ВОСПОМИНАНИЕ № 10. ПЕРЕМЕННОЕ НАПРЯЖЕНИЕ И ПЕРЕМЕННЫЙ ТОК. 23 страница

⇐ ПредыдущаяСтр 23 из 35Следующая ⇒

В заключение еще один вариант нашей схемы (листок Г ), где заземлен не «плюс» батареи и даже не ее «минус», а сам коллектор. Это, однако, не означает, что вместо схемы ОЭ мы получили ОК – источник сигнала как был включенным между эмиттером и базой, так и остался (его нижний вывод для этого пришлось отключить от «земли», куда теперь присоединен коллектор), в то время как в схеме ОК источник сигнала должен быть включен между базой и коллектором. Легко обнаружить сходство с двумя предыдущими схемами и для всех остальных цепей постоянного и переменного тока.

Если вы знаете буквы и умеете читать, то прочтете любое слово, как бы оно ни было написано – слева направо, сверху вниз или даже «вверх ногами». Разбирая радиосхемы, часто приходится решать задачи, напоминающие чтение «вверх ногами».

Существует множество вариантов размещения на схеме‑чертеже деталей одной и той же электрической цепи. И не всегда просто узнать в том или ином начертании схем своих старых добрых знакомых. К сожалению, нельзя дать простые рецепты, как привести незнакомую, казалось бы, схему к знакомому виду, – это дело времени, опыта и сообразительности.

В качестве первой и сравнительно легкой тренировки попробуйте рассмотреть три упрощенные схемы ОБ, ОЭ, ОК на рис. 80 несколькими разными способами. На этом рисунке отличие схем одного «семейства» только в том, как расположены детали на самом чертеже,

Рис. 80. Разное расположение деталей при вычерчивании одной и той же схемы может создать впечатление, что на рисунке разные схемы.

Освоившись с приемами, пусть самыми простыми, разделения и объединения цепей постоянного и переменного тока, мы сделали очень важный шаг в познании общих свойств, общих методов построения транзисторных усилителей. Очень важный шаг, но, к сожалению, еще не последний.

НАША ЦЕЛЬ – ОПТИМИЗАЦИЯ

Проблема, с которой приходится сталкиваться во всех без исключения транзисторных усилителях, и не только в транзисторных и даже не только в усилителях, – это проблема согласования генератора с нагрузкой. Здесь оба понятия – «генератор» и «нагрузка» – имеют самый широкий смысл. Генератор – это любое устройство, любая электрическая цепь, которая отдает энергию. Нагрузка – любое устройство, любая цепь, которая эту энергию потребляет. Генератором является, например, микрофон, а его нагрузкой – входная цепь транзистора, к которой этот микрофон подключен. Генератором является и выходная цепь транзистора, работающего на громкоговоритель или какую‑либо другую нагрузку.

Количество энергии, которое генератор передает нагрузке, зависит не только от того, кто дает энергию, но и от того, кто ее берет. То, что генератор может в принципе отдать, например, 100 вт, еще совсем не означает, что нагрузка эти 100 вт сможет у него отобрать. И напряжение, которое генератор создаст на нагрузке, и ток в цепи, а поэтому и мощность, которую нагрузка получит от генератора, – все это зависит от того, насколько они будут согласованы, а конкретно – от того, насколько согласованы собственные сопротивления R_н и R_г нагрузки и генератора.

Проблема согласования генератора с нагрузкой, согласования источника энергии с ее потребителем, имеет весьма общий и, если хотите, даже философский смысл. Рассказывая об этой проблеме, можно было бы привести немало интересных примеров из самых разных областей. Можно было бы, например, вспомнить, что мощность, которую развивает автомобильный двигатель, используется тем лучше, чем больше грузов везет автомобиль, но что перегружать машину бессмысленно. Можно было бы вспомнить и о том, что польза, которую приносит человек‑работник, зависит не только от его сил и способностей, но еще и от подобранной работы. Слишком легкое дело и делать неинтересно, и толку от этого мало. Но в то же время вы вряд ли принесете пользу, взвалив на себя работу не по плечу, взявшись за дело, в котором ничего не понимаете.

Важность согласования генератора с нагрузкой можно было бы показать и на других примерах, взятых из техники, экономики, политики, взятых из самой жизни. Но мы не будем уходить в столь далекие области и обсудим проблему согласования на более простом примере – на примере обычной электрической лампочки.

Если вы спросите у продавца электромагазина, чем отличается лампочка на 60 вт от лампочки на 40 вт, то он хотя и обидится за праздный вопрос, но все же ответит (такая уж у продавца работа): лампочки отличаются тем, что одна горит значительно ярче другой. Но давайте попробуем не удовлетвориться таким ответом, а выяснить, почему лампочка на 60 вт горит ярче, чем лампочка на 40 вт, по каким своим характеристикам отличаются лампочки. И пусть об этом отличии расскажут не слова «ярче» или «слабее», а цифры.

Прежде всего договоримся, что к обеим лампочкам во всех случаях жизни подводится одно и то же напряжение, скажем для круглого счета, 120 в. Ясно, что, для того чтобы при одинаковом напряжении отобрать из электрической сети разную мощность, нужно пропустить через лампочки разный ток. Из известного выражения для мощности нетрудно вывести и формулу для подсчета этого тока I = P :U (Воспоминание № 4).

Теперь подсчитаем, что через сорокаваттную лампочку идет ток около 0,33 а (40:120 ~= 0,33), а через шестидесятиваттную 0,5 а (60:120 = 0,5). А то, что при одном и том же напряжении через лампочки идет разный ток, может означать только одно: лампочки имеют разное сопротивление. Выполнив простейший расчет по одной из формул закона Ома (R = U :I ), найдем, что сопротивление сорокаваттной лампочки около 360 ом (120:0,33 ~= 360), а сопротивление шестидесятиваттной лампочки 240 ом (120:0,5 = 240).

Итак, лампочки, отбирающие от источника энергии разную мощность, отличаются только сопротивлением: чем меньше сопротивление лампочки, тем больший ток по ней идет, тем большую мощность она отбирает от источника.

Не торопитесь, однако, на основании нашего примера делать общий вывод: «Чтобы повысить отбираемую от генератора мощность, надо уменьшать сопротивление нагрузки».

Вывод этот будет справедлив лишь до некоторого предела. Если постепенно уменьшать сопротивление нагрузки, то неизбежно наступит момент, когда отбираемая ею у генератора мощность не только не будет расти, но даже, наоборот, начнет уменьшаться. Чтобы понять, почему это происходит, придется вспомнить еще об одном герое, о котором мы пока умалчивали, – о внутреннем сопротивлении генератора.

В нашем примере генератор – это электрическая сеть, внутреннее сопротивление которой очень мало: практически оно составляет десятые и даже сотые доли ома. Чтобы не путаться со столь малыми цифрами и не потерять суть дела среди всех вычислений, перенесем все события в некоторую условную электрическую цепь, где действует генератор с более удобными для вычислений показателями, например, с внутренним сопротивлением R_г = 2 ом и электродвижущей силой Е = 6 в. Подключая к этому генератору разную нагрузку – например, лампочки с разным сопротивлением, – будем вычислять ток в цепи, напряжение, которое достается нагрузке, и отбираемую ею от генератора мощность.

Результаты таких вычислений, сделанных для семи разных сопротивлений нагрузки, приведены на рис. 81, и по этим результатам можно сделать исключительно важный и общий для всех систем генератор – нагрузка вывод: генератор передает в нагрузку наибольшую мощность, когда ее сопротивление равно внутреннему сопротивлению генератора, то есть когда R_г = R_н . Такой режим принято называть оптимальным, то есть наивыгоднейшим, а сопротивление нагрузки, при котором получается этот наивыгоднейший режим, – оптимальным сопротивлением R_н‑опт . Если сопротивление нагрузки сделать больше оптимального, то напряжение на ней возрастет, но уменьшится ток в цепи. При этом ток падает резче, чем растет напряжение, и в результате уменьшается мощность. Если сопротивление нагрузки сделать меньше оптимального, то ток в цепи возрастет, а напряжение на нагрузке упадет, и опять‑таки в итоге уменьшается мощность на нагрузке.

Рис. 81. Напряжение на нагрузке, ток в цепи и отбираемая у генератора мощность зависят от того, как нагрузка согласована с генератором.

Выбор сопротивления нагрузки зависит от того, что нужно потребителю: если, например, нужно большое напряжение, то следует включить R_н больше, чем R_н‑опт , мирясь при этом с уменьшением полученной от генератора мощности. Если, наоборот, нужен большой ток, то сопротивление R_н нужно брать поменьше и опять‑таки знать, что при этом отбираемая нагрузкой мощность будет меньше, чем могла бы быть при оптимальной нагрузке. Если сопротивление генератора значительно больше, чем сопротивление нагрузки (R_г >> R_н ), то говорят, что в цепи действует генератор тока. В этом случае ток в цепи мало зависит от R_н и при разных нагрузках оказывается примерно одинаковым. А если, наоборот, сопротивление генератора значительно меньше, чем сопротивление нагрузки (R_г << R_н ), тo говорят, что в цепи действует генератор напряжения, потому что почти вся э. д. с. достается нагрузке и напряжение на ней мало зависит от самого R_н .

Чаще всего мы будем стремиться к оптимальному режиму, к тому, чтобы передать от генератора в нагрузку наибольшую мощность. А для этого нужно согласовать нагрузку с генератором, сделать так, чтобы их сопротивления R_н и R_г были равны.

Но легко сказать «Добьемся согласования!», и не всегда легко его добиться. Особенно большие трудности возникают в транзисторном усилителе, где на каждом шагу встречаются в одной «упряжке» генератор и нагрузка с совершенна разными характерами, с совершенно разными сопротивлениями R_н и R_г . Проблема согласования при этом становится чуть ли не самой важной, и от того, насколько успешно и насколько просто она решена, в огромной мере зависит решение главной задачи усиления сигнала. Сейчас мы познакомимся с несколькими типичными попытками примирения генератора с нагрузкой, попытками согласовать их сопротивления.

Если один транзистор не в состоянии обеспечить нужное усиление, то усилительные каскады соединяют, как говорят маленькие дети, «паровозиком» и усиливают сигнал в несколько этапов, передавая его, подобно эстафете, с одного каскада на другой.

Для простоты представим себе двухкаскадный усилитель (рис. 82), где сигнал передается из выходной цепи первого каскада во входную цепь второго каскада. Отвлекаясь от того, что происходит с сигналом до и после этого, можно считать выход первого каскада генератором сигнала, а вход второго каскада – нагрузкой. О том, насколько в данном случае велики трудности согласования, можно судить хотя бы по рис. 74, где в числе других данных указаны входные и выходные сопротивления разных усилительных схем. Вы видите, что для наиболее популярной схемы ОЭ выходное сопротивление R_вых больше входного R_вх в десятки и сотни раз. Еще хуже обстоит дело в схеме ОБ – здесь R_вых может быть больше, чем R_вх чуть ли не в миллион раз.

Итак, входное сопротивление транзистора в наиболее распространенной схеме ОБ сильно отличается от выходного сопротивления – такова сама природа схемы. А это, в свою очередь, означает, что в многокаскадном усилителе из предыдущего каскада в последующий передается меньше энергии, чем при оптимальной связи между ними. Это, конечно, неприятно, но, как говорится, не смертельно. Выигрыш от введения дополнительного усилительного каскада всегда можно сделать больше проигрыша, неизбежного при передаче энергии из одного каскада в другой.

(Если, конечно, не испортить дело каким‑либо неудачным схемным решением. Например, неудачным выбором конденсатора связи С_р между каскадами. Емкость этого конденсатора должна быть достаточно большой. Настолько большой, чтобы на самой низкой из усиливаемых частот емкостное сопротивление конденсатора С_р было значительно меньше, чем входное сопротивление R_вx‑2 транзистора. Потому, что конденсатор и входное сопротивление транзистора образуют своего рода делитель напряжения, на котором делится на две части сигнал, получаемый от предыдущего каскада. И чем меньше емкостное сопротивление конденсатора С_р по сравнению с входным сопротивлением транзистора, тем большая часть сигнала достанется входной цепи транзистора и будет управлять его коллекторным током (рис. 82).

Рис. 82. Низкое входное сопротивление транзисторного усилителя трудно согласовать с высоким выходным сопротивлением предыдущего каскада.

Теперь попробуем пойти по другому пути: попытаемся согласовать высокое выходное сопротивление транзисторного усилителя (часто говорят «высокоомный генератор») с нагрузкой, имеющей малое сопротивление (часто говорят «низкоомная нагрузка»), при помощи трансформатора. Согласующий трансформатор используют, в частности, в выходном каскаде усилителя низкой частоты (НЧ), который работает на динамический громкоговоритель с сопротивлением звуковой катушки 5–15 ом (таблица 11). И хотя мы сейчас не пытаемся знакомиться с конкретными транзисторными усилителями, роль согласующего трансформатора все же удобно будет рассмотреть именно на этом примере.

Мы привыкли к тому, что трансформатор повышает или понижает напряжение и ток, а сейчас в этот комплект нужно будет включить еще и сопротивление.

Сам процесс передачи энергии из первичной обмотки трансформатора во вторичную (рис. 83) можно представить в виде электротехнического варианта знаменитой сказки «Дом, который построил Джек».

Рис. 83. Небольшое сопротивление громкоговорителя, включенное в коллекторную цепь через понижающий трансформатор, вносит в эту цепь достаточно большое сопротивление (нагрузку).

К первичной обмотке трансформатора подводится переменное напряжение, которое создает в этой обмотке переменный ток, под действием которого возникает охватывающее обе обмотки переменное магнитное поле, которое наводит во вторичной обмотке электродвижущую силу, которая создает во вторичной обмотке ток, величина которого тем больше, чем меньше включенное во вторичную обмотку сопротивление. Но это еще только половина сказки.

Во второй ее половине следовало бы рассказать, каким образом все, что происходит во вторичной обмотке, бумерангом возвращается обратно в первичную. Ток во вторичной обмотке создает свое собственное переменное магнитное поле. Оно наводит электродвижущую силу в обмотке I, а следовательно, создает в ней ток I_I . Именно этот ток I_I наведенный из вторичной обмотки, является главным действующим лицом в первичной – разорвите цепь обмотки II, прекратите в ней ток, и практически до нуля упадет и ток в обмотке I. А иначе и быть не может. Сам трансформатор для себя никакой энергии не берет (если не считать небольших потерь в сердечнике и в проводах), и потребляемый им ток I_I зависит только от сопротивления нагрузки R_н , хотя она непосредственно в цепь генератора не включена.

Чтобы как‑то отразить влияние R_н на потребляемый трансформатором ток, удобно считать, что из вторичной обмотки в первичную вносится некоторое сопротивление R_н‑вн . Это своего рода «рука вторичной обмотки», определяющая величину тока I_I в первичной обмотке. А поскольку этот ток I_I в конечном итоге зависит от нагрузки R_н , то можно сказать, что вносимое сопротивление R_н‑вн также определяется сопротивлением R_н . Чем меньше R_н тем больше ток I_II и, следовательно, ток I_I . А увеличение тока в первичной цепи можно истолковать как уменьшение сопротивления R_н‑вн . Иными словами, чем меньше R_н , тем меньше и R_н‑вн . И наоборот, с увеличением R_н возрастает и R_н‑вн .

Изучая события в цепи первичной обмотки, очень удобно, позабыв о всех подробностях, считать вносимое сопротивление R_н‑вн истинной нагрузкой генератора.

Для нас самое важное то, что это сопротивление вносится из вторичной обмотки в первичную не «так на так». В зависимости от коэффициента трансформации n , то есть в зависимости от соотношения витков в обмотках, сопротивление R_н‑вн может быть либо больше R_н , либо, наоборот, меньше его. Это легко понять и без строгого анализа. Напряжения и токи в первичной и вторичной обмотках могут быть разными, а где разные токи и напряжения, там жди и разных сопротивлений.

Соотношение между коэффициентом трансформации n и сопротивлениями R_н и R_н‑вн можно вывести довольно просто, выполнив несколько элементарных алгебраических операций. Мы же поступим еще проще – найдем соотношение между этими величинами из простого числового примера. Предположим, что в коллекторную цепь транзистора включен понижающий трансформатор с такими данными: число витков первичной обмотки w_I =1000, вторичной – w_II = 250. Будем считать, что коэффициент трансформации n = 1000:250 = 4. (Принято считать, что коэффициент трансформации n – это отношение w_II: w_I , а не наоборот, и поэтому для понижающих трансформаторов n всегда меньше единицы. Но поскольку пользоваться этой малой величиной при расчетах не очень удобно, мы допустим некоторую вольность, считая, что в нашем понижающем трансформаторе n = w_I:w_II , а не w_II:w_I .)

Предположим, что на первичной обмотке действует переменное напряжение U_I = 4 в, а в цепь вторичной обмотки включен громкоговоритель с сопротивлением звуковой катушки R_н = 5 ом. Зная коэффициент трансформации n = 4, нетрудно подсчитать, что U_II = U_I: n = 4 в:4 = 1 в. При таком напряжении через R_н пойдет ток I_II = U_I: R_н = 1 в:5 ом = 0,2 а. А значит, ток в первичной обмотке I_I = I_II: n = 0,2 а: 4 = 0,05 а.

Теперь, если вы еще не забыли закон Ома, можно подсчитать и вносимое сопротивление: R_н‑вн = U_I: I_I = 4 в:0,05 a = 80 ом. Оно оказалось в шестнадцать раз больше, чем R_н . На рис. 83 показаны результаты подобного расчета и для разных коэффициентов трансформации. Пользуясь этими результатами, легко прийти к выводу, что, включив сопротивление через понижающий трансформатор, мы как бы увеличили это сопротивление, причем увеличили его в n ² раз, где n – коэффициент трансформации, равный w_I:w_II . А отсюда еще один вывод: понижающий трансформатор позволяет согласовать низкоомную нагрузку с генератором, имеющим высокое внутреннее сопротивление, и, в частности, согласовывать низкоомный динамический громкоговоритель с большим выходным сопротивлением транзистора.

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

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 18 19 20 21 222324 25 26 27 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!