Юный техник, 2009 № 05 - Журнал «Юный техник»

Возможно, в литературе вы встречали описания моделей АВП, работающих от авиамодельных двигателей мощностью в сотни Вт, оснащенных самолетными винтами большого диаметра. Поэтому может вызывать удивление, что вентилятор компьютера, потребляющий всего 6 — 10 В и развивающий на валу примерно в два-три раза меньшую мощность, может поднять себя самого, две батареи да еще маршевый вентилятор. Секрет прост: вентилятор оснащен очень совершенным многолопастным пропеллером, сделанным по всем законам аэродинамики.

Если винт модели самолета приспособлен для работы в открытом пространстве, а при работе вблизи поверхности его КПД падает во много раз, то лопасти вентилятора, напротив, имеют профиль, приспособленный для работы вблизи поверхности. Да и расположен он в кольцевом канале специальной формы, способствующем такой работе. Все это и позволяет маломощному, но крайне эффективному вентилятору поднимать самого себя, батареи и корпус модели. Модель, как написал Николай, может летать только над очень ровным полом на высоте 1–2 мм. Однако практика показала, что после некоторого разгона модель уверенно движется даже по рассохшемуся паркету со щелями.

Отметим, что поднимать самого себя и батареи способны лишь вентиляторы диаметром больше 95 мм. В то же время легко поднимает модель даже самый крохотный вентилятор, если подавать ему ток по проводам. Это позволяет делать миниатюрные АВП, соединенные с источником питания тонкими, как паутина, почти невидимыми проводами. Но приступим к изготовлению модели.

Приготовьте два одинаковых чистых продуктовых пенопластовых поддона. Один из них переверните и процарапайте в нем при помощи циркуля-измерителя с иголками отверстие с диаметром, равным диаметру лопастей вентилятора. После этого приклейте по краям отверстия отрезки двухстороннего скотча и установите на них вентилятор так, чтобы он подавал воздух в поддон. Если в вашем распоряжении мощный вентилятор, то давление этого воздуха должно приподнять поддон вместе с батареями.

Если мощности не хватает, придется, чтобы увеличить площадь, присоединить второй поддон. Для этого очень острым ножом срежьте торцевые части и соедините оба поддона полосками скотча. Для этого положите их на ровную поверхность и наклейте скотч по бокам. Корпус модели сразу же приобретет жесткость и правильную форму. Затем оклейте стык полосками скотча с обеих сторон. Возможно, из-за чисто технологического различия в размерах поддонов в районе стыка образуется уступ, через который будет уходить воздух. Устраните его, наклеив полоску скотча вдоль стыка. На верхней части корпуса также при помощи двухстороннего скотча наклейте батареи с разъемами и ходовой вентилятор.

Простейшая модель АВП состоит из вентилятора от компьютера и продуктового пенопластового поддона. Источник энергии — две батареи типоразмера РРЗ.

А. ВАРГИН

Рисунки автора

ЗАОЧНАЯ ШКОЛА РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

Усилители класса D

В последнее время все популярнее становятся усилители звуковой частоты (УЗЧ) класса D. Иногда их называют «цифровыми», полагая, что буква D происходит от слова Digital — цифровой, но это неверно, и этот вопрос мы еще обсудим. Начат промышленный выпуск микросхем для таких усилителей. Многие из них требуют минимальной «обвязки», то есть внешних навесных элементов — резисторов и конденсаторов.

Область применения усилителей класса D — звуковые (аудио) комплексы, автомобильные приемники и магнитолы, проигрыватели компакт-дисков, аудиоплееры, телефоны и другая техника. Первое, что бросается в глаза при ознакомлении с рекламными проспектами или справочными листками (даташитами, как теперь говорят), — это небывалая экономичность и большая выходная мощность этих усилителей при малых размерах и минимальном выделении тепла, что в ряде случаев позволяет вообще отказаться от радиаторов.

В чем же причина столь высоких мощности, экономичности, а, следовательно, большого КПД таких усилителей? Чтобы в этом разобраться, нужно сначала ясно представить, как вообще работает усилитель и что такое классы усиления.

Понятие классов усиления ввели давно, когда транзисторов еще не было и все усилители строили на лампах. Проблемы экономичности усилителей стояли и тогда, может быть, даже острее, чем теперь, поскольку лампы требовали еще дополнительной энергии для накала.

Главный потребитель мощности в УЗЧ — выходной каскад, потому что именно он отдает усиленные колебания в нагрузку — динамический громкоговоритель или акустическую систему. А потребляет энергию он, естественно, от источника питания.

Рассмотрим простейший выходной каскад на одном транзисторе, работающий в классе А (рис. 1).

Напомним сразу, что коллекторный ток от источника питания через динамическую головку ВА1 и транзистор VT1 течет лишь тогда, когда

на базу транзистора подан положительный открывающий потенциал. Для кремниевых транзисторов (а подавляющее большинство современных транзисторов именно кремниевые) он должен быть не менее 0,5…0,6 В. При дальнейшем увеличении положительного напряжения на базе ток транзистора растет очень резко. Как говорят, входная характеристика транзистора нелинейна. По этой причине управлять транзистором от источника переменного звукового напряжения невыгодно — будут наблюдаться очень большие искажения сигнала.

Транзистор — токовый прибор, поэтому и управлять им нужно током, другими словами, от источника с высоким внутренним сопротивлением. Для простоты на схеме (рис. 1) показан резистор R1, имитирующий внутреннее сопротивление источника. На практике, при грамотном проектировании усилителя, используют предварительные усилительные каскады с высоким выходным сопротивлением. Отношение коллекторного тока транзистора к току базы называется коэффициентом передачи по току и обозначается как β (ранее) или Вст. У современных транзисторов он достигает нескольких десятков и даже сотен.

Итак, чтобы открыть транзистор, нужно пропустить некоторый начальный ток через цепь базы. Он называется током смещения. Иногда его подают через дополнительный резистор прямо от источника питания. В нашей простейшей схеме ток смещения должен быть не меньше амплитуды переменного тока звуковой частоты, как показано на графике входного тока Iвх на рисунке слева, иначе возникнут искажения.

Выходной ток (график справа) также будет содержать постоянную составляющую, которая нам, вообще-то, совсем не нужна. Но мы вынуждены мириться с ее присутствием, если не хотим искажений звукового сигнала. КПД усилителя класса А очень низок, лишь при больших сигналах (при максимальной громкости) он достигает примерно 30 %, а при малых сигналах совсем мал. Ведь мы не можем убрать постоянную составляющую выходного тока Iо, иначе при больших сигналах появятся искажения. Другой недостаток — постоянный ток Iо через головку громкоговорителя ухудшает ее работу, нагревает звуковую катушку и выдвигает ее из зазора магнитной системы.

Если последнее устранить, то эти усилители воспроизводят звук очень чисто, практически без искажений при малых сигналах.

Усилители следующего, класса В, работают вообще без начального смещения. При этом транзистор открывается только положительной полуволной входного сигнала, а отрицательную волну не пропускает совсем (рис. 2).

Но зато при отсутствии сигнала и ток через транзистор равен нулю. КПД этого усилителя достигает 60…70 %.

Такие усилители не годятся для усиления звука, но нашли применение в радиопередатчиках, где нагрузкой транзистора служит не динамическая головка, а выходной колебательный контур, который в силу своей «инерционности» дополняет колебания второй полуволной, и на выходе передатчика получается синусоидальный сигнал. Для еще большего повышения КПД в передатчиках используют и усилители класса С, в которых на транзистор подают некоторое напряжение смещения, но запирающее, отрицательной полярности. При этом ток через транзистор имеет вид еще более коротких импульсов, ударно возбуждающих выходной колебательный контур.

Для УЗЧ класс С никогда не используют из-за больших искажений, но он-то как раз и дал название усилителям, которые мы и собираемся рассмотреть, поскольку D — это просто следующая буква латинского алфавита.

УЗЧ класса В тем не менее бывают, но только двухтактные, состоящие как бы из двух усилителей, каждый из которых усиливает свою полуволну сигнала. Специально для них разработаны комплементарные (взаимодополняющие) пары транзисторов различного типа проводимости, но с одинаковыми параметрами. К ним относятся, например, пары КТ315 — КТ361 (маломощные), КТ815 — КТ817 (средней мощности) и многие другие.