Узгодження між джерелом і навантаженням

Л. - Це дуже важливий принцип всіх областей електротехніки та електроніки. Потрібно завжди відрізняти джерело струму від того, що являє собою навантаження. Так, батарею слід розглядати як джерело, а приймач - як навантаження.

Однак джерело сам володіє внутрішнім опором, яке може бути більш-менш високим. Виробляється джерелом змінне або постійна напруга називається електрорушійної силою (е. Д. С.).

Н. - Інакше кажучи, це напруга, яке ми вимірюємо на затискачах батареї?

Л. - Ні, Незнайкин. Протікає по батареї струм створює падіння напруги на її внутрішній опір. Тому на затискачах батареї ми маємо напругу, рівну е. д. з. мінус падіння напруги всередині джерела.

Н. - Але якщо через батарею, коли до неї нічого не підключено, не протікає струм.

Л. - У цьому випадку дійсно на затискачах батареї з'являється повністю вся е. д. з. так як падіння напруги на внутрішньому опорі не відбувається. Ось чому вольтметр може виміряти е. д. з. лише в тому випадку, якщо він володіє дуже високим опором і тому споживає незначний струм.

А тепер подивимося, що станеться, якщо до джерела підключити ланцюг навантаження з вхідним опором (рис. 144).

Н. - Я наголошую, що внутрішній опір джерела і опір ланцюга навантаження з'єднані послідовно, в результаті чого струм, створюваний е. д. з. Е, по черзі протікає по цим опорам.

Мал. 144. До джерела напруги Е з внутрішнім опором підключена навантаження з вхідним опором; U - напруга на виході.

Мал. 145. Застосування трансформатора дозволяє узгодити опору нагрузкн і джерела.

Мал. 146. Підсилювач НЧ складається з двох каскадів на транзисторах, з'єднаних через трансформатор, який забезпечує узгодження вхідною і вихідного опорів.

Л. - Вірно. І на кожному з цих опорів він створює падіння напруги, тим більше, чим вище цей опір.

Н. - Згоден. Тепер я бачу, до чого ти хочеш підвести. Якщо опір навантаження дуже висока, а внутрішній опір джерела невелика, то майже вся е. д. з. у вигляді напруги U з'явиться на опорі нарузку.

Саме це відбувається в разі використання електронних ламп, що мають нескінченно великий вхідний опір. На їх вході можуть бути повністю включені напруги, створювані на виході попереднього каскаду. Транзистори ж мають досить низький вхідний опір. Отже, якщо вихідний опір попереднього каскаду відносно високий, на вході іншого отримаємо лише невелика напруга.

Я думаю, що потрібно так розрахувати схему, щоб вхідний опір було набагато вище вихідного опору попереднього каскаду.

Мої пояснення повинні допомогти тобі зрозуміти, що найбільш доцільно вибрати вхідний опір такого ж порядку, як і вихідний опір. Таким чином, отримують напругу і струм, достатні для того, щоб прикладена до входу транзистора потужність змусила його працювати найбільш ефективно.

Ідеальний засіб узгодження вихід - вхід

Н. - Зрозумів! Втім, я припускаю, що сказане тобою відноситься не тільки до активних опорів, але в більш загальній формі до всіх видів опорів. Однак необхідність мати приблизно рівні опору на виході попереднього і на вході подальшого каскадів повинна істотно обмежувати можливість з'єднання різних схем.

Л. - Хіба ти не здогадуєшся, Незнайкин, про існування пристрою, що дозволяє перетворювати опору. Це робить можливим з'єднувати два каскади, опору яких не можна було б поєднувати безпосередньо.

Н. - Не варто навіть думати, так як я все одно не бачу кошти для досягнення цієї мети.

Л. - Це просто-напросто трансформатор (рис. 145). Індуктивний опір його первинної обмотки має мати той же порядок, що і внутрішній опір джерела; індуктивний опір його вторинної обмотки має бути приблизно дорівнює опору навантаження.

В цьому випадку узгодження відбувається найкращим чином.

Н. - Я пам'ятаю, що індуктивний опір обмотки пропорційно її індуктивності. А та, в свою чергу, пропорційна квадрату числа витків. Отже, якщо вторинна обмотка трансформатора має витків вдвічі більше, ніж первинна обмотка то її індуктивність, а значить, і індуктивне опір будуть в 4 рази більше. Такий трансформатор дозволить здійснити зв'язок між двома каскадами, з яких другий має вхідний опір в 4 рази вище вихідного опору попереднього каскаду.

Л. - Я констатую, що ти дуже сильний в математиці. Тому я пропоную тобі завдання. Ось схема з двома каскадами УНЧ на транзисторах, включених по схемі з ОЕ (рис. 146). Якщо вихідний опір першого каскаду одно 36 кОм, а вхідний опір другого каскаду становить 1 кОм, який коефіцієнт трансформації повинен мати трансформатор зв'язку?

Н. - Раз вихідний опір в 36 разів більше вхідного наступного каскаду, індуктивний опір первинної обмотки трансформатора повинно бути в 36 разів вище індуктивного опору його вторинної обмотки. І раз індуктивний опір пропорційно квадрату числа витків, потрібно, щоб в первинній обмотці витків було в 6 разів більше, ніж у вторинній. Отже, коефіцієнт трансформації повинен дорівнювати 6. І я дякую тобі за такий підбір опорів, що витяг квадратного кореня з їх співвідношень не потребуватиме у мене ніяких труднощів. В кінцевому рахунку обчислення коефіцієнта трансформації за співвідношенням опорів і проводиться за формулою

Л. - Ти чудово міркуєш, Незнайкин.

Зворотній зв'язок проти нагрівання

Н. - На жаль, все ж дещо в твоїй схемі я не розумію. Я бачу, що зміщення на бази транзисторів подається за допомогою дільників напруги, що складаються з резисторів для першого транзистора і з резисторів і для другого транзистора. З цього я роблю висновок, що конденсатори служать для пропускання змінних складових вхідних струмів. Але яку функцію виконують резистори, розташовані між емітером і позитивним полюсом батареї?

Л. - Вони призначені для зменшення впливу температури на колекторний струм. Проходження струму через переходи транзистора викликає деяке виділення тепла. А ти знаєш, що напівпровідники чутливі до змін температури. Коли температура підвищується, струм колектора зростає. Це явище в германии відчувається значно сильніше, ніж в кремнії.

Однак зростання струму колектора викликає таке ж збільшення струму емітера, який проходить через резистор, що відокремлює емітер по полюсах батареї. Отже, збільшення цього струму призводить до збільшення падіння напруги на цьому резисторі, що викликає збільшення негативного потенціалу на емітер. Постійне ж напруга бази при цьому залишається незмінним. Значить, знижується різниця потенціалів між базою і емітером, що викликає зменшення струму колектора.

Н. - Дуже забавна цей ланцюжок явищ, де збільшення струму в кінцевому підсумку викликає власне зниження, і таким чином, не дивлячись на підвищення температури, струм залишається постійним.

Мал. 147. Схема негативного зворотного зв'язку по напрузі.

Л. - Тут ми спостерігаємо явище негативного зворотного зв'язку, тому що струм впливає на себе не в напрямку збільшення амплітуди своїх коливань, як це буває при позитивного зворотного зв'язку, а навпаки, він домагається їх зменшення до мінімуму.

Те, що ти бачив на моїй схемі, називають негативним зворотним зв'язком по струму. Але може бути і негативний зворотний зв'язок по напрузі, як показано на спрощеній схемі рис. 147.

Як бачиш, тут резистор негативного зворотного зв'язку R включений паралельно переходу база - колектор. В результаті частина напруги з ланцюга колектора через цей резистор подається назад на базу. Коли через нагрівання струм колектора збільшується, падіння напруги на його навантажувальними резисторами також зростає; база через резистор R отримує напругу зворотного зв'язку в протифазі, що викликає зменшення негативного потенціалу бази. І це зменшення різниці потенціалів катод - база знижує струм колектора.

Н. - Це мені так подобається, що я стаю шанувальником негативного зворотного зв'язку.

Негативний зворотний зв'язок проти спотворень

Л. - Раз це явище тобі так подобається, я можу повідомити, що його використовують також для зниження спотворень напруг НЧ. В цьому випадку негативний зворотний зв'язок впливає вже не на постійну складову, а на змінну. Для цього змінна складова не відводиться через конденсатор, включений паралельно резистору негативного зворотного зв'язку, а пропускається з цього резистору, щоб створити на ньому падіння змінної напруги, що протиставляється тому, в яке слід внести корективи.

Н. - А в чому полягають причини виникнення спотворень і як вони впливають?

Л. - Як в підсилювачах на лампах, так і в транзисторних підсилювачах можуть виникнути спотворення змінних напруг НЧ. Так, наприклад, досить коливань анодного струму бути нестрого пропорційним коливань напруги, прикладеного між сіткою і катодом, і звуки виявляться спотвореними. Їх відтворення не відповідає переданому звучанням. І що ще більш важливо, сама якість звуку може бути зіпсовано появою гармонік, яких не було в первісному звуці в радіомовної студії.

Н. - Що ти називаєш гармоніками?

Л. - Це складові звуку, що мають частоту в кілька разів вище його основної частоти. Наявність цих гармонік визначає тембр звучання різних музичних інструментів. Особливо багаті гармоніками звуки скрипки, легко відрізняється від звуків флейти, що має однакову зі скрипкою основну частоту. Якщо УНЧ породжує в змінних напругах гармоніки, яких в них спочатку не було, то тембр відтворюваних звуків змінюється.

Н. - Я розумію, наскільки подібні спотворення небезпечні. А як можна з ними боротися засобами негативного зворотного зв'язку?

Мал. 148. Негативний зворотний зв'язок в каскаді на електронній лампі: а - негативний зворотний зв'язок по току, створювана загальним резистором з в ланцюгах сітки і анода; б - негативний зворотний зв'язок по напрузі, отримана завдяки подачі на сітку частини змінної напруги, що виділяється на навантажувальними резисторами. Останнє знімається з дільника, утвореного резисторами.

Мал. 149. Негативний зворотний зв'язок по напрузі в каскаді на транзисторі.

Н. - А як практично здійснюється негативний зворотний зв'язок?