Усовершенствование переговорного устройства с помощью приёмов ТРИЗ

На  рисунке 1 приведена простейшая схема усилителя низкой частоты для переговорного устройства. Сигнал с микрофона BM1 поступает на базу транзистора VT1 через конденсатор С1. Резистор R1 создаёт на базе смещение, которое определяет режим и качество работы усилителя. Усиленный ток коллектора проходит через телефон BF1. Усилитель работает правильно и не искажает сигнал в том случае если смещение на базу подобрано таким образом, что напряжение коллектора в отсутствии сигнала составляет половину напряжения питания. Таким образом, настройка осуществляется подбором резистора R1.

Рис. 1

На подбор резистора R1 может уйти достаточно много времени и сил, в связи с этим возникают следующие технические противоречия:

ТП1: при увеличении количества экспериментов (а, следовательно, паек), точность настройки увеличивается, но затрачивается слишком много времени и сил.

ТП2: если экспериментов мало, то время настройки и количество затраченных сил уменьшается, но точность настройки падает.

Сформулируем идеальный конечный результат:

ИКР: усилитель настраивается точно и при этом затрачивается мало времени и сил.

Для разрешения данных технических противоречий можно использовать следующие приёмы:

- Объединение

- Универсальность

- Динамичность

- Посредник

 В результате приходим к схеме, изображённой на рисунке 2:

Рис. 2

Вместо постоянного резистора в цепи смещения ставится переменный резистор R2. С его помощью подбирается такое смещение, чтобы, напряжение коллектора стало равным половине  напряжения питания. Поле этого переменный резистор отпаивается, измеряется его сопротивление и вместо резисторов R1 и R2 ставится один постоянный резистор с сопротивлением равным сумме сопротивлений R1 и R2.

Усиленное ИКР:

Каскад усиления настраивает себя сам.

Для разрешения ТП при данном ИКР можно использовать приём «Обратная связь».

Подключив резистор смещения не к источнику питания, а к коллектору, можно получить схему с отрицательной обратной связью (ООС) (рис. 3). Хотя усиление такой схемы несколько меньше, чем у схемы без ООС, она не искажает сигнал при определённом диапазоне значений сопротивления резистора смещения. Т. о. можно поставить резистор с любым сопротивлением из этого диапазона, и схема будет работать правильно.

Рис. 3

Для того, чтобы переговорное устройство было более чувствительным, необходимо увеличить усиление схемы. Применив закон развития технических систем МОНО-БИ-ПОЛИ, можно собрать двухкаскадный усилитель. Схема на рисунке 4 состоит из двух каскадов усиления. Т. о. общий коэффициент передачи тока (усиления) равен произведению коэффициентов усиления каждого каскада. В связи с этим двухкаскадный усилитель обладает большой чувствительностью.

Рис. 4

Однако, если коэффициенты усиления транзисторов достаточно большие, а источник питания не очень хорошего качества, такой усилитель будет работать неправильно. Вместо усиления сигнала с микрофона, он будет генерировать свой собственный сигнал, который будет проявляться в виде гудения или тресков в наушнике. Возникают следующие технические противоречия:

ТП1: При повышении усиления чувствительность усилителя возрастает, но при этом он перестаёт правильно работать.

ТП2: При уменьшении усиления, усилитель работает правильно, но чувствительность понижается.

ИКР: При повышении усиления чувствительность возрастает, и усилитель работает правильно.

На самом деле, причина такого эффекта не связана с большим усилением схемы. Оперативная зона, в которой возникает конфликт, находится внутри источника питания. Падение напряжения на сопротивлении источника питания вызывает положительную обратную связь, которая дестабилизирует устройство (рис. 5).

Рис. 5

Коллекторные токи и первого и второго транзистора проходят через одни и те же цепи питания и создают падение напряжения на сопротивлении источника питания Rпит. Так как второй транзистор оперирует со значительно большими токами, то именно он вносит больший вклад в падение напряжение на Rпит. Если на входе усилителя положительная полуволна сигнала (увеличиваются напряжение и ток базы первого транзистора), то на выходе (коллектор второго транзистора) она тоже положительна. Следовательно, через второй транзистор течёт меньший ток, а значит, уменьшается падение напряжения на сопротивлении источника питания, что приводит к возрастанию напряжения питания и току базы первого транзистора. Таким образом, образуется положительная обратная связь, которая и приводит к самовозбуждению усилителя.

Сформулируем новые технические противоречия:

ТП1: при понижении сопротивления ИП усилитель работает более стабильно, но стоимость ИП повышается.

ТП2: при повышении сопротивления ИП его стоимость понижается, но усилитель работает менее стабильно.

Также можно описать физическое противоречие:

ФП: сопротивление ИП должно быть низким, чтобы усилитель работал правильно, но должно быть высоким, чтобы он был дешёвым.

ИКР: сопротивление ИП высокое, но усилитель работает стабильно.

Технические противоречия разрешаются с помощью следующих приёмов:

Дробление

Проскок

Эти приёмы можно осуществить, применив развязку по питанию, изображённую на рисунке 6:

Рис. 6

В схеме, показанной на рисунке 7,  применена развязка по питанию, которая осуществлена с помощью резистора R и конденсатора С. Напряжение питания первого каскада не зависит от колебаний напряжения, вызванных падением напряжения на сопротивлении источника питания из-за протекания коллекторного тока второго транзистора.

Рис. 7

Физическое противоречие, упомянутое выше, разрешается в данном случае во времени, так как развязка по питанию создаёт временную задержку, равную произведению ёмкости конденсатора на сопротивление резистора:

t=RC,

где t – время, сек; R – сопротивление резистора, Ом; С – ёмкость конденсатора, Ф.

Часто в переговорном устройстве необходим сигнал вызова. Для этого можно собрать отдельный генератор звуковой частоты, однако это усложнит схему. Таким образом приходим к следующим техническим противоречиям и идеальному конечному результату:

ТП1: Если сделать отдельный генератор, то в переговорном устройстве будет вызывной сигнал, но на это уйдут дополнительные время и средства.

ТП2: Если не делать отдельный генератор, то не будет дополнительного расхода времени и средств, но тогда не будет вызова.

ИКР: нет отдельного генератора, но вызывной сигнал есть.

Мы уже видели, что без развязки по питанию усилитель сам превращается в генератор из-за положительной обратной связи, но тогда это было вредной функцией, но мы можем сделать её полезной, если сможем управлять ей при помощи следующих приёмов:

-         Универсальность

-          Вред в пользу

-          Обратной связи

-          Наоборот

-          Динамичность

-          Посредник

На рисунке 8 приведена схема переговорного устройства с вызовом. Когда кнопка не нажата, на вход усилителя поступает сигнал с микрофона. При нажатии на кнопку, микрофон отключается, но на вход теперь подаётся сигнал с выхода через конденсатор положительной обратной связи  Спос. Таким образом, усилитель превращается в генератор, и из телефонного капсюля слышен вызывной сигнал.

Рис. 8

Громкоговорящее переговорное устройство.

На рисунке 9 изображена схема трёхкаскадного усилителя звуковой частоты с выходом на громкоговоритель. Первые два каскада усиления имеют развязку по питанию, и на них осуществлена возможность генерировать вызывной сигнал. У этой схемы есть ряд недостатков: через динамик проходит постоянная составляющая тока коллектора, следовательно, он работает в «неестественном» режиме; выходной каскад всегда потребляет одну и ту же мощность, не зависимо от наличия сигнала, а значит, такая схема крайне неэкономична.

Рис. 9

Если уменьшить смещение базы последнего транзистора, то усилительный каскад будет более экономичным, но при этом сигнал будет сильно искажаться (рис. 10):

Рис. 10

 

И снова мы пришли к техническим противоречиям:

ТП1: при достаточном смещении усилитель не искажает сигнал, но при этом становится неэкономичным.

ТП2: при уменьшении смещения, усилитель более экономно расходует электроэнергию, но при этом искажает звук.

Усиленное ТП2: при отсутствии смещения, расход электроэнергии пропорционален амплитуде входного сигнала, но происходят сильные искажения звука.

ИКР: смещение на транзистор не подаётся, но сигнал не искажается.

Применим следующие приёмы:

-         Дробление

-         Объединение

-         Вред в пользу

В результате получим схему, изображённую на рисунке 11:

Рис. 11

Это схема усилителя с двухтактным выходным каскадом, в котором транзисторы имеют разную структуру и работаю в режиме B, поэтому каждый из них усиливает только половину периода входного сигнала, следовательно, мощность, потребляемая этим каскадом пропорциональна амплитуде сигнала. Если сигнала нет, то усилитель почти не потребляет электроэнергию. Динамик подключён к выходу через конденсатор, поэтому через него не проходит постоянная составляющая тока эмиттеров, но проходит переменный ток, на работу с которым он и рассчитан.

Рассмотренное нами переговорное устройство имеет один серьёзный недостаток: переговариваться можно только в одном направлении т.е. один человек может только говорить, а другой – только слушать. Чтобы обеспечить двустороннюю связь, необходимо два таких переговорных устройства.

ТП1: Если усилителей два, то можно осуществить двухстороннюю связь, но потребуются дополнительные средства и время.

ТП2: Если усилитель один, то дополнительные средства и время не потребуются, но связь будет однонаправленной.

ИКР: усилитель один, а связь двухсторонняя.

Приёмы:

-         Универсальность.

-         Наоборот

Рассмотрим схему на рисунке 12:

Рис. 12

Один и тот же усилитель используется для передачи сообщений в оба направления. У каждого абонента есть только один динамик, который используется и как громкоговоритель и как микрофон. Когда ни одна из кнопок (SA1 или SA2) не нажата, оба динамика подключены к выходу, но так как на вход не подаётся сигнал, то динамики «молчат». При нажатии на одну из кнопок SA1 или SA2 соответствующий динамик подключается на вход и становится микрофоном. Кнопки SA3 и SA4 включают сигнал вызова.

Если собрать такую схему, то окажется, что если провода со входа и выхода усилителя расположить рядом, то усилитель возбудится, т.е. начнёт генерировать свой собственный сигнал из-за образования положительной обратной связи между входом и выходом за счёт ёмкости между проводами. Если провода развести на большое расстояние, то устройство будет неудобным в использовании:

ТП1: Если развести провода на большое расстояние, переговорное устройство будет работать правильно, но становится неудобным в эксплуатации.

ТП2: Если провода разместить близко друг от друга, то переговорное устройство становится удобным в эксплуатации, но работает не правильно.

ИКР: Переговорное устройство удобно в эксплуатации, и работает корректно.

Приём:

-Использование гибких оболочек и тонких плёнок

Решение:

-Экранирование.

Можно использовать экранированные провода, что исключит попадание сигнала с выхода на вход.

Вывод.

 При создании удобного и простого переговорного устройства много раз мы сталкивались с техническими противоречиями. Однако инструментарий ТРИЗ помог нас с лёгкостью их разрешить.