ВОСПОМИНАНИЕ № 10. ПЕРЕМЕННОЕ НАПРЯЖЕНИЕ И ПЕРЕМЕННЫЙ ТОК. 21 страница
Благодаря резкому уменьшению тока во входной цепи, во‑первых, уменьшается потребляемая в ней мощность, то есть мощность, которую должен отдать усилителю не кто иной, как слабый усиливаемый сигнал. Во‑вторых, благодаря уменьшению тока возрастает входное сопротивление, а это, как мы вскоре увидим, резко облегчает согласование усилителя с источником сигнала. И, наконец, третье: поскольку ток базы, который теперь должен создать источник сигнала во много раз меньше эмиттерного, а значит, и коллекторного тока, то схема ОЭ дает не только усиление по напряжению, как схема ОБ, но еще и усиление по току. А в итоге усиление по мощности у схемы ОЭ оказывается значительно больше, чем у схемы ОБ.
Чтобы количественно оценить все выгоды, которые дает схема ОЭ, вводят еще один параметр транзистора – коэффициент усиления по току в схеме с общим эмиттером. Этот коэффициент обозначают буквой β (греческая «бета»; существует несколько разновидностей этого коэффициента: одни из них обозначают буквой В , другие – буквой β ). Коэффициент β должен показать, во сколько раз мы разгрузили источник сигнала при переводе его из эмиттерной цепи в цепь базы, то есть коэффициент β показывает, во сколько раз при одном и том же управляющем напряжении ток базы меньше, чем ток эмиттера, или, что почти то же самое (токи Iэ и Iк примерно равны), во сколько раз Iб меньше, чем Iк . Определив, например, по входным характеристикам, что при Uэб = 200 мв, Iб = 600 мка, (0,6 ма), а Iэ = 6 ма (рис. 54), легко подсчитать, что β = Iэ:Iб = 10. Но это примерное, упрощенное определение коэффициента β .
|
|
|
Точное значение коэффициента усиления по току β можно получить, если при неизменном коллекторном напряжении Uэк изменять управляющее напряжение Uэб и одновременно следить за тем, как изменяются два тока – ток во входной цепи (то есть Iб ) и ток в выходной цепи (то есть Iк ). Затем, определив прирост того и другого тока ΔIб и ΔIк , находим β как их отношение β = ΔIк :ΔIб (рис. 72).
Иными словами, точнее (динамическое) значение β показывает, во сколько раз при одном и том же изменении управляющего напряжения Uэб изменения выходного тока ΔIк оказываются больше, чем изменения входного тока ΔIб . Так, например, определив по входным характеристикам (рис. 54), что при изменении Uэб от 200 мв до 250 мв ток базы увеличился на 400 мка (0,4 ма), а ток коллектора примерно на 4 ма, легко найти β как отношение этих приростов: β = 4: 0,4 = 10.
Упрощенное определение коэффициента β , как правило, очень близко к «официальной», измеренной по всем правилам его величине. И это вполне понятно. Во‑первых, коллекторный ток почти равен эмиттерному, и с каким бы из этих токов мы ни сравнивали ток базы Iб , результат будет примерно одинаковым. Во‑вторых, все токи транзистора «пляшут под дудку» управляющего напряжения – во сколько увеличится или уменьшится Uэб , во столько же раз приблизительно увеличатся или уменьшатся сразу все три тока Iэ, Iб, Iк . Поэтому‑то сравнивать приросты этих токов почти то же самое, что сравнивать и сами токи при одном и том же значении Uэб . На сравнении тока базы с током коллектора основано измерение коэффициента усиления по току β в простейших любительских приборах (рис. 70). Существуют простые приборы и для более точного определения β путем сравнения прироста ΔIк с ΔIб .
|
|
|
Рис. 70. Примерную величину коэффициента β можно определить с мощью простейших самодельных приборов.
Хотя обычно при определении коэффициента усиления по току мы сравниваем ток базы с током коллектора, этот коэффициент, как уже было сказано, очень хорошо характеризует изменения, которые произошли во входной цепи при переходе от схемы ОБ к схеме ОЭ. Конкретно β показывает, во сколько раз уменьшился ток в цепи источника сигнала (входная цепь усилителя) после того, как по этой цепи стал проходить ток базы вместо тока эмиттера. А показывая уменьшение входного тока, коэффициент β количественно определяет изменение параметров усилителя при переходе к схеме ОЭ.
|
|
|
Вот эти изменения (рис. 71).
Рис. 71. Входной ток в схеме ОЭ значительно (в β раз) меньше, чем в схеме ОБ , и это приводит к появлению многих ценных качеств схемы с общим эмиттером.
Поскольку в β раз уменьшается входной ток, а выходной (коллекторный) остается без изменений, то можно сказать, что транзистор усиливает уже не только напряжение, но еще и ток в β раз. Отсюда и название – коэффициент усиления по току.
Входное сопротивление возрастает примерно в β раз нее в β + 1 раз) опять‑таки потому, что в β раз уменьшается входной ток, который определяет это сопротивление. Ничего не поделаешь, закон Ома – R = U : I ; чем меньше ток, тем, значит, больше сопротивление.
Для управления транзистором от сигнала требуется в β раз меньшая мощность. Опять же потому, что в β раз уменьшается входной ток, определяющий эту мощность. Чем меньше ток, тем меньше мощность – Р = U ·I . А если в β раз уменьшается входная мощность при неизменной выходной мощности, то, значит, коэффициент усиления по мощности также возрастает в β раз.
|
|
|
Как видите, коэффициент β оказывает сильнейшее влияние на параметры усилителя, и не случайно при выборе транзистора для той или иной схемы любители прежде всего обращают внимание на его коэффициент β , стараясь выбрать транзистор, у которого этот коэффициент побольше.
Нужно сразу же предупредить, что выбирать транзисторы, руководствуясь только одним лозунгом «Даешь бету!», тоже неверно. Во‑первых, транзисторы с более высоким β , как правило, стоят дороже, а многие из них не всегда легко достать. И может случиться так, что, применив транзистор с высоким β в схеме, где он не очень нужен или даже совсем не нужен, вы тем самым лишите своего товарища – это ведь неважно, знакомого или незнакомого – возможности применить такой транзистор в схеме, где он необходим.
Во‑вторых (если вам еще не достаточно «во‑первых»!), при включении транзисторов с высоким β в схему, которая на них не рассчитана, может произойти не улучшение, а ухудшение параметров этой схемы, вплоть до ее полной непригодности. Это ведь только говорится, что маслом каши не испортишь. А попробуйте на полтарелки каши положить полтарелки масла. Вряд ли вам такое блюдо покажется вкусным, не говоря уж о том, что от него идет прямая дорога к врачу. Вот так и применение транзистора со слишком большим β может иногда привести к неприятным последствиям, превратив, например, усилитель в генератор.
В электронных схемах нужно применять транзисторы с таким коэффициентом β , на который эти схемы рассчитаны. Разумеется, применяя транзисторы с более высоким β , часто можно создавать более эффективные схемы, с лучшими параметрами. Но в то же время не менее интересно при разработке или совершенствовании схем получить хорошие результаты, применяя дешевые и доступные транзисторы с низким коэффициентом β .
Кстати говоря, коэффициент β так же, как и коэффициент α , говорит о том, какая часть эмиттерного тока используется для создания коллекторного тока, а какая часть уходит через базу. Но только а показывает, какую часть от Iэ составляет Iк , а коэффициент β показывает, во сколько раз ответвляющийся в базу ток β меньше основного тока Iк . Поскольку коэффициенты α и β характеризуют один и тот же процесс разделения Iэ на две части (примерно гак же период колебаний и частота характеризуют один и тот же процесс), то эти коэффициенты связаны друг с другом, и, зная один из них, можно легко подсчитать другой (рис. 72).
Рис. 72. Оба коэффициента α и β по‑разному характеризуют одно и то же: ответвление части эмиттерного тока в базу.
Схема с общим эмиттером имеет серьезные достоинства (усиление по току, большое усиление по мощности и сравнительно высокое входное сопротивление) и серьезные недостатки. Однако ничего плохого о схеме ОЭ мы сейчас говорить не будем. И совсем не потому, что собираемся замалчивать ее недостатки – о них еще будет особый разговор. Мы не будем говорить о недостатках схемы ОЭ, потому что в большинстве случаев с ними удается вести эффективную борьбу, и не стоит умалять поэтому важные достоинства схемы. Освобожденная от недостатков и не утратившая достоинств схема ОЭ является основной схемой транзисторных усилителей.
И все же схема с общим эмиттером – только основная практическая схема, но никак не единственная. В ряде случаев она уступает место уже хорошо знакомой нам схеме с общей базой или схеме с общим коллектором (схема ОК; рис. 73), с которой нам сейчас предстоит познакомиться. Кстати, эту схему иногда называют «эмиттерный повторитель».
Привыкнув к тому, что в схемах ОБ и ОЭ усиливается напряжение, следовало бы прежде всего назвать усилитель, работающий по схеме ОК, не усилителем, а ослабителем. Действительно, в схеме ОК управляющее напряжение подводится к своеобразному делителю, в который входит сопротивление нагрузки Rн и эмиттерный рn ‑переход транзистора. Для того чтобы возникновение этого делителя стало более наглядным, на одном из листов рис. 73 база транзистора несколько вытянута и изогнута. Это, разумеется, лишь графический трюк, который никакого отношения к устройству транзистора не имеет. Этот трюк нужен для того, чтобы на самом рисунке поставить в один ряд эмиттерный pn ‑переход и нагрузку Rн , а затем наглядно показать их подключение к источнику сигнала в виде делителя напряжения. Напряжение входного сигнала Uвх , подведенное к делителю, делится между его участками – между эмиттерным pn ‑переходом и нагрузкой Rн .
Рис. 73. Главная особенность схемы с общим коллектором (ОК ) – высокое входное сопротивление.
Поэтому на долю нагрузки приходится переменное напряжение Uвых , которое никак не больше, чем Uвх , а напротив, даже меньше его. Именно так – часть напряжения сигнала остается на эмиттерном pn ‑переходе, выходное напряжение всегда меньше, чем входное напряжение, то есть схема ОК ослабляет напряжение. С этим как раз и связано название «эмиттерный повторитель» – схема не усиливает напряжение сигнала, а лишь повторяет его, оставляя неизменным (практически Uвых лишь незначительно меньше, чем Uвх ).
Так же как эго было и при знакомстве со схемой ОЭ, сразу же возникает куча вопросов. Для чего нужен такой схемный фокус? Зачем подавать входной сигнал не на его законное место, не на эмиттерный переход, а туда, где входному сигналу вообще нечего делать, – на переход база‑коллектор (всмотритесь в схему: именно между базой и коллектором включен источник сигнала). Как же в такой схеме входной сигнал может управлять коллекторным током, если этот сигнал лишен своего командного поста – эмиттерного рn ‑перехода? Для чего нужно превращать схемы, которые усиливают напряжение, в схему, которая его ослабляет? Если так уж хочется ослабить сигнал, зачем для этого транзистор – достаточно делителя, составленного из двух резисторов!
Ответив на эти вопросы, можно прийти к выводу, что схема ОК работоспособна, что она обладает некоторыми достоинствами и в ряде случаев просто незаменима.
Внимательно познакомившись со схемой ОК, убедимся, что «с ходу» мы приписали ей лишний недостаток – схема действительно не усиливает напряжения, но и почти не ослабляет его. Все дело в том, что сопротивления участков делителя, на который работает источник сигнала, сильно различаются по величине. Сопротивление эмиттерного pn ‑перехода мало, во много раз меньше, чем сопротивление нагрузки Rн . Поэтому нагрузке достается почти все напряжение сигнала Uсиг , а значит – входное и выходное напряжения усилителя примерно равны.
А что же делает оставшаяся часть сигнала, что делает напряжение Uэб ? Оно, как и всякое напряжение, приложенное к эмиттерному переходу, управляет эмиттерным, а значит, и коллекторным током. Таким образом, входной сигнал выполняет свои управляющие функции, хотя, конечно, направляет на это дело лишь небольшую часть своего напряжения.
То, что усилитель, работающий по схеме ОК, не усиливает напряжение, еще не дает оснований называть его ослабителем. Мы уже давно договорились (стр. 92), что об усилении можно судить, только сравнив входную и выходную мощность. А такое сравнение как раз говорит о том, что схема ОК имеет все права называться усилительной. Почти не уменьшая напряжения, схема ОК примерно в β раз усиливает ток, а значит, примерно в β раз усиливает мощность. Правда, нам еще остается доказать, что в схеме ОК ток действительно усиливается в β раз. Но это уже не сложно.
Источник сигнала в схеме ОК, так же, кстати, как и в схеме ОЭ, включен в цепь, по которой проходит ток базы Iб . А по нагрузке, как всегда, проходит ток коллектора Iк , который в β раз больше, чем Iб . Ток базы в схеме ОК проходит по довольно длинному пути (через источник сигнала, нагрузку и эмиттерный переход), но сути дела это не меняет – ток в выходной цепи больше, чем ток во входной цепи, а значит, происходит усиление по току.
Можно сказать, что «в общем плане» схема ОК, которая усиливает ток, но не усиливает напряжение, ничем не хуже схемы ОБ, которая усиливает напряжение, но не усиливает ток. Однако эта разница – ток вместо напряжения – приводит к резкому различию входного и выходного сопротивления схем ОБ и ОК. Схема ОБ обладает очень низким входным и очень высоким выходным сопротивлением (рис. 56, 58), а схема ОК – очень высоким входным сопротивлением и сравнительно низким выходным.
То, что схема ОК имеет высокое входное сопротивление в упрощенном виде, объясняется так: ток базы, как обычно, мал, входное напряжение стало довольно большим, а это значит, что входное сопротивление схемы ОК велико. Практически оно составляет сотни килоом.
Значительно меньше оказывается выходное сопротивление, – показывающее, как меняется в нагрузке сквозной ток при изменении напряжения между эмиттером и коллектором. Динамическое выходное сопротивление обычно составляет несколько сотен или десятков ом.
На этом, пожалуй, можно закончить рассказ о том, как в транзисторных усилителях решается проблема «2 + 2 = 3» и как три разных ее решения дают разные, со своими достоинствами и недостатками, результаты (рис. 74). Сравнение трех основных схем транзисторных усилителей ОБ, ОЭ и ОК говорит о том, что, хотя «по сумме многоборья» на первое место выходит схема с общим эмиттером, две остальные имеют свои собственные, никем из конкурентов не побитые рекорды.
Рис. 74. Каждая из трех схем включения транзистора имеет свои достоинства, но в большинстве случаев отдают предпочтение схеме ОЭ за сочетание многих ценных качеств.
КАК ЧИТАТЬ РАДИОСХЕМЫ
Сейчас трудно определить, кто первый придумал этот заголовок – «Как читать радиосхемы», – но можно с уверенностью сказать, что ему уже не один десяток лет. Под таким заголовком вышло множество плакатов, статей и книжек, и, по‑видимому, всякий, кто в итоге все же научился читать схемы, начинал именно с одного из таких пособий.
К сожалению, довольно часто попытка научить чтению радиосхем не идет дальше рассказов о самой азбуке – о тех условных обозначениях, с помощью которых на бумаге изображаются конденсатор, резистор или переключатель. Не зная азбуки, читать нельзя – это факт. Но знание азбуки, знание условных обозначений, представляется лишь ничтожно малой частью того, что нужно для чтения радиосхем.
Чтобы прочесть схему, чтобы по запутанному чертежу быстро представить себе сложное электронное устройство и все происходящие там процессы, нужно многое знать и уметь. И, конечно, прежде всего нужно знать законы электрических цепей и уметь применять их при разборе конкретных схем.
Прежде чем учиться читать конкретные, практические схемы, полезно познакомиться с некоторыми общими, абстрактными решениями, с некоторыми принципами построения схем. Один из таких принципов – это разделение цепей постоянного и переменного тока, которое осуществляется, например, для того, чтобы элементы этих цепей не оказывали вредного влияния друг на друга. Сейчас на примере входных и выходных цепей транзисторного усилителя мы попытаемся выяснить, чем вызвано, что дает и как осуществляется такое разделение. Но еще перед этим придется попутно решить небольшую задачу, связанную с питанием самого транзистора.
До сих пор в наших схемах работало два источника постоянного тока – коллекторная батарея Бк и батарея смещения Бсм . Однако в реальных схемах этот «дуэт» встречается редко. При разработке схем всегда стараются выбросить батарею смещения и обойтись одной коллекторной батареей. О том, что так можно поступить, говорят цифры: напряжение на коллекторе обычно составляет 4–12 в, а напряжение смещения, как правило, лежит в пределах от 0,1 в до 0,5 в. Значит, задача сводится к тому, чтобы просто уменьшить напряжение и получить необходимое смещение от коллекторной батареи, не освобождая ее при этом от основных обязанностей.
На рис. 75 приведены три упрощенные схемы, показывающие, каким образом коллекторная батарея практически может выполнять работу по совместительству – как она может одновременно с питанием коллекторной цепи еще и создавать смещение в схеме ОЭ (листок а ), в схеме ОБ (листок б ) и в схеме ОК (листок в ).
Дата добавления: 2019-02-12; просмотров: 119; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!