Текст книги "Электроника?.. Нет ничего проще!"

Автор книги: Жан-Поль Эймишен

сообщить о нарушении

Текущая страница: 4 (всего у книги 21 страниц)

Об измерениях в ядерной технике можно было бы, разумеется, написать целые тома, но я полагаю, что для себя мы уже исчерпали эту тему.

Н. – Я с тобою не согласен и пока еще не чувствую себя истощенным… Ты ничего не рассказал ни об обнаружении нейтронов, ни об использовании изотопов, ни об ином, кроме техники безопасности, использовании измерений радиоактивности, как, например, в геологической разведке или в научных исследованиях.

Л. – Постараюсь ответить на твои вопросы по порядку. Начну с нейтронов; установлено, что, сталкиваясь с атомом бора, они вызывают серию ядерных реакций, сопровождающихся гамма-излучением. Поэтому для обнаружения нейтронов достаточно покрыть пластинку борной кислотой и поместить ее рядом с ионизационным или сцинтилляционным счетчиками.

Н. – В самом деле, это представляется мне очень простым.

Использование изотопов

Л. – Радиоактивные изотопы представляют собой вещества, искусственно создаваемые путем бомбардировки нормальных атомов колоссальным потоком нейтронов, получаемым, например, в ядерном реакторе. Эти нейтроны могут проникнуть в атом и врасти в его ядро. Полученный таким образом новый изотоп часто бывает неустойчивым и радиоактивным. Он повсюду сопровождает нормальное вещество, но испускает ядерные лучи, которые позволяют его заметить. Например, при нейтронном облучении в реакторе куска стали, скажем, поршневого кольца, образуются атомы радиоактивного изотопа железа. Измеряя радиоактивность масла, используемого для смазки двигателя, в котором установлено такое кольцо, можно определить степень его износа. С помощью радиоактивных изотопов удалось нанести на атомы своеобразную метку, и атомы перестали быть анонимными, как раньше. Метка позволяет посредством физических измерений следить за атомами, точно так же как кольцо с номером на лапке позволяет опознать почтового голубя. Таким же образом можно проследить распределение йода (к которому подмешано небольшое количество радиоактивного изотопа йода) при заболевании щитовидной железы; если обвести вокруг тела больного счетчиком Гейгера, то он покажет, где сосредоточен радиоактивный, а следовательно, и обычный йод. Я думаю, что этим я ответил на твой третий вопрос. Попутно отмечу, что радиоактивные изотопы используются для просвечивания непрозрачных для обычного света предметов.

Так, например, ты можешь измерить уровень жидкости в непрозрачном стальном баке, если с одной стороны поместить источник радиоактивного излучения, а другой стороны – счетчик Гейгера (рис. 33); чем выше уровень жидкости, тем сильнее поглощается излучение. Таким же образом можно измерить толщину выходящего из прокатного стана стального листа – достаточно лишь определить, какая часть ядерного излучения прошла через этот стальной лист.

Рис. 33. Даже в непрозрачном баке можно измерить уровень жидкости. В зависимости от высоты уровня жидкость больше или меньше поглощает ядерное излучение источника; прошедшее излучение измеряется счетчиком.

Н. – Этот метод представляется многообещающим.

Л. – У меня нет времени, а то я рассказал бы тебе об обнаружении изъянов в толще металла, об очистке, о медицинских и многих других областях использования радиоактивных изотопов. В заключении этого раздела я хочу рассказать тебе о преобразователях, чувствительных к химическому – воздействию.

Электрохимия ионов

Н. – Но в химии я не так-то силен.

Л. – Беда не велика. Тебе сейчас достаточно лишь знать, что химические реакции представляют собой не что иное, как электрические взаимодействия между различными ионами (сейчас я говорю только о химии растворов). Кислотой называют вещество, которое в растворе освобождает водородные ионы Н⁺, т. е. водородные атомы, потерявшие свой электрон.

Н. – Следовательно, это протоны.

Л. – Совершенно верно. И эти протоны горят желанием возвратить утерянный электрон, и чаще всего они забирают его у отрицательных ионов, обладающих избытком электронов. Например, в растворах имеются ионы, именуемые гидроксильной группой ОН^-, состоящие из одного атома кислорода, одного атома водорода и одного лишнего электрона. Эти ионы стремятся соединиться с ионами Н⁺.

Рис. 34. Если к двум опущенным в воду электродам приложить разность потенциалов, то ионы Н⁺ направятся к катоду, где получат недостающий им электрон и превратятся в водород. Это явление называется электролизом (ионы ОН^– отдают свой заряд на аноде и разлагаются с выделением кислорода).

Н. – и что получается в результате?

Л. – Просто-напросто вода Н₂О – нейтральное соединение. Молекулы воды в свою очередь имеют некоторую тенденцию распасться на ионы Н⁺ и ОН^-, но таких молекул крайне мало: чистая вода очень плохо проводит электрический ток.

Протекающую реакцию записывают следующим образом:

Двойная стрелка обозначает, что реакция может протекать в обоих направлениях, но происходит она преимущественно в направлении справа налево. На основе одного химического закона можно доказать, что произведение количества содержащихся в воде ионов Н⁺ (концентрация, обозначается | Н⁺|) на количество содержащихся в воде ионов ОН^- (обозначается | ОН^-|) всегда постоянно и равно | Н⁺| х | ОН^-| = 10^-14.

Н. – В самом деле, не очень много! Это составляет одну стотысячную одной миллиардной! Как же обозначают цифрами такие концентрации?

Л. – Их выражают в «грамм-ионах на литр» (г·ион/л), т. е. числом, показывающим, сколько раз 1 г ионов Н⁺или 17 г ионов ОН^- содержится в литре (что соответствует 6·10²³ настоящих ионов). Само собой разумеется, что взвесить ионы нельзя, так как нет возможности получить их в свободном состоянии. Но их количество можно определить косвенными методами. Например, можно возвратить ионам Н⁺ недостающие им электроны, в результате чего получится газ водород (рис. 34), объем которого можно замерить, а это даст нам и вес (примерно 1 г на 11 л).

Показатель pH

Н. – По твоему уравнению диссоциации количество ионов Н⁺ должно точно соответствовать количеству ионов ОН^-. Разве не так?

Л. – Да, если бы я не добавил в воду постороннее вещество. Ну и раз ты находишься на верном пути, скажи мне, какова концентрация ионов Н⁺ в чистой воде.

Н. – Это можно рассчитать. Если | Н⁺| = | ОН^-|, а их произведение равно 10^-14, то концентрация каждого из названных ионов составляет 10^-7.

Л. – Прекрасно. Если теперь я добавлю в воду кислоту, которая высвобождает большое количество ионов Н⁺, то концентрация ионов ОН^- снизится, потому что произведение | Н⁺| х | ОН^-| остается равным 10^-14. Чем больше ионов Н⁺, тем более выраженный кислотный характер приобретает раствор. Теперь принято измерять количество ионов Н⁺ в растворе и обозначать его логарифмом в сопровождении значка Н⁺, эту величину называют водородным показателем pH раствора.

Н. – О! Опять логарифмы! Они приводят меня в ужас.

Л. – Все это не так страшно. Запомни только логарифмы некоторых чисел:

Н. – Значит, логарифм всего лишь показатель степени числа 10?

Л. – Видишь, ты сам это понял. Когда говорят, что pH раствора, например, 6, это означает, что концентрация ионов Н⁺ в этом растворе составляет 10^-6. Ты знаешь, что очень чистая вода имеет показатель pH, равный 7. У кислых растворов показатель pH меньше 7…

Н. – Нет, ты ошибаешься! В кислых растворах концентрация ионов Н⁺ выше.

Л. – Подожди, Незнайкин, разве ты не согласен, что 10^-2 (или 0,01) все же больше, чем 10^-7 (или 0,0000001)?

Н. – Согласен, ты прав. Но скажи, пожалуйста, до какого уровня может опуститься показатель pH в очень кислых растворах?

Л. – При pH = 0 в растворе в каждом литре содержится 1 грамм-ион Н⁺. А так как концентрация этих ионов может быть немного выше, то величина pH может спуститься несколько ниже нуля – почти до —1.

И наоборот, в основных (или щелочных) растворах, куда добавили ионов ОН^-, концентрация ионов Н⁺ опускается ниже уровня 10^-7 и может дойти до 10^-14 (когда на каждый литр раствора приходится 1 грамм-ион ОН^-) и показатель pH может достичь 14.

Иногда показатель может еще повышаться почти до 15, но эти случаи носят скорее характер исключения, чем правила.

Измерение pH

Н. – Но тогда величину pH совершенно невозможно измерить?

Л. – Почему ты думаешь, что при высоких значениях pH, иначе говоря у щелочных растворов, труднее измерить этот показатель?

Н. – Да потому, что даже с помощью точных измерительных приборов невозможно измерить количество ионов, когда в литре их всего лишь 10^-12 или того меньше.

Л. – Ты совершенно прав, если пользоваться химическими методами (они бессильны уже при pH = 3). На практике же пользуются электрическими измерениями. Установили, что, когда тонкая перегородка из специального стекла разделяет два раствора с pH соответственно pH₁ и рН₂ (рис. 35), образуется электрическая батарея, э. д. с. которой примерно равна:

E = E₀ + 0,06·(рН₁– рН₂),

где Е₀ – постоянная величина, зависящая от нескольких факторов.

Рис. 35. Разделяя тонкой стеклянной перегородкой (из стекла, с не очень хорошими свойствами изолятора) два раствора с разными pH, вызывают появление разности потенциалов, которая пропорциональна разности pH этих растворов.

Когда хотят измерить pH какого-нибудь раствора, в него опускают небольшой шарик из специального стекла, в который налит кислый раствор с известным pH и опущена платиновая проволочка. Это приспособление называют стеклянным электродом.

Н. – Любознайкин! Все имеет свой предел, ну, хватит надо мною смеяться! Ведь стекло прекрасный изолятор (к счастью для электронных ламп). Как можно сделать электрод из стекла, которое не проводит электрического тока?

Л. – Конечно из обычного нельзя, но ведь я тебе сказал, что для этой цели берут специальное стекло. Но даже такое стекло совершенно не годится для электрической проводки в твоей квартире. Высокое сопротивление стеклянного электрода – большой недостаток этого весьма практичного приспособления. Сопротивление составляет от 50 Мом до нескольких тысяч мегом.

Н. – Иначе говоря, это не проводник, а плохой изолятор. А как измеряют потенциал раствора?

Л. – Для этого в раствор опускают другой, так называемый эталонный электрод, который обычно состоит из цепочки: хлористый калий, хлористая ртуть (каломель), ртуть и платина. Этот каломельный электрод вместе с платиновой проволочкой и стеклянным электродом образуют электрический элемент, э. д. с. которого и замеряют. Электродвижущая сила элемента связана с pH исследуемого раствора линейной зависимостью

E = A + 0,06·рН,

т. е. изменяется на 60 мв на каждую единицу pH. Постоянная величина А зависит от каломельного электрода и от концентрации известного раствора в колбочке из специального стекла. Завод-изготовитель указывает эту величину в паспорте электродов.

Н. – Значит, нам остается всего лишь измерить электродвижущую силу этой батареи, и дело в шляпе!

Л. – Мне очень нравится твое «всего лишь…» Представь себе, какие проблемы возникают при измерении с точностью лучше 1 мв напряжения на клеммах батареи, внутреннее сопротивление которой может превышать 1000 Мом, Это удается осуществить лишь с помощью специального так называемого электрометрического усилителя.

Н. – Опять!.. Я начинаю думать, что фотоэлемент и электрометрический усилитель представляют собой два краеугольных камня электроники.

Окислительно-восстановительный потенциал

Л. – В нашей следующей беседе мы рассмотрим устройство электрометрических усилителей, которые действительно играют довольно важную роль в электронике. Но прежде чем мы доберемся до них, нам предстоит поговорить еще об одной важной величине в химии растворов – об окислительно-восстановительном потенциале (или о потенциале Редокса). Знаешь ли ты, что такое окислитель?

Н. – Да, в свое время мне объяснили, что окислителями называют вещества, способные выделить кислород или забрать из воды водород, чтобы выделить из нее кислород.

Л. – Приведенное тобой определение было совершенно правильно лет пятьдесят тому назад. Но и сейчас, к сожалению, его можно найти во многих современных книгах. На самом же деле общее и более правильное определение следующее: окислитель в растворе – это ион, который может сообщить другим ионам или атомам положительные заряды (или, вернее, забрать электроны). Так например, ионы железа, лишенные трех электронов и поэтому обладающие тремя положительными зарядами, имеют тенденцию захватить электрон и превратиться в ионы только с двумя положительными зарядами

Н. – Почему так? Почему бы им не захватить сразу три электрона и не стать опять порядочным металлическим железом?

Л. – Это тоже возможно, но ионы железа «жаждут» заполучить первый недостающий электрон и в значительно меньшей степени два других. Иначе говоря, ионы двухвалентного железа обладают определенной стабильностью, не свойственной ионам трехвалентного железа. Или, проще говоря, ионы трехвалентного железа голодны на электроны, но, проглотив первый электрон, они изрядно успокаиваются.

Н. – Хорошо, но в твоей формуле содержится еще кое-что, что меня удивляет. Почему реакция обратима?

Л. – Это очень просто, если ионы двухвалентного железа окажутся рядом с более голодным, чем ион трехвалентного железа, «пожирателем электронов» (окислителем), то произойдет реакция в направлении справа налево.

Н. – Мне очень понравилось выражение ионы, «голодные на электроны», но это определение носит скорее качественный характер. Как узнать, что один ион более голоден на электроны, чем другой?

Л. – Что я слышу, Незнайкин? Ты просишь меня перейти к количественному определению! Но успокойся, это, впрочем, очень просто. Если свести вместе ионы трехвалентного железа и ионы двухвалентного олова (с двумя положительными зарядами), то ионы трехвалентного железа будут восстановлены до состояния ионов двухвалентного железа, пока остаются ионы двухвалентного олова, которые могут окислиться до ионов четырехвалентного олова (с четырьмя положительными зарядами)

На этот раз реакция необратима, и она продолжается до полного исчезновения одного из исходных компонентов.

И, наоборот, если свести вместе ионы двухвалентного железа и ионы четырехвалентного церия (с четырьмя положительными зарядами), то они будут восстановлены до состояния ионов трехвалентного церия (с тремя положительными зарядами) и полностью окислят ионы двухвалентного железа

Следовательно, смесь ионов двух– и трехвалентного железа может окислять ионы двухвалентного олова и восстанавливать ионы четырехвалентного церия. Это показывает, что смесь Fe⁺⁺/Fe⁺⁺⁺ более жадна на электроны, чем смесь Sn⁺⁺/Sn⁺⁺⁺⁺, но менее жадна, чем смесь Се⁺⁺⁺/Се⁺⁺⁺⁺.

Каждую из этих смесей характеризуют потенциалом, который носит название окислительно-восстановительного потенциала и представляет собой просто-напросто разность между потенциалом опущенного в раствор индифферентного электрода и потенциалом этого раствора.

Н. – Почему пользуются индифферентным электродом?

Л. – Чтобы он обменивался с раствором только электронами, но не ионами. Для этого, как правило, берут платину; измеряют разность потенциалов «между платиновой проволочкой и раствором. Измерение производят с помощью эталонного электрода, чаще всего из каломели (рис. 36). Разность потенциалов может быть от —1 в (энергичные восстановители) до +2 в (очень сильные окислители).

Рис. 36. Для измерения окислительно-восстановительного потенциала раствора в этот раствор впускают индифферентный электрод из платины и эталонный электрод.

Н. – И для этих измерений тебе, естественно, понадобится электрометрический усилитель?

Л. – На этот раз нет. Внутреннее сопротивление электрода из каломели мало, внутреннее сопротивление раствора тоже, и поэтому можно ограничиться хорошим контролером. Но способный на сложную работу может выполнить и более простую, и поэтому обычно пользуются электрометрическим усилителем, который служит для измерения pH.

Н. – Мне в голову пришла идея, она, вероятно, идиотская, но тем не менее я хочу тебе рассказать о ней. По сути дела эти ионы Н⁺, иначе говоря протоны, жаждут захватить электроны, чтобы вновь стать водородом из порядочной семьи. Нельзя ли рассматривать их как небольшие окислители?

Л. – Они и есть окислители. Воздействие кислоты, иначе говоря ионов Н⁺, на металл представляет собой реакцию окисления металла. Можно связать теорию окисления с теорией воздействия кислоты, но это увело бы нас слишком далеко от нашей темы. Но ты видишь, насколько расширились твои «допотопные» представления об окислении?

Старые методы измерения pH

Н. – Просто безмерно. Но я полагаю, что показатель pH появился всего лишь несколько лет тому назад: ведь до широкого вторжения в нашу жизнь электроники, которая одна позволяет использовать стеклянный электрод, измерять этот показатель было невозможно.

Л. – И тем не менее это удавалось осуществить. Сначала пользовались красящими веществами, состав и цвет которых изменялись в зависимости от величины pH, как, например, метилоранж (гелиантин), имеющий красный цвет в среде с pH ниже 3 и желтый цвет в среде с pH выше 5. Использовали также так называемый водородный электрод, состоящий из платиновой проволочки, покрытой губчатой платиной и платиновой чернью (порошкообразный металл), на который непрерывно подают газообразный водород. Этот электрод обладает низким внутренним сопротивлением, но он неудобен в работе и чувствителен ко многим вносящим помехи явлениям, от которых свободен стеклянный электрод.

Существуют также бумаги, покрытые смесью красящих, веществ, которые при попадании на них капли раствора принимают окраску от красной до фиолетовой в диапазоне pH от 1 до 10.

Величину pH измеряют путем сравнения полученной окраски с эталонной цветной шкалой. Но в этом случае ты ограничен точностью в одну единицу, тогда как правильно проведенные измерения электрическим методом позволяют получить точность до одной сотой единицы pH.

Н. – А разве так важно знать pH с точностью до одной сотой?

Л. – Очень важно. Например, показатель pH крови имеет строго постоянную величину и даже очень ничтожные изменения свидетельствуют о серьезном заболевании.

Н. – О, как жалко, что у меня нет рН-метра для наблюдения за моим здоровьем!..

Беседа пятая
УСИЛИТЕЛИ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Создав богатый запас различных первичных преобразователей, наши друзья приступают к рассмотрению использования сигналов, вырабатываемых первичными преобразователями. Для этого, оказывается, полезно улучшить технические характеристики знакомых Незнайкину усилителей и, в частности, расширить их полосу пропускания как в сторону высоких, так и в сторону очень низких (и даже нулевой) частот. В конце беседы Любознайкин открывает своему другу «секрет», который сотни тысяч технических специалистов познали… и, несомненно, забыли, потому что никогда не видели, какую пользу можно из него извлечь.

Незнайкин – Итак, дорогой Любознайкин, я надеюсь, что на этот раз ты не станешь больше говорить о преобразователях, ибо от них меня уже тошнит.

Любознайкин – Не беспокойся, Незнайкин, сегодня мы перейдем к другой части нашей схемы – к промежуточному преобразователю, иначе говоря, к вопросу о преобразовании вырабатываемого первичным преобразователем сигнала. Мы начнем с преобразования, касающегося лишь величины сигнала, иначе говоря с усиления.

Н. – Ну это не займет у нас много времени. Я знаю все усилители, кроме электрометрического.

В области верхних частот

Л. – Скромность всегда тебя украшала. Ты знаешь, как делают для радиоприемника усилитель низкой частоты, предназначенный для воспроизведения звуковых частот от 30 гц до 15 кгц. Но при усилении других сигналов может возникнуть потребность намного расширить полосу пропускания как в сторону низких, так и в сторону высоких (верхних) частот. Я поставил бы тебя в трудное положение даже одним вопросом, если бы спросил, что ты сделаешь, чтобы увеличить верхний предел частот, пропускаемых усилителем на резисторах.

Н. – Дай немного подумать. Я полагаю, что ты хочешь поговорить об усилителе, схему которого я нарисовал на рис. 37.

Рис. 37. В этом усилительном каскаде усиление на низких частотах снижается вследствие увеличения реактивного сопротивления конденсатора С₁ и особенно С₂.

Л. – Да, он прекрасно подходит для нашей беседы. Расскажи мне, пожалуйста, о его возможностях.

Н. – Усиление на верхних частотах ограничено тем, что параллельно резистору R₂ включена паразитная емкость С, шунтирующая его и снижающая результирующее сопротивление.

Л. – Совершенно верно. А как избавиться от этого?

Н. – Прежде всего я попытался бы уменьшить паразитную емкость путем предельного укорочения соединительных проводников и правильным подбором ламп.

Л. – Ты поступаешь разумно. Но возможности избранного тобою пути довольно ограничены. Может быть, тебе и удалось бы наполовину уменьшить эту паразитную емкость и тем самым вдвое увеличить полосу пропускания, но как расширить ее еще больше?

Н. – А! Вспомнил, можно воспользоваться коррекцией, компенсирующей шунтирование емкостью С резистора R₂.

Коррекция – не выход из положения

Л. – Я не могу тебе сказать, что это неправильно, но коррекция представляет собой прием, позволяющий несколько расширить полосу пропускания, и поэтому она совершенно не характерна для широкополосного усилителя. Ты совершаешь ту же самую ошибку, что и 99 % радистов. В моем телевизоре имеется усилитель, правильно усиливающий частоты от 10 гц до 10 Мгц; в нем, конечно, имеется коррекция, но и без нее мой усилитель очень хорошо пропускал бы частоты до 5 Мгц, а вот усилитель в моем электрофоне, разумеется, на такой подвиг не способен: уже на 300 кгц он теряет 90 % своего усиления. Следовательно, между двумя усилителями есть существенное различие. Я полагаю, что ты сам найдешь ответ. Почему мешает тебе эта паразитная емкость С?

Н. – Я уже объяснил тебе: она шунтирует резистор и на высоких частотах снижает значение результирующего сопротивления.

Л. – Я хотел бы внести некоторые уточнения. Предположим, что емкость С равна 16 пф (чтобы упростить расчеты ее реактивного сопротивления), тогда ее сопротивление равно 1 Мом на 10 кгц, 100 ком на 100 кгц, 10 ком на 1 Мгц и 1 ком на 10 Мгц. Предположим, что сопротивление резистора R₂ = 100 ком. Скажи, пожалуйста, на какой частоте начнет тебе мешать емкость С?

Н. – Для этого следовало бы рассчитать результирующее (полное) сопротивление включенных параллельно резистора R₂ и конденсатора С. Но я могу тебе сказать, что на частоте 10 кгц влияние емкости С с ее реактивным сопротивлением 1 Мом на входное сопротивление устройства, близкое к 100 ком, будет очень мало.

Л. – Я бы даже сказал, что ее воздействие на полное сопротивление практически равно нулю (не больше 0,5 %). Но посмотри, Незнайкин, проходящий по емкости С ток на 90° опережает ток, проходящий по R₂. Я обозначил эти токи стрелками (рис. 38), а вернее векторами, характеризующими их амплитуду и фазу. Для определения полного тока построим прямоугольник, сторонами которого являются две названные стрелки. Диагональ прямоугольника соответствует стрелке, характеризующей полный ток. Но на частоте 10 кгц максимальный ток I_с, проходящий через конденсатор, в 10 раз меньше тока, проходящего через резистор. Диагональ прямоугольника при этом настолько близка к его большей стороне, что их можно спутать. Если ты слышал о теореме Пифагора…

Рис. 38. К R и С приложено одно и то же напряжение, протекающий через конденсатор С ток I_с на 90° опережает I_R (ток, протекающий через резистор). Полный ток I представляет собой векторную сумму токов I_с и I_R.

Н. – Хм, очень немного и, по правде сказать, плохо понял.

Л. – Эта теорема гласит, что диагональ прямоугольника (или гипотенуза прямоугольного треугольника, который представляет собой половину прямоугольника) равна корню квадратному из суммы квадратов его сторон. В нашем случае одна сторона равна 10, а другая – 1, следовательно, сумма квадратов составит 101, а корень квадратный – 10,05.

Н. – Очень любопытно, в самом деле, наличие паразитной емкости на частоте 10 кгц никак не сказывается на коэффициенте усиления.

Амплитуда – не фаза

Л. – Емкость С в этом случае не оказывает заметного влияния на коэффициент усиления, но влияет на вносимый усилителем сдвиг фазы. Посмотри: общий ток (диагональ) находится в фазе с приложенным к сетке напряжением U_c = U_вх, тогда как напряжение на выходе, естественно, находится в фазе с током, проходящим по резистору R₂ (большая сторона). Как ты видишь, между ними уже имеется сдвиг по фазе, пренебрегать которым нельзя (здесь около 6°). Когда же реактивное сопротивление емкости С будет всего лишь в 3 раза больше сопротивления R₂ (т. е. на частоте 33 кгц), образованный стрелками прямоугольник все еще будет довольно вытянутым и его диагональ всего лишь на 5 % длиннее большой стороны. Иначе говоря, проходящий по резистору ток будет составлять 95 % общего тока, коэффициент усиления еще составит 95 % коэффициента усиления на низкой частоте. Но сдвиг фазы станет очень значительным (больше 18°).

Н. – Если ты будешь так продолжать, то дойдешь до того, что скажешь мне, что влияние С на коэффициент усиления так никогда и не почувствуется!

Л. – Вовсе нет. Когда реактивное сопротивление С достигнет величины R₂, т. е. 100 ком, прямоугольник, о котором я говорил, станет квадратом. Сторона квадрата равна всего лишь 0,7 его диагонали (1:√2), коэффициент усиления в этом случае снизится до 0,7 своего значения на низких частотах, сдвиг фазы увеличится до 45°, т. е. мы достигли так называемой «граничной» частоты, на которой коэффициент усиления снижается на 30 % от своего максимального значения. Говорят, что он снизился на 3 дб и…

Н. – С децибелами я немного не в ладах.

Децибелы

Л. – И вместе с тем это очень просто. Белы (обычно пользуются десятыми долями этой величины) выражаются десятичным логарифмом отношения мощностей.

Н. – Ну вот, я сделал большой шаг вперед. Для начала логарифмы, к которым особой любви я не чувствую, а в дополнение еще история с отношением мощностей, когда мы имеем дело с усилением по напряжению и…

Л. – Правильно, Незнайкин, здесь имеется определенная трудность, но мы ее устраним. Для начала я вернусь к определению. Когда две мощности Р₁ и Р₂ не равны, говорят, что одна превосходит другую на n бел, т. е.

Иначе говоря, когда одна мощность в 10 раз больше другой, говорят, что она больше на 1 бел [или 10 децибел (дб)]. Если Р₂в 1000 раз больше P₁, говорят, что Р₂ на 3 бел (логарифм 1000 равен 3), или на 30 дб больше P₁.

Н. – Странная идея, я предпочел бы сказать «в тысячу раз больше». Ну, наконец, можно согласиться, если так принято… Но как все это применить к усилителю, который не предназначен для передачи мощности?

Л. – Представь себе усилитель, на вход которого поступает напряжение с постоянной амплитудой при различных частотах. На частоте f₁ он дает на выходе напряжение 1 в, которое выделяется на постоянном резисторе в 1 ом. Согласен ли ты, что в этом случае выходная мощность равна 1 вт?

Н. – Потому что мы имеем ток в 1 а при напряжении 1 в.

Л. – Хорошо. Предположим, что на частоте f₂ входное напряжение на том же резисторе снижается до 0,5 в; какова будет мощность?

Н. – Мощность будет 0,5 вт…

Л. – Незнайкин!!! Какую колоссальную глупость ты произвел на свет божий! Что мне с тобой делать?!

Н. – Ой, ой! Да, я вижу: напряжение равно 0,5 в, следовательно, ток 0,5 а, а мощность всего лишь 0,25 вт. Я должен был вспомнить, что мощность пропорциональна квадрату напряжения…

Л. – И мощность в 4 раза меньше первой. А так как логарифм этого числа 0,6, мы можем сказать, что вторая мощность на 0,6 бел (или 6 дб) меньше первой, и, следовательно, мы можем сказать про усилитель, что его коэффициент усиления снизился на 6 дб.

Н. – Я начинаю, понимать. Когда говорят: «Коэффициент усиления по напряжению снизился на р дб», то перед числом р подразумевается фраза: «Настолько, что выходная мощность усилителя с нагрузкой с постоянным сопротивлением снизилась на…». Это примерно так же, когда кондуктор автобуса объявляет: «Северный… занимайте места!», так как он подразумевает: «Пассажиры, едущие в направлении Северного вокзала…»

«Точка 3 дб»

Л. – Я увел тебя в другую сторону, но поздравляю с тем, что ты так хорошо понял. Но вернемся к нашему примеру. Если коэффициент усиления по напряжению снизился до 0,7, то как это выразить в децибелах?

Н. – Попробуем разобраться. Выходное напряжение снизилось до 0,7, следовательно, выходной ток (на постоянном выходном сопротивлении) снизился во столько же раз, значит выходная мощность снизилась до 0,7 х 0,7 = 0,49 (округленно скажем до 0,5 первоначальной величины). Мощность уменьшилась в 2 раза. Посмотрев в поданную тобой таблицу логарифмов, я вижу, что логарифм 2 почти равен 0,3. Мощность снизилась на 0,3 бел, т. е. на 3 дб… Постой, ведь это как раз та цифра, которую ты недавно мне назвал!

Когда «эффект конденсатора» становится преобладающим

Л. – Превосходно! Теперь представь себе, что произойдет в анодной нагрузке нашей лампы (рис. 39) на частотах выше той, которой соответствует потеря усиления в 3 дб. Ток, который проходит по С (т. е. по паразитной емкости, шунтирующей резистор R₂). больше тока, проходящего по резистору R₂. Основное влияние начинает оказывать ток I_с; отношение I_R/I_полн быстро снижается, это же происходит и с усилением.

Рис. 39. Полный ток, протекающий R через и С, поступает на лампу. (Здесь показано условно принятое направление движения тока.)

Можно, например, сказать, что на частоте 1 Мгц, когда реактивное сопротивление С в 10 раз меньше сопротивления R₂, анодная нагрузка лампы состоит только из С; следовательно, усиление может упасть в 10 раз (на самом деле падение усиления несколько меньше и коэффициент 10 справедлив для пентода, внутреннее сопротивление которого можно считать бесконечно большим по сравнению с сопротивлением R₂).

Н. – Значит, конденсатор С начинает серьезно мешать, когда его реактивное сопротивление падает ниже сопротивления R₂?

Л. – Именно это я пытаюсь заставить тебя сказать уже на протяжении четверти часа. Ну, так что же надлежит сделать, чтобы паразитная емкость не мешала на возможно более высокой частоте?

Н. – Уменьшить С.

Л. – Правильно, но это ты мне уже говорил. Что еще можно сделать?

Н. – Но я ничего не вижу. Может быть уменьшить величину R₂?

Низкие сопротивления нагрузки

Л. – Наконец-то!.. Конечно, Незнайкин, нужно уменьшить R₂, чтобы реактивное сопротивление С (которое снижается с увеличением частоты) стало меньше сопротивления R₂ на как можно более высокой частоте. Широкополосные усилители обычно рассчитываются на низкое сопротивление анодной нагрузки. В нарисованном тобой усилителе усиление снижается на 3 дб на частоте 100 кгц. А если бы сопротивление нагрузки было не 100 ком, а 1 ком, снижение усиления на 3 дб произошло бы только на частоте 10 Мгц.