«Сито» для тока

Знакомясь с принципами радиосвязи, мы узнали, что настройка приемника на радиовещательные станции осуществляется с помощью колебательного контура (см. «М-К», 1984, № 11. «Невидимый гонец»), состоящего из катушки индуктивности и конденсатора переменной емкости. Такая электрическая цепь обладает свойством выделять из «мешанины» электромагнитных волн, заполняющих эфир, волны только одной радиостанции, программу которой мы хотим услышать.

Однако избирательную способность имеет не только колебательный контур. В различных электронных устройствах, в источниках питания устанавливают специальные приспособления, свободно пропускающие полезные сигналы и препятствующие проникновению паразитных. Такие приспособления были названы фильтрами.

Электрический фильтр—своеобразное «сито» для тока. Сравнение это не случайное. Судите сами: если в обычное сито насыпать песок, то просеются лишь те песчинки, размеры которых меньше диаметра отверстий в сетке. Похоже действие и электрического фильтра. Он «просеивает» электрические сигналы, свободно пропуская одни и задерживая другие. Только частота сигнала, беспрепятственно проходящего через фильтр, определяется, конечно, не размерами отверстий в сетке, а параметрами элементов фильтра.

Итак, в радиоэлектронике фильтры применяют для выделения полезного сигнала из всего спектра частот, попадающих в электронное устройство. Участок спектра, где сигнал проходит через фильтр практически без потерь, называют полосой пропускания, а область, в которой сигнал подавляется почти полностью,— полосой задерживания. Провести, однако, четкую границу между полосами пропускания и задерживания на самом деле невозможно. Поэтому решили считать лежащими в полосе пропускания только сигналы, имеющие на выходе фильтра амплитуду не менее 0,7 от максимального значения; а все остальные сигналы с амплитудой меньше этого уровня относить к полосе задерживания.

В зависимости от частотных свойств фильтры подразделяют на четыре группы: нижних и верхних частот, полосовые и заграждающие. Что означают эти термины? Расскажем об этом подробнее. А чтобы наши рассуждения были наглядными, проиллюстрируем их с помощью графиков, представленных на рисунке 1. Они показывают зависимость амплитуды электрического сигнала на выходе фильтра от частоты. Такие графики получили название амплитудно-частотных характеристик (сокращенно АЧХ). О свойствах того или иного фильтра в первую очередь и судят по ним.

Фильтр нижних частот свободно пропускает ток с частотой от 0 Гц до какого-то определенного значения f. График, характеризующий такое «поведение» фильтра, выглядит как прямая линия, которая по мере приближения к границе полосы пропускания загибается в сторону оси координат (рис. 1 а). Фильтр верхних частот, наоборот, пропускает сигналы только с частотой выше установленного значения f. На графике такая характеристика выглядит как кривая, «вырастающая» из оси координат (рис. 1 б). Полосовой фильтр пропускает электрический ток с частотой от f1 до f2. Его АЧХ напоминает высокий холм на равнине (рис. 1 в). И, наконец, заграждающий фильтр задерживает все сигналы с частотой от f1 до f2, а его амплитудно-частотная характеристика напоминает перевернутую АЧХ полосового фильтра (рис. 1 г).

Как же устроены фильтры? В состав простейших из них входят три типа пассивных радиоэлементов: резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности или дроссели. Чаще всего такие устройства собирают из конденсаторов и индуктивных элементов. Они получили название LC-фильтров. Если же в состав устройства входят только резисторы и конденсаторы, то его называют RC-фильтром.

По принципам схемотехнического построения такие фильтры подразделяют на три основные группы: Т-образные, П-образные и Г-образные. Что это означает? Поясним на конкретных примерах.

На рисунке 2а показаны электрические схемы простейших Т-образных LC-фильтров. Два элемента в них включены последовательно с нагрузкой, а один — параллельно. Схематическое изображение таких фильтров напоминает букву Т — отсюда и их название. В П-образных LC-фильтрах, наоборот, последовательно с нагрузкой включен один элемент, а параллельно ей — два (рис. 2 б). Такие схемы внешне напоминают букву П. И, наконец, третья группа: Г-образные RC-фильтры. Они состоят всего из двух элементов, один из которых включен последовательно с нагрузкой, а второй — параллельно ей (рис. 2 в).

Теперь выясним, за счет чего электрический фильтр обладает избирательными свойствами — пропускает одни сигналы и подавляет другие. Если в цепь постоянного тока, поставить индуктивный элемент, то он будет вести себя как обычный проводник. Поставим конденсатор — ток прекратится, так как между обкладками конденсатора находится диэлектрическая среда. А что будет, если эти элементы включить в цепь переменного тока? Оба прибора начнут поглощать часть электроэнергии, то есть поведут себя как сопротивления. Это объясняется тем, что катушка индуктивности и конденсатор обладают так называемым реактивным сопротивлением, появление которого обусловлено не свойствами проводящего материала, как, например, у резисторов, а магнитными и электрическими характеристиками этих элементов. Реактивное сопротивление выражается в Омах и обозначается буквой X. Для катушки индуктивности его определяют по формуле

ХL = 6,28 fL,

где f — частота тока в Герцах, а L — индуктивность данной катушки в Генри. Для конденсатора такая формула имеет вид

Xc=1/6,28fC,

где С — емкость данного конденсатора в Фарадах. По сути дела, эти формулы выражают закон Ома для цепи переменного тока с индуктивным или емкостным элементом.

Вероятно, вы уже обратили внимание, что в обеих формулах одна из переменных — частота тока в цепи. Оказывается, она существенно влияет на реактивное сопротивление конденсатора и катушки индуктивности. Чем выше частота переменного тока, тем больше индуктивное сопротивление и меньше емкостное, и наоборот. Справедливость наших выводов легко проверить, обратившись к формулам. Как видно из них, индуктивный элемент хорошо пропускает сигнал низкой частоты, почти не оказывая ему сопротивления, и в то же время сильно ослабляет высокочастотную составляющую. Действие конденсатора в цепи переменного тока приводит к обратному результату — он свободно пропускает высокочастотный сигнал и подавляет низкочастотный.

Именно эти свойства конденсаторов и катушек индуктивности положены в основу фильтрации электрических сигналов. Соединяя в определенном порядке элементы с реактивным сопротивлением, получают фильтры с различными свойствами и пропускающей способностью.

Электрические «сита» используют в самых разнообразных устройствах. Например, колебательный контур в радиоприемнике — тоже фильтр: ведь он выделяет из всех электромагнитных волн, принимаемых антенной, только волну определенной частоты. Другой вариант фильтра — регулятор тембра в магнитофоне или телевизоре. Вращая движки регуляторов, вы тем самым освобождаете или, наоборот, загораживаете «дорогу» сигналам различной частоты.

Еще один пример устройства, в котором нашли применение фильтры — установка для цветового сопровождения музыкальных программ (сокращенно ЦМУ — цветомузыкальная установка). Мы хотим рассказать о двух простейших конструкциях таких приставок. Собрав их, вы на практике познакомитесь с возможностями фильтров.

Принципиальная схема первой цветомузыкальной приставки показана на рисунке 3. Ее сконструировал радиолюбитель Р. Закиров из поселка Шемордан Татарской АССР. Как видите, она предельно проста и содержит всего семь элементов: три лампы HL1—HL3, два дросселя L1, L2 и два конденсатора С1, С2.

Как работает такое устройство? Его подсоединяют к выходу усилителя звуковой частоты. Если теперь через УЗЧ воспроизводить музыкальную программу, электрический сигнал поступит на вход приставки. Дроссель L1 выполняет роль низкочастотного фильтра, а конденсатор С2 — высокочастотного. Цепочка, состоящая из последовательно соединенных конденсатора С1 и дросселя L2, пропускает сигналы в широком диапазоне частот. Электрический ток проходит через нити накалов ламп HL1 — HL3, вызывая их свечение. Лампа HL1 красного цвета горит при низких частотах входного сигнала, HL3 зеленого цвета — при высоких, а HL2 синего цвета реагирует на весь частотный спектр. Непрерывное мерцание разноцветных лампочек зримо дополняет музыкальное произведение.

Другой вариант простейшей ЦМУ показан на рисунке 4. Эта приставка также имеет три накальных лампы HL1—HL3. Роль низкочастотного фильтра выполняет дроссель L1, а высокочастотного — конденсатор С1. При наличии на входе приставки сигнала низкой частоты загорается лампа HL1 красного цвета, а при высокочастотном — HL2 зеленого цвета. Лампа HL3 синего цвета, включенная последовательно с подстроечным резистором R1, реагирует на весь спектр частот входного сигнала.

Теперь решите, какая из приставок вам нравится больше, и приступайте к ее сборке. В обоих устройствах можно использовать лампочки от карманного фонаря с рабочим напряжением 2,5—3,5 В, например МН2,5-0,17. Для первой приставки лучше всего взять бумажные конденсаторы типа МБГЧ, КМБГ или МБГО необходимой емкости. Если таких у вас не нашлось, их можно составить из нескольких параллельно соединенных конденсаторов МБМ емкостью по 1 мкФ. Для второй приставки подойдет оксидный конденсатор емкостью 20—50 мкФ серии К50 или К53. Подстроечный резистор — марки СП3 или СП4.

Отдельно расскажем о конструкциях дросселей. В“ первой цветомузыкальной приставке их два. Оба они наматываются на бумажных каркасах с внутренним Ø5 мм и высотой: L1—20 мм, L2—15 мм (рис. 5). Первый содержит 600 витков провода ПЭЛ или ПЭВ 0,23, второй имеет 400 витков того же провода. Желательно, чтобы намотка была выполнена виток к витку. В качестве сердечников используйте обычные крепежные винты М4—М5 необходимой длины. Дроссель для второй приставки можно намотать на отрезке круглого ферритового стержня Ø8—10 мм и длиной 20—30 мм. Однако лучший результат получится, если в качестве сердечника взять ферритовое кольцо с внутренним диаметром 8—10 мм. Катушка дросселя содержит 170 витков провода ПЭЛ или ПЭВ 0,1, намотанного внавал.

Обе цветомузыкальные приставки собираются на монтажных платах размером 65X50 мм, выполненных из гетинакса или текстолита толщиной 1,5—2,5 мм. На плате первого устройства устанавливаются накальные лампы и оба дросселя (рис. 6). Так как конденсаторы имеют довольно большие размеры, их лучше всего закрепить отдельно на дне корпуса. На плате второй приставки размещаются все ее элементы (рис. 7). Соединения между радиодеталями в обеих ЦМУ выполните тонкими монтажными проводами в хлорвиниловой изоляции.

Для обеих приставок подойдет один и тот же корпус. Его лучше всего изготовить в виде цилиндра, свернув в кольцо тонкий медный, латунный или бронзовый лист размером примерно 300X70 мм. Можно использовать и обычную консервную банку. Лицевую панель сделайте из рифленого или матового оргстекла. Годится также прозрачный плексиглас. К нему с внутренней стороны надо подложить тонкий лист кальки или пергаментной бумаги. Лампочки покрасьте лаком в красный, зеленый и синий цвета. Монтажную плату расположите внутри корпуса вертикально так, чтобы лампы находились напротив экрана. Поверхность корпуса покройте нитроэмалью или оклейте пленкой «под дерево». После этого закрепите приставку на основании из фанеры или пластмассы (рис. 8).

Первая цветомузыкальная установка не нуждается в налаживании и начинает работать сразу после подключения к выходу усилителя. Настройка второй сводится к подбору сопротивления резистора, чтобы выровнять яркость свечения лампы HL3 с лампами НL1 и НL2. Интенсивность свечения НL2 можно отрегулировать, меняя емкость оксидного конденсатора.

Приставки работают с усилителем, радиоприемником, магнитофоном или телевизором, имеющим выходную мощность не менее 1 Вт. ЦМУ подключают к гнезду выхода на дополнительный громкоговоритель. При подсоединении к линейному выходу приставки работать не будут.

Цветомузыкальную приставку лучше всего включать в вечернее время — тогда цветовое восприятие будет наиболее ярким и полным.

В. ЯНЦЕВ