ГЛАВА ШЕСТАЯ
О ВОЛНАХ, О СИТАХ, О РАЗНЫХ ДРУГИХ ВЕЩАХ, А ГЛАВНЫМ ОБРАЗОМ О ДАЛЬНЕЙ СВЯЗИ
6-1. Перевозка зерновой смеси
Представьте, что из одного склада в другой требуется постоянно перевозить много сортов различных зерен; ну, скажем, к примеру: горох, фасоль, рожь, пшеницу, мак... И вот, некий изобретатель для экономии тары и уменьшения транспортных расходов предлагает не возить каждый сорт в отдельности, а проложить между складами одну трубу и сыпать сквозь нее навалом все зерна без разбору, на месте же назначения сортировать получившуюся смесь, пропуская ее сквозь сита. Через самое мелкое пройдут только маковые зерна, фасоль останется на сите с самыми крупными отверстиями и т. д.
Сомнительно, чтобы такая «рационализация транспорта» имела успех.
А в электротехнике для дальней телефонной и телеграфной связи часто поступают именно таким странным образом.
Между двумя городами прокладывают одну двухпроводную линию связи. С каждого конца к этой линии присоединяют по нескольку десятков телефонных аппаратов. В линию посылается смесь из различных электрических токов. Эта смесь проходит всю линию. А на обоих концах линии стоят «электрические сита» — фильтры, которые четко разделяют самую запутанную смесь токов, сортируют эти токи, направляют каждый сорт в свой телефонный аппарат.
6-2. Зачем смешивают электрические токи
Проволочная линия электрической связи стоит дорого. Чтобы дать связь между двумя пунктами, удаленными один от другого на 100 км, потребовалось бы израсходовать одной только железной проволоки больше 10 т. А кроме проволоки, для постройки такой линии необходимо еще несколько тысяч столбов, изоляторов и всяких других материалов. Кабельная линия стоит еще дороже, нежели воздушная, и прокладывать ее труднее.
Вес и стоимость одной только проволоки в линии связи во много раз превышают вес и стоимость двух телефонных аппаратов, включенных у ее концов. Проволочная линия — самое дорогое и самое громоздкое звено в цепи связи.
Связь каждой пары корреспондентов между собой называют «каналом». Когда несколько корреспондентских пар связываются по одной общей линии — связь называется многоканальной.
В 1880 г. русский военный связист капитан Игнатьев впервые передал по одной линии одновременно телеграмму и телефонный разговор. Это была двухканальная связь. В настоящее время на одну проводную линию удается наложить несколько десятков и даже сотен каналов.
В проволочной связи наложение многих каналов на одну линию очень выгодно. Чем больше пар корреспондентов могут говорить по общей линии, не мешая друг другу, тем дешевле обходится эксплуатация каждого канала связи.
Для радиосвязи провода не нужны, линия здесь даровая. Но в радиосвязи часто применяются промежуточные релейные станции. На них сигналы ретранслируются, т. е. усиливаются и передаются дальше. Для радиорелейных линий выгоднее применять многоканальную связь, строить релейные станции для одновременной ретрансляции многих передач, нежели применять соответствующее число одноканальных радиолиний.
«Канал» — это не только телефонный разговор или телеграфная передача. Каналы нужны и для всяких других сообщений. Существуют автоматические электрические станции и подстанции. Все переключения на них производятся издалека, из центрального диспетчерского пункта. Чтобы управлять выключателями, нужен отдельный канал; чтобы передавать показания измерительных приборов на центральный пункт, также нужны отдельные каналы.
Воздушные линии дальних высоковольтных электропередач — это три или шесть проводов, подвешенных на гирляндах фарфоровых изоляторов к высоким мачтам. Десятки тысяч киловатт текут вдоль этих проводов от районных электростанций к городам, к потребителям. Многие полагают, что больше ничего по этим проводам и не передается, только энергия тока с частотой 50 Гц. А на самом деле эти же провода используются для создания еще множества каналов связи. По высоковольтным линиям проходят разговоры диспетчеров энергосистем. По этим же высоковольтным линиям передаются на десятки километров показания измерительных приборов, передаются сигналы для дальнеуправления выключателями и генераторами. Смесь разнообразнейших токов циркулирует в линиях дальних высоковольтных электропередач. И на концевых пунктах эти токи разделяются один от другого и каждый направляется в свое отдельное русло.
6-3. По каким признакам разделять токи
Зерна можно разбирать по-разному — по форме, по удельному весу; по какому же признаку разделять электрические токи? По силе, по направлению, по времени, по фазам импульсов?..
Известно множество способов разделения, или, как принято говорить, селекции электрических токов, но почти нет такой области электротехники, в которой не приходилось бы сортировать, фильтровать токи по частоте.
6-4. В каких случаях токи надо фильтровать
В современной электротехнике применяется множество устройств, которые преобразуют токи одних частот в токи других частот. При всех таких преобразованиях приходится фильтровать смеси токов, направлять ток каждой частоты в свое русло.
В ламповых генераторах для радиопередатчиков, для нагрева стали под закалку, размягчения пластмасс и для многих других целей высокочастотный ток получается из тока низкочастотного или из постоянного.
В этом примере из колебаний с большим периодом, из медленных колебаний получают колебания с малым периодом — быстрые колебания. Из тока с частотой 50 Гц получают токи с частотой много миллионов герц. Генераторные лампы дробят постоянный или низкочастотный ток на отдельные быстрые импульсы.
В ламповых генераторах приходится фильтровать и разделять токи различных частот и постоянный ток подобно тому, как на мельницах просеивают на ситах дробленые, молотые зерна, чтобы отделить муку от крупы, отвеять отруби. Каждую составляющую необходимо направить на свое место.
Часто в технике не дробят, а наоборот, укрупняют. Для доменных печей агломерируют пылевидную руду, спекают ее, получают из мелочи крупные куски. С крупнокусковой рудой лучше идет металлургический процесс. После агломерации пыль отсеивают от спеченных кусков на ситах.
Для электрической тяги из тока с частотой 50 Гц иногда вырабатывают ток с еще большим периодом, понижают частоту тока. Существуют магистральные электрические дороги, на которых применяется ток с частотой, в три раза более низкой, чем частота тока в наших осветительных сетях: там применяется ток с частотой 162/3 Гц. Для питания контактных сетей метрополитена, трамваев, троллейбусов применяют постоянный ток (ток нулевой частоты, ток с бесконечно большим периодом).
На тяговых подстанциях электрических дорог стоят ртутные преобразователи, которые складывают, суммируют отдельные полуволны переменного тока. В этой сумме получается много мелких остатков переменного тока — высших гармонических или просто гармоник, как их называют.
В контактной сети электрических дорог эти гармоники могут создать помехи. Поэтому все гармоники надо отфильтровать, не пустить их в контактную сеть.
Есть еще много случаев, когда применяются частотные фильтры. Частотные фильтры — важный элемент в современной электротехнике.
6-5. Сита частые и сита крупные
Просеивать зерна на ситах можно по-разному: либо собирать то, что проваливается сквозь сито, — всю мелочь, либо собирать то, что на сите остается, — все крупное. В электрических фильтрах существуют две различные группы схем. Одни называются фильтрами высоких частот. Они задерживают постоянный ток и токи низких частот, а свободно пропускают быстро изменяющиеся токи — высокочастотные токи. Чем выше частота тока, тем легче он проходит через фильтр высоких частот.
Второй тип фильтров — фильтры низких частот. Они, наоборот, пропускают медленно меняющиеся токи, токи низких частот, и тем легче, чем частота тока ниже. Высокие частоты, быстро изменяющиеся токи этими фильтрами задерживаются.
Когда смесь зерен для рассева пропускается через два одно за другим расположенных сита — первое более крупное, второе более мелкое, то можно выделить из смеси такие зерна, которые через крупное сито проваливаются, а на мелком остаются. Комбинация из двух сит способна очистить зерна интересующего нас размера как от более крупных, так и от более мелких частиц. Такая комбинация сит выделяет один сорт зерен.
И электрические фильтры могут быть так устроены, чтобы выделять токи определенной полосы частот.
Но выделять какую-нибудь полосу частот можно по-разному: можно так включить фильтр, чтобы он отбрасывал из смеси токов и слишком высокие частоты, и слишком низкие, а пропускал бы через себя только узкую заданную полосу частот. Такие фильтры называются полосовыми. Но можно и по-иному включить фильтр — а именно так, чтобы он пропускал и низкие и высокие частоты, а отбрасывал из смеси токов только одну определенную группу частот.
Такие фильтры называются пробками (иногда их называют режекторными, что в переводе означает отбрасывающие, заграждающие).
Таковы четыре основных разновидности электрических фильтров. Но существуют еще различные их комбинации. Сложные фильтры применяются в дальней многоканальной связи, в радиолокационных установках.
Для характеристики смеси частиц различных размеров применяют термин гранулометрический состав (гранула — по-латыни зерно). Щебень для изготовления бетона хорошего качества должен содержать определенный процент более крупных и определенный процент более мелких частиц. Щебень, говорят, должен иметь определенный гранулометрический состав. Сита можно определить как устройства, меняющие гранулометрический состав в требуемом направлении.
Смесь токов различных частот характеризуется спектральным составом, спектральной кривой. Самое общее определение электрического фильтра — это будет: устройство, меняющее спектральный состав смеси токов.
6-6. Механические фильтры для комфорта
Оставим на время аналогии с сортировкой зерен на ситах и займемся подробнее колебаниями, ибо нас интересует разделение различных колебаний, а не частиц.
Рис. 6-1. Примеры акустических фильтров низких частот. Они состоят из ряда расположенных одна за другой камер.
Рис. 6-2. Продольный разрез автомобильного глушителя и схема эквивалентного глушителя электрического фильтра низких частот.
По булыжной мостовой мчится автомобиль. Колеса подпрыгивают на каждой неровности дороги, но эти колебания в очень ослабленном виде передаются кузову автомобиля.
Подвеска автомобиля «фильтрует» эти колебания. Медленные изменения положения колеса передаются полностью кузову. А короткие толчки, быстрые колебания до кузова не доходят — «вязнут» в подвеске.
Подвеска автомобиля — это фильтр для механических колебаний, точнее говоря, механический фильтр низких частот. Чем больше частота колебаний автомобильного колеса, тем меньшая доля энергии этих колебаний доходит до кузова автомобиля.
Подвеска любой повозки, по существу, должна быть фильтром низких частот, который включен между колесами и кузовом. Но степень фильтрации бывает разной. В телеге она не столь высока, как в хорошем легковом автомобиле.
Существуют фильтры и для механических звуковых колебаний. Их называют акустические фильтры (рис. 6-1). Пример акустического фильтра низких частот — глушитель автомобиля (рис. 6-2). Он сглаживает отдельные толчки выхлопных газов, пропускает плавную струю.
Еще механические фильтры
Надавите плавно иголку звукоснимателя (адаптера) патефона. Это давление не воспроизведется столбом воздуха в рупоре патефона, и патефон молчит. Но когда иголка скользит по извилистой бороздке пластинки, колебания иголки передаются мембране, а от мембраны воздуху. В этом примере звуковоспроизводящая система патефона ведет себя как фильтр высоких частот. Но если частота звука, записанного на пластинке, слишком высока, то воспроизведение его также ослабляется. Правильнее сказать, что звуковоспроизводящая система патефона — это полосовой фильтр. Она не пропускает как очень низкие, так и очень высокие частоты. Чем шире полоса пропускания патефона, тем лучше, тем естественнее и натуральнее будет воспроизведение звука. Хороший патефон должен пропускать полосу частот от 300 до 3 000 Гц.
6-8. Анатомия фильтров
Всякий фильтр для механических колебаний состоит из инертных масс и элементов упругости. Или, выражаясь более грубо, — из гирь и пружин. Иногда эти составляющие сразу отчетливо видны: в автомобиле тяжелая инертная масса кузова покоится на гибкой, податливой рессоре.
В патефонном звукоснимателе труднее выделить «гири» и «пружины». Эти элементы там очень малы. Не так легко проследить в звукоснимателе, как включены между собой эти отдельные элементы. Изучают экспериментально пропускание различных частот через звукосниматель, и на этом основании уже составляют эквивалентную схему. Тогда можно предсказать, как изменится пропускание частот, если изменить конструкцию.
Гиря, укрепленная на пружине, способна совершать колебания.
Гирю на пружине называют колебательной системой В этой книжке мы ее уже обсуждали не раз. Достаточно толкнуть колебательную систему один раз, и она некоторое время будет сама качаться.
Частота, с которой эти колебания совершаются, называется собственной или резонансной частотой.
Гиря на пружине может действовать и как фильтр низких, и как фильтр высоких частот. Это зависит от того, куда приложена внешняя сила, как она действует на гирю и пружину. Но в обоих случаях важное значение имеет резонансная частота. Фильтр высоких частот хорошо пропускает колебания более быстрые, нежели резонансные, а фильтр низких частот, наоборот, колебания более медленные, нежели резонансные.
Фильтр для электрических колебаний состоит из индуктивностей и емкостей. В электромеханических аналогиях индуктивности соответствуют гирям, емкости — пружинам, рессорам.
В зависимости от того, как эти емкости и индуктивности скомбинированы и включены, получаются электрические фильтры высоких или низких частот, полосовые или режекторные фильтры.
6-9. Самые простые разделители токов
Рис. 6-3. Индуктивность, последовательно включенная в цепь, свободно пропускает постоянный ток и задерживает переменный тем сильнее, чем выше его частота.
При помощи одного-единственного элемента — одной емкости или одной индуктивности, включенных в электрическую цепь, уже можно производить разделение токов разных частот. Это еще не фильтр в полном смысле слова, хотя иногда так называют (сильноточники, не связисты) единичную емкость или индуктивность (рис. 6-3 и 6-4).
Простейшим способом разделял частоты при своей двухканальной передаче 1880 г. упомянутый в начале этой главы капитан Игнатьев. Телеграфный аппарат он подключал к линии через катушку самоиндукции, а телефонный аппарат через конденсатор.
В настоящее время в многоканальной связи применяются сложные фильтры.
Одна емкость или индуктивность хороша, когда надо отделить токи переменные от тока нулевой частоты, тока постоянного. В ламповых генераторах, например, индуктивность и емкость применяются, чтобы разделить постоянный ток питания лампы и высокочастотный ток, который лампа вырабатывает.
Катушка самоиндукции, которая называется в этом случае «стопорный дроссель», полностью проводит постоянный ток, но переменный ток от лампы дроссель стопорит, мало пропускает в цепь питания. Чем выше частота этого тока, тем меньшая катушка самоиндукции достаточна, чтобы застопорить переменный ток. Полной задержки (стопорения) здесь не требуется, считается допустимым, чтобы через дроссель уходило до 10% переменного тока, вырабатываемого лампой. Эта утечка через дроссель не вызывает больших потерь энергии. Утечка через дроссель может изменить частоту тока (в генераторе с самовозбуждением), но на полезную отдачу генератора она почти не влияет.
Конденсатор, который подключается к генераторной лампе, между ее анодом и нагрузкой (колебательным контуром), наоборот, совершенно не пропускает через себя постоянный ток высокого напряжения к нагрузке лампового генератора. Но этот конденсатор легко проводит переменный ток (рис. 6-4).
Рис. 6-4. Емкость, последовательно включенная в цепь, задерживает постоянный ток, но пропускает переменный тем легче, чем выше частота тока.
Рис. 6-5. Комбинация из индуктивности и емкости может разделить пульсирующий ток на две составляющие: постоянная составляющая проходит через индуктивность на выход I, переменная же составляющая через конденсатор проходит на выход II.
Этот разделительный конденсатор защищает нагрузку генератора от попадания на нее смертоносного постоянного тока высокого напряжения (рис. 6-5). В схеме лампового генератора с разделительным конденсатором можно во время работы генератора коснуться его колебательного контура. Опасность смертельного поражения здесь устранена.
Чем выше частота переменного тока, вырабатываемого генераторной лампой, тем меньшую емкость может иметь разделительный конденсатор, чтобы обеспечить хорошее, без потерь прохождение высокочастотного тока.
Такая схема разделения токов называется схемой параллельного питания. Она применяется преимущественно в ламповых генераторах, вырабатывающих токи с частотой 104—107 Гц. В электронных и ионных преобразователях для более низких частот параллельное питание обычно не применяется, ибо чем ниже частота тока, тем больше должна быть емкость разделительных конденсаторов и индуктивность стопорных дросселей и тем дороже стоят эти устройства. Ток с частотой ниже 104 Гц уже может нанести смертельное поражение, и поэтому нет основания разделять постоянный и переменный токи высокого напряжения.
В генераторах на очень высокую частоту (с частотой выше 107 Гц) применение параллельного питания может представить конструктивные неудобства.
Схемы электронных преобразователей, в которых и постоянный ток, и переменные токи циркулируют в одной общей цепи, называются схемами последовательного питания.
6-10. Как сравнивают фильтры?
Отношение амплитуды колебания на выходе фильтра к амплитуде колебания этой же частоты на входе—это коэффициент пропускания, коэффициент прозрачности фильтра. А отношение того, что не прошло через фильтр (то, что подводится к фильтру, минус то, что через него проходит) к тому, что получается на выходе, — это коэффициент затухания или поглощения фильтра. Оба эти коэффициента — числа отвлеченные, не именованные. Прозрачность может быть в пределах от 1 до 0. А затухание — от 0 до бесконечности.
Коэффициенты затухания и пропускания зависят от частоты подводимых к фильтру колебаний. Отношение двух коэффициентов прозрачности для двух частот колебаний — это коэффициент фильтрации. Он позволяет оценить, во сколько раз ослабляет фильтр отношение нежелательной составляющей тока или напряжения к его полезной составляющей.
Предположим, к фильтру подводится для сглаживания выпрямленный пульсирующий ток, в котором содержание первой основной гармоники 25% от постоянной составляющей тока. В данном случае применяется фильтр низких частот. Он незначительно ослабляет постоянный ток и сильно подавляет гармоники. На выходе фильтра основная гармоника будет составлять, к примеру, только 0,5% от постоянной составляющей. Следовательно, коэффициент фильтрации данного фильтра (для основной гармоники) будет 50. Это также число отвлеченное, не именованное.
Одна индуктивность или одна емкость представляют для переменного тока сопротивление, которое линейно зависит от частоты этого тока. Сопротивление самоиндукции возрастает прямо пропорционально частоте тока, а сопротивление емкости падает также прямо пропорционально частоте.
Когда токи незначительно разнятся по частоте, то одной индуктивностью или одной емкостью невозможно их хорошо разделить. Даже если частоты токов отличаются вдвое, то и тогда коэффициент фильтрации единичного элемента будет только 2 в самом лучшем случае, а практически всегда меньше.
Для получения большого коэффициента фильтрации для токов незначительно разнящихся по частоте, необходимо применять фильтры, состоящие из комбинации емкостей и самоиндукций.
