Чарльз Платт – Электроника для начинающих (2-е издание) (страница 72)

Рис. 5.25. Маленький динамик (вид сзади)

Рис. 5.26. Передняя сторона динамика

Динамик без диффузора показан на рис. 5.27. Желтая ткань в центре – это гибкая секция, которая в обычном состоянии позволяет диффузору двигаться внутрь и наружу и не дает возможности отклоняться в стороны.

Сделайте надрез по внешнему краю желтой ткани, и тогда вы сможете вытянуть спрятанный бумажный цилиндр, вокруг которого намотана медная обмотка, как показано на рис. 5.28. На фотографии я для наглядности перевернул ее.

Два конца этой медной обмотки обычно получают питание через гибкие провода от двух выводов на задней стороне динамика. Когда катушка находится внутри канавки, которая видна на магните, она реагирует на колебания напряжения, и в ответ на магнитное поле создает силу, направленную вверх или вниз. Это приводит к вибрации диффузора динамика и создает звуковые волны.

Рис. 5.27. Динамик с удаленным диффузором

Рис. 5.28. Медная обмотка динамика обычно расположена внутри кольцеобразной канавки магнита

Большие динамики в вашей стереосистеме работают по такому же принципу. Просто у них магниты больше, а катушки способны выдержать большую мощность (обычно до 100 Вт).

Всякий раз, когда я разбираю такой небольшой компонент, как этот, я поражаюсь точности и тонкости его деталей, а также тому, как он может выпускаться массово при такой низкой цене. Я представляю, как удивились бы Фарадей, Генри и другие первопроходцы в исследовании электричества, если бы они увидели эти компоненты, сегодня воспринимаемые нами как должное. Чтобы создать электромагниты, которые были гораздо менее эффективными, чем этот дешевый маленький динамик, Генри вручную несколько дней наматывал катушки.

История создания динамиков

Как я упоминал в начале этого эксперимента, обмотка будет перемещаться, если ее магнитное поле взаимодействует с массивным или с закрепленным объектом. Если этот объект является постоянным магнитом, обмотка будет взаимодействовать с ним сильнее, приводя к более энергичному движению. Так и работает динамик.

Эта идея была предложена в 1874 году плодовитым немецким изобретателем Эрнстом Сименсом. (В 1880 году он также построил первый в мире лифт с электрическим приводом.) Сегодня компания Siemens AG – один из самых крупных производителей электроники в мире.

Когда Александер Грейам Белл запатентовал телефон в 1876 году, он воспользовался идеей Сименса для создания звуковых частот в динамике телефонной трубки. С этого момента устройства воспроизведения звука постепенно становились качественнее и мощнее, до тех пор пока в 1925 году Честер Райс (Chester Rice) и Эдвард Келлог (Edward Kellog) из компании General Electric не опубликовали документ, устанавливающий основные принципы, которые и сейчас используются при разработке динамиков.

На сайтах, таких как Radiola Guy (http://bit.ly/radiolaguy), вы найдете фотографии очень красивых старинных динамиков, которые для максимальной эффективности были снабжены рупором, как показано на рис. 5.29. По мере того, как усилители звука стали мощнее, эффективность динамиков отошла на второй план, и гораздо важнее стали качество воспроизведения и минимальная стоимость производства. Сегодняшние динамики преобразуют лишь около 1 % электрической энергии в звуковую.

Рис. 5.29. Этот красивый динамик Amplion AR-114x иллюстрирует попытки дизайнеров добиться максимальной эффективности в эру, когда мощность звуковых усилителей была очень ограничена (Фото предоставлено «Sonny, the RadiolaGuy»)

Звук, электричество и снова звук

Пришло время получить более конкретное представление о том, как звук превращается в электрический ток и обратно в звук.

Предположим, кто-то ударил в гонг палкой, как показано на рис. 5.30. Плоская металлическая поверхность гонга вибрирует в обе стороны, создавая волны сжатия, которые воспринимаются нашим ухом как звук. За каждой волной высокого давления воздуха следует спад в виде низкого давления воздуха, а длина волны звука – это расстояние (как правило, от нескольких метров до миллиметров) между одним пиком давления и следующим.

Частота звука – это число волн за секунду, обычно она выражается в герцах.

Рис. 5.30. Удар в гонг вызывает вибрацию его гладкой поверхности. В результате в воздухе возникают волны сжатия и растяжения

Предположим, мы поместили очень чувствительную маленькую мембрану из тонкого пластика на пути волн сжатия. Она будет колебаться в ответ на волны, подобно листку, который трепещет на ветру. Допустим, мы прикрепили маленькую катушку индуктивности из очень тонкого провода к обратной стороне мембраны, так что она движется вместе с мембраной. Давайте также поместим внутри катушки неподвижный магнит. Эта конструкция напоминает крошечный ультрачувствительный динамик, за исключением того, что не электричество порождает звук, а звук будет вырабатывать электричество. Волны сжатия вызывают колебание мембраны вдоль оси магнита, а магнитное поле создает колеблющееся напряжение в проводе. Сказанное иллюстрирует рис. 5.31.

Такое устройство называется микрофоном с подвижной катушкой. Есть и другие способы создания микрофона, но эта конструкция самая простая для понимания. Конечно, напряжение, которое он генерирует, очень мало, но мы можем усилить его с помощью транзистора или ряда транзисторов, как предложено на рис. 5.32.

Затем мы можем подать выходной сигнал на обмотку, намотанную вокруг горловины динамика, и динамик будет воспроизводить волны сжатия в воздухе, как показано на рис. 5.33.

Рис. 5.31. Звуковые волны, попадающие в микрофон с подвижной катушкой, вызывают вибрацию мембраны, прикрепленной к катушке индуктивности на муфте вокруг магнита. В результате движение катушки генерирует малые токи

Рис. 5.32. Слабые сигналы от микрофона проходят через усилитель, который увеличивает их амплитуду, сохраняя частоту и форму

Рис. 5.33. Усиленный электрический сигнал проходит через обмотку вокруг горловины диффузора динамика. Индуцированное электрическим током магнитное поле вызывает вибрацию диффузора, воспроизводя исходный звук

Возможно, мы захотим записать этот звук и затем воспроизвести его. Принцип останется прежним. Самое сложное – спроектировать микрофон, усилитель и динамик таким образом, чтобы они точно воспроизводили форму колебаний на каждом этапе. Задача непростая, поэтому точное воспроизведение звука может оказаться труднодостижимым.

Эксперимент 28. Демонстрируем самоиндукцию катушки

Вы убедились, что при пропускании тока через обмотку, он создает магнитное поле. А что происходит с созданным полем, когда вы отключаете ток? Энергия магнитного поля превращается обратно в короткий импульс электрического тока. Мы говорим, что это происходит, когда поле спадает. Описанный далее эксперимент позволит вам воочию убедиться в этом.

Что вам понадобится

• Макетная плата, монтажный провод, кусачки, инструмент для зачистки проводов, мультиметр

• Слаботочные светодиоды (2 шт.)

• Монтажный провод 22-го (лучше 26-го) калибра (диаметр 0,64 или 0,4 мм), 30 метров (1 катушка)

• Резистор номиналом 47 Ом (1 шт.)

• Конденсатор емкостью 1000 мкФ или больше (1 шт.)

• Кнопка (1 шт.)

Методика проведения

Взгляните на электрическую схему, приведенную на рис. 5.34. Макет установки показан на рис. 5.35. Для обмотки можете использовать бухту монтажного провода 22-го калибра длиной 30 метров. Как вариант, если вы намотали катушку из 60 метров провода в эксперименте 26, то подойдет и она, а если вы приобрели обмоточный провод, то это еще лучше.

На первый взгляд схема может показаться вам бессмысленной. Резистор 47 Ом слишком мал для защиты светодиода, но почему вообще светодиод должен гореть, когда электрический ток может обойти его через катушку?

Рис. 5.34. Простая схема для демонстрации собственной индуктивности катушки

Рис. 5.35. Компоновка макетной платы для эксперимента по самоиндукции.

Теперь проверьте работу схемы, и я думаю, что вы будете удивлены. Каждый раз, когда вы нажимаете кнопку, светодиод мигает. Вы можете предположить, почему?

Попробуем добавить второй светодиод, подключив его по-другому, как показано на рис. 5.36 и 5.37. Опять нажмите кнопку, и первый светодиод мигнет, как и раньше. Но теперь, когда вы отпустите кнопку, мигнет второй светодиод.

Рис. 5.36. Один светодиод мигает при появлении магнитного поля, а второй – при его исчезновении

Рис. 5.37. Макет установки с двумя светодиодами

Понятие самоиндукции

Во время этого эксперимента происходило следующее. Вначале катушке необходим короткий промежуток времени для создания магнитного поля. На это требуется очень малое время, в течение которого сопротивление катушки велико и она почти не проводит электрический ток. В результате часть тока проходит через первый светодиод. После создания магнитного поля сопротивление катушки падает и ток, протекающий через нее, резко увеличивается.

Эта реакция катушки называется самоиндукцией. Иногда говорят об индуктивном сопротивлении или реактивном сопротивлении, но поскольку правильным является термин «самоиндукция», я буду употреблять именно его.

Когда вы отключили питание, магнитное поле сошло на нет, а энергия этого поля преобразовалось обратно в короткий импульс электрического тока. Он зажег второй светодиод, когда вы отпустили кнопку. Естественно, катушки разного размера накапливают и высвобождают различное количество энергии.