ВОСПОМИНАНИЕ № 10. ПЕРЕМЕННОЕ НАПРЯЖЕНИЕ И ПЕРЕМЕННЫЙ ТОК. 2 страница
Рис. 3. Информация, которую несет электрический сигнал, записана в изменениях тока (напряжения) в форме графика этого сигнала.
График – это особый деловой рисунок, такой же, скажем, как географическая карта или чертеж. График тока показывает, как меняется этот ток с течением времени, каких значений он достигает в тот или иной момент. Горизонтальная ось графика, подобно циферблату часов, размечена в единицах времени, а по вертикальной оси откладывается значение тока или напряжения. Разумеется, это относится лишь к графику, описывающему характер электрического сигнала. Существует множество других графиков, которые показывают совершенно другие зависимости и соответственно имеют другую разметку осей. Встреча с некоторыми из них у нас еще впереди.
Сама линия, показывающая, как изменяется ток с течением времени, называется кривой тока или графиком тока. Это, конечно, не очень строгие выражения, но они уже давно существуют в языке математиков и инженеров, и мы будем этими выражениями пользоваться без всяких оговорок.
Итак, сохранить характер сигнала при усилении – это значит создать более мощный сигнал, график которого по форме был бы таким же, как и график слабого, усиливаемого сигнала. Иными словами, график усиливаемого сигнала и построенный в ином масштабе график усиленного сигнала (деления на вертикальной шкале нужно сжать во столько же раз, во сколько усиливается сигнал) должны быть одинаковыми (рис. 4).
|
|
|
Рис. 4. Усилить сигнал – это значит создать более мощный сигнал, но с неизменной формой графика.
Теперь уже, пожалуй, можно определить, из каких основных узлов должен состоять любой электронный усилитель сигналов. Во‑первых, в нем должен быть источник энергии, которая и пойдет на создание мощного, усиленного сигнала. Во‑вторых, в усилителе должен быть своего рода копировальный аппарат – устройство, которое, используя энергию имеющегося источника и взяв за образец слабый усиливаемый сигнал, создаст по его подобию новый, мощный сигнал.
Здесь уместно такое сравнение. Представьте, что у вас есть маленькая скульптурка и вам хочется сделать такую же точно скульптуру больших размеров. Что для этого нужно?
Во‑первых, нужен большой кусок глины или другого материала, из которого можно было бы слепить большую скульптуру.
Ну, а во‑вторых, нужен скульптор, который сумеет, глядя на маленький образец, создать его большую копию из бесформенного куска. В электронном усилителе энергию, которую дает мощный источник, можно сравнить с большим куском глины, а «копировальный аппарат» должен делать примерно то же, что и скульптор в нашем примере.
|
|
|
Что касается источника энергии, то здесь дело обстоит просто: его роль прекрасно выполняет батарея или выпрямитель, дающий постоянный ток. Из постоянного тока сравнительно просто можно «лепить» самые сложные по форме сигналы. Был бы только «скульптор». А вот с ним‑то дело обстоит намного сложнее.
Сейчас мы начнем поиски скульптора, начнем поиски устройства, которое может слепить из постоянного тока мощную копию слабого сигнала. Поиски в итоге приведут к транзистору: усиление сигнала, точнее, лепка мощного сигнала по образцу слабого, – это и есть главная роль, которую играет транзистор в электронной аппаратуре.
Конечная цель наших поисков недалека. Но не будем торопиться. Давайте пройдем свой путь, как подобает настоящим следопытам. Давайте внимательно присматриваться к дороге, при любой остановке задумываться, куда идти дальше, и, конечно, отмечать на карте все интересное, что встретится в пути.
Прежде чем отправляться в дорогу, попытаемся как‑то изобразить на путевой карте свои исходные позиции.
Начнем с того, что нарисуем источник энергии для создания усиленного сигнала – батарею Б (рис. 5).
Рис. 5. Источником энергии для создания усиленного сигнала может служить батарея.
|
|
|
Подключим к батарее резистор Rвых (почему мы назвали этот резистор «выходным» – сокращенно «вых», – будет объяснено немного позже) и создадим таким образом замкнутую цепь. Теперь батарея Б не бездействует, а гонит по этой цепи постоянный ток. Из него‑то мы и будем лепить мощную копию слабого сигнала.
Источником слабого сигнала, который нам предстоит усилить, может быть антенна приемника или телевизора, звукосниматель, движущийся по пластинке, микрофон, фотоэлемент и масса других устройств. Но мы не будем вдаваться в подробности – сейчас они несущественны – и договоримся, что слабый сигнал поступает из какого‑то условного генератора, из закрытой «коробочки» с надписью «Слабый сигнал». Мы видим лишь две клеммы этого условного генератора, между которыми и действует непрерывно меняющееся напряжение Uсиг . Если подключить к клеммам генератора электрическую цепь, в простейшем случае одиночный резистор Rвх (почему это сопротивление названо входным, мы скажем позже), то в этой цепи пойдет меняющийся ток Iсиг .
Итак, источник слабого сигнала дает напряжение Uсиг , а по резистору Rвх проходит ток Iсиг . А что является тем самым сигналом, который нужно усилить, – ток или напряжение? И что в результате усиления должно возрасти – Uсиг или Iсиг ?
|
|
|
Какой‑либо физический процесс может характеризоваться несколькими связанными между собой показателями. Движение автомобиля, например, характеризуется скоростью, пройденным расстоянием и временем, в течение которого машина находится в пути. А то, что происходит на каком‑нибудь участке электрической цепи, характеризуется напряжением U на этом участке, его сопротивлением R и током I . Все три величины связаны между собой: величина тока I зависит от U и от R . Описание этой зависимости (словами или в алгебраическом виде, то есть в виде формул) называется законом Ома.
Этот закон всем вам наверняка известен, но мы все же уделим ему несколько строк. Как‑никак это главный закон электрических цепей, и не зря радисты шутят: «Не знаешь закон Ома – сиди дома!»
Электрическое напряжение, грубо говоря, создается неравновесием электрических зарядов на каком‑нибудь участке цепи, например на концах наших резисторов Rвх или Rвых .
Если в самом резисторе имеется одинаковое количество положительных и отрицательных зарядов и если распределены они равномерно, то никакого напряжения на этом резисторе не будет. А вот если на одном конце резистора отрицательных зарядов – электронов – больше, чем на другом конце, то между этими концами как раз и будет действовать напряжение. Чем больше неравенство, неравновесие зарядов, тем больше и напряжение.
Разумеется, электрическое напряжение само по себе не появляется. Его создают, затрачивая на это определенную энергию. Напряжение на выходе батареи, например, создается за счет химической энергии. Напряжение на выходе звукоснимателя появляется за счет работы, которую совершает игла, двигаясь по извилистой звуковой дорожке. Напряжение на выходе микрофона создается энергией звуковых колебаний. Напряжение в цепи антенны приемника или телевизора возникает от воздействия на эту антенну электромагнитных волн.
Напряжение, действующее на каком‑либо участке цепи, создает на этом участке ток – упорядоченное движение свободных электрических зарядов. Довольно часто током называют движение свободных электронов. И действительно, во многих случаях в электрической цепи движутся только одни электроны. Но если в каком‑либо элементе цепи имеются и другие положительные либо отрицательные свободные (то есть не привязанные к определенному месту) заряды, то под действием напряжения и они начнут двигаться. Заряды всегда двигаются оттуда, где их слишком много, туда, где их не хватает. Образно говоря, электрический заряд всегда ищет, где посвободнее, где меньше таких же, как и он сам, зарядов‑конкурентов. Так, положительные заряды двигаются от «плюса» к «минусу», а отрицательные – от «минуса» к «плюсу» (см. стр. 142. Воспоминание № 2).
Чем больше напряжение, тем больше ток, тем интенсивнее движение свободных зарядов. Об этом и говорит первая часть закона Ома: «Ток I прямо пропорционален напряжению U …»
На второй части закона – «ток I обратно пропорционален сопротивлению R » – мы остановимся более подробно. Хотя бы потому, что само слово «сопротивление» – «резистор» – входит (и не случайно!) в имя нашего главного героя.
Сопротивление, а точнее, электрическое сопротивление представляет собой характеристику какого‑либо элемента или участка электрической цепи, подобно тому как диаметр труб является характеристикой нефтепровода, угол наклона – характеристикой шоссейной дороги, концентрация молекул – характеристикой газа. О каких же свойствах участка электрической цепи (или всей цепи в целом) говорит величина сопротивления? Сопротивление говорит о том, насколько большой ток может возникать на участке цепи под действием напряжения.
Если в двух разных участках электрической цепи под действием одного и того же напряжения возникают разные токи, то это может быть только потому, что сопротивление участков различно.
Существует еще одна характеристика цепи, которая называется проводимостью и представляет собой величину, обратную сопротивлению. О каком‑либо участке цепи можно сказать, что у него малая проводимость, или, что то же самое, большое сопротивление. Проводимостью иногда пользуются при описании или расчете электрических цепей.
Упростив картину, можно сказать, что сопротивление какого‑либо элемента цепи зависит от того, сколько в нем свободных зарядов. Если в участке цепи нет свободных зарядов, то по ней ток не пойдет. Да и какой может быть ток, если некому двигаться! Цепь разорвана, в нее включен изолятор, сопротивление которого бесконечно велико. Чем больше свободных зарядов в проводящем участке цепи, тем большим будет ток при одном и том же напряжении, тем, иными словами, меньше сопротивление этого участка цепи. Именно в этом смысле и нужно понимать вторую часть закона Ома: «…ток обратно пропорционален сопротивлению». А если вам понадобится определить сопротивление участка цепи, то для этого можно воспользоваться простой расчетной формулой, вытекающей из закона Ома (Воспоминание № 3).
Закон Ома говорит о том, что при неизменном сопротивлении Rвх величина тока Iвх зависит только от напряжения Uсиг . Увеличивается напряжение – растет и ток, уменьшается напряжение – и в такой же степени падает ток. А это значит, что график тока Iсиг будет точной копией графика Uсиг . Поэтому понятие «электрический сигнал» в данном случае относится в равной степени и к напряжению, и к току, к этим спаренным характеристикам единого процесса.
Мы постепенно приближаемся к тому, чтобы выяснить, как работает транзисторный усилитель, как он усиливает слабый электрический сигнал. Но еще до этого нам предстоит задуматься над тем, что должно возрасти в результате усиления сигнала – ток или напряжение? Ответить на этот вопрос по существу не просто, и в поисках ответа нам придется еще раз оглянуться назад.
Кроме закона Ома, есть еще одно очень важное соотношение, без понимания которого нечего и думать о знакомстве с электрическими цепями и тем более с электронными усилителями. Это соотношение касается мощности: электрическая мощность Р равна произведению напряжения U на ток I (Воспоминание № 4). Строго доказать справедливость этого равенства не составляет труда, но для экономии времени мы докажем его с помощью нескольких упрощенных рассуждений.
Мощность – это работа, выполняемая за единицу времени . Единица мощности ватт (вт) соответствует работе в 1 джоуль (дж), которая выполнена за 1 секунду (сек).
Теперь о напряжении и токе.
Электрическое напряжение – например, напряжение на каком‑либо резисторе – говорит о том, какую работу выполнит электрический заряд, пройдя по этому резистору . Если заряд в 1 кулон (к) (для того чтобы получить такой единичный заряд, достаточно собрать вместе 6,3·1018электронов) пройдет по участку цепи, на котором действует напряжение в 1 вольт (в), то этот заряд совершит работу 1 джоуль (дж).
Приложите к тому же участку цепи напряжение 5 в, и работа, которую совершит каждый движущийся заряд, также увеличится в пять раз.
Что же касается тока, то его величина показывает, насколько интенсивно, насколько быстро и «густо» заряды двигаются по цепи. Чем больше зарядов проходит через какое‑либо условное сечение цепи за единицу времени, тем больше ток.
Единица тока – ампер (а) – соответствует одному кулону (6,3·1018 электронов), проходящему через это условное сечение за одну секунду.
Итак, напряжение – это работа, совершаемая одним кулоном, а ток – число кулонов в секунду. Для того чтобы подсчитать мощность Р – полную работу, выполненную за секунду, – нужно работу одного кулона умножить на число работавших кулонов, то есть нужно напряжение U умножить на ток I .
Кстати, если увеличить напряжение на участке цепи в два раза, то выделяемая на этом участке мощность возрастет в четыре раза. И это вполне понятно: увеличение напряжения в два раза само по себе увеличит мощность в два раза да еще (согласно закону Ома!) вдвое увеличит ток в цепи. А увеличение тока приведет к тому, что мощность возрастет еще в два раза. Поэтому мы и получим увеличение мощности в четыре раза, и попробуйте против этого возразить!
Мощность, выделяемая на каком‑нибудь резисторе, зависит и от его сопротивления. Но это, если можно так сказать, уже вторичная зависимость, поскольку от сопротивления зависят ток и напряжение, определяющие мощность. Зависимость мощности Р от сопротивления R может оказаться довольно сложной. Придет время, и мы вынуждены будем поговорить об этой сложности. А пока, закончив экскурс в прошлое, в область основ электротехники, вернемся к поискам скульптора, к поискам копировального устройства, которое позволит из постоянного тока, идущего от батареи Б, создать мощную копию слабого сигнала.
Мы остановились на вопросе: «Что должно возрасти при усилении слабого сигнала – ток или напряжение?» Ответ прост: должна возрасти мощность.
Именно об этом и говорил приведенный ранее (стр. 9) пример с приемником. Именно об этом говорит и простая логика. Нам нужен сигнал‑работник, способный с достаточной силой раскачивать диффузор громкоговорителя или поворачивать антенну прилунившейся космической лаборатории. Нам нужен сигнал‑работник, и в принципе безразлично, чем будет обеспечиваться его работоспособность – большой работоспособностью каждого движущегося заряда (то есть большим напряжением) или большим числом работающих зарядов (то есть большим током). А поэтому нам в принципе безразлично, что произойдет при усилении сигнала – увеличится ли ток Iсиг при неизменном напряжении Uсиг , увеличится ли Uсиг при неизменном Iсиг , возрастут ли обе эти величины, произойдет ли увеличение одной из них и уменьшение другой. Для нас важен результат: при усилении должна возрасти мощность сигнала.
Обратите внимание, что, говоря о своем безразличии к соотношению между током и напряжением, мы всегда оговариваемся – «в принципе». Эта оговорка нужна потому, что в каждом конкретном случае нам все‑таки желательно получать мощность в «удобном виде». Например, при большом напряжении или при большом токе. Но прежде всего нам, конечно, необходимо получить мощность. А если потребителю сигнала понадобится изменить соотношение между током и напряжением, то это можно будет сделать, например, с помощью обычного трансформатора.
Заговорив о трансформаторе, хочется попутно сделать небольшое замечание, которое должно пролить свет на одну из заманчивых и, конечно, обманчивых возможностей совершить переворот в электронике.
Если бы можно было довольствоваться усилением только одной из составляющих мощности – только током или только напряжением, – то нечего было бы городить весь этот огород с батареей Б и не с найденным нами пока еще скульптором. Роль усилителя мог бы выполнять трансформатор – повышающий, если нужно увеличить напряжение, или понижающий, если нужно увеличить ток. Однако трансформатор в принципе не может повысить мощность подведенного к нему сигнала – закон сохранения энергии не позволено нарушать никому. Повышая напряжение, трансформатор во столько же раз уменьшает ток, и наоборот: увеличивая ток, он понижает напряжение. А поэтому мощность на выходе трансформатора такая же (практически даже немного меньше из‑за разного рода потерь), как и на его входе. Иными словами, трансформатор не может быть усилителем.
Следующий этап наших поисков можно было бы назвать «приручением» батареи. Не думая пока ни о каком усилении, нам нужно научиться отбирать от батареи Б энергию не в виде постоянного, а в виде меняющегося тока. Образно говоря, нужно научиться сминать наш кусок глины, научиться менять его форму, чтобы в дальнейшем можно было создать из него большую скульптуру.
Каким образом можно менять идущий от батареи Б постоянный электрический ток? Мы не зря повторяли закон Ома – именно он и подсказывает ответ на этот вопрос. Поскольку ток зависит от напряжения и сопротивления и поскольку напряжение, которое дает батарея, практически не меняется, то нам остается только одно – менять сопротивление Rвых .
Менять это сопротивление можно разными способами (рис. 6).
Рис. 6. Изменяя сопротивление в цепи батареи, можно отбирать от нее энергию не в виде постоянного, а в виде меняющегося тока, «рисуя» таким образом сигнал нужной формы.
Проще всего, конечно, включить в качестве Rвых обычный реостат и, двигая его ручку, «рисовать» ток с нужной формой графика. Можно вместо резистора ввести в цепь сосуд с каким‑нибудь жидким проводником и управлять сопротивлением, а значит, и током, меняя химический состав жидкости. Можно включить в цепь устройства, которые меняют свое сопротивление под действием тепла, света, радиоактивных излучений, растяжения или сжатия.
Представителем этого последнего типа устройств является хорошо всем знакомый угольный микрофон. В упрощенном варианте – это коробочка с угольным порошком, который под действием звуковых волн сжимается то сильнее, то слабее. Чем сильней сжат порошок в коробочке, тем лучше контакт между отдельными его крупинками, тем меньше общее электрическое сопротивление порошка. Вот почему под действием звуковых волн сопротивление угольного микрофона меняется, послушно следуя за всеми изменениями звукового давления. В результате график изменения сопротивления, а значит, и график изменения тока (все тот же закон Ома!) полностью повторяет, копирует график звука. Батарея, в цепь которой включен микрофон, отдает энергию уже не в виде постоянного, а в виде меняющегося тока, в виде сложного электрического сигнала.
Дата добавления: 2019-02-12; просмотров: 124; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!