Паразитного зв'язку І НАВЕДЕННЯ У радіоаматорських конструкцій
В. ПОЛЯКОВ, м Москва
Серед радіоаматорів побутує приказка - "робиш підсилювач, виходить генератор.". А вже про такі проблеми, як фон змінного струму, незрозуміле гарчання, подсвістиваніе, шипіння і т. Д. І говорити не доводиться - з ними стикався, напевно, кожен. Одним словом, виготовлений апарат часто працює не зовсім так, як хотілося б, а часто і зовсім не так. Але схема-то вірна! І зібрано все саме по ній і, здавалося б, без помилок. У чому ж справа?
Чудес не буває, і якщо апарат працює не так, як належить апарату, виконаному за цією схемою, значить, і схема відрізняється від накресленої. У реальному конструкції будь-якого апарату присутні зв'язку, не показані на принциповій схемі і не враховуються нею. Ці зв'язки називаються паразитними, виникають вони через неправильне монтажу, неправильного вибору конструкції і навіть невідповідного перетину або неправильної прокладки сполучних провідників.
Паразитні зв'язку в реальному конструкції можна виявити, зобразити на принциповій схемі. І тоді стане ясно, які саме небажані ефекти вони викликають і як їх усунути. Паразитні зв'язку підкоряються загальним законам електро- і радіотехніки, і нічого таємничого або містичного в них немає - все це можна пояснити. Але потрібні певний досвід і, зрозуміло, знання.
Що потрібно знати в першу чергу? Закон Ома, мати поняття про електромагнітної індукції, про реактивних опорах і трохи про теорію ланцюгів і чотириполюсників. Цього вже в переважній більшості випадків достатньо.
Так само, як всі опору діляться на активні, ємнісні і індуктивні, так і паразитні зв'язку можна розділити на кондуктивні (через активний опір), ємнісні (через опір місткості) і індуктивні (через загальну або взаємну індуктивність провідників). Існує, правда, і четвертий вид паразитного зв'язку - через випромінювання і прийом електромагнітних хвиль, але радіолюбительські конструкції зазвичай невеликі за розмірами, а частоти, на яких вони працюють, відповідають набагато більш довгим хвилям. У цих умовах випромінювання неефективно, і цей вид зв'язку зустрічається вкрай рідко.
Розглянемо перераховані зв'язку, ілюструючи їх прикладами.
Кондуктивна зв'язок. Вона виникає при поганій ізоляції або наявності загального опору в двох ланцюгах, що відповідає паралельній і послідовної зв'язків. Припустимо, каскад на польовому транзисторі VT1 (рис. 1, а) ви змонтували так, як показано на рис. 1, б, - на планці з монтажними пелюстками (легко здогадатися, що це можуть бути і доріжки друкованої плати). Через брудну планки, що осіла на неї пилу, вологи між контактами 1 і 2 може з'явитися якийсь "паразитне" опір Rп.
Схема вийде зовсім інший - як на рис. 1, ст. У ланцюзі затвора зазвичай коштує високоомний резистор R1, наприклад, опором 1 МОм. Тоді опір ізоляції Rп в 4 МОм призведе до появи на затворі напруги, рівного 1/5 напруги живлення, що напевно виведе транзистор з нормального режиму. Напруга на стоці впаде до нуля, і транзистор не те, що посилювати, пропускати сигнал не буде!
Особливо небезпечно зниження опору між виходом і входом неінвертуючий підсилювача з великим посиленням (рис. 2). При деякому значенні опору Rn позитивний зворотний зв'язок перетворить підсилювач або в генератор, або в тригер Шмітта, який формує з вхідного сигналу прямокутні імпульси.
Іноді навіть невеликий опір в ланцюзі харчування призводить до небажаних наслідків. Цим опором може бути опір
самого проводу, плюс внутрішній опір джерела живлення. На рис. 3, а показана схема підсилювача ЗЧ з однополярним живленням. Споживаний їм струм
не залишається постійним, він може коливатися в такт із звуковою частотою, а якщо вихідний каскад двотактний - з подвоєною звуковою частотою. На опорі Rn в ланцюзі харчування виділиться напруга цих коливань, яке може мати не таку вже й малу амплітуду.
Наприклад, при струмі споживання підсилювача 1 А і опорі Rn всього 0,2 Ом коливання напруги складуть 0,2 В. Дільник R1R2, що встановлює режим підсилювача, зазвичай ділить напруга живлення навпіл. Тоді 0,1 У паразитних коливань виявиться на вході підсилювача, що може перевищити вхідна напруга, що надходить через конденсатор С1!
До чого це призведе? Або до самозбудження, або до великих спотворень. Для зменшення описаного ефекту встановлюють блокувальний конденсатор С2. Як видно з прикладу, його опір місткості для змінного струму має бути дуже малим, отже, ємність - великий. При недостатньої ємності самозбудження, що виявлялося без конденсатора свистом або виттям, перетворюється в "капання" - рідкісні клацання. Усунути "капання" можна не тільки збільшенням ємності С2, а й підвищенням нижньої частоти в смузі пропускання самого підсилювача.
Опір оксидних конденсаторів з підвищенням частоти зовсім не прагне до нуля, як слід було б очікувати відповідно до формули для ємнісного опору: Хс = 1 / w С. Є ще деякий активний опір, обумовлене опором висновків і електроліту, індуктивний опір висновків і фольги, згорнутої всередині конденсатора в циліндричний рулон. Еквівалентна схема конденсатора з урахуванням цих факторів набуває вигляду, показаний на рис. 3, б. Така ланцюг тільки на нижчих частотах зменшує повний опір з підвищенням частоти. Вона має мінімум повного опору на деякій частоті, а на більш високих частотах її опір знову зростає.
У подібних випадках оксидний конденсатор шунтируют керамічним, значно меншої ємності. Він усуває зростання опору з підвищенням частоти. Зрозуміло, обидва конденсатора треба встановлювати можливо ближче до висновків харчування підсилювача.
Інша ефективна міра усунення описаної паразитного зв'язку - установка розв'язує ланцюжка R3C2 (рис. 3, в). Для змінного струму вона представляє дільник, що послабляє паразитную зв'язок у стільки разів, у скільки ємнісний опір конденсатора С2 менше активного опору резистора R3.
У сільноточних ланцюгах харчування має значення навіть розкладка друкованих провідників на платі. На рис. 4, а показана неправильна розкладка доріжки від джерела живлення до Оксидні конденсатори С5. Опір доріжки тут складається з повним опором оксидного конденсатора, збільшуючи його. Правильна розкладка приведена на рис. 4, б.
Ємнісний зв'язок. Перейдемо тепер до ємнісним наведенням. Вони особливо небезпечні в ланцюгах з високим повним опором - в лампових каскадах і в каскадах на польових транзисторах. Подивимося на спрощену схему підсилювального каскаду (рис. 5). Паразитна ємність Сп, що складається з междуелектродного ємності транзистора і ємності монтажу, спільно з вхідною ємністю Свх утворюють дільник, через який частина вихідного сигналу потрапляє знову на вхід. Оскільки транзистор інвертує сигнал, що вийшла зворотний зв'язок (ОС) негативна, вона призводить до зниження посилення і обмеження смуги пропускання по високих частотах.
Набагато гірші справи в двухкас-Кадная підсилювачі (рис. 6), який не інвертує сигнал. Тепер ОС позитивна і призводить до зростання посилення. Але оскільки і без ОС посилення двох каскадів може досягати декількох тисяч, то навіть при Сп = 0,001Свх на високих частотах ОС виявляється більше критичної. Підсилювач перетворюється в генератор.
Заходи боротьби з такими паразитними зв'язками - раціональний монтаж, що забезпечує малу паразитную ємність Сп, і екранування. На друкованій платі в ряді випадків досить прокласти "земляну" доріжку між входом і виходом.
Найменша ємнісний зв'язок між контурами резонансного підсилювача РЧ, як правило, призводить до самозбудження. Справа в тому, що резонансне опір контурів велике і в Q раз (Q - добротність) перевершує ємнісний і індуктивний опори конденсатора і котушки контуру (рівні на резонансній частоті), досягаючи сотень-тисяч кіло. У цих умовах Сп = C / Q призводить вже до критичної зв'язку контурів (рис. 7), при якій сигнал передається з контуру в контур з ослабленням всього в два рази. Якщо ж між контурами включений підсилювач з коефіцієнтом посилення К, то паразитную ємність треба зменшити ще як мінімум в До раз. Ось чому коливальні контури майже завжди екранують.
Puc.7
Іноді наявність паразитних ємностей. викликає дивні явища. Був випадок, коли до коливального контуру транзисторного автогенератора підключили вхід лампового осцилографа СІ-1. Генератор справно видавав синусоїдальні коливання, а осцилограф їх показував. Відключили харчування автогенератора - генерація тривала! Випаяв транзистор - генерація тривала! Відключили контурний конденсатор - генерувала одна котушка, тільки частота підвищилася!
Причина виявилася в паразитних ємностях. На вході Y осцилографа (на рис. 8 приведена спрощена схема вхідної частини) був встановлений катодний повторювач, який має помітні паразитні ємності між сіткою і катодом СП1 і катодом і загальним проводом СП2. Разом з котушкою і лампою вони утворили "класичний" генератор, "виконаний" за схемою ємнісний тритонки. Варто було переключити вхідний дільник (на схемі для простоти не показаний) з положення 1: 1 в будь-яке інше - генерація пропадала.
Індуктивна зв'язок. Вона найлегше виходить між котушками, що мають значні магнітні поля розсіювання. Любителям магнітного запису добре відомо, що варто розташувати магнітну головку поблизу мережевого трансформатора харчування - і в гучномовці з'являється фон змінного струму.
На промисловій частоті 50 Гц екрани з товстої сталі і навіть пермаллоя послаблюють поле розсіювання в одиниці, максимум в десятки разів. Допомагають також короткозамкнені витки з мідної стрічки навколо всього трансформатора - в них поле розсіювання наводить струми, що ослабляють за законом електромагнітної індукції вихідне поле.
На тому ж принципі заснована дія алюмінієвих екранів високочастотних котушок. Магнітна (індуктивна) зв'язок між контурами не менше небезпечна, ніж електрична (місткість), і до неї також відноситься все вищесказане про пов'язаних контурах.
Особливо сильне поле розсіювання у магнітних антен, і його не можна усунути суцільним екрануванням, оскільки порушиться сам принцип роботи антени. Магнітну антену можна вберегти лише від електричних, ємнісних наведень, використовуючи незамкнуті екрани. Поле магнітної антени починає помітно спадати на відстанях порядку довжини антени. Якщо в цій зоні виявиться інша неекранована котушка, паразитная зв'язок забезпечена.
Досить малі поля розсіювання виходять у тороїдальних котушок, але за умови, що їх витки рівномірно розподілені по окружності кільця. Все магнітне поле тороїда виявляється всередині обмотки, і зовнішнього екранування в ряді випадків не потрібно.
Магнітні поля створюють не тільки котушки, а й окремі провідники зі струмом. На рис. 9 показаний провідник 1 з струмом i. Навколо провідника утворюється магнітне поле, силові лінії якого (штрихові лінії) мають вигляд кілець, "одягнутих" на провідник. Якщо паралельно проходить другий провідник (2), то магнітне поле наведе в ньому змінну напругу, тим більше, чим довше провідник. З цієї причини вхідні і вихідні провідники підсилювача можна розташовувати в одному джгуті (втім, там буде і ємнісний зв'язок теж). Для ослаблення зв'язку два провідника рекомендують розташовувати під прямим кутом.
Коли в поле провідника потрапляє котушка, то наведена в ній ЕРС максимальна при розташуванні осі котушки паралельно магнітним силовим лініям (котушка L1 на рис. 9) і мінімальна в разі розташування осі котушки перпендикулярно силовим лініям (котушка 12).
Правильно орієнтуючи дві котушки відносно один одного, можна домогтися мінімальної зв'язку між ними. Ось однієї котушки повинна бути перпендикулярна магнітним силовим лініям інший. Те саме можна сказати і до трансформаторів: орієнтуючи "силовик", можна домогтися ослаблення поля, що впливає на відтворюючу головку магнітофона.
У невеликій статті важко дати рекомендації "на всі випадки життя", але абсолютно не можна залишити поза увагою "земельну" проблему - спосіб з'єднання деталей і частин пристрою з загальним проводом. І тут немає нічого хитрого - все вирішується за допомогою закону Ома і еквівалентних схем.
Нехай дві частини пристрою, А і В на рис. 10, треба з'єднати з загальним проводом. Якщо ми вчинимо, як показано на рис. 10, а, то опір загального провідника Rn забезпечить паразитную зв'язок між пристроями. Правильне з'єднання показано на рис. 10, б. "Заземляющие" провідники рекомендується робити якомога коротше, щоб мінімізувати індуктивний зв'язок між ними.
Puc.10
Другий підхід часто використовують в "ширвжиткового" апаратурі. Там все "заземлюючі" дроти підводять до однієї точки - її-то і з'єднують з корпусом, часто біля входу. При такому підході обов'язково доводиться враховувати і опір, і індуктивність загальних проводів. Цей підхід не можна застосовувати в високочастотної апаратури, де індуктивність провідників може створити сильні паразитні зв'язку.
Стосовно до друкованих плат німецький підхід полягає в тому, щоб весь незадіяний площа плати робити загальним проводом - тоді і його активний опір і індуктивність мінімальні. До того ж доріжки загального проводу між "гарячими" точками екранують їх один від одного.
В аматорських умовах швидкий і досить надійний спосіб монтажу такий: фольгу не труїли, отвори в ній не свердлять, деталі "заземленими" висновками, укороченими до мінімуму, припаюють до фользі (рис. 11). Монтують деталі навісним способом, опорами служать блокувальні конденсатори (можна використовувати резистори з віддаленим проводять шаром або мегаомних номіналів).
Puc.11
Різновидом такого способу є монтаж на "точках" (на рис. 11 праворуч) - круглих острівцях фольги, вирізаних серед великої площі загального проводу, запропонований московськими радіоаматорами С. Жутяевим і В. Прокоф'євим.