Как соединяются каналы соломинок, показано на рисунке.
Поставьте на тарелку консервную банку, на банку — стакан с водой и опустите на воду наш поплавок с соломинками. Если теперь с помощью резиновой груши отсосать немного воды из нижних концов соломинок, мы получим два сифона, которые будут непрерывно выкачивать воду из стакана. А так как ответвления от боковых соломинок направлены в противоположные стороны, вся плавучая конструкция начнет вращаться и не остановится до тех пор, пока горизонтальная соломинка не ляжет на края стакана. Если подливать в стакан воду, вертушка будет работать непрерывно.
Такую вертушку-сифон еще легче сделать из тонких металлических трубок, которые можно сгибать. Она изображена в правой части рисунка. В трубках следует немного приплюснуть отверстия, из которых вытекает вода, чтобы уменьшить ее расход.
ФОНТАН ИЗ СКОРЛУПЫ
Приготовьте для опыта: 3 яичные скорлупы, длинную широкую соломинку, соломинку 6–8 см длиной, пластилин, банку, воду, 2 пробки, мелкие металлические пуговицы, плотную бумагу, ножницы, картонный кружок.
Возьмите два яйца. Проткните в скорлупе по дырочке с каждого конца, выдуйте содержимое яиц. Соедините пустые скорлупы толстой соломинкой длиной 25 см так, чтобы она прошла сквозь верхнее яйцо и только чуть-чуть вошла в нижнее. Вторая соломинка, длипой 6–8 см, срезанная наискось, входит в верхнее отверстие верхнего яйца и пропущена в него почти до дна. Места скреплений тщательно залепите пластилином. Нижнее отверстие нижнего яйца оставьте свободным. Эта дырка больше других, ее диаметр — пол сантиметра.
Если предварительно наполнить верхнее яйцо водой, а затем, не выпуская из рук, погрузить всю конструкцию в банку с водой, вода сквозь свободное отверстие войдет в нижнюю скорлупку и под ее давлением из верхней скорлупки брызнет фонтан.
Теперь попробуйте немного изменить конструкцию.
Приладьте к верхней скорлупке водяную вертушку — пробку с тремя отверстиями, в которую снизу войдет соломинка из нижнего яйца, и с боков две горизонтальные соломинки с ответвлениями, направленными в противоположные стороны.
Не забудьте, кроме того, под верхнее яйцо подвести широкую пробку, а к верхней части нижнего яйца прикрепить пластилином чашечку из яичной скорлупки — для груза. Затем, перевернув аппарат вверх ногами, лейте в открытое отверстие нижнего яйца воду до тех пор, пока она не начнет вытекать из отверстий вертушки.
Снова переверните аппарат и насыпьте в чашечку мелкие металлические пуговицы. Теперь, погруженная в банку, наша конструкция будет плавать, держась в воде вертикально. Вода начнет вытекать из горизонтальных соломинок вертушки, и вся система будет вращаться, пока не вытечет вода из верхнего яйца.
Вырежьте из плотной бумаги фигурки двух всадников и приклейте их к вертушке — они будут стараться догнать друг друга.
Для того чтобы повторить опыт, нужно перевернуть аппарат, прикрыв пальцем отверстие нижнего яйца и картонным кружочком чашечку с грузом. Верхнее яйцо опять наполнится водой, и вернувшийся в обычное положение аппарат тотчас же начнет работать.
ЗАОЧНАЯ ШКОЛА РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ
Экономичный звуковой усилитель
Один из главных параметров батарейной аппаратуры — это экономичность. В то же время подавляющее большинство промышленно выпускаемых портативных приемников, плееров и прочих устройств экономичностью вовсе не отличаются — их ток потребления при малой громкости достигает 20…30, а иногда и 50 мА при шести-, девятивольтовом питании. Надо заметить, что еще четверть века назад на экономичность приемников, например, обращали больше внимания и типовой ток потребления составлял 7…10 мА. Поскольку на промышленность, в том числе и японско-малайско-китайскую, надеяться нечего, целесообразно самим заняться конструированием экономичной аппаратуры, причем затраты на изготовление даже сложных устройств быстро окупаются экономией на батареях.
Главным потребителем тока питания в радиоприемнике является усилитель звуковой частоты, ведь радиочастотную часть можно сделать очень экономичной, используя современные высокочастотные транзисторы. Когда приемник громко работает, потребляемый ток значительно возрастает, и с этим приходится мириться, но обидно, что УЗЧ расходует батарейки и при молчании. Попробуйте уменьшить громкость до нуля и не выключить приемник — через несколько дней придется выкинуть батареи.
У плееров, проигрывателей и другой звуковоспроизводящей аппаратуры еще одним «прожорливым» потребителем оказывается мотор лентопротяжного механизма или дисковода, но сегодня мы эти вопросы рассматривать не будем, заметив только, что с развитием твердотельной памяти механические устройства совсем уйдут в небытие.
Итак, основы экономичности закладывает УЗЧ с малым током покоя. Какое же выбрать напряжение питания? Хуже всего, в пересчете цены батарей на час работы приемника, использовать питание от четырех-шести пальчиковых элементов (типа 316, LR6 или АА).
Трехвольтовое питание от двух элементов большой емкости обходится дешевле. Такое питание и было выбрано для данной конструкции. Собственно, разработка экономичного маломощного УЗЧ, используемого в самых различных конструкциях, растянулась у автора на многие годы. Выходной каскад на составных германиевых транзисторах (благо их все еще можно найти, причем, почти даром) оказался наилучшим и уже использовался в прежних разработках (см. например, «Синхродин СВ-диапазона». «Юный техник», 2002, № 6, с. 69–73). Малое напряжение открывания, всего 0,15 В, способствует уменьшению искажений типа «ступенька» и лучшему использованию и так небольшого напряжения питания. Усовершенствования коснулись, в основном, предварительных каскадов.
Схема УЗЧ приведена на рисунке.
Входной сигнал с регулятора громкости R1 поступает на затвор первого, полевого транзистора VT1, имеющего очень высокое входное сопротивление. Оно полезно по многим причинам, позволяя использовать высокоомные источники сигнала.
Работа диодного амплитудного детектора, например, заметно улучшается при повышении сопротивления нагрузки: коэффициент передачи и чувствительность увеличиваются, а искажения становятся меньше. Очень небольшой ток стока первого транзистора (порядка 30 мкА) создает на сопротивлении нагрузки R2 падение напряжения около 0,5 В, достаточное для открывания второго транзистора VT2, «раскачивающего» оконечный каскад. Ток коллектора VT2 составляет около 140 мкА, а амплитуда усиленного напряжения ЗЧ может достигать 1,5 В. Оно приложено ко входу составного эмиттерного повторителя, собранного на двух комплементарных парах германиевых транзисторов. Они усиливают только ток, амплитуда которого, отдаваемого в 8-омную нагрузку, может достигать 100 мА.
Режим выходного каскада близок к режиму класса Б, а это означает, что на положительной полуволне сигнала открывается только верхнее плечо (транзисторы VT3 и VT5), а на отрицательной полуволне — только нижнее (транзисторы VT4 и VT6). Небольшое начальное смещение (около 0,15 В), необходимое для уменьшения искажений типа «ступенька», получается за счет прямого падения напряжения на диодах VD1, VD2.
Стабилизация режима усилителя, а он, как видно из схемы, имеет непосредственную связь между каскадами, получается следующим образом: постоянное напряжение 1,5 В с выхода усилителя (средней точки выходного каскада) через резистор R4 подается на исток первого каскада и является его напряжением смещения, поскольку затвор, соединенный по постоянному току с общим проводом через регулятор громкости, имеет потенциал -1,5 В относительно истока. Случайное повышение, например, выходного напряжения приводит к закрыванию VT1. Вслед за ним закрывается и VT2, потенциал его коллектора понижается и заставляет выходное напряжение вернуться к прежнему уровню. Таким образом, получается 100 % ООС по постоянному току. Коэффициент ООС по переменному току значительно меньше благодаря цепочке R3C1, уменьшающей переменную составляющую переменного напряжения на истоке примерно в 10 раз.
Такое же значение имеет и коэффициент усиления по напряжению всего усилителя. Его можно установить, изменяя номинал резистора R3.
В усилителе имеется еще одна цепь обратной связи, положительной. Она получается при соединении правого (по схеме) вывода резистора R5 не с общим проводом, а с «горячим» выводом громкоговорителя ВА1. Коэффициент ПОС несколько меньше единицы, поскольку меньше единицы коэффициент передачи по напряжению выходного каскада, поэтому усилитель не самовозбуждается. ПОС значительно улучшает симметричность выходного напряжения, то есть уменьшает нелинейные искажения. Происходит это вот от чего: на положительной полуволне выходного напряжения транзисторы верхнего плеча выходного каскада VT3 и VT5 открываются хорошо, так как ток в базу VT3 задает открывающийся транзистор VT2. При отрицательной же полуволне этот транзистор закрывается, а базовый ток транзистора VT4 определяется резистором R5, уменьшать величину которого невыгодно из-за снижения экономичности усилителя. Присоединив резистор к выводу громкоговорителя, мы увеличиваем напряжение на нем, а следовательно, и открывающий ток транзистора VT4.
