Радио и телевидение?.. Это очень просто!

Комментарий профессора Радиоля СИСТЕМЫ ПИТАНИЯ

До сих пор, дорогие мои Любознайкин и Незнайкин, вы говорили лишь о схемах на электронных лампах. В большинстве современных приемников используют полупроводниковые приборы, но и сегодня имеется немало ламповых приемников.

В следующий раз, Незнайкин, я изложу тебе физические основы полупроводниковой техники. В настоящий момент мне предстоит удовлетворить твой голод познания рассмотрением схем питания.

Всем электронным устройствам без исключения требуются источники тока. Портативные транзисторные радиоприемники питаются от батарей, напряжение которых составляет от 4,5 до 9 В. Стационарные радиоприемники и телевизоры питаются от электрической сети. Каковы ее характеристики?

В странах Европы частота тока в сети 50 Гц, а в Соединенных Штатах Америки — 60 Гц. Что касается напряжения, то повсеместно наблюдается тенденция к установлению напряжения 220 В. Однако еще существует немало сетей с напряжением 110, 127 или даже 240 В. Это означает, что схемы питания должны по мере возможности быть пригодными для всех этих значений напряжения.

Рассмотрим сначала, какие токи и напряжения требуются для питания ламповых радио- и телевизионных приемников. Прежде всего необходимо обеспечить подогрев нитей накала ламп. В этой области, к счастью, господствует всемирное единство: практически все лампы для накала требуют одинакового напряжения 6,3 В.

Благодаря тому, что чаще всего лампы имеют косвенный накал, нити накала можно без каких-либо опасений питать переменным током.

Для подачи смещения на сетки дополнительных источников питания не требуется; для этой цели используют падение напряжения на резисторах. Ты уже знаешь это, как, впрочем, и способ получения напряжения, необходимого для питания экранирующих сеток.

Для питания анодных цепей требуется обязательно постоянное напряжение. В зависимости от типа используемых ламп анодное напряжение может достигать нескольких сотен вольт. Значение тока может быть от нескольких миллиампер до долей ампера в случае использования мощных ламп.

Для снижения напряжения сети до 6,3 В, необходимого для питания нитей накала электронных ламп, используют трансформатор. Его первичная обмотка может иметь несколько выводов для включения в электрическую сеть с различным напряжением (рис. 102).

Рис. 102. Трансформатор, преобразующий напряжение сети 220, 127 или 110 В в напряжение накала 6,3 В.

Как ты видишь, проблема питания нитей накала решается очень просто. Не так просто решить проблему анодного напряжения, так как здесь требуется не только повысить напряжение, но и сделать его постоянным.

Для получения высокого напряжения применяют трансформатор. И я попутно обращаю твое внимание, что для всех видов питания используют только один трансформатор, имеющий несколько вторичных обмоток. Одна из них дает 6,3 В для нитей накала ламп, о чем мы только что говорили. С помощью другой получают высокое напряжение, которое еще предстоит преобразовать в постоянное. Для этой цели ток надлежит выпрямить. Ты уже знаешь устройство, выполняющее такую задачу. Это диод.

Посмотри на схему, на которой я стрелками показал направление электронного тока, выпрямленного диодом (рис. 103).

Рис. 103. Однополупериодная схема выпрямления высокого напряжения.

Ты видишь, что таким образом пропускают один полупериод из двух (рис. 104).

Рис. 104. Полупериоды напряжения, проходящего через диод, показаны сплошной линией. Пунктиром обозначены задерживаемые и поэтому не используемые полупериоды напряжения.

Полученное таким образом однонаправленное пульсирующее высокое напряжение довольно трудно выровнять. Вот почему желательно выпрямлять оба полупериода напряжения. Как это осуществить?

Я нарисовал тебе схему с двумя выпрямителям». В один из полупериодов ток проходит через один из этих выпрямителей, а во второй полупериод — через другой (рис. 105).

Рис. 105. Благодаря использованию двух диодов выпрямляются оба полупериода напряжения, которое поступает в приемник в одном направлении.

Действительно ли нужно использовать два трансформатора и два диода?

Можно обойтись одним трансформатором с отводом от средней точки. А оба диода, катоды которых, как ты видишь, соединены друг с другом, можно заменить одним двойным диодом с общим катодом (рис. 106).

Рис. 106. Вместо двух диодов и двух трансформаторов, показанных на рис. 105, здесь используются двойной диод и трансформатор с отводом от средней точки.

Обрати внимание, что в каждый полупериод ток проходит только по половине вторичной обмотки трансформатора: один раз — по левой, а в другой раз — по правой. Это означает, что общее напряжение на вторичной обмотке должно быть вдвое выше того, которое хотят получить.

В действительности трансформатор будет сложнее, так как он должен иметь еще две вторичные обмотки: одну — для подогрева нитей накала ламп приемника, другую — для накаливания катода двойного выпрямительного диода.

Обрати внимание на то, что здесь используется двойной диод прямого накала — сама нить накала служит катодом (рис. 107). В этом случае положительный полюс высокого напряжения получается на отводе от средней точки обмотки, служащей для накала выпрямительного диода.

Рис. 107. Блок питания, в котором используется двойной диод с прямым накалом.

Форма тока, оба полупериода которого выпрямлены, приближается к горизонтальной линии, характеризующей постоянный ток (рис. 108).

Рис. 108. Сплошной линией показан ток, являющийся результатом выпрямления обоих полупериодов напряжения. Пунктирной линией обозначены полупериоды напряжения, задержанные одним, но пропущенные другим диодом.

Как сгладить, или, как говорят, отфильтровать этот ток, чтобы сделать его действительно постоянным?

Для этой цели применяют фильтры, состоящие из катушки индуктивности, называемой дросселем, и конденсаторов (рис. 109).

Рис. 109. Между выпрямителем и приемником установлено звено сглаживающего фильтра, состоящее из двух электролитических конденсаторов и катушки индуктивности L.

Дроссель имеет стальной сердечник, называемый магнитопроводом, и обладает большой индуктивностью, которая препятствует нарастанию и убыванию тока в цепи и поэтому способствует сглаживанию пульсаций выпрямляемого тока.

Кроме того, чтобы уменьшить колебания тока, на выходе выпрямителя параллельно нагрузке включают конденсатор с большой емкостью между положительным и отрицательным полюсами высокого напряжения. Конденсатор в момент нарастания тока заряжается, а когда ток в цепи уменьшается, отдает накопленный заряд, тем самым компенсируя уменьшение напряжения в цепи.

Чем больше емкость конденсатора, тем больше и его заряд и, следовательно, тем лучше он сможет поддержать ток в цепи. Обычно включают два конденсатора: один до дросселя, а другой после него. Такая схема представляет собой фильтрующее звено. В некоторых случаях используют даже два таких звена, включая их последовательно.

Конденсаторы фильтра, как я тебе уже сказал, должны иметь большую емкость. Поэтому используют электролитические конденсаторы, емкость которых может достигать нескольких десятков микрофарад. Какие конденсаторы называют электролитическими?

Это конденсаторы, у которых в качестве одной обкладки, подключаемой к положительному полюсу, используется алюминиевая пластина; ее поверхность увеличивается благодаря большому количеству небольших углублений. Второй обкладкой служит жидкий проводник или полужидкая паста. Все это помещается в цилиндрический металлический корпус, имеющий контакт с электролитом, выполняющим роль отрицательной обкладки. Когда между двумя обкладками прилагается напряжение, электролит разлагается и создает на поверхности алюминия тонкую пленку окиси алюминия толщиной около одного микрометра.

Ты, конечно, не забыл, что емкость конденсатора обратно пропорциональна толщине диэлектрика, разделяющего обкладки. И ты, несомненно, понимаешь, почему электролитические конденсаторы обладают такой большой емкостью.

Но увы, ничто не свободно от недостатков. Чрезвычайно малая толщина диэлектрического слоя увеличивает вероятность пробоя, если разность потенциалов между обкладками превысит некоторую величину. Величина рабочего напряжения указывается для каждого электролитического конденсатора. Если в цепи конденсатора напряжение превысит допустимый предел, то через слой окиси алюминия проскочит искра. Но не беспокойся, это не испортит конденсатора. Как только напряжение снизится, слой диэлектрика восстановится.

Обычные конденсаторы не обладают такой способностью к восстановлению. Вследствие чрезмерного напряжения искры пробивают твердый диэлектрик. Он обугливается и становится проводником; конденсатор выходит из строя.

Не забывай, Незнайкин, что в отличие от обычных конденсаторов электролитический обладает емкостью только при определенной полярности. Поэтому следует внимательно включать его в цепь в соответствии с указанной на нем полярностью.

Теперь, когда мы рассмотрели устройство звеньев фильтра, вернемся к проблеме выпрямления тока.

Я объяснил тебе способ выпрямления тока с помощью вакуумного диода. Однако уже давно для этой цели используют полупроводниковые выпрямители. Создавая контакт между чистой медью и окисью меди, носящей название купрокса, получают превосходный выпрямитель. В самом деле, при приложении к этим двум элементам переменного напряжения электроны свободно переходят только в направлении из меди в купрокс. Накладывая одну на другую пластины, состоящие из этих веществ, можно сделать выпрямители, которые будут пропускать ток тем больший, чем больше площадь этих пластин.

Весьма часто такие выпрямители монтируют по так называемой мостовой схеме (рис. 110).

Рис. 110. Мостовая схема выпрямителя с четырьмя полупроводниковыми диодами. На среднем рисунке показано прохождение одного, а на правом — другого полупериода напряжения.

Как ты видишь, содержащая четыре выпрямителя схема имеет форму квадрата. К одной из диагоналей моста подводится переменное напряжение со вторичной обмотки трансформатора, а на концах другой диагонали получается выпрямленное высокое напряжение, которое подается на приемник.

На отдельных схемах я нарисовал для тебя путь тока при одном и при другом полупериодах. Обрати внимание на то, что, рисуя условное изображение выпрямителя, я сориентировал стрелки в направлении движения электрического тока.

В заключение скажу, что питание приемника от электрической сети не вызывает серьезных проблем. Трансформатор выдает ток накала для ламп; он же выдает высокое напряжение, которое выпрямляется, сглаживается и затем подается в анодные цепи приемника.

Надеюсь, что теперь я насытил твой голод знаний по вопросам питания.