ВОСПОМИНАНИЕ № 10. ПЕРЕМЕННОЕ НАПРЯЖЕНИЕ И ПЕРЕМЕННЫЙ ТОК. 10 страница

⇐ ПредыдущаяСтр 10 из 35Следующая ⇒

Вскоре мы подробно выясним, от чего зависит и чему равно входное сопротивление. А пока ограничимся лишь общим выводом: входное сопротивление R _вх очень мало. В общих чертах, по‑видимому, ясно, что это должно быть именно так потому, что входное сопротивление – это, по сути дела, сопротивление эмиттерного рn ‑перехода, а этот переход благодаря смещению всегда включен в прямом, проводящем направлении. И, как всякий диод, он обладает небольшим прямым сопротивлением.

То, что для подсчета входного напряжения U_сиг мы пользуемся входным сопротивлением транзистора R_вх , по‑видимому, требует некоторых пояснений.

Разумеется, мы не можем менять сопротивление R_вх так, как меняем по своему вкусу сопротивление нагрузки, да и напряжение U_сиг получаем уже в готовом виде. Но ведь мы и не говорим: «напряжение U_сиг зависит от сопротивления R_вх . Мы просто отмечаем, что напряжение на каком‑либо участке цепи (в данном случае это относится к напряжению U_сиг во всех случаях равно произведению тока на сопротивление.

Умножив ток на сопротивление, можно подсчитать и выходное напряжение транзисторного усилителя, то есть переменное напряжение на нагрузке: U _н~ = U _вых = I_к~ ·R_н . Отсюда следует: чтобы увеличить переменное напряжение на нагрузке, есть два пути – увеличение I_к~ и увеличение R_н . На величину коллекторного тока мы как будто повлиять не можем: к коллектору не может двигаться больше зарядов, чем их приходит в базу из эмиттера. Значит, для увеличения U_вых остается одно: нужно увеличить сопротивление нагрузки. Чем больше будет R_н , тем больше будет и действующее на нем напряжение. А именно оно в данном случае и определяет возможности всего нашего усилительного каскада (каскадом называют блок электронной аппаратуры, способный решать какую‑либо самостоятельную задачу, в частности – усиливать сигнал).

До каких же пор можно увеличивать сопротивление нагрузки R_н в погоне за большим выходным напряжением? Здесь есть два ограничения, но нам пока достаточно познакомиться хотя бы с одним.

Вся коллекторная цепь нашего транзисторного усилителя, по сути дела, представляет собой делитель напряжения. Делитель этот состоит из двух основных участков – нагрузки и коллекторного перехода, и напряжение коллекторной батареи Б_к делится между этими двумя участками. Поэтому, увеличивая R_н можно дойти до того, что все напряжение достанется именно этому сопротивлению, а на коллекторе (точнее, на коллекторном переходе) вообще не останется никакого напряжения (рис. 38).

Рис. 38. При слишком большом сопротивлении нагрузки постоянное напряжение на коллекторе может упасть до нуля.

А это в свою очередь означает, что, увеличивая R_н , нужно всегда учитывать и величину сопротивления коллекторного перехода. Если, например, окажется, что сопротивление коллекторного перехода имеет ту же величину, что и R_н – его можно назвать выходным сопротивлением транзистора R_вых ,– то каждому из этих участков достанется половина напряжения, а с этим еще вполне можно мириться.

Чуть позже мы подробно остановимся на том, что представляет собой выходное сопротивление транзистора. Мы узнаем, что оно может быть различным для постоянного и переменного тока, что величина его зависит и от режима входной цепи (это, собственно говоря, нам уже известно – входная цепь в основном тем и занимается, что меняет сопротивление коллекторного pn ‑перехода, – впрыскивая в него, разумеется через базу, свободные заряды). Пока же мы ограничимся некоторым общим высказыванием: выходное сопротивление транзистора весьма велико, коллекторный переход, по сути дела, представляет собой диод, включенный в обратном направлении. Во всяком случае, в коллекторную цепь транзистора малой мощности можно смело включить нагрузку с сопротивлением в несколько килоом, не опасаясь серьезных неприятностей, в том числе слишком сильного уменьшения напряжения на самом коллекторе. Для определенности примем, что в коллекторную цепь нашего транзистора включена нагрузка R_н = 10 ком. Это вполне реальная цифра.

Мы ограничили сопротивление резистора R_н из боязни потерять на нем слишком большую часть постоянного коллекторного напряжения и оставить слишком малое постоянное напряжение на самом коллекторе. Но можно ведь вместо резистора R_н включить в коллекторную цепь такой элемент, который будет представлять очень большое сопротивление для переменного тока и очень малое – для постоянного. Примером такого элемента может служить уже знакомый нам дроссель или трансформатор. Из‑за разного сопротивления для переменной и постоянной составляющих коллекторного тока (возможные величины этих сопротивлений 50 ком и 5 ом) на этом элементе будет создаваться большое переменное напряжение и почти не будет теряться постоянное (рис. 38).

Это, конечно, позволит безболезненно увеличить сопротивление нагрузки, но опять‑таки не до бесконечности. Избавившись от опасности слишком уменьшить постоянное напряжение на коллекторе, мы столкнемся с другими ограничениями (о них будет рассказано на стр. 179) и все равно не сможем увеличить сопротивление нагрузки больше чем до нескольких десятков килоом.

Итак, в коллекторную цепь включена нагрузка с сопротивлением 10 ком. Теперь еще одна цифра: сопротивление эмиттерного pn ‑перехода R_вх примем равным 10 ом. Это тоже вполне реальная величина: эмиттерный переход транзистора представляет собой диод, включенный в прямом направлении, а сопротивление такого диода как раз и составляет единицы или десятки ом.

Теперь мы наконец можем сравнить мощность входного и выходного сигналов и вынести окончательный приговор транзистору, можем определить, «усиливает» или «не усиливает».

Мощность входного сигнала выделяется на сопротивлении R_вх , мощность выходного сигнала – на сопротивлении R_н . На этих же сопротивлениях действуют соответственно входное и выходное напряжение U_сиг и U_вых . Токи I_э~ и I_к~ , протекающие по сопротивлениям R_вх и R_н , примерно равны, а значит, соотношение между напряжениями U_сиг и U_вых определяется только соотношением сопротивлений R_вх и R_н . В нашем примере сопротивление нагрузки R_н в тысячу раз больше, чем сопротивление R_вх , и поэтому напряжение U_вых также в тысячу раз больше, чем U_сиг . Иными словами, наш каскад дает усиление по напряжению в тысячу раз. А поскольку мощность сигнала – это произведение напряжения на ток (P = U ·I ) и поскольку токи I_э~ и I_к~ , как мы уже говорили, равны, то усиление по мощности также равно тысяче. Это реальные цифры: примерно такое усиление можно получить в нашей схеме от среднего по своим параметрам транзистора.

Вот и конец долгого путешествия. Мы не ошиблись, воскликнув в свое время: «Земля!» Построенный нами из двух диодов трехслойный полупроводниковый прибор – транзистор – действительно может создавать мощную копию слабого электрического сигнала, используя для этой цели энергию источника постоянного тока.

Достигнув заветной цели, ни один путешественник не откажет себе в удовольствии вспомнить самые интересные, самые важные этапы пройденного пути. Давайте же и мы подведем итог своего трудного и долгого путешествия от диода до ода. А заодно уже коротко, буквально в двух словах, подытожим все, что успели узнать о транзисторе.

Слабый электрический сигнал, который нужно усилить, мы вводим в эмиттерную цепь транзистора. Она представляет собой pn ‑переход, который с помощью вспомогательного постоянного напряжения (смещения) всегда включен в прямом направлении. Сопротивление такого перехода невелико, и поэтому входной сигнал довольно легко изменяет эмиттерный ток. Заряды, образующие этот ток, в результате диффузии просачиваются сквозь базу и попадают во второй, в коллекторный pn ‑переход. Этот переход включен в обратном направлении, и сопротивление его очень велико. Попав из базы в коллекторный переход, свободные заряды уменьшают его сопротивление. Под действием усиливаемого сигнала число этих зарядов меняется, а значит, сопротивление коллекторного перехода тоже меняется, следуя по пятам за всеми изменениями сигнала.

Теперь батарея, в цепь которой включен коллекторный переход, уже отдает энергию не в виде постоянного, а в виде меняющегося тока – копии слабого сигнала. Если на пути этого меняющегося тока (то есть в коллекторную цепь транзистора) включить нагрузку R_н и если сделать ее сопротивление достаточно большим, то на этой нагрузке можно получить большое по величине меняющееся напряжение. Во всяком случае, во много раз большее, чем напряжение сигнала, подведенного к эмиттеру. Так создается усиление по напряжению, а значит, и усиление по мощности. Эффект усиления получается за счет того, что входной ток, действующий в цепи с малым сопротивлением, создает такой же по величине изменяющийся ток в цепи с большим сопротивлением. Именно исходя из этого и назвали транзистор преобразователем (переносчиком) сопротивлений.

Глубокий смысл этого названия станет особенно хорошо понятным, если попытаться включить нагрузку не в коллекторную, а в эмиттерную цепь, а коллектор вместе с батареей для упрощения просто выбросить из схемы. В таком поступке есть даже какая‑то логика: если коллекторный ток, проходя по сопротивлению нагрузки, создает на нем большое выходное напряжение, то, очевидно, и эмиттерный ток, который, как мы уже много раз подчеркивали, по величине равен коллекторному, создаст на нагрузке такое же большое напряжение, и мы извлечем необходимую мощность прямо из источника слабого сигнала, без всякого транзистора.

Но, конечно же, эти рассуждения ошибочны. Прежде всего они не учитывают неумолимый закон Ома. Включив в эмиттерную цепь свою нагрузку R_н = 10 ком, мы примерно в тысячу раз уменьшим ток в этой цепи, так как сопротивление нагрузки в тысячу раз больше прямого сопротивления эмиттерного pn ‑перехода. Безболезненно (или почти безболезненно) большое сопротивление нагрузки можно включать лишь в коллекторную цепь: ее собственное сопротивление достаточно велико и на этом фоне включение нагрузки не очень‑то заметно.

Как видите, наша попытка усилить сигнал без управляющего прибора, в данном случае без транзистора, кончилась крахом. Да иначе и быть не могло. Никакой сигнал не может отдать больше мощности, чем у него есть, и единственная возможность усилить слабый сигнал – это слепить его мощную копию из энергии, которую дает другой источник.

На рис. 39 коллекторный pn ‑переход показан в виде переменного сопротивления R_вых . При этом, конечно, не отражены все теперь уже хорошо известные нам процессы – впрыскивание зарядов из эмиттера в базу, диффузия, ускорение зарядов в коллекторном переходе, – в результате которых слабый сигнал управляет мощным потоком энергии. Забыв обо всех подробностях, можно представить себе, как этот слабый сигнал, действующий в цепи входного сопротивления R_вх , каким‑то образом двигает ручку переменного сопротивления R_вых , меняет ток коллекторной цепи, а вместе с ним и напряжение на нагрузке.

Рис. 39. Транзистор, по сути дела, представляет собой реостат, сопротивление которого (сопротивление коллекторной цепи) меняется под действием усиливаемого сигнала.

Можно найти немало аналогий, помогающих понять, как работает транзистор. Можно, например, представить себе, как охотник‑индеец стреляет из лука, а товарищ помогает ему, подает стрелы. Этот помощник делает примерно то же, что источник сигнала, подключенный к эмиттерному переходу: он подает заряды‑стрелы для стрельбы в цель‑нагрузку. Как бы ни старался помощник, он не сможет запустить стрелу с такой силой, как это делает сильно натянутая тетива лука. Лук здесь играет примерно ту же роль, что и коллекторная батарея в усилителе.

А вот еще одна, уже знакомая нам аналогия (стр. 22): затрачивая сравнительно небольшие усилия, вы подталкиваете к краю высокой горы каменные глыбы, а затем сталкиваете их вниз. Разогнавшись при падении с большой высоты, камни совершают значительную механическую работу, подобно тому как заряды, ускоренные коллекторной батареей, работают на сопротивлении нагрузки.

Для того чтобы эта аналогия была больше похожа на усилительный каскад с транзистором, нужно добавить подъемник, который бы возвращал сброшенные камни на вершину горы: ведь коллекторная батарея возвращает поработавшие на нагрузке заряды обратно в эмиттерную цепь усилителя, точнее – к «плюсу» батареи смещения. Кроме того, камни нужно подталкивать к обрыву в соответствии с каким‑либо условным кодом. Например, в соответствии с азбукой Морзе (три камня, сброшенных подряд, – «тире», одиночный камень – «точка»). При этом поток камней, летящих с вершины вниз, как и полагается мощной копии, будет повторять все наши условные сигналы. Подумав, вы наверняка найдете немало других подобных аналогий.

Работу усилительного каскада может иллюстрировать система резервуаров, насосов и соединительных труб (рис. 40).

Рис. 40. Транзисторный усилитель напоминает гидравлическую систему, где, легко перемещая заслонку, можно управлять мощным потоком воды.

Возле каждого элемента этого гидравлического усилителя написано, чью роль он исполняет, какому элементу транзисторного усилителя соответствует. Наибольшую работу в этой стеме выполняет насос, исполняющий роль коллекторной батареи Б_к . Он‑то и создает большой перепад уровней между резервуарами «база» и «коллектор», и вода, падая с большой высоты, вращает мощную турбину‑«нагрузку». Во входной цепи гидравлической системы имеется еще два насоса – «смещение» и «сигнал». Главная задача этих насосов – регулировать поток жидкости из «эмиттера» в «базу». Для регулирования используется поршень с заслонкой, которая делает примерно то же самое, что и напряжение, приложенное к эмиттерному pn ‑переходу. Насос «смещение» создает постоянное давление, а насос «сигнал» – переменное. Поэтому в гидравлической системе интенсивность потока воды меняется так же, как под действием усиливаемого электрического сигнала меняется ток во всех цепях транзистора. Изменение интенсивности потока воды приводит к тому, что меняется и скорость вращения мощной турбины‑нагрузки. Турбина при этом работает неравномерно, мощность ее меняется, и таким образом создается своеобразный механический сигнал, некоторое подобие выходного сигнала в транзисторном усилителе. Механический сигнал, созданный турбиной, намного мощнее механического сигнала, полученного от насоса «сигнал». И именно в этом заключается эффект усиления.

Мы с вами затратили немало времени на то, чтобы выяснить, как устроены и как работают полупроводниковые приборы. Сейчас, пожалуй, уже можно считать, что цель достигнута, что суть дела более или менее ясна. Однако, несмотря на это, мы по собственной инициативе пойдем на еще одну трудную операцию. После нее эта самая «суть дела» наверняка станет для вас не просто более или менее ясной, а такой же бесспорной, такой же привычной, как, скажем, восход солнца или падение камня. Нашей новой операции можно смело присвоить шифр «Видел сам».

Человек так устроен, что он всегда немножко не верит даже самым убедительным словам, самым логичным рассуждениям. (Может быть, это защитная реакция, связанная с тем, что мы нередко ошибаемся, принимая безошибочные, казалось бы, решения, делая бесспорные на первый взгляд выводы?) Лучший способ борьбы с этим своим внутренним неверием, лучший способ определения истинной ценности слов, идей, рассуждений – это эксперимент, испытание на опыте, проверка делом. Вот почему следующие два раздела книги полностью посвящены делам: это своего рода руководство к практическим занятиям. Мы проделаем несколько простейших опытов и попытаемся практически доказать, что диод действительно выпрямляет, а транзистор усиливает.

Начнем с диода.

ОТ СЛОВ К ДЕЛУ

Есть несколько простейших опытов, доказывающих, что полупроводниковый диод обладает односторонней проводимостью и что все наши рассказы о «великолепных четверках» германия и кремния, об электронах и дырках, донорах и акцепторах, основных и неосновных носителях, о «маневрах» электрических зарядов на границе между пир зонами диода и о многих других чудесах, – что все это истинная правда.

Вот один из таких простейших опытов. Возьмите обычный абонентский громкоговоритель (громкоговоритель радиоточки) и, подключив его к батарейке карманного фонаря, попробуйте периодически разрывать цепь, проще говоря – попробуйте подергать один из соединительных проводов (рис. 41). Вы услышите в громкоговорителе щелчки. Батарейка дает постоянный ток, под действием которого громкоговоритель не создает звука, но в момент подключения батарейки к громкоговорителю или ее отключения ток в цепи меняется (от нуля или до нуля). Толчки тока заставляют диффузор колебаться и создавать звук.

Рис. 41. Используя в качестве индикатора громкоговоритель или лампочку, можно на опыте убедиться в односторонней проводимости полупроводникового диода.

Введем в нашу цепь любой полупроводниковый диод. Будут ли теперь слышны щелчки при размыкании и замыкании цепи? Это зависит от того, как включен диод. Если он включен в прямом направлении и пропускает ток, то пощелкивание будет продолжаться. А если диод включен в обратном направлении, то никаких щелчков вы не услышите: диод легко пропускает ток только в одну сторону. При обратном включении диода в цепи появляются очень слабые толчки обратного тока, которые не могут с достаточной силой двинуть диффузор.

Кстати, вместо того чтобы переключать диод, можно изменить полярность батареи.

Еще один опыт – включение диода в цепь лампочки карманного фонаря (рис. 41). Для этого опыта лучше взять плоскостной диод. Во‑первых, не всякий точечный диод может выдержать ток, который нужно пропустить через лампочку (50–150 ма). Во‑вторых, прямое сопротивление у плоскостного диода меньше, чем у точечного, ток в цепи оказывается несколько больше, и лампочка горит ярче. А вот обратное сопротивление диода во всех случаях настолько велико, что ток в цепи становится очень малым, и лампочка не горит.

Хотя этих двух опытов вполне достаточно для того, чтобы навсегда запомнить, что диод хорошо пропускает ток только в одну сторону, мы все же проделаем еще один эксперимент. Его, правда, лучше бы назвать фокусом: наш следующий опыт настолько интересен, настолько занимателен, что его можно показывать публике, например, на каком‑нибудь школьном вечере самодеятельности.

Дата добавления: 2019-02-12; просмотров: 114; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 5 6 7 8 91011 12 13 14 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!