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

Автор книги: Жан-Поль Эймишен

сообщить о нарушении

Текущая страница: 6 (всего у книги 21 страниц)

Н. – Уф, я вновь начинаю дышать. Но скажи мне, пожалуйста, как понять, что катод будет более положительным, чем сетка?

Л. – Нет, только чуть-чуть, в противном случае смещение на лампе оказалось бы чрезмерным и не пропустило бы в резистор R тока, необходимого для создания на катоде потенциала U_вых выше, чем U_вх.

Н. – Кое-что в твоем ответе меня заинтриговало. Если потенциал катода поднимется слишком высоко, смещение лампы окажется очень большим и анодный ток уменьшится, что вызовет снижение потенциала катода. И наоборот, если этот потенциал снизится очень сильно, например ниже U_вх, то смещение лампы упадет (даже до нуля), а ток лампы вновь повысится и повысит потенциал катода. Ведь тогда схема должна генерировать, разве не так?

Катодный повторитель

Л. – Никоим образом. Вспомни принцип работы гетеродина: колебания возникают потому, что контур через цепь обратной связи так воздействует на себя, что любое возмущение имеет тенденцию усилиться (например, увеличение анодного тока делает сетку положительной). Здесь же все наоборот.

Обратная связь у нас не положительная (как в гетеродине), а отрицательная, и генерации колебаний поэтому не происходит. Но твоя реплика показала мне, что ты очень легко поймешь, какой интерес представляет эта схема. А чтобы тебе было легче рассуждать, возьмем конкретный пример: лампа 12АТ7 (крутизна 7 ма/в); анодное напряжение +300 в, U_вх = 50 в и R = 5 ком.

Если U_вых будет близко к 50 в, то проходящий по резистору R ток будет близок к 10 ма, а напряжение анод – катод будет около 250 в. Возьми семейство анодных характеристик лампы (рис. 48) и скажи мне, каким должно быть смещение, чтобы пропустить ток около 10 ма при напряжении на аноде 250 в?

Рис. 48. Это семейство кривых позволяет найти рабочую точку лампы в режиме катодного повторителя.

Н. – Подожди минутку, вот, нашел – ровно – 2 в.

Л. – Следовательно, наше напряжение U_вых будет 50 в + 2 в = 52 в и…

Н. – Но этого не может быть, Любознайкин; если на катоде будет 52 в, то тогда, во-первых, напряжение анод – катод было бы не 250 в, а 248 в, а, во-вторых, катодный ток был бы не 10 ма, а 52 в: 5 ком = 10,4 ма!

Л. – Если рассуждать со всей строгостью, ты, Незнайкин, прав. Вооружившись этими уточненными значениями, ты можешь еще раз заглянуть в семейство характеристик и посмотреть, какое напряжение смещения соответствует анодному току 10,4 ма при напряжении анод – катод 248 в; если взять точные цифры, то смещение будет 1,92 в вместо 2 в. Разница столь мала, что в дальнейшем в подобном уточнении значений нет надобности. Ты, надеюсь, не станешь придираться ко мне из-за одной десятой вольта?

Н. – Хорошо. Но что ты будешь делать с этими 51,92 в на выходе (чтобы доставить тебе удовольствие, скажу 52 в)?

Л. – Следи повнимательнее за моими рассуждениями. Предположим, что от этого источника 52 в я хочу потребить ток 2 ма. Что произойдет?

Н. – Я предполагаю, что выходное напряжение U_вых снизится, как напряжение любого источника, ток которого я потребляю.

Л. – Совершенно верно. А теперь меня интересует, насколько понизится это напряжение? Падение напряжения, обозначенное U_пад (иначе говоря, U_вых), соответствующее отсутствию потребления, равно 52 в, снижается до (52 в – U_пад), когда в цепочку, обозначенную на рис. 47 пунктиром, будет ответвляться ток 2 ма. Откуда поступают эти 2 ма?

Н. – Конечно из лампы.

Л. – Да, в значительной части. Раз потенциал катода снизился на U_пад, то соответственно снизилось и смещение.

Позволь напомнить тебе, что крутизна лампы 7 ма/в. Следовательно, анодный ток увеличится на: S х U_пад (крутизна лампы S = 0,007 a/в). Но ток в обозначенную пунктиром цепочку пойдет не только из этого источника. В самом деле, анодный ток лампы, несомненно, увеличился, но ток в R уменьшился, ибо U_вых снизилось: этот ток уже не 52 в/R, а (52 в – U_пад)/R, иначе говоря, проходящий по резистору R ток уменьшился на U_пад/R и этот ток тоже войдет составной частью в ток I = 2 ма, который я потребляю в нагрузке каскада. Следовательно, мы будем иметь:

подставив наши значения, получим:

откуда U_пад = 2:7,5 = 0,28 в.

Н. – Но это совсем мало!

Л. – Этим-то и интересна схема: она может выдавать ток на выходе без ощутимого снижения напряжения, иначе говоря, у нее низкое выходное внутреннее сопротивление.

Н. – А каково значение этого сопротивления?

Л. – Его очень просто рассчитать. Если ты потребляешь ток I от источника, то падение напряжения на его зажимах составит:

U = r_вн·I

где r_вн – внутреннее сопротивление источника. Следовательно, r_вн = U/I или в нашем случае 0,28 в:0,002 а = 140 ом.

Лучше пользоваться формулой  что при делении обеих частей уравнения на U_пад дает но левая часть равенства  а правую часть я могу записать в следующем виде  Таким образом

Как видишь, внутреннее сопротивление катодного повторителя эквивалентно параллельно соединенным R и 1/S.

Н. – Довольно необычно рассматривать 1/S как сопротивление!

Л. – Не очень. Ведь S – крутизна, и, следовательно, она выражается в амперах на вольт (вернее в миллиамперах на вольт). А значит, обратная ей величина 1/S выражается в вольтах на ампер, а что мы получим, разделив вольты на амперы?

Просто-напросто омы. Например, в рассмотренном нами случае S = 7 ма/в, следовательно, 1/S = 1: 0,007 = 143 ом; как ты сам понимаешь, при параллельном включении резистора R = 5 ком он не оказывает сколько-нибудь заметного влияния, так как его сопротивление в 35 раз больше сопротивления другой ветви.

Как ты видишь, Незнайкин, наша схема катодного повторителя имеет внутреннее выходное сопротивление 140 ом, тогда как каскад обычного типа, например с анодной нагрузкой 20 ком, имел бы внутреннее выходное сопротивление от 5 до 10 ком, так как нужно учитывать внутреннее сопротивление лампы, которое при расчете выходного сопротивления должно рассматриваться включенным параллельно с сопротивлением анодной нагрузки.

Достоинства низкого выходного сопротивления

Н. – Твои доводы я понял. Но я хочу задать один вопрос, который тебе, несомненно, покажется глупым: что ты выиграл от снижения выходного сопротивления своего каскада?

Л. – В твоем вопросе абсолютно нет ничего глупого. Я вновь все объясню, но скажи мне, пожалуйста, Незнайкин, зачем нужно тебе выходное напряжение?

Н. – Хм… да чтобы использовать его!

Л. – Совершенно верно. Однако «использовать» напряжение означает получать с его помощью ток. Если у источника напряжения (на выходе твоего усилителя) низкое внутреннее сопротивление, ты можешь забрать у него значительный ток без снижения напряжения.

Выходное напряжение, вырабатываемое источником с низким внутренним сопротивлением, мало чувствительно к различным помехам, как внешним, так и вызываемым изменением тока в цепи, подключенной к источнику. Так, например, в моей установке высококачественного воспроизведения звука насчитывается семь каскадов, собранных по схеме катодного повторителя. Один такой каскад установлен на самом выходе моего ЧМ-приемника; напряжение звуковой частоты (не более 1 в) поступает с источника, внутреннее сопротивление которого всего лишь 140 ом (а без этого каскада оно было бы не менее 10 ком). В этих условиях я могу позволить себе передавать низкочастотный сигнал по длинным проводам, например, к установленному на другой стороне дополнительному громкоговорителю. Их можно прокладывать рядом с трансформаторами питания, ибо провода, по которым идет низкочастотный сигнал, не «ухватят» никаких помех от сети 50 гц. Если бы, например, я захотел передать этот сигнал на сотню метров по экранированному проводу, то емкость провода из-за экрана составила бы около 10 000 пф.

А для самых высоких передаваемых частот (максимальная интересующая нас частота 20 кгц) реактивное сопротивление этого провода составляет около 800 ом. Для сигнала, поступающего от источника с внутренним сопротивлением 10 ком, эти 800 ом явились бы почти коротким замыканием, что привело бы к полной потере всех высоких частот и сильному искажению воспроизводимого звука. При моем же каскаде – катодном повторителе с его внутренним сопротивлением 140 ом эти 800 ом – можно просто не принимать во внимание: они внесут некоторый сдвиг фазы, ноне вызовут никакого ощутимого ослабления звука.

Н. – Да, но скажи мне… ведь твой каскад с катодной связью напряжения не усиливает?

Л. – Ты прав. Каскад с катодной связью не дает никакого усиления по напряжению (коэффициент усиления даже немного, меньше единицы), но «переписывает» входное напряжение, получаемое от генератора с очень большим внутренним сопротивлением, не способным давать большой ток; в результате мы получаем выходное напряжение, «обросшее мышцами», т. е. равное или почти равное входному напряжению, но в отличие от него способное давать значительный ток без ущерба для себя. Выходное напряжение стало «невозмутимым» – оно мало подвержено влиянию помех.

Биологическая аналогия

Н. – Совсем как мышь, ведущая слона на поводке!

Л. – Конечно, это очень модно! Только что в Булонском лесу я видел трех таких мышей, гуляющих со своими слонами!

Н. – Ты напрасно смеешься надо мной. Дай мне закончить, Любознайкин. Я вспомнил один цирковой номер, который мне однажды довелось видеть. Мышь бежала по бортику манежа и тащила тончайший поводок, завязанный на шее слона. А слон шел за мышью и старался удерживать без изменения натяжение поводка: шел быстрее, когда поводок натягивался, и замедлял шаг, если он провисал. Слон шел с такой же скоростью, что и мышь, но он даже не почувствовал бы препятствия, которое остановило бы его поводыря. Зрителям же казалось, что мышь тащит толстокожего ленивца, и они хохотали до упаду.

Л. – Я подозреваю, что эта история придумана тобою для пользы дела… Во всяком случае она показывает, что благодаря «слону-повторителю», ты хорошо понял принцип катодного повторителя.

Схемы на транзисторах

Н. – Это схема, которую можно сделать только на лампах – транзисторы здесь не годятся, потому что у них нет катода.

Л. – Нет, но у них есть эмиттер, выполняющий роль катода, и довольно часто делают схему с общим коллектором (рис. 49), которую также называют «эмиттерным повторителем». Я нарисовал схему для транзистора р-n-р. Для транзистора n-р-n нужно поменять напряжения на обратные, и мы получим схему, более похожую на ламповую.

Рис. 49. Каскад с нагрузкой в цепи эмиттера (схема с общим коллектором или эмиттерный повторитель) – транзисторный эквивалент ламповой схемы катодного повторителя.

Н. – Значит, по своим параметрам эта схема строго идентична схеме, приведенной на рис. 47?

Л. – Нет, только аналогична. В изображенной на рис. 47 схеме сетку обычно делают отрицательной относительно катода. Следовательно, никакого сеточного тока нет и возможное внутреннее сопротивление источника, дающего входное напряжение U_вх не учитывается.

В транзисторе имеется ток базы; он в β раз меньше тока коллектора (с приемлемой точностью можно сказать, что он также в β раз меньше тока эмиттера, так как последний очень близок к току коллектора). Если изменять ток эмиттера, то будет изменяться и ток базы; изменения последнего, естественно, будут в β раз меньше. Если дающий напряжение U источник имеет внутреннее сопротивление, то получаемый от него ток может вызвать изменение напряжения U. Следовательно, в эмиттерном повторителе выходное сопротивление зависит от выходного сопротивления источника, подающего в схему сигнал.

Можно сказать, что выходное сопротивление изображенной на рис. 49 схемы равно обратной величине крутизны транзистора (крутизна транзистора представляет собой частное от деления усиления по току на его выходное сопротивление при включении по схеме с общим эмиттером), увеличенной на частное от деления его усиления по току β на выходное сопротивление генератора, вырабатывающего напряжение U.

Н. – Вот это да! Как это сложно!

Пример эмиттерного повторителя

Л. – Совсем нет. И ты в этом сейчас убедишься на конкретном примере с числовыми значениями. Предположим, что внутреннее сопротивление транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, равно 1 ком, а усиление по току β = 60. Следовательно, крутизна этого транзистора равна 60: 1000 или 60 ма/в. Если напряжение U подается от источника с низким выходным сопротивлением, то при изменении тока базы оно не будет изменяться. Выходное сопротивление, как и в ламповой схеме, будет величиной, обратной крутизне, т. е. 16,7 ом (я не учитываю сопротивление резистора R, которое следует рассматривать как включенное параллельно этому сопротивлению 16,7 ом).

Но если выходное сопротивление источника, дающего напряжение U, равно 2 ком, то на каждый израсходованный на эмиттере миллиампер расход на базе составит 1/60 ма, вследствие чего напряжение U снизится на

Это отразится на выходе (усиление по напряжению почти равно единице), и выходное сопротивление увеличится на , (напряжение снижается на 1/30 в на каждый потребленный миллиампер).

Следовательно, выходное сопротивление будет:

16,7 oм + 38 ом ~= 50 ом.

Н. – Значит, в схеме эмиттерного повторителя выходное сопротивление зависит от выходного сопротивления!

Л. – Схема эмиттерного повторителя значительно уменьшает эту зависимость, но не устраняет ее полностью как катодный повторитель.

Н. – Ну вот, видишь, транзисторы значительно уступают лампам.

Суперэмиттерный повторитель

Л. – Незнайкин!.. Если ты еще раз скажешь такую безобразную нелепость, я выставлю тебя за дверь и не покажу тебе транзисторной схемы «суперэмиттерного повторителя», не имеющего себе равного на лампах.

Н. – Как она устроена?

Л. – Схему я нарисовал тебе на рис. 50, а на рис. 51 схематически изобразил двухкаскадный усилитель, изучение которого поможет тебе понять схему на рис. 50. Ты видишь, что на схеме рис. 51 ток базы транзистора Т₁ (транзистор типа n-р-n) направлен от источника напряжения U; его величина I_б1. Ток коллектора I_к1 транзистора Т₁идет в обратном направлении (оно показано стрелкой и соответствует условному направлению движения тока); следовательно, его можно взять непосредственно с базы транзистора Т₂ (I_к1 = I_б2) (транзистор типа р-n-р). Ток коллектора I_к2 транзистора Т₂ проходит по резистору R и создает выходное напряжение U_вых.

Рис. 50. Двухкаскадный вариант устройства с малым выходным сопротивлением.

Рис. 51. Двухкаскадный усилитель с большим коэффициентом усиления.

Н. – Должен признаться, что меня соблазняет простота схемы – один резистор на целых два транзистора.

Л. – Изображенная на рис. 51 схема дает очень большое усиление по напряжению. Коэффициент усиления легко подсчитать по формуле

k = S₁β₂R,

где S₁ – крутизна характеристики транзистора T₁, β₂ – усиление по току транзистора Т₂.

Например, при S₁ = 12 ма/в, β₂ = 50 и R = 500 ом коэффициент усиления по напряжению составит 300.

Если мы вычтем из напряжения U все выходное напряжение U_вых, чтобы приложить между эмиттером и базой транзистора T₁ только напряжение U' = U – U_вых, то получим усилитель с коэффициентом отрицательной обратной связи (мы к этому вернемся), равным 300; схема такого усилителя показана на рис. 50.

Входное сопротивление усилителя приближается к мегому (чудовищная величина для классических транзисторных схем), а выходное сопротивление меньше 1,5 ом; коэффициент передачи по напряжению достигает 0,997 (в лучших каскадах, собранных по схеме катодного повторителя, с трудом удается поднять этот показатель до 0,95).

Н. – В самом деле очень соблазнительно, однако эта история для меня не очень ясна. Почему раньше не сделали ее эквивалента в схемах на лампах?

Л. – Незнайкин, найди мне «лампу р-n-р», и я покажу тебе такую схему, но боюсь, что тебе придется очень долго искать. По правде говоря, на лампах можно сделать одну очень сложную схему, основанную на этом же принципе, и которая тоже дает интересные результаты.

Н. – Значит изображенная на рис. 50 схема называется «суперэмиттерный повторитель»?

Л. – Честно говоря, это название дал схеме я сам. Впрочем оно малоизвестно, и я подумываю, не дать ли ей новое и более выразительное название.

Если хотят изменить полярность

Н. – Но мне кажется, что все эти «суперэмиттерные повторители» наделены одним общим недостатком: их выходное напряжение может устанавливаться только в одном направлении; иначе говоря, его нельзя сделать положительным или отрицательным, как нельзя изменить и направление тока, который это напряжение может дать (ведь нельзя же изменить направление тока в лампе или в транзисторе).

Л. – Абсолютно верно, Незнайкин. Следует сказать, что во многих случаях приходится иметь дело с напряжениями, всегда имеющими одну полярность. Если ты пожелаешь сделать лучше, можно использовать «последовательную пушпульную схему». Я не стану описывать эту систему (схему) во всех подробностях, а объясню лишь ее принцип.

Два транзистора включаются последовательно (рис. 52): на коллектор транзистора Т₁ подается напряжение питания —Е, а на эмиттер транзистора Т₂ – напряжение +E. Со специального фазовращателя на базы подаются соответствующие токи так, чтобы, например, сумма токов коллекторов транзисторов Т₁ и Т₂ оставалась постоянной. Разность этих токов I₁ – I₂ проходит через нагрузку, создает напряжение U_вых. Эта разность может быть как положительной, так и отрицательной.

Рис. 52. Последовательный пушпульный каскад. В нагрузку поступает разность токов двух транзисторов.

Н. – Очень ловко придумано. А разве нельзя сделать аналогичное устройство на лампах?

Транзистор-пентод (без экранных сеток)

Л. – Можно, но не так легко. Чтобы лампы работали с хорошей отдачей, рекомендуется использовать пентоды, но возникают проблемы питания цепей экранных сеток. В схеме на транзисторах удается получить еще более низкие выходные сопротивления: при желании можно получить несколько ампер при низком напряжении. Я использовал эту схему для изменения направления вращения ротора маленького двигателя, установленного на управляемой по радио модели корабля. Эту же схему я использовал в своей установке высококачественного воспроизведения звука и получил нужную мощность, которая без выходного трансформатора подается непосредственно на 15-омный громкоговоритель. Если бы ты знал, как я был доволен, когда мне удалось убрать из схемы трансформаторы. Ведь они стоят ужасно дорого, весят много и занимают много места, не говоря уже о вносимых ими искажениях.

Выходное сопротивление и оптимальная нагрузка

Н. – Мы заканчиваем рассмотрение систем, снижающих выходное сопротивление, и я хотел бы задать тебе вопрос. Если выходное сопротивление каскада снизили, например, до одного ома, нужно ли нагрузить его одним омом, т. е. сделать так, чтобы он отдавал свою мощность в нагрузку с сопротивлением 1 ом. Вероятно, сделать такие низкоомные нагрузки трудно?

Л. – Незнайкин, ты меня радуешь. Ты в очень четких выражениях сформулировал ошибочное представление, сложившееся у многих радистов. Твое замечание порождено следующим рассуждением: если от генератора с внутренним сопротивлением r_вн хотят получить максимально возможную мощность, то к нему нужно подключить внешнюю нагрузку с точно таким же сопротивлением. Но очень часто случается так, что применить нагрузку R_н = r_вн невозможно – генератор ее не выдерживает. Так, например, батарея с электродвижущей силой 4 в и внутренним сопротивлением 10 ом отдает наибольшую мощность, если к ней подключают лампу, которая в нагретом состоянии имеет сопротивление 10 ом. Напряжение на клеммах батареи упадет до 2 в, по цепи пойдет ток 0,2 а и потребляемая лампой мощность составит 0,4 вт. При подключении другой лампы с сопротивлением меньше или больше 10 ом отдаваемая батареей мощность будет меньше 0,4 вт.

Но рассмотрим случай с аккумуляторной батареей – ее э. д. с. 6 в, а внутреннее сопротивление 0,03 ом (наиболее распространенные значения). Ты не можешь подключить нагрузку с сопротивлением 0,03 ом, так как в этом случае ток должен был бы достичь 100 а (напряжение на клеммах равнялось бы 3 в), а батарея этого не выдержит.

Ты подключишь, например, нагрузку 1 ом, которая потребует б а, а это вполне нормальный ток для аккумуляторной батареи.

Н. – Иначе говоря, в этом случае сопротивление оптимальной нагрузки не равно внутреннему сопротивлению: нагрузка определяется напряжением батареи и максимальным током, который она может дать.

Л. – Абсолютно верно. Ты усвоил принцип, и я могу уточнить некоторые моменты. Так, например, если усилитель, снабженный снижающим выходное сопротивление каскадом, имеет выходное внутреннее сопротивление 1 ом (или меньше), то на каждый отданный в нагрузку ампер выходное напряжение снизится на 1 в (или меньше). Но этот усилитель может быть рассчитан на работу с большим нагрузочным сопротивлением. Например, если его выходное напряжение 15 в, а максимальный допустимый ток 2 а, то для получения максимальной мощности, т. е. тока 2 а при напряжении 15 в, требуется нагрузка сопротивления 7,5 ом.

А когда на сцену выходит отрицательная обратная связь [особенно в каскадах, собранных по схеме катодного (эмиттерного) повторителя], нужно четко разделять: выходное сопротивление, представляющее собой частное от деления изменения напряжения, вызываемого потреблением энергии, на изменение выходного тока; оптимальное сопротивление нагрузки, которое обычно значительно превышает выходное сопротивление и определяется путем деления выходного напряжения на максимально допустимый выходной ток.

Н. – Понял, он должен признаться, что мое собственное внутреннее сопротивление несколько минут тому назад резко повысилось, и я предлагаю перенести продолжение нашей беседы на следующий раз.