ВОСПОМИНАНИЕ № 10. ПЕРЕМЕННОЕ НАПРЯЖЕНИЕ И ПЕРЕМЕННЫЙ ТОК. 16 страница

⇐ ПредыдущаяСтр 16 из 35Следующая ⇒

Вот именно во время этого «замирания» ток в цепи становится равным нулю, а затем меняет свое направление. Вывод: положительная амплитуда тока наступает на четверть периода раньше, чем положительная амплитуда напряжения, то есть ток через конденсатор опережает напряжение на нем на 90°.

ВОСПОМИНАНИЕ № 14. СОЕДИНЕНИЕ КОНДЕНСАТОРОВ.

При параллельном соединении общая емкость конденсаторов равна сумме емкостей, при последовательном соединении общая емкость меньше наименьшей. Формулы для расчета общей емкости – это те же формулы для подсчета общего сопротивления (Воспоминания №№ 5 и 6), только «перепутанные»: формула для параллельного соединения R похожа на формулу для последовательного соединения С , а формула для последовательного соединения R – на формулу параллельного соединения С .

ВОСПОМИНАНИЕ № 15. КАТУШКА В ЦЕПИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА.

Когда изменяется ток в катушке, то изменяется созданное этим током магнитное поле, и в результате электромагнитной индукции (наведения) катушка сама в себе наводит электродвижущую силу. Величина этой э. д. с. самоиндукции зависит от скорости изменения тока (а значит, от его частоты), а также от некоторых свойств самой катушки, которые отображены в ее коэффициенте самоиндукции, или, иначе, индуктивности L . Индуктивность L , в частности, тем больше, чем больше витков. Резко увеличивает L сердечник из стали или другого ферромагнитного материала.

Единица индуктивности – генри (гн). Такой индуктивностью обладает катушка, в которой при изменении тока на 1 а за 1 сек наводится э. д. с. 1 в.

Электродвижущая сила самоиндукции всегда препятствует изменению тока: когда ток нарастает, она мешает ему нарастать, когда ток убывает, э. д. с. самоиндукции, наоборот, поддерживает его, затягивает процесс уменьшения тока. Этим самым катушка оказывает переменному току определенное сопротивление. Это так называемое индуктивное сопротивление x_L возрастает с увеличением частоты f (скорости изменения тока) и с ростом самой индуктивности L катушки. Напряжение на катушке и ток через нее также сдвинуты по фазе на 90°, но, в отличие от конденсатора, ток отстает от напряжения.

Индуктивность катушки, правда, очень приближенно можно определить по ее внешнему виду.

ВОСПОМИНАНИЕ № 16. СЛОЖНЫЕ ЦЕПИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА.

Когда в общую цепь одновременно включены и активные элементы (например, резисторы), и реактивные (например, конденсаторы), то в цепи могут возникать самые разные сдвиги фаз между общим током и общим напряжением – от 0 до 90°. Так, например, если конденсатор и резистор соединены последовательно, то через них идет один и тот же ток I . При этом напряжение U_R на резисторе совпадает по фазе с током, а напряжение на конденсаторе U_с , как обычно, отстает от него на 90°. Общее напряжение U на RС‑цепочке отстает от тока тем сильнее, чем больше х_с по сравнению с R . А поскольку эти напряжения пропорциональны сопротивлениям х_с и R , то можно сказать, что сдвиг фаз определяется соотношением этих сопротивлений.

В отличие от последовательного соединения резисторов, общее сопротивление z определяется не как алгебраическая сумма (z не равно R + x_c ), а как геометрическая сумма z = √(R ² + x ²_c ). При последовательном соединении R и С влияние конденсатора возрастает с уменьшением частоты f и его емкости.

При параллельном соединении R и С на обоих этих элементах действует общее напряжение U , ток I_R совпадает с ним по фазе, ток I_c опережает на 90°. Чем больше ток I_c через конденсатор, тем сильнее результирующий сдвиг фаз между U и I . Иными словами, при параллельном соединении R и С влияние конденсатора тем сильнее, чем больше его емкость и чем выше частота.

Аналогично определяется сдвиг фаз и для цепей, содержащих индуктивность L . Но здесь с увеличением частоты и индуктивности влияние катушки при параллельном соединении уменьшается, а при последовательном – растет.

ВОСПОМИНАНИЕ № 17. ФИЛЬТРЫ.

Цепи, состоящие из R и С, или R и L , или из всех трех элементов, находят чрезвычайно широкое применение в электронной аппаратуре. Они представляют собой фильтры, которые, обладая разным сопротивлением на разных частотах, позволяют отделить одни составляющие сложного тока от других.

Самый простой и самый популярный – это RС‑фильтр. Через его емкостную ветвь, то есть через конденсатор, постоянный ток вообще не проходит, и RС‑фильтр используется везде, где нужно отделить переменную составляющую от постоянной. Конденсатор пропускает переменный ток тем лучше, чем выше его частота. Подбором R и С можно добиться того, что на какой‑то определенной частоте (а значит, и на более высоких частотах) большая часть тока – скажем, 90 % и более – будет замыкаться через С и лишь 10 % через R .

Аналогично по‑разному пропускает разные частоты и RL‑фильтр. Существует множество более сложных фильтров, которые осуществляют более «строгое» разделение переменных токов разных частот.

ВОСПОМИНАНИЕ № 18. РЕЗОНАНС.

Очень интересно ведет себя при изменении частоты цепь, в которую входят и конденсатор С , и катушка L . Напряжения на этих элементах противофазны, так как ток в цепи общий. При этом U_c отстает от тока на 90°, a U_L опережает его, и тоже на 90°. Поэтому можно считать, что сопротивления х_с и x_L действуют друг против друга и общее реактивное сопротивление равно их разности.

На какой‑то частоте – назовем ее резонансной f_рез – емкостное и индуктивное сопротивления окажутся равными. Они скомпенсируют друг друга, в цепи останется только активное сопротивление R_к . Из‑за такого резкого уменьшения сопротивления резко возрастет ток, а вместе с ним возрастут напряжения на катушке и на конденсаторе.

Из условия х_с = x_L легко вычислить резонансную частоту f_рез . При отходе от резонансной частоты ток в цепи падает, так как общее сопротивление z растет (при увеличении частоты – за счет роста x_L , а при уменьшении частоты – за счет роста х_с ). График, показывающий, насколько резко уменьшаются ток в цепи и напряжение на L и С при отходе от резонансной частоты, называется резонансной кривой. На резонансной частоте «с точки зрения» генератора сопротивление последовательного контура равно R_к (обычно единицы ом), а параллельного контура – R_экв (обычно десятки килоом).

ВОСПОМИНАНИЕ № 19. ДОБРОТНОСТЬ.

Увеличение тока при резонансе будет тем более резким, чем меньше активное сопротивление в сравнении с реактивным сопротивлением x_L и х_с . Величина, показывающая отношение x_L /R_к или (или x_с /R_к ) называется добротностью Q . Добротность иногда называют множителем вольтажа, так как она показывает, во сколько раз напряжение на катушке и на конденсаторе во время резонанса превышает напряжение на активном сопротивлении. Из отношения x_L /R_к – легко вывести, что добротность тем выше, чем больше соотношение L /C . Увеличение R_к всегда приводит к ухудшению добротности, а значит, к снижению резонансного тока, а также напряжения на катушке и конденсаторе и к притуплению резонансной кривой. Ухудшить добротность можно еще и иначе: подключив параллельно конденсатору (катушке) шунтирующее сопротивление. В данном случае все наоборот: чем меньше это шунтирующее сопротивление, тем сильнее «задавлен» контур, тем хуже его добротность.

ВОСПОМИНАНИЕ № 20. КОЛЕБАТЕЛЬНЫЙ КОНТУР.

Явление резонанса, и, конечно, само название «резонанс», станет более понятным, если вспомнить, что цепь из конденсатора и катушки называется колебательным контуром, что в таком контуре возникают собственные электромагнитные колебания всякий раз, когда мы передаем в него некоторое количество энергии (например, заряжаем конденсатор).

«Возникают колебания» означает, что конденсатор непрерывно обменивается энергией с катушкой – энергия электрического поля периодически переходит в энергию магнитного поля. Затем происходит обратный переход, и все повторяется сначала. При этом в цепи протекает переменный ток, частота которого зависит от индуктивности L и емкости С , подобно тому как частота собственных колебаний струны зависит от ее массы и натяжения.

Частота собственных колебаний f₀ контура равна его резонансной частоте f_рез , и в этом заключен глубокий смысл. Резонанс наступает именно тогда, когда контур резонирует на частоту генератора, когда генератор действует в такт с собственными колебаниями в контуре.

Собственные колебания в контуре, если их не поддерживать, постепенно затухают, причем тем быстрее, чем больше потери энергии, чем ниже добротность Q контура.

Изменяя индуктивность и емкость контура, можно довольно просто менять частоту собственных колебаний и таким образом настраивать контур в резонанс на разные частоты. Так осуществляется настройка приемника на разные станции: переключением катушек переходят с одного диапазона на другой, а плавным изменением емкости производят настройку в пределах диапазона.

ВОСПОМИНАНИЕ № 21. ВНОСИМОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ .

С помощью вспомогательной катушки связи L_св можно отобрать из контура часть энергии и передать «для дальнейшего прохождения службы». На первый взгляд кажется, что чем ближе сдвинуты катушки L_к и L_св , чем сильнее они связаны общим магнитным полем, тем больше энергии мы получим от контура, тем больно будет напряжение U_выx . В действительности же усиление связи между L_к и L_св может дать и обратный эффект: после некоторого «рубежа» дальнейшее сближение катушек приводит к уменьшению U_выx . Это связано с тем, что, отбирая у контура энергию, мы как бы вносим в него сопротивление R_вн .

Пока связь не очень сильная, это вносимое сопротивление играет второстепенную роль. Но по мере усиления связи роль эта становится все более значительной. Наконец дело доходит до того, что, сближая катушки, мы больше проигрываем от увеличения R_вн , чем выигрываем от увеличения доли получаемой из контура энергии.

При усилении связи во всех случаях ухудшается добротность контура и притупляется его резонансная кривая. Кроме того, несколько изменяется частота собственных колебаний f₀ (а значит, и резонансная частота), так как отбор энергии приводит к некоторому дополнительному сдвигу фаз между контурным током и напряжением. А это равносильно внесению в контур дополнительной емкости или индуктивности.

Главное, что нужно помнить, углубляясь в Воспоминания, – это то, что их нужно хоть когда‑нибудь закончить. Сейчас, по‑видимому, и для нас настало время закончить путешествие по прекрасному прошлому и двинуться в не менее прекрасное будущее. А это будущее прежде всего предстанет перед нами в виде самого сложного и в то же время, пожалуй, самого важного этапа на пути к транзисторным схемам. Нам предстоит научиться строить и анализировать входные и выходные характеристики транзистора. И тот, кто преодолеет этот участок пути (пусть даже не сразу), может смело считать, что главные трудности (и главные неприятности!) нашего путешествия уже позади.

РИСУНКИ НА ВЕКА

Есть серьезные основания считать, что история человеческой культуры, история науки и искусства берет свое начало еще с того времени, когда люди жили в пещерах и с каменными топорами охотились на мамонтов. Может быть, именно тогда и появились первые ученые и художники – люди, которые пытались составить описание окружающего их мира. Конечно же, этот мир они описывали не словами: в те времена человек не то что азбуки не знал, но и разговаривать толком не умел. В его лексиконе были лишь считанные слова, больше похожие на крики животного, чем на разумную речь. Первые описания окружающего мира человек сделал в виде рисунков на стенах своей пещеры.

С тех пор прошли многие тысячелетия… Навсегда исчезли с лица земли мамонты, навсегда заброшены каменные топоры. Из неудобных и сырых пещер человек переселился в многоэтажные дома с горячим водоснабжением, а вместо звериных шкур стал носить нейлоновые рубашки. Он сочинил Большую энциклопедию, научился писать стихи, снимать любительские фильмы и легко выводить километровые формулы. Но, несмотря на все эти великие достижения, человек не забыл о самом древнем способе описания мира – не забыл о рисунке.

Сколько бы мы ни шутили по этому поводу, столь прочная привязанность к многочисленному семейству рисунка – к чертежам, графикам, карикатурам, картам, планам – связана со сложными и тонкими механизмами нашего мозга. Во многих случаях мозг воспринимает графические описания намного легче и быстрее, чем словесные. Во многих случаях даже очень простой рисунок нельзя заменить пространным описанием, содержащим многие тысячи слов. К числу таких содержательных рисунков наверняка можно отнести и характеристики полупроводникового триода, которые нам сейчас предстоит построить и которые мы сохраним если не на века, то, во всяком случае, на все время знакомства с транзисторными усилителями.

Характеристики транзистора в принципе строятся так же, как и характеристики диода (рис. 19). Но только у диода вам пришлось строить одну характеристику – вольтамперную, на которой отображалось изменение одного тока под действием одного напряжения. Для того чтобы описать поведение транзистора, придется построить несколько характеристик. Они покажут изменение разных протекающих в транзисторе токов под действием разных приложенных к нему напряжений.

Начнем с входной характеристики. Она показывает, как меняется эмиттерный ток I_э при изменении напряжения, приложенного к эмиттерному pn ‑переходу, то есть при изменении напряжения U_эб между эмиттером и базой (рис. 54, А ). Эта характеристика почти ничем не отличается от прямой ветви вольтамперной характеристики диода, так как эмиттерный переход – это, по сути дела, и есть диод, включенный в прямом направлении.

У входной характеристики есть и обратная ветвь, соответствующая положительному (запирающему) напряжению на базе. Но эта ветвь нас не интересует, и мы вообще не будем обращать на нее внимания. Мы не будем учитывать влияния коллекторного напряжения U _бк на эмиттерный ток. Здесь мы, правда, несколько погрешим против истины, так как напряжение U_бк все же влияет на эмиттерный ток. И об этом, в частности, говорит пунктирная линия – характеристика, которая получается при U_бк = 10 в.

Сразу же признаемся, что на входной характеристике, так же как и на характеристиках, с которыми нам еще предстоит познакомиться, есть и ряд других неточностей, ряд других упрощений. На них пришлось пойти лишь только для того, чтобы наиболее важные «черты характера» полупроводникового триода не потонули в океане второстепенных подробностей.

Под действием напряжения U_эб меняется эмиттерный ток I_э , а значит, коллекторный ток I_к и напряжение на нагрузке U_н . Одновременно вслед за изменением U_эб меняется и ток базы I_б , представляющий собой небольшое ответвление эмиттерного тока (рис. 35). Поэтому вслед за входной характеристикой, показывающей зависимость I_э от U_эб , нужно построить и несколько ее двойников – несколько характеристик, показывающих, как меняется I_к, I_б и U_н при изменении первопричины всех событий – напряжения U_эб . Пользуясь этой группой характеристик, можно определить ряд важных параметров транзистора, а также сформулировать полезные рекомендации по подбору его режима.

Характеристики, приведенные на рис. 54, хотя и не относятся к какому‑либо определенному типу транзистора, но по значениям токов и напряжений весьма близки к характеристикам многих транзисторов небольшой мощности. Поэтому и параметры, которые мы определим, в известной степени будут близки к параметрам реальных транзисторов.

Рис. 54. Входная характеристика транзистора показывает, как меняется входной ток (ток эмиттера) при изменении управляющего напряжения (напряжение между базой и эмиттером).

Прежде всего отметим прямолинейный участок на входной характеристике: он начинается от напряжения U*_э = 150 мв. Именно начиная с этого напряжения практически соблюдается прямая пропорциональная зависимость между напряжением U_эб и током I_э (увеличим напряжение в два раза, и ток вырастет в те же два раза), и поэтому входная характеристика начиная с U*_эб = 150 мв представляет собой почти прямую линию.

При напряжениях меньших чем 150 мв зависимость эта носит сложный характер, и, уж во всяком случае, она не похожа на прямую пропорциональную зависимость. Участок от 0 до U*_эб = 150 же называется нелинейным участком или, проще, загибом. О причинах появления этого загиба уже шла речь, когда мы знакомились с диодом. Во многих случаях режим транзистора нужно выбирать так, чтобы входное напряжение всегда было больше U*_эб , то есть не попадало бы в район загиба характеристики. Подробно об этом ограничении будет рассказано чуть позже (стр. 184), а сейчас лишь отметим, что работа в области загиба приводит к искажениям формы сигнала (рис. 55).

Дата добавления: 2019-02-12; просмотров: 119; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 11 12 13 14 151617 18 19 20 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!