Как устроен передатчик

Вожделенная тема многих: передатчики. Каждый человек, мало-мальски умеющий обращаться с паяльником, просто мечтает собрать какой-нибудь "жучок", или передатчик, чтобы выйти в эфир… Жажда славы портит людей… =)))
В этом параграфе мы рассмотрим, из каких блоков состоит любой передатчик. В последующих параграфах мы разберем каждый блок на мелкие детальки =). Поехали!

Итак, задача передатчика - послать в эфир электромагнитные волны. Чтобы появились электромагнитные волны - должны быть колебания, которые их порождают. То есть - колебания тока в передающей антенне. Чтобы появились колебания тока - нужно какое-то устройство, которое преобразовало бы постоянный ток источника питания (батарейки) в переменный ток. Это устройство называется генератор высокой частоты (ГВЧ). Почему высокой? Потому что радиовещание ведется на сравнительно высоких частотах (ВЧ), от 100 кГц и выше. Для сравнения: частоты звукового диапазона считаются низкими (НЧ), потому что их частота не превышает 20 кГц. Поэтому, все блоки схемы, работающие с радиосигналом - высокочастотные. Генератор - в том числе. А блоки, работающие со звуковым сигналом - низкочастотные. О них мы поговорим чуть дальше.

Если подсоединить к выходу ГВЧ антенну - на антенне появится переменный ВЧ ток, который преобразуется в электромагнитные волны. Всё! Мы в эфире!

Вот как выглядит схема нашего передатчика:

На этой схеме почти нет привычных нам элементов: транзисторов, резисторов, конденсаторов и т.д. Есть только какая-то кисточка и страшный большой ящик. Не пугайтесь. Просто - это структурная схема. В структурной схеме обозначаются лишь некоторые электрические элементы. Остальные же элементы "прячут" в "ящик". Иными словами, отдельные части схемы показываются как прямоугольники. Такие схемы рисуются для сложных устройств, чтобы наглядно показать связи между его отдельными частями.

На данной структурной схеме - один блок (ГВЧ) и один электрический элемент - антенна. Да, кстати, познакомьтесь! Такая симпатичная кисточка - это как раз она.

Но не все так просто! Задача генератора - сгенерировать. Однако, мощность сигнала на выходе генератора не велика, и ее может не хватить для того, чтобы передать сигнал на нужное расстояние. Чтобы увеличить мощность, отдаваемую в антенну, нужен усилитель. Причем, не какой-нибудь, а усилитель мощности высокой частоты (УМВЧ). Схема усложняется:

Ну, вроде бы все здорово. Но… А что мы, собственно, передаем? Просто ВЧ колебания? На фиг они кому нужны! Мы то ведь, на самом деле, хотим передать Арию Ивана и Лягушки из сказки Сектора Газа! (Надо же народ просвещать… =)) Что же для этого делать?

А вот что! Надо каким-то образом запрятать звук в излучаемый ВЧ сигнал. Иначе говоря, нужно промодулировать высокочастотный радиосигнал низкочастотным звуковым сигналом. Промодулировать - это значит так хитро, по-особому, смешать эти сигналы, чтобы передавая ВЧ-радиосигнал, передавать вместе с ним и полезный звуковой НЧ-сигнал. Дело в том, что сам по себе, звуковой сигнал далеко не "улетит". Для того, чтобы преодолеть большие расстояния, ему нужен "помощник" - сигнал высокой частоты. Вот он то, как раз, с легкостью преодолевает большие расстояния, и не против помочь в этом другим. Ну, не против - получай! Вот тебе на шею наш звук - неси его куда подальше, через все невзгоды и радости…
Кстати, этот ВЧ сигнал так и называют - "несущая". Подразумевается "несущая частота". Она носит на себе модулирующий сигнал, то есть, в нашем случае - звуковой.

Модуляция - это есть процесс усаживания на шею бедной несущей толстого и ленивого модулирующего звукового сигнала. =) Этим занимается специальное устройство - модулятор.

Итак, в нашей схеме появился новый блок:

Что нам может еще потребоваться?

Вероятно, мощность подводимого к модулятору звукового сигнала невелика. Ее может и не хватить! Значит, нужно поставить в схему еще один усилитель - низкой частоты (УНЧ). Схема становится такой:

Вот это уже можно назвать полноценным передатчиком. Теперь, как и обещал, разбираем каждый блок на мелкие детальки

Волны

Итак, что такое колебания - вроде бы знаем. Волны - это следствие колебаний.

Простейший пример: раскладываем на земле длинную веревку, берем в руку ее конец, и начинаем болтать рукой вверх - вниз. То есть - совершать колебательные движения. Что случится с веревкой? Точно! По ней побегут волны, от "колеблющейся" руки к свободному концу. То есть, колебания одной точки на веревке порождают колебания всех остальных ее точек.

Другой пример - знакомый всем с детства: кидаем камень в воду - от него расходятся круги. Как это происходит?

В месте ударения камня вода как бы прогибается вниз. Камень скрывается под водой - вода поднимается на прежнее место. То есть, в момент падения камня, в точке его падения происходит колебание воды. Это колебание вызывает колебание соседних точек поверхности воды - то есть, идет волна.

По той же причине, мы слышим звуки. Но у волн на воде и звуковых волн несколько разная структура. Волны на воде - это сменяющие друг друга выпуклости и впадинки водяной поверхности. Звуковые же волны представляют собой чередующиеся области повышенного и пониженного давления воздуха. Говоря научным языком, волны на воде - "поперечные", потому что колебания происходят поперек направления их распространения. Звуковые волны - "продольные", потому что их колебания происходят вдоль направления распространения.

Волны различают не только на продольные и поперечные. Для их описания используют и другие характеристики. Вот некоторые из них: амплитуда, длина, скорость распространения.

Пара слов о каждом.

1. Амплитуда - расстояние между гребнем волны (наивысшей точкой) и точкой покоя (нуль). Иначе говоря - половина расстояния между самой высокой и самой низкой точками. Чем больше амплитуда волны - тем громче звук, тем сильнее шторм… :)

2. Скорость распространения - сколько метров пробегает волна за секунду. Например, скорость распространения звуковой волны (скорость звука) - около 330 м/с.

3. Длина волны - расстояние между гребнями соседних волн. 

Длина зависит от скорости распространения волны и от частоты колебания, породившего эту волну. Рассчитываем по формуле:

л = v/F

где:
л - длина волны,
v - скорость распространения,
F - частота колебания.

Например, звук с частотой 100 Гц (100 колебаний в секунду) будет иметь длину волны 3,3 метра. Почему? Звук пробегает за 1 секунду 330 метров. За это же время совершается 100 колебаний. То есть, в 330 метрах уложится 100 волн. Делим 330 метров на 100 и получаем - 3,3 метра. Все, как всегда, просто! =)

Умение рассчитывать длину волны нам пригодится в дальнейшем, когда мы будем говорить о приемниках, передатчиках и их антеннах.

Кроме волн на воде и волн звуковых, существует еще целая куча всевозможных волн. Но нас эта куча не касается. За исключением одного вида - волн электромагнитных.

Что такое электромагнитные волны, на самом деле точно не знает никто. Даже самый умный ученый не откроет вам эту тайну. Не потому что вредный - просто и он тоже не знает. :) Однако, именно этим волнам мы обязаны и радиосвязью, и телевидением, и даже зрением. Свет - это тоже электромагнитные волны. Только их длина ничтожно мала - тысячные доли миллиметра.

Все электромагнитные волны распространяются со скоростью света - 300 000 км/с.

Для радиосвязи используют волны с длиной от нескольких сантиметров, до нескольких километров.
Например, длина волн всеми любимого диапазона "FM" - порядка 3 метров.
А первый канал телевидения вещает на волне 6,25 м.

От длины волны, кстати, зависит размер антенны. Чем длиннее - тем больше. В идеале, один "ус" антенны должен быть равен четверти длины волны. Но обычно все же, применяют так называемые "укороченные" антенны. В таких антеннах длина "наращивается" за счет специальной схемы включения. Об этом мы еще поговорим.

Итак, мы вплотную подошли к радиосвязи.

О непостоянстве…

В этом параграфе мы поговорим о том, какой бывает ток. А бывает он, собственно, постоянный и не постоянный, то есть - переменный.

Постоянный - это тот, который в батарейке. У нее на одном контакте написано "+", на другом "-". Если к батарейке подключить нагрузку - да хоть ту же лампочку - ток в ней всегда потечет от "+" к "-". И никогда - обратно. В этом то и есть его постоянство =)

Переменный ток у нас в розетке. Каждую сотую долю секунды полярность (то есть, расположение "+" и "-") любой розетки изменяется на противоположную. Таким образом, за одну секунду полярность успевает поменяться аж 100 раз! Соответственно, и ток в нагрузке 50 раз в секунду течет в одну сторону, 50 раз - в другую.

Если говорить по научному, то надо нарисовать график:

На этом графике изображена зависимость направления тока и его силы от времени. Время идет по горизонтали - то есть по оси X. Ток изменяется по вертикали, то есть его мы откладываем по оси Y. В крайней левой точке ток и время равны 0, то есть, это - точка отсчета.

Нажимаем на кнопочку - время пошло =) Ток тоже пошел, "туда", то есть - в положительном направлении. Его сила постепенно увеличивается. Через 0,005 с эта сила становится максимальной, после чего начинает плавно уменьшаться. Еще через 0,005 с, то есть, в точке 0,01 с, она уменьшается до 0. В этот момент происходит смена полярности. Далее сила тока начинает снова возрастать, но течет он уже в обратную сторону. То есть, его направление отрицательно. В точке 0,015 с сила тока становится максимальна (по модулю), и начинает уменьшаться. Еще через 0,005 с, в точке 0,02 с, она опять становится нулевой. Все начинается по новой.

Только что мы рассмотрели один период переменного тока.

Период - это то время, за которое ток успевает из нуля мотнуться сначала до упора вверх, вернуться в ноль, мотнуться до упора вниз и снова прийти к нулю. Иными словами - это время, за которое ток совершает одно полное колебание.
Период обозначается T, измеряется в секундах (с)

Соответственно, чем быстрее ток сделает это одно колебание - тем короче будет период. А чем короче период - тем больше периодов успеет пройти за одну секунду. То есть - тем больше будет частота колебаний. Понятие "частота" встречается в электронике просто повсюду, поэтому - о ней подробнее.

Частота - от слова "часто". То есть, она характеризует, насколько часто происходит какой-то процесс. В нашем случае - насколько часто происходят колебания тока.
Частота обозначается F, измеряется в Герцах (Гц). Если за секунду проходит 50 колебаний, то мы скажем: частота переменного тока равна 50 Гц.

Частота обратно пропорциональна периоду. Справедливы две формулы:

F = 1/T
T = 1/F

Иными словами, чем больше период, тем меньше частота. Это и понятно, ведь чем период длиннее, тем меньше таких периодов "влезет" в секунду.

В Герцах измеряются абсолютно все частоты, не только в электронике, но и в механике и прочих отраслях физики. Например, частота вращения колеса. Для больших частот, пользуются кратными приставками. Поэтому, наряду с Герцем, есть килогерц, мегагерц, гигагерц.

На слух, человек может различать звуковые колебания с частотой 20 Гц … 20 кГц.
Радиотрансляция ведется, начиная с сотен килогерц.
Частоты телевизионных каналов лежат в диапазоне от 40 до 900 МГц.
Сотовая связь работает на частотах от 450 МГц - 1,8 ГГц.
Процессор современных компьютеров лопатит данные с частотой более 3 ГГц.
На подобных и даже еще более высоких частотах работают радиолокационные станции…
Далее располагаются частоты инфракрасных лучей, затем - видимого света, далее - ультрафиолетовые и рентгеновские лучи. Их частоты настолько велики, что трудно даже представить, что что-либо может так быстро колебаться. А вот может ведь! Иначе, как бы Вы читали этот текст… :)

Вот таков расклад частот в нашем мире. В общем. В дальнейшем мы, конечно, будем говорить о различных диапазонах частот более подробно.

В электронике слово "частота" употребляется, в основном, применительно к колебаниям электрического тока. Чтобы обработать при помощи электроники какие-то другие, не электрические колебания, надо предварительно преобразовать эти другие колебания в электрические. Иначе - никак. Например, чтобы "поймать" радиостанцию, надо преобразовать в электрические колебания электромагнитные волны, приходящие от передатчика. Этим преобразованием занимается антенна. Когда мы говорим по телефону - микрофон в телефонной трубке преобразует звуковые колебания нашей речи опять таки - в колебания тока в телефонной линии.

С другой стороны, электрические колебания человек может "пощупать", разве что, схватившись за два несчастных гвоздя в розетке. Если же, по какому - то проводу передается музыка или последние известия (то есть - колебания звукового диапазона), то чтобы послушать их, нам надо преобразовать электрические колебания в звуковые. То есть - поставить динамик. Динамик, в отличие от микрофона, преобразует в другую сторону - электрические колебания он делает звуковыми. Трубка телевизора - тоже преобразователь. Она делает "видимым" видеосигнал.
А вот антенна в этом смысле - универсальна. Она может преобразовывать в обе стороны. Поэтому, в радиотелефонах всего одна антенна. Она одновременно работает и на прием и на передачу.