Керамические НЧ конденсаторы (группы "Я" по ТКЕ) применяют в качестве шунтирующих, блокировочных, фильтровых, а также для связи между каскадами на низкой частоте. Для сохранения настройки колебательных контуров при работе в широком интервале температур необходимо использовать последовательное и параллельное соединение конденсаторов, у которых ТКЕ имеют разные знаки. Благодаря чему при изменении температуры частота настройки такого термокомпенсированного контура останется практически неизменной. Как и любые проводники, конденсаторы обладают некоторой индуктивностью. Она тем больше, чем больше размеры обкладок конденсатора и внутренних соединительных проводников, чем длиннее и тоньше его выводы. На практике для обеспечения работы блокировочных конденсаторов, у которых обкладки выполнены в виде длинных лент из фольги, свернутых вместе с диэлектриком в рулон круглой или иной формы, в широком диапазоне частот, параллельно бумажному (оксидному) подключают керамический или слюдяной конденсатор небольшой емкости.

Обозначение номинального значения емкости до 10000 пф указывается числом без указания единиц, от 10 000 пФ и выше - выражается числом с указанием единицы - мкФ.

Обозначение допускаемого отклонения емкости от номинального значения производится числом, соответствующим отклонению в процентах. Если конденсаторы какого-либо типа выпускаются с одним допускаемым отклонением или их емкость измеряется только в микрофарадах, то соответствующая этим данным маркировка не указывается (например, для электролитических конденсаторов).

2.3 Электролитические конденсаторы

Электролитические и оксидно-полупроводниковые конденсаторы в качестве диэлектрика содержат оксидный слой в материале являющемся одной из обкладок (анодом). Вторая обкладка (катод) - электролит (в электролитических конденсаторах) или слой полупроводника (в оксидно-полупроводниковых), нанесенный непосредственно на оксидный слой. Аноды изготовляются из алюминиевой /танталовой или ниобиевой фольги.

Электролитические и оксидно-полупроводниковые конденсаторы отличаются малыми размерами, большими точками утечки и большими потерями. При одинаковых номинальных напряжениях и номинальных емкостях объем танталовых конденсаторов меньше объема конденсаторов с алюминиевыми анодами.

Танталовые конденсаторы могут работать при более высоких температурах, их емкость меньше изменяется при изменении температуры, токи утечки у них меньше. Оксидно-полупроводниковые могут работать при более низких температурах, чем электролитические.

Проводимость широко распространенных электролитических и оксидно-полупроводниковых конденсаторов сильно зависит от полярности приложенного напряжения, поэтому они используются лишь в цепях постоянного и пульсирующего токов. Изготовляются также неполярные электролитические конденсаторы, в которых обе обкладки содержат оксидный слой. Значение переменной составляющей пульсирующего напряжения не должно превышать допустимого для данного конденсатора. Сумма амплитуды составляющей и постоянного напряжения не должна превышать номинального напряжения данного конденсатора.

Электролитические и оксидно-полупроводниковые конденсаторы используются в фильтрах выпрямителей, в качестве блокирующих и развязывающих в цепях звуковых частот, а также в качестве переходных в полупроводниковых усилителях звуковых частот.

Конденсаторы типов К52-2 и К52-3 с номинальными емкостями от 10 до 80 мкФ выпускаются в корпусах диаметром 13,5±0,5 мм и длиной 8±0,5 мм, а с номинальными емкостями от 100 до 1000 мкФ - в корпусах диаметром 24±0,5 мм. Внешний вид конденсаторов типа ЭМ и некоторых конденсаторов типа К50-6 показан на рисунке 11.6, а габаритные чертежи различных типов - на рисунке 11.7 и 11.8.

Основные параметры оксидно-полупроводниковых конденсаторов приведены в таблице 11.16, габаритные чертежи - на рисунке 11.9. Конденсаторы типа К53-7 выпускаются в корпусах с номинальными размерами (диаметр и длина): 3,2x18; 4x20; 4x25; 4x30; 7x20; 7x27; 7x30 и 7,8хЗОмм; типов К53-1, К53-4 и К53-12 - в корпусах с номинальными размерами 3,2x7,5; 4x10; 4x13; 7x12 и 7x16 мм; типа К53-6А- в корпусах с номинальным диаметром 9 мм, длиной 13,5 и 17,5 мм; типа КОПП - в корпусах с номинальным диаметром 10,5 мм, длиной 14 и 18 мм; типа К53-16- в прямоугольных корпусах с номинальными размерами 1,9x3,4x1,2, 2,3x3,7x1,6 и 2,3x5,0x1,6 мм.

2.4 Конденсаторы построечные и переменной емкости

Подстроечные конденсаторы применяются в колебательных контурах для точной подгонки емкости в процессе накладки радиоаппаратуры. Наиболее высокими электрическими показателями характеризуются построечные конденсаторы с воздушным диэлектриком, представляющие собой миниатюрные прямоемкостные конденсаторы переменной емкости. Керамические построечные конденсаторы отличаются более простой конструкцией, меньшими размерами и стоимостью, поэтому применяются наиболее широко.

Конденсаторы переменной емкости применяются в качестве элементов перестройки колебательных контуров, в частности в радиоприемных устройствах. Конденсаторы с воздушным диэлектриком отличаются большей точностью установки емкости, меньшими потерями и более высокой стабильностью. Конденсаторы с твердым диэлектриком характеризуются меньшими размерами. Важной характеристикой конденсатора переменной емкости является зависимость от угла поворота подвижных обкладок (ротора), которая определяет закон изменения частоты настройки колебательного контура.

В радиоприемниках применяются прямоволновые и прямочастотные конденсаторы переменной емкости. Прямоволновые конденсаторы характеризуются квадратичной зависимостью емкости от угла поворота ротора, а прямочастотные - обратно квадратичной зависимостью. В первом случае будет равномерной шкала приемника, выраженная в единицах длины волны, во втором- шкала настройки, выраженная в единицах частоты.

Из твердых диэлектриков в конденсаторах переменной емкости используются органические пленки и высокочастотная керамика. Конденсаторы с керамическим диэлектриком отличаются меньшими размерами. Конденсаторы с пленочным диэлектриком являются источниками электрического шума, обусловленного изменением емкости при вибрации и разрядами статического электричества, которое возникает в результате электризации органических пленок при вращении пластин конденсатора.

Выпускаются одно- и двухсекционные конденсаторы переменной емкости с твердым диэлектриком, а также одно- и многосекционные конденсаторы переменной емкости с воздушным диэлектриком. В таблице 11.18 приведены пределы изменения емкости двухсекционных малогабаритных конденсаторов переменной емкости для радиоприемников. Односекционные керамические конденсаторы типа КП4-ЗА имеют емкость 6...200 пФ, двухсекционные типа КП-ЗБ - 4... 200 пФ, типа КП-ЗВ - 5...150 пФ, типаКП4-ЗГ - 8...220 пФ. Номинальное рабочее напряжение этих конденсаторов составляет 10В.

3. Катушки индуктивности

Высокочастотными называются катушки индуктивности, сопротивление которых имеет индуктивный характер в диапазоне частот с верхней границей 100 кГц...400 МГц. Высокочастотные катушки индуктивности применяются в качестве элементов колебательных контуров для получения магнитной связи между определенными участками электрических цепей РЭА или создания на отдельных участках электрической цепи заданных реактивных сопротивлении индуктивного характера.

В зависимости от назначения высокочастотные катушки индуктивности разделяют на четыре группы:

а) катушки контуров, не определяющих частоту;

б) катушки контуров, определяющих частоту (например, гетеродинов);

в) катушки связи контуров с другими цепями;

г) дроссели высокой частоты.

По конструктивным признакам катушки делят на цилиндрические, плоские (спиральные) и тороидальные, одно- и многослойные, с сердечниками и без сердечников, экранированные и неэкранированные. Однослойные катушки выполняются намоткой с принудительным шагом или сплошной, плоские катушки наматывают из провода или изготовляют из фольги на печатной плате.

Высокочастотные катушки с переменной индуктивностью, используются для перестройки контуров в процессе эксплуатации аппаратуры, а подстраиваемые катушки -- для регулировки аппаратуры в процессе изготовления.

3.1 Основные параметры катушек индуктивности

Индуктивность характеризует количество энергии, запасаемой катушкой, при протекании по ней электрического тока. Чем больше индуктивность катушки, тем больше энергия магнитного поля при заданном значении тока. Индуктивность зависит от формы, размеров, числа витков катушки, а также от размеров, формы и материала ее сердечника.

Добротность -- отношение реактивного сопротивления катушки к ее активному сопротивлению потерь. Добротность катушки в большинстве случаев определяет резонансные свойства и КПД контура.

Собственная емкость является паразитным параметром. Наличие собственной емкости катушки обусловливает увеличение потерь энергии и уменьшение, стабильности настройки колебательных контуров. В диапазонных контурах собственная емкость катушки уменьшает коэффициент перекрытия диапазона частот.

Стабильность параметров при изменении температуры и влажности, а также во времени имеет особое значение для катушек контуров гетеродинов, узкополосных фильтров и др. Стабильность индуктивности при изменении температуры характеризуется температурным коэффициентом индуктивности (ТКИ), равным относительному изменению индуктивности при изменении температуры на I⁰ С.

3.2 Катушки индуктивности для колебательных контуров

Однослойные цилиндрические катушки выполняются на диэлектрических каркасах или без них. Катушки без каркасов применяются, когда необходима большая добротность при невысоких требованиях к стабильности индуктивности, например для контуров входных устройств приемников диапазона метровых волн. Диаметр провода для таких катушек выбирают в основном из соображений жесткости конструкции (1...1,5 мм и более), а количество витков ограничивают (5...8). Для однослойных катушек, выполняемых сплошной намоткой, изготовляют гладкие каркасы; для катушек, наматываемых с принудительным шагом,-- каркасы с канавкой, расположенной по винтовой линии, или с ребрами вдоль образующей цилиндра.

Катушки, намотанные с принудительным шагом, отличаются меньшей собственной емкостью и большей добротностью. Повышение их добротности обусловлено снижением потерь в диэлектрике вследствие уменьшения собственной емкости. Указанные достоинства катушек, намотанных с принудительным шагом, проявляются сильнее при намотке на каркасы с ребрами, а также при изготовлении каркаса из материала с меньшим значением произведения диэлектрической проницаемости на тангенс угла потерь.

Для однослойных катушек с индуктивностью выше 15...20 мкГ обычно применяют сплошную намотку. Целесообразность перехода на сплошную намотку определяется диаметром катушки. Приведем ориентировочные значения индуктивности, при которых целесообразен переход на сплошную намотку:

Диаметр каркаса, мм в 0 10 15 20 25

Предельная индуктивность, мкГ 2 4 10 20 30

Катушки с индуктивностью более сотен микрогенри выполняют многослойными. При диаметре каркаса 10 мм однослойная намотка целесообразна при индуктивности не более 30 мкГ.

Однослойные катушки индуктивности наматывают медным посеребренным проводом (с принудительным шагом) или медным проводом в эмалевой изоляции. Катушки для колебательных контуров гетеродинов коротких и метровых волн, к которым предъявляются требования высокой добротности и стабильности индуктивности, наматывают на каркасы из высокочастотной керамики, характеризующейся малым температурным коэффициентом линейного расширения, малым значением тангенса угла потерь и достаточной механической прочностью. Намотку выполняют проводом со значительным натяжением (50;..60% разрывного усилия) или нагретым до 80...120⁰ С проводом при незначительном натяжении. Более высокой стабильностью характеризуются катушки, в которых обмотка образована слоем меди, нанесенной на керамический каркас методом вжигания с последующим серебрением.

Индуктивность однослойной катушки, выполненной сплошной намоткой, определяется по формуле

, (3.1)

где L - индуктивность, мкГ; D - диаметр катушки, см; l - длина намотки, см; - число витков;

При намотке с принудительным шагом по формуле:

, (3.2)

где L - индуктивность катушки, мкГ; L - индуктивность, вычисленная по формуле (3.1), мкГ; k - поправочный коэффициент.

Для точной подгонки индуктивности однослойных катушек, выполненных сплошной намоткой, перемещают подстроечный сердечник, крайние витки или короткозамкнутый виток, соосный с катушкой. Индуктивность катушек, намотанных с принудительным шагом, можно изменять также, перемещая место подсоединения одного из выводов.

Симметричные катушки индуктивности применяются в симметричных колебательных контурах (контуры частотных детекторов и др.). Бифилярная намотка выполняется двумя проводами, сложенными вместе. Начало одного провода соединяют с концом другого. Место соединения является средним выводом катушки. При такой намотке допускается подстройка индуктивности сердечником при несущественном нарушении симметрии. Перекрестная намотка позволяет достичь более точной симметрии, которая не нарушается при подстройке сердечником.

Многослойные цилиндрические катушки индуктивности применяют, когда требуется индуктивность более 30...50 мкГ.

Несекционированные многослойные катушки с рядовой обмоткой характеризуются пониженными добротностью и стабильностью, большой собственной емкостью Значительно лучшими показателями обладают многослойные катушки, выполненные намоткой «внавал», когда витки располагаются хаотично. Катушки, выполненные намоткой «универсаль» (перекрестной), также могут иметь сравнительно высокую добротность (до 100) и пониженную собственную емкость, однако для их изготовления требуется более сложное оборудование. В настоящее время катушки, выполненные намоткой «универсаль», изготовляются редко, поскольку равноценные параметры можно получить при намотке «внавал», если использовать типовые ферромагнитные сердечники. Обычно многослойные катушки наматывают на каркасы из полистирола. Для намотки используются провода с эмалевой изоляцией, эмалевой и дополнительной, шелковой, изоляцией. При использовании проводов с дополнительной, шелковой, изоляцией уменьшается собственная емкость катушек, а, при использовании литцендрата, повышается добротность (на частотах, не превышающих 1....1,5 МГц). Существенный недостаток катушек, намотанных литцендратом,-- резкое возрастание собственной емкости при обрыве или плохом контакте хотя бы одной из жилок провода.

Индуктивность многослойной катушки без сердечника определяется по формуле:

, (3.3)

где L -- индуктивность, мкГ; D_cp --средний диаметр катушки, см;

l -- длина катушки, см; t -- толщина катушки, см; -- число витков.

Секционированные катушки характеризуются, сравнительно высокой добротностью, пониженной собственной емкостью и меньшим наружным диаметром. Наиболее часто секционированные катушки наматывают на специальные каркасы внавал. Каждая секция представляет собой многослойную катушку с небольшим числом витков. Число секций выбирают обычно от двух до шести.

Индуктивность секционированной катушки, состоящей из n секции, определяется по формуле:

L=L_c(n+2k_cв(n-1)), (3.4)

где L_c -- индуктивность секции; k_св -- коэффициент связи между смежными секциями, зависящий от размеров секций и расстояния b между ними. Отношение b/D_ср выбирают так, чтобы значение коэффициента связи находилось в пределах 0,25…0,4. Это достигается при b = 2l. Каждая секция рассчитывается как обычная катушка (см. выше).

Плоские катушки представляют собой спирали, изготовленные намоткой из медных обмоточных проводов или методом печатного монтажа из фольгированного гетинакса или стеклотекстолита. Они могут иметь круглую, квадратную или другую форму. Плоские проволочные катушки характеризуются удовлетворительной механической прочностью, сравнительно небольшой собственной емкостью, простотой изготовления и могут применяться на частотах до 10 МГц. Для их изготовления целесообразно использовать провода с дополнительной шелковой изоляцией, поскольку при этом достигается повышенная прочность клеевого соединения витков.

Печатные плоские катушки на стеклотекстолите отличаются повышенной механической прочностью и применяются на частотах до 100 МГц. Для более высоких частот печатные катушки изготовляют из фольгированного фторопласта. Обычно индуктивность печатных катушек не превышает 10 мкГ. Чтобы получить приемлемое значение добротности катушки, ширину проводников выбирают в пределах 0,4...1 мм. При этом на площади 1 см² размещается катушка с индуктивностью до 10 мкГ. Для увеличения индуктивности можно использовать последовательное включение двух и более катушек, расположенных на одной или двух сторонах печатной платы. Для повышения добротности катушки следует выбирать диаметр внутреннего витка не менее 10 мм. Современные печатные катушки имеют добротность 100...130 на частотах 10...30 МГц.

Индуктивность и добротность плоской катушки существенно увеличивается, если с одной или обеих сторон на нее наложить ферритовые пластинки. Изменяя расстояние между катушкой и пластинками, можно регулировать индуктивность катушки.

Экранированные катушки применяют, когда необходимо устранить паразитные связи, обусловленные внешним электромагнитным полем катушки, или влияние на катушку полей других источников Эффективность экранирования повышается при увеличении частоты переменного поля, толщины экрана и уменьшении удельного сопротивления материала экрана. Экраны высокочастотных катушек индуктивности изготовляют из меди или алюминия толщиной не менее 0,4...0,5 мм. Такая толщина экрана при частоте переменного поля более 1 МГц превышает расстояние, на котором плотность наводимого тока падает в 100 раз по сравнению с плотностью тока на поверхности экрана, что достаточно для эффективного экранирования.

Под влиянием экрана изменяются параметры катушки: уменьшаются индуктивность и добротность, увеличивается собственная емкость. Изменение параметров катушки тем больше, чем ближе к ее виткам расположен экран.

Часто экраны высокочастотных катушек снабжены отверстиями для вращения сердечников или изменения положения одной из катушек, связанных индуктивно. В этих случаях отверстия должны быть минимальными. Прорези следует располагать перпендикулярно к образующей цилиндрического экрана, если катушка расположена соосно с экраном.

Катушки с сердечниками из немагнитных металлов, характеризующиеся высокой стабильностью, применяются в контурах гетеродинов, широкополосных УПЧ в приемниках КВ и УКВ, Материал сердечников -- медь, латунь, алюминий и его сплавы. Медные сердечники используются преимущественно для подстройки индуктивности (до 20%), когда вносимые сердечником потери должны быть минимальными. При введении в катушку металлического сердечника индуктивность и добротность уменьшаются, причем индуктивность уменьшается тем больше, чем.больший объем металла вводится и чем больше его проводимость. Добротность уменьшается еще в большей степени, чем индуктивность. Например, введение в катушку медного сердечника, уменьшающего индуктивность на 15%, вызывает снижение добротности на 45%. При введении алюминиевого сердечника, уменьшающего индуктивность на 15%, добротность уменьшается в 3...4 раза. Поэтому алюминиевые сердечники используются в катушках широкополосных контуров для специальных приемников.

При расчете катушек с сердечниками из немагнитных металлов определяют расчетное значение индуктивности катушки без сердечника:

L=L_тр(1+?L/L), (3.5)

где L_тр -- требуемое значение индуктивности; ?L/L --относительное изменение индуктивности катушки при введении сердечника.

Катушки с ферромагнитными сердечниками содержат меньшее число витков при заданной индуктивности и отличаются более высокой добротностью и меньшими размерами. Применение ферромагнитных сердечников позволяет уменьшить размеры экранов и упростить подгонку индуктивности. Указанные преимущества полностью реализуются в диапазонах ДВ, СВ и КВ при соответствующем выборе вида сердечника и его материала и малых напряжениях на катушке, например в радиоприемниках. При использовании ферромагнитных сердечников снижается стабильность параметров катушек, кроме того, индуктивность и добротность катушек зависят от амплитуды переменного напряжения на катушке и значения постоянного тока, протекающего через обмотку.

Ферромагнитные сердечники для катушек изготовляются из магнитодиэлектриков и ферритов. При Заданных габаритных размерах катушки следует применять материал сердечника, обладающий наименьшим значением отношения тангенса угла потерь к начальной магнитной проницаемости в диапазоне рабочих частот. Сердечники из ферритов обеспечивают большую добротность катушек, чем сердечники из магнитодиэлектриков. Для стабильных высокочастотных катушек индуктивности рекомендуется применять сердечники из карбонильного железа.

Основные параметры ферромагнитных сердечников. Эффективная магнитная проницаемость ?_с - отношение индуктивности катушки с сердечником к индуктивности этой катушки без сердечника. Чем больше магнитная проницаемость материала сердечника (измеряется на сердечниках кольцевой формы), ниже частота переменного напряжения на катушке и меньше расстояние между сердечником и обмоткой катушки, тем выше эффективная магнитная проницаемость сердечника.

Добротность характеризует потери, вносимые сердечником в катушку, и равна отношению реактивного сопротивления катушки к вносимому сопротивлению потерь. Измеряется на стандартной катушке.

Относительная добротность сердечника Q_отн -- отношение добротности катушки с сердечником к добротности этой же катушки без сердечника -- характеризует потери, вносимые сердечником в катушку, и может служить мерой определения диапазона рабочих частот. Верхней границей диапазона рабочих частот является частота, при которой относительная добротность уменьшается до единицы. За пределами диапазона рабочих частот применение сердечника целесообразно только для регулировки индуктивности.

Стабильность параметров сердечника характеризуется изменением эффективной магнитной проницаемости и потерь при изменении температуры окружающей среды, влажности воздуха, а также со временем. При изменении температуры изменяется главным образом магнитная проницаемость. Это изменение характеризуется температурным коэффициентом магнитной проницаемости ТК?_с равным относительному изменению ?_с при изменении температуры на 1° С. Изменение ?_с с течением времени вызывается старением материала и проявляется особенно резко в начальный период после изготовления сердечника.

3.3 Катушки с цилиндрическими сердечниками

Промышленностью выпускаются цилиндрические сердечники из карбонильного железа и ферритов (рис. 3.1). Резьбовые сердечники используются в цилиндрических одно и многослойных катушках, когда требуется подгонка индуктивности в процессе регулировки аппаратуры, и в качестве элемента подстройки (подстроечника) броневых сердечников. Для этих же целей используются гладкие (стержневые) и трубчатые сердечники с напрессованной резьбовой втулкой из пластмассы. Стержневые сердечники применяются также в дросселях высокой частоты, а трубчатые -- в ферровариометрах.

Для тонких катушек, намотанных непосредственно на сердечник, длина которого превышает длину катушки, эффективную магнитную проницаемость сердечника определяют по приближенной эмпирической формуле:

?_с=?_н/(1+0,84(D_c/l_c)^1,7(?_н-1)), (3.6)

где ?_н -- начальная магнитная проницаемость материала сердечника; D_c-- диаметр цилиндрического сердечника; 1_с -- длина сердечника.

Катушки с тороидальными (кольцевыми) сердечниками характеризуются минимальными размерами, практически полным отсутствием внешнего магнитного поля, что позволяет использовать их без экранов, и сравнительно высокой добротностью (при выборе соответствующих материалов). Недостатки этих катушек сложность намотки, невозможность регулировки индуктивности и пониженная стабильность индуктивности. Катушки с кольцевыми сердечниками применяются в контурах промежуточной частоты малогабаритных приемников, в контурах, перестраиваемых подмагничиванием, в качестве дросселей и т.п.

Выбор материала и типоразмера сердечника для тороидальных катушек определяется требованиями к катушке. При высоких требованиях к стабильности параметров катушки следует применять кольца из альсиферов с компенсированным ТК?_н. Размеры кольца выбирают с учетом требований к индуктивности и добротности катушки. Чем больше индуктивность и добротность катушки, тем большими должны быть размеры кольца.

Для намотки катушек с кольцевыми сердечниками следует применять обмоточные провода с повышенной механической прочностью изоляции (с дополнительной, шелковой, изоляцией или изолированных высокопрочными эмалями). Намотку выполняют при помощи шпули, на которую предварительно наматывают провод. Перед намоткой кольцо следует обмотать лентой из лакоткани.

Индуктивно связанные катушки используются для магнитной связи между колебательными контурами, между антенной (или антенным фидером) и входным контуром приемника, в межкаскадных связях, в качестве широкополосных трансформаторов, и т.п. Для обеспечения магнитной связи между катушками их наматывают на общий каркас (или сердечник) либо располагают рядом так, чтобы их оси были параллельны. Отклонение от этого условия приводит к уменьшению связи.

Степень магнитной связи между катушками характеризуется взаимной индуктивностью, которая зависит от числа витков катушек, их формы и размеров.

Ферровариометры (вариометры с ферромагнитными сердечниками) применяются в качестве элементов настройки колебательных контуров, например, в автомобильных приемниках. Ферровариометр (рис. 3.2) состоит из цилиндрической катушки, внутрь которой вдвигается сердечник из материала с высокой магнитной проницаемостью, например из феррита. Катушка размещается внутри цилиндра из ферромагнитного материала.

Коэффициент перекрытия ферровариометра тем больше, чем больше магнитная проницаемость материала сердечника и чем ближе он расположен к виткам катушки. Если использовать ферритовый сердечник, можно получить коэффициент перекрытия 25...30 и больше. Следует выбирать сердечники, у которых длина в 5...10 раз больше диаметра, а диаметр сердечника меньше наружного диаметра каркаса катушки на 0,5....! мм.

Ферровариометры могут использоваться для одновременной перестройки нескольких колебательных контуров. При этом сопряжение настроек контуров преселектора приемника и гетеродина обычно достигается включением дополнительных сопрягающих катушек индуктивности. В этом случае ферровариометры преселектора и гетеродина идентичны. Сопряжение может также достигаться применением сердечников различных форм и размеров или катушек с разным расположением витков.

3.4 Дроссели высокой частоты

Дросселем высокой частоты называют катушку индуктивности, включаемую в цепь для увеличения сопротивления токам высокой частоты. Основные параметры дросселя: полное сопротивление, сопротивление постоянному току и собственная емкость. Сопротивление дросселя постоянному току должно быть минимальным, полное сопротивление -- достаточно большим и иметь индуктивный характер. Собственная емкость С₀ дросселя определяет его критическую частоту

f_кр=0,5?(LC₀)^0,5, (3.7)

где L--индуктивность дросселя.

На частотах ниже критической полное сопротивление дросселя имеет индуктивный характер. Критическая частота дросселя должна быть возможно большей (по крайней мере больше максимальной рабочей частоты аппаратуры, в которой используется дроссель). Поэтому его собственная емкость должна быть минимальной. Точность индуктивности не имеет значения.

Конструктивно дроссели высокой частоты выполняются в виде одно- или многослойных катушек с ферромагнитными сердечниками или без них. Многослойные используют в диапазонах ДВ и СВ, однослойные -- на более коротких волнах. Для уменьшения собственной емкости многослойные катушки секционируют, а однослойные наматывают с принудительным шагом. Еще лучшие результаты можно получить при намотке с прогрессивным шагом, при этом дроссель должен быть подключен так, чтобы меньший потенциал высокой частоты был со стороны малого шага намотки.

Если добротность дросселя не имеет значения, то с целью уменьшения собственной емкости дросселя выбирают диаметр каркаса от 3 до 6 мм и наматывают провод малого диаметра (0,02... 0,06 мм). Однако плотность тока не должна превышать 4...5 А/мм².

Дроссели с ферромагнитными сердечниками отличаются меньшими размерами, меньшим количеством витков при заданной индуктивности и, следовательно, меньшей собственной емкостью. Поэтому они могут работать в более широком диапазоне частот. Если через дроссель протекает небольшой ток и требуется большая индуктивность, то целесообразно использовать тонкие стержни (диаметром 1,5...2 мм) из ферритов с большой магнитной проницаемостью. Если использовать феррит марки 600НН, у которого с увеличением частоты уменьшается диэлектрическая проницаемость, а при частоте выше граничной -- и магнитная проницаемость, то индуктивность и собственная емкость дросселя будут уменьшаться с повышением частоты, что исключит резонансные явления в широком диапазоне частот.

Добротность дросселя важна в случаях, когда он подключается параллельно колебательному контуру (по переменному току). При этом целесообразно изготовление дросселя с ферромагнитным сердечником.

Число витков дросселя определяют так же, как число витков контурных катушек индуктивности. Диаметр провода выбирают так, чтобы получить приемлемую плотность тока и падение напряжения на дросселе не более 10% напряжения источника питания.

При изготовлении дросселей высокой частоты с ферромагнитными сердечниками цилиндрической формы на сердечник накладывают слой конденсаторной бумаги или диэлектрической пленки и сверху наматывают обмотку. Если используется броневой сердечник, обмотку располагают на секционированном каркасе из пластмассы. На тороидальном сердечнике обмотку наматывают секциями.

3.5 Общие сведения о трансформаторах и дросселях низкой частоты

Трансформатор - электромагнитное устройство переменного тока, предназначенное для изменения напряжения, согласования сопротивлений электрических цепей, разделения цепей источника и нагрузки по постоянному току, а также для изменения состояния цепи относительно корпуса. Основной частью трансформатора является магнитопровод из магнитно-мягкого материала с размещенными на нем обмотками.

Трансформаторы, используемые в приемно-усилительной аппаратуре, можно разделить на трансформаторы питания (силовые) и согласующие (сигнальные). Трансформаторы питания применяются в выпрямительных устройствах для получения различных напряжений. Согласующие трансформаторы используют для согласования входа усилителя и источника сигнала (входные), выхода усилителя с нагрузкой (выходные), в качестве элемента межкаскадной связи (межкаскадные).

Дроссель низкой частоты - катушка индуктивности с магнитопроводом, предназначенная для использования в электрических цепях в качестве индуктивного сопротивления.

В приемно-усилительной аппаратуре дроссели низкой частоты используются в фильтрах питания, различных низкочастотных фильтрах и цепях коррекции АЧХ.

Наиболее важными электрическими параметрами трансформаторов питания являются выходное напряжение, номинальная мощность, КПД, падение напряжения.

Номинальной мощностью трансформатора питания называют сумму номинальных мощностей вторичных обмоток (ГОСТ 80938--75), Номинальная мощность вторичной обмотки определяется как произведение тока при номинальной нагрузке на номинальное напряжение. Ряд номинальных напряжений вторичных обмоток установлен ГОСТ 10763--64. Допустимые отклонения напряжений от номинальных ±0,15 В при номинальных напряжениях не более 7,5 В и ±2%, при номинальных напряжениях более 7,5 В (ГОСТ 14233-74).

Номинальная мощность трансформатора пропорциональна частоте напряжения сети, индукции в магнитопроводе, плотности тока обмоток, площади сечения стали в магнитопроводе и площади сечения меди, заполняющей окно магнитопровода.

КПД трансформатора:

?=Р_ном/(Р_ном+Р_мп+Р_об)

где Р_ном -- номинальная мощность трансформатора; Р_мп -- мощность потерь в магнитопроводе; Р_об -- мощность потерь в обмотках.

Падение напряжения ?U, выраженное в относительных единицах, показывает степень изменения выходного напряжения при полном изменении тока нагрузки от нуля до номинального значения: ?U=Р_об/Р_ном. Следовательно, для повышения стабильности выходного напряжения необходимо уменьшать потери в обмотках путем снижения сопротивления обмоток.

Масса и габаритные размеры трансформатора зависят от номинальной мощности, напряжения, КПД и допустимой температуры перегрева трансформатора.

3.6 Согласующие трансформаторы

Согласующие трансформаторы применяются чаще всего в выходных каскадах УНЧ для согласования сопротивления нагрузки с выходным сопротивлением выходного каскада. Для междукаскадной связи согласующие трансформаторы применяют, когда требуется большая амплитуда тока на выходе усилителя. В этом случае использование согласующего трансформатора на входе оконечного каскада позволяет значительно повысить усиление мощности сигнала и снизить расход энергии питания. Кроме того, в предоконечном каскаде может быть применен транзистор меньшей мощности. Междукаскадный трансформатор необходим также при очень низком входном сопротивлении следующего каскада. На входе усилителя согласующие трансформаторы применяются, когда источник сигнала имеет малое выходное сопротивление и развивает малую ЭДС или при необходимости симметрирования входной цепи.

Основные параметры согласующих трансформаторов: индуктивность первичной обмотки L₁ индуктивность рассеяния L_s, активное сопротивление обмоток r, собственная емкость C_тр,. коэффициент трансформации п, постоянная времени трансформатора ?_тр, критическая мощность Р_кр, КПД и уровень нелинейных искажений, вносимых трансформатором.

Величины L_s,L₁, С_тр и r вместе с сопротивлением нагрузки определяют частотные искажения трансформаторного каскада. Индуктивность L₁ зависит от постоянной и переменной составляющих токов в обмотках, которые влияют и на уровень нелинейных искажений. Чтобы частотные искажения не превышали допустимых, значение L₁ должно быть достаточно большим, а С_тр.и L_s-- достаточно малыми.

Коэффициент трансформации -- отношение числа витков вторичной и первичной обмоток. Значение n выбирается из условия согласования сопротивлений источника сигнала и нагрузки.

Постоянная времени трансформатора, работающего в режиме класса А, определяется по формуле:

?_тр =2L₁/r₁ (3),

а работающего в режиме класса В--по формуле:

?_тр =3,4L₁/r₁ (4)

где L₁ -- индуктивность, Г; r₁ -- активное сопротивление, Ом, первичной обмотки.

Постоянная времени трансформатора зависит только от геометрических размеров магнитопровода и обмоток, а также от свойств материалов магнитопровода и проводов.

Критическая мощность трансформатора -- мощность, при которой, вносимые трансформатором, нелинейные искажения равны максимально допустимым.

Нелинейные искажения, вносимые трансформатором, обусловлены нелинейностью характеристики намагничивания магнитопровода и в ряде случаев нестационарными процессами при отсечке тока в обмотках. Для того чтобы искажения не превышали допустимого уровня, амплитуда магнитной индукции в магнитопроводе при наибольшей амплитуде сигнала на трансформаторе и наинизшей частоте должна быть не больше допустимого значения, которое зависит от свойств материала магнитопровода.

Нелинейные искажения, обусловленные отсечкой тока в обмотках, например, при работе усилителя в режиме класса В, проявляются в основном на высших рабочих частотах. Для уменьшения этих искажений необходимо уменьшить индуктивность L_s.

3.7 Дроссели сглаживающих фильтров питания

Основными параметрами дросселей сглаживающих фильтров питания являются индуктивность, номинальный ток подмагничивания, сопротивление постоянному току, допустимое переменное напряжение. Во многих случаях стремятся при заданных габаритных размерах и массе получить возможно большую (или заданную) индуктивность при минимальном сопротивлении постоянному току. Поскольку индуктивность дросселя зависит от тока подмагничивания и амплитуды переменного напряжения, ее измеряют при номинальном токе подмагничивания и заданном переменном напряжении.

4. Кварцевые резонаторы

4.1 Описание кристалла кварца

Кристаллический кварц SiO (кремнезем) - безводная двуокись кремния. В природе существует четыре разновидности кварца в зависимости от температуры его образования. Главное значение в технике имеет в-кварц, обладающий пьезоэффектом. При нагревании выше 573 С в результате полиморфного превращения в-кварц переходит в а-кварц, который не обладает свойством пьезоэффекта. Поэтому в процессе производства, когда кварцевые резонаторы проходят различные стадии технологической обработки при высоких температурах, следует остерегаться повышения температуры.

Чаще всего встречается в-кварц следующих цветов:

· Бесцветный - горный хрусталь;

· Дымчатый - раухтопаз;

· Черный - морион;

· Золотистый - желтый - цитрин;

· Сиреневый - аметист.

Нагревание кристалла кварца имеет до температуры 350 С приводит к обесцвечиванию его за счет обесцвечивания примесей, кристалл приобретает прозрачность.

Кристалл кварца имеет вид шестигранной призмы с двумя шестигранными пирамидами на концах. В таком виде кристаллы кварца встречаются редко. Форма кристалла кварца образована гранями пяти видов. Этих граней в кристалле кварца по шесть (всего в кристалле может быть до 30 граней). По их положению кристалл кварца определяется на левый и правый. В природе встречаются левые и правые кристаллы, являющиеся зеркальным отображением друг друга.

Элементарная ячейка кристаллической решетки кварца имеет форму параллелепипеда - это кристаллические оси кристалла.

Направление z называется оптической осью, потому, что когда в этом направлении через кристалл проходит поляризованный свет, плоскость поляризации поворачивается. Электрическая проводимость кварца в направлении оптической оси значительно выше, чем в других направлениях.

Кристалл кварца является анизотропным веществом и обладает следующими физическими свойствами:

Плотность…………………………………………………….2.65г/см³

Твердость (по шкале твердости Мооса)………………………7г/см³

Температура плавления……………………………………….1710^оС

Удельное электрическое сопротивление при температуре 20^оС, измененное параллельно оси z………………………………0,1*10¹⁵Ом/см³

Перпендикулярно оси z……………………………20*10¹⁵Ом/см³

Сопротивление раздавливанию……………………………..3-4 Гпа

Сопротивление разрыву………………………………………100 Мпа

Коэффициент теплового объемного расширения ……………30*10^-6

Коэффициент линейного расширения параллельно оси z……9*10^-6

Перпендикулярно оси z………………………………14.8*10^-6

Диэлектрическая проницаемость в направлении, параллельном оси z….4.6 перпендикулярном оси z…………………………………………4.5

В шкале твердости минералов Мооса в числе 10 минералов, расположенных в порядке возрастания их относительной твердости, каждый последующий минерал может нанести царапину на предыдущем. В таблице 1.1 эти минералы отмечены звездочкой.

Кварц химически устойчив, он не растворяется в кислотах, за исключением плавиковой кислоты.

Таблица 1.1. Относительная твердость минералов

4.2 Типы кварцевых резонаторов

Кварцевые резонаторы различают не только по виду колебаний пьезоэлементов, но и по форме последних, числу электродов наружных выводов. Каждой форме пьезоэлементов кварцевых резонаторов соответствует один или несколько колебаний:

1) пьезоэлементам прямоугольной формы - продольные и поперечные колебания, колебания сдвига по контуру и толщине, колебания изгиба;

2) пьезоэлементам круглой формы и линзам - продольные и поперечные колебания, колебания сдвига по толщине;

3) брускам (стержням) квадратного или близкого к квадратному поперечного сечения - колебания изгиба и кручения.

По числу электродов кварцевые резонаторы делятся на двух-, трех- и четырехполюсные, а по числу наружных выводов из баллона - на двух-, четырех-, семи-, восьми- и девятивыводные.

По ГОСТ 6503-67 «Резонаторы кварцевые герметизированные на частоты колебаний от 0,75 до 100МГц» резонаторы разделились на два типа:

М - миниатюрные для диапазона частот от 5 до 100 МГц и Б - малогабаритные для диапазона частот от 0,75 до 100 МГц;

по конструкции выводов: М1 и Б1 - с жесткими выводами для вставки в панель;

М2 и Б2 - с легкими выводами для припайки;

М3 и Б3 - с жесткими выводами для припайки к ним гибких монтажных проводов.

На рис. 1.1. приведена конструкция и габаритные размеры кварцевого резонатора (У) на низкие частоты.

4.3 Эквивалентные параметры кварцевого резонатора

Кварцевый резонатор - пьезоэлектрический резонатор, основным элементом которого является кварцевый кристаллический элемент - электромеханическая колебательная система, всегда состоящая из держателя и смонтированного в нем вибратора.

Кварцевый резонатор при расчете внешних электрических цепей может быть заменен эквивалентным электрическим колебательным контуром с соответствующими параметрами.

Электрическая схема (рис. 1.2) имеет такое же полное сопротивление, как и пьезоэлектрический кварцевый резонатор на частотах, близких к резонансной. Эта схема состоит из последовательно соединенных динамической индуктивности Lк, динамической емкости С_х, динамического сопротивления R_к, параллельно соединенных статической емкости кварцевого резонатора С₀ и статической емкости кварцедержателя С₁. Эквивалентные параметры этого контура, т.е. динамические эквивалентные индуктивность Lк, емкость С и активное сопротивление R_к, обусловленные механическими колебаниями пьезоэлемента (пьезоэффектом) имеют численные значения параметров кварцевого резонатора.

Рис. 1.2. Эквивалентная Рис. 1.3. Зависимость сопротивления кварцевого схема пьезоэлектрического резонатора от частоты кварцевого резонатора

Таблица 1.2. Параметры кварцевых резонаторов

Частота резонатора, кГц	Эквивалентные параметры резонаторов
	L, Гн	R, кОм	С, пФ
4 5 6 9 14 20 25 30 40 60 150 300 500 800 1500 2000 3000	25000-120000 15000-60000 10000-45000 4000-25000 1000-15000 800-10000 500-5000 400-4000 200-2000 20-1000 10-300 6-100 5-90 1-45 0,3-6 0,09-2,5 0,02-1	3-100 2-80 2-60 1,5-40 1,5-20 1-10 0,8-8 0,5-7 0,4-5 0,3-5 0,05-2 0,07-2 0,04-1,5 0,02-3 0,01-0,4 0,007-0,3 0,005-0,1	25 25 25 25 25 20 17 17 15 25 120 80 50 30 12 15 10

Таблица 1.3. Диапазон частот резонатора

Диапазон частот резонатора, МГц	Эквивалентные параметры резонаторы
	L, Гн	R, кОм
0,75-1 1-1,5 1,5-2 2-3 3-5 5-10 10-15 15-20 20-100	1-45 1-45 0,3-6 0,09-2,5 0,02-1 0,003-0,35 0,02-0,04 0,002-0,04 0,001-0,35	1,3 0,6 0,4 0,3 0,1 0,08 0,05 0,2 0,2

4.4 Резонансные частоты эквивалентной схемы пьезоэлектрического кварцевого резонатора

На рис. 1.3. показана зависимость сопротивления эквивалентной схемы пьезоэлектрического кварцевого резонатора от частоты. Параметры эквивалентного кварцевому резонатору контура дают возможность определить эти частоты. Частота f₁ соответствует последовательному резонансу в ветви L_к, С_к, R_к и равна:

f₁= 1/2

При этой частоте электрическая эквивалентная схема кварцевого резонатора состоит из емкости С₀ и сопротивления R_к (рис.1.4).

Рис. 1.4. Эквивалентная схема пьезоэлектрического кварцевого резонатора при последовательном и параллельном резонансе

Частота f₂ соответствует параллельному резонансу всего контура и равна:

=

При этой частоте электрическая эквивалентная схема кварцевого резонатора состоит из ветви L_к, R_к, С_к и параллельной емкости С₀. Сопротивление ветви L_к, R_к, С_к имеет индивидуальный характер и представляет собой индуктивность L (рис. 1.6), равную:

L = 1/W(WL_k - 1/WC_k).