Логотип

Радиотехнические расчеты начинающим

категория

Радиотехника, электротехника, самостоятельные расчеты

материалы в категории

В. ПОЛЯКОВ, г. Москва. Одобрено ЦТТУ Минобразования РФ
Радио, 2002 год, № 9

Предисловие к серии Радиотехнические расчеты начинающим.

В этом номере мы начинаем публиковать цикл статей под общим названием "Радиотехнические расчеты". Цель публикации — научить начинающих радиолюбителей выполнять элементарные расчеты цепей постоянного и переменного тока, колебательных контуров, транзисторных каскадов, усилителей, генераторов, преобразователей, стабилизаторов напряжения и т. д. Попутно мы поможем читателям глубже разобраться в сущности явлений, происходящих в различных радиотехнических устройствах и, таким образом, расширить свои знания в области электротехники и радиоэлектроники. Девиз публикаций: «Читая журнал "Радио", ты изучаешь радиотехнику!». Материал будут сопровождать числовые примеры, что позволит наглядно проиллюстрировать его и избавит от ошибок при проведении читателями самостоятельных расчетов.

Что, зачем и как считать?

Радиолюбительство ≈ это творчество. Приступая к изготовлению какой-либо конструкции, даже подробно где-то описанной (будь то усилитель, радиоприемник, блок питания, приставка к телевизору и т. д.), чаще всего не удается повторить ее совершенно точно, потому что нет необходимых деталей, не устраивают какие-то конструктивные или схемные решения, хочется получить несколько иные параметры и результаты, что-то доработать и усовершенствовать. Можно, конечно, действовать методом проб и ошибок, подбирая элементы конструкции вслепую, но не проще ли вооружиться ручкой, листком бумаги и прикинуть, что надо изменить, что должно получиться, в каком направлении действовать и какие именно детали нужны?

Сразу оговоримся, что экспериментальная доводка все равно может потребоваться, но объем ее будет неизмеримо меньше. Освоив и повторив известные конструкции, любитель редко останавливается на достигнутом и начинает разрабатывать что-то свое, оригинальное и неповторимое. Здесь без элементарных расчетов уже никак не обойтись! Как правильно установить режим транзистора, какого номинала и мощности устанавливать резисторы, какая мощность будет рассеиваться на транзисторах и диодах, широкой ли получится полоса пропускания ≈ на эти и многие-многие другие вопросы можно ответить, проведя элементарные расчеты. Я уж не говорю о расчете контуров, числа витков катушек и трансформаторов ≈ еще никому не удавалось угадать на глазок оптимальные данные этих элементов.

В статьях нашего цикла мы попытаемся дать элементарную методику радиотехнических расчетов, приведем необходимые формулы. Причем постараемся обратить внимание и на физическую сторону явлений, чтобы формулы не надо было запоминать механически, а чтобы они логическим образом вытекали из здравого смысла и понимания сущности происходящих процессов. Надеюсь, что уже после первой статьи о законе Ома вы не уподобитесь тому студенту (случай был в действительности), который на вопрос "Какое напряжение будет на резисторе 4 Ома при токе 1 ампер?" поднял глаза к светильнику на потолке и задумчиво ответил: ≈ "Сто двадцать семь, наверное!".

В тех случаях, когда математика станет слишком сложной, мы привлечем на помощь геометрию. Графические представления чрезвычайно полезны и несут очень много информации ≈ не зря же в справочниках приводят характеристики транзисторов и многих других элементов в виде графиков. Теперь предположим, что при каком-то расчете вам встретилась формула V(a + b2), в которую надо подставить а = 6,3 и b = 0,3. Придумайте геометрический аналог этой формулы и получите ответ. Пример взят отнюдь не случайно, именно так складываются активные и реактивные сопротивления. Пока думаете, обсудим вопрос: с какой точностью надо считать? Если вы уже достали калькулятор, чтобы сосчитать ответ в предложенном примере, то не делайте этого, а разделите 1 на 3. Калькулятор заполнит тройками все разряды после запятой. Неужели их все надо переписывать в ответ? Вы же умнее калькулятора и пустой работы делать не будете.

Результат расчета надо округлить, но что записать ≈ 0,3 или 0,33? Это зависит от точности, с которой вы производите расчеты. Последняя цифра отбрасывается, если она меньше 5, а если больше, то к предыдущей прибавляется 1. Например, 0,33 округляется до 0,3, а 0,37 ≈ до 0,4. В обоих случаях ошибка может достигать половины ненаписанного разряда, т.е. 0,05. Точность ответа (относительная ошибка) составит 0,05/0,3 = 17% в первом случае (когда вы записали в ответ 0,3) и лишь 1,5% ≈ во втором (когда записали 0,33)

Очень часто в грамотно записанных исходных данных уже содержатся сведения об их точности. Передо мной лежит кварцевый резонатор, на котором написано 27,000 МГц, и хотя частота дана в мегагерцах, я уверен, что кристалл отшлифован с точностью до 0,5 кГц, а относительная погрешность составляет менее 0,002 %. Если же на нем надпись 27 МГц, такой же точности ожидать трудно.

Высокая точность нужна, чтобы попасть на стандартизованную частоту Си-Би канала, а нужна ли она, скажем, при расчете сопротивления резистора? Конечно, нет, ведь сами резисторы в основном выпускаются с допусками 5, 10, а то и 20 %. То же относится к конденсаторам, а разброс характеристик транзисторов еще больше. Возьму на себя смелость сказать, что в подавляющем большинстве радиотехнических расчетов можно обойтись двумя значащими цифрами и точности 5...10 % вполне достаточно. Когда же что-то надо подрегулировать точнее, устанавливают подстроечные резисторы и конденсаторы, а катушки снабжают регулируемыми магнитопроводами с "сердечниками" ≈ подстроечниками.

Теперь дадим ответ на приведенную выше задачку. Ее геометрическая аналогия ≈ прямоугольный треугольник (рис. 1) и теорема Пифагора.

 

 Длины катетов ≈ а и Ь, ответ ≈ длина гипотенузы. Треугольник с приведенными данными даже невозможно нарисовать в масштабе ≈ слишком он остроуголен! И совершенно ясно, что длина гипотенузы с очень мало отличается от длины большого катета а. Если кто-то из нетерпеливых читателей уже решил задачку на калькуляторе, то увидел ответ: 6,3071388, и это число требует округления. Мы же эту задачку решать вообще не будем, поскольку нам теперь ясно, что в ответе 6,3 при точности лучше 1 %.

Есть и алгебраический способ, упрощающий расчет. Примем а за единицу измерения. А почему бы и нет, ведь все равно, как мерить длину удава ≈ в метрах, в ярдах или в попугаях, надо только знать коэффициенты перевода одних единиц в другие. Итак, а, измеренное в а, равно единице. Но b, измеренное в а, равно b/а = 0,3/6,3 = 0,05 (округляем). Это малая величина, по сравнению с единицей, обозначим ее х =b/а. Теперь формулу удобно представить рядом и ограничиться лишь первыми двумя членами: (1 + х2)1/2 = 1 + х2/2. Легко сосчитать в уме, что второй член составляет лишь 2,5·10-3, и им также можно пренебречь. Итак, ответ в а ≈ единица, а в прежних величинах ≈ 6,3.

Желающим предлагаем выполнить "домашнее" задание: какова длительность единичных импульсов (по отношению к периоду) на выходе логического элемента (рис. 2), если он переключается при напряжении 2 В, а на вход подан синусоидальный сигнал с амплитудой 4 В? Фамилии приславших наиболее полные и правильные ответы мы опубликуем.


 

Изучаем закон Ома

Сегодня речь пойдет о расчете токов, напряжений и сопротивлений в простейших цепях постоянного тока. Нет сомнения, что всем известен закон Ома для участка цепи, показанной на рис. 3,а: U = IR, где U ≈ падение напряжения на участке; I ≈ ток в цепи; R ≈ сопротивление этого участка цепи. Ошибаться в законе Ома стыдно, но если вы еще не запомнили эту формулу, воспользуйтесь рис. 3,б. Достаточно закрыть искомую величину пальцем, чтобы получить ответ, что на что надо умножать или делить. Рекомендуется пользоваться системой единиц СИ, где напряжение выражается в вольтах, сопротивление ≈ в Омах, ток ≈ в амперах. Однако при расчетах радиотехнических цепей бывает удобно взять ток в миллиамперах и сопротивление в килоомах ≈ тогда множители 10-3 и 103 сократятся и напряжение по-прежнему получится в вольтах.

Выразим ток I = U/R. Зависимость тока от напряжения прямо пропорционaльная, на графике l(U) она отображается прямой линией (рис. 3,в). Эту зависимость часто называют линейной.

Загадочный пример:

Берем батарею от карманного фонаря на 4,5 В и подключаем к ней последовательно соединенные резистор сопротивлением 1 Ом и амперметр (его всегда включают последовательно с нагрузкой). Схема эксперимента и порядок включения приборов показаны на рис. 4.

Казалось-бы все ясно как белый день: I = U/R, то есть 4,5 В делим на 1 Ом и должно получится 4,5 Ампера. А не тут -то было!! В чем дело, неужели закон Ома не работает?

Давайте будем разбираться...
Подключаем параллельно резистору вольтметр. Он покажет напряжение, меньшее 4,5 В и равное U = I·R. Где же "падает" остальное напряжение? На внутреннем сопротивлении батареи, которое мы в предыдущем расчете и не учли!
Не, ну на самом деле- получить от батарейки ток в 4,5 Ампера... Абсурд!

Здесь надо пользоваться законом Ома для полной цепи: I = E/(r + R), где Е ≈ электродвижущая сила батареи (ЭДС, именно она указана на упаковке, а вовсе не напряжение); r ≈ внутреннее сопротивление. Эти два параметра полностью характеризуют источник тока.

Посмотрим, как зависят ток и напряжение на нагрузке от ее сопротивления R. Напряжение на нагрузке U = l·R = ER/(r + R). Если сопротивление нагрузки увеличивать до бесконечности, ток будет стремиться к нулю, а напряжение ≈ к ЭДС. Узнать ЭДС легко, надо просто подсоединить вольтметр (без нагрузки) к выводам батареи. При этом предполагается, что вольтметр "хороший" ≈ высокоомный, т. е. потребляющий пренебрежимо малый ток. Если же нет, то "плохой" вольтметр покажет напряжение, меньшее ЭДС на величину Iв·r где Iв ≈ ток, потребляемый вольтметром.

Устремим теперь сопротивление нагрузки к нулю, тогда ток в цепи будет равен току короткого замыкания Iкз = Е/r. Теперь амперметр, показанный на рис. 4, должен быть "хорошим", т. е. обладающим исключительно малым собственным сопротивлением rа. В противном случае будет измерен не Iкз, а меньший ток, равный Е/(r + rа). Измерять ток короткого замыкания с помощью амперметра можно только у самых маломощных элементов и батарей (тогда он невелик, а очень кратковременное замыкание выводов батарее не вредит). Для многих аккумуляторов Iкзможет достигать сотен и тысяч ампер ≈ такой ток плавит медные провода и железные гвозди и уж наверняка испортит ваш амперметр.

К счастью, проводить подобный эксперимент совсем необязательно, а внутреннее сопротивление легко найти расчетным путем. Если высокоомным вольтметром измерить ЭДС, а затем напряжение U на известной нагрузке R, то из закона Ома для участка цепи легко найти I = U/R. Можно и измерить ток, тогда даже не обязательно знать сопротивление. Теперь преобразуем формулу закона Ома для полной цепи:r = Е/I - R. Подставив I, имеем r = R(E/U-1).

Этот же расчет можно выполнить и графическим путем. Для полной цепи, показанной на рис. 4, построим зависимость тока через нагрузку от напряжения на ней при условии, что сопротивление изменяется от 0 до бесконечности. Когда сопротивление равно 0, ток максимален и равен lK3, напряжение же равно 0 ≈ получаем точку а. Увеличим сопротивление до бесконечности (отключим его) ≈ напряжение возрастет до Е ≈ получаем точку b. Двух точек достаточно, чтобы провести через них прямую a≈b ≈ она называется нагрузочной характеристикой (утолщенная линия).

Включив теперь некоторое сопротивление R, измерив напряжение на нем U и вычислив ток I, получаем точку с. Ее легко найти и графически, построив в тех же координатах график l(U) для данного сопротивления R такой же, как на рис. 3,в (тонкая линия на рис. 5). Пересечение двух прямых линий и дает точку с.

В вышеприведенном расчете мы, собственно, и нашли точки b и с, измерив ЭДС и напряжение на нагрузке Проведя через них прямую, находим и точку а на пересечении с вертикальной осью (Iкз), а отсюда и внутреннее сопротивление r.

Теперь попытаемся ответить на вопрос, какая мощность Р выделяется в нагрузке? Как известно, Р = U·I. Вольты, умноженные на амперы, дают ватты. Если же ток измеряется в миллиамперах, а напряжение в вольтах, то мощность получается в милливаттах. По этой формуле легко найти мощность, рассеиваемую на резисторах. Например, если к резистору сопротивлением 1,2 кОм подведено напряжение 12 В, то ток составит 10 мА, а рассеиваемая мощность ≈ 120 мВт. Графически мощность равна площади прямоугольника, построенного на осях координат и касающийся вершиной точки с (он заштрихован на рис. 5).

Сопротивление нагрузки можно подобрать таким, чтобы оказаться в очень интересной точке d, где U = Е/2 и I = lK3/2. В этих условиях сопротивление нагрузки равно внутреннему сопротивлению источника, т. е. R = г, а площадь прямоугольника, соответствующая рассеиваемой в нагрузке мощности Р, окажется максимальной. Попробуйте сами для развлечения доказать это положение либо алгебраически ≈ нахождением максимума функции, либо доказательством геометрической теоремы. Условие R = r называется условием согласования, а нагрузка ≈ согласованной. При этом в ней выделяется наибольшая мощность.

Действительно, при больших сопротивлениях нагрузки падает ток, в пределе до нуля, а напряжение не может превзойти ЭДС. Следовательно, мощность в нагрузке стремится к нулю. Менее очевиден другой крайний случай, когда сопротивление нагрузки стремится к нулю Тогда ток возрастает до lK3, но напряжение U стремится к нулю, а значит, падает и мощность в нагрузке. Надо заметить, что мощность в этом случае все-таки рассеивается, но совсем не там, где надо, ≈ на внутреннем сопротивлении источника. Неоднократно замечено, что замкнутый накоротко гальванический элемент разогревается, одновременно быстро расходуя свою емкость.

Последний вопрос для сегодняшнего обсуждения ≈ каков КПД цепи, показанной на рис. 4? По определению, КПД равен отношению мощности, выделяемой в нагрузке, к полной мощности, расходуемой в цепи. Последняя равна Е·1, и КПД = U·l/E·l = U/E. Отсюда видно, что КПД близок к единице лишь при больших сопротивлениях нагрузки, при работе с малыми токами, когда U почти равно Е, а падение напряжения на внутреннем сопротивлении источника мало. При согласовании КПД = 0,5 (50 %) и половина полной мощности тратится внутри источника, а другая половина ≈ в нагрузке. В режимах, близких к короткому замыканию, КПД совсем мал. Это одна из причин, по которой гальванические элементы выгоднее разряжать малым током.

А теперь очередное "домашнее задание". Вас завезли на остров, спускается ночь, следующий рейс катера задержался и ему надо подать световой сигнал. Среди экспедиционного снаряжения вы нашли фонарь с полуразряженной батареей, мультиметр и три лампочки: 12 Вх0,1 А, 6 Вх0,2 А и 3 Вх0,4 А. Измерения параметров батареи показали ее ЭДС 12 В и ток короткого замыкания 0,4 А. Какую выбрать лампочку, чтобы свет был как можно ярче? (Заметьте, что схема фонаря соответствует рис. 4, не показан только выключатель.).

Почта сайта