанса колебательного контура.
Работа колебательного контура в резонансе необходима, чтобы, если сказать простыми словами, получить максимальную пользу, от минимального воздействия: в этом режиме он будет потреблять минимальную энергию от источника для поддержания колебаний, что само по себе подразумевает высокую селективность, то есть ориентированность на одну частоту.
А это уже, в свою очередь подразумевает, что:
например, если у нас передатчик, — его энергия не будет рассеяна впустую, и будет сконцентрирована только на одной частоте, для максимально эффективной передачи информации, где на саму передачу будет затрачен минимум энергии;
в обратном случае, если у нас приёмник — это будет подразумевать, что мы сможем принять даже слабый сигнал, так как он будет максимально усилен.
Колебательный контур может быть создан как по последовательной, так и по параллельной схеме, подробно прочитать о которых можно по ссылке.
Кстати говоря, если пройти по ссылке и посмотреть на схемы, то нетрудно заметить, что в самом начале статьи приведена последовательная схема. ;-)
Для чего это нужно: в первом случае (последовательный контур) можно поднять напряжение, а во втором случае (параллельный контур) можно поднять силу тока.
Таким образом, в первом случае, например, можно усиливать слабые радиосигналы, поднимая уровень напряжения сигнала, принятого антенной или, например, собирать высоковольтные устройства (тот же самый электрошок!), а во втором случае, обеспечить потребителя мощным током, от относительно миниатюрного и слабого источника питания (микроволновки, сварочные аппараты и т.д.)
Ещё из интересного, мы видели, по принципу действия выше, когда рассматривали как работает колебательный контур, что сама идеология колебательного контура подразумевает волновой процесс, где позитивная полуволна сменяется негативный полуволной и в конструкции используется биполярный конденсатор, — и, сама схема подразумевает питание от переменного источника тока.
Однако, любопытно, что возможен и другой вариант — с питанием от источника постоянного тока (например, батарейки или аккумулятора)!
Для этого, в схему добавляется один или более транзистор, который должен открываться в определённые моменты, подкачивать питание и закрываться — таким образом, обеспечивается импульсное питание, где, если используется один транзистор, то питание подаётся только в одну полуволну, или, например, если два транзистора, то они могут работать поочередно, подавая питание в каждую полуволну.
При этом, если взять, к примеру, схему блокинг-генератора (повышающий генератор напряжения), то там можно заметить такой любопытный момент, что он работает без резонанса, только за счёт импульсной накачки катушки транзистором :-) — то есть, мы тут видим, что тема несколько шире, чем может показаться на первый взгляд… ;-)
На колебательном контуре, вооружившись знаниями выше, можно попробовать собрать один из самых простых приёмников/передатчиков на генераторе Колпица.
Для расчётов, можно попробовать использовать калькулятор — вот здесь, с помощью которого, для конкретной частоты, и имеющегося в наличии конденсатора, рассчитать индуктивность.
После чего, для этой индуктивности, с помощью другого калькулятора рассчитать физические размеры катушки для имеющегося провода: число витков, диаметр, длину намотки, и требующуюся длину провода.
Напоследок, можно сказать, что интересные опыты с колебательным контуром не заканчиваются только с разработкой своей версии, так как колебательный контур можно использовать в качестве элемента своего радиопередатчика на микроконтроллере (esp32/arduino и т.д.) — то есть, как бы создав свой, кастомный канал радиопередачи, не задействуя штатный передатчик!
Где, например, микроконтроллер генерит сигнал, подаваемый на пин GPIO, который забирается колебательным контуром и передаётся на определённой частоте, а другой микроконтроллер, как вариант, может принимать и расшифровывать этот сигнал! :-)
Получается абсолютно кастомный радиопередатчик…Там в процессе придётся ещё изучить кодирование при передаче, фильтрацию шумов и т.д и т.п — в общем, занятие может выдаться весьма интересным и развивающим…;-)
Размещайте облачную инфраструктуру и масштабируйте сервисы с надежным облачным провайдером Beget.
Эксклюзивно для читателей Хабра мы даем бонус 10% при первом пополнении.
