Согласование между источником и нагрузкой

Л. — Это очень важный принцип всех областей электротехники и электроники. Нужно всегда отличать источник тока от того, что представляет собой нагрузку. Так, батарею следует рассматривать как источник, а приемник — как нагрузку.

Однако источник сам обладает внутренним сопротивлением , которое может быть более или менее высоким. Вырабатываемое источником переменное или постоянное напряжение называется электродвижущей силой (э. д. с.).

Н. — Иначе говоря, это напряжение, которое мы измеряем на зажимах батареи?

Л. — Нет, Незнайкин. Протекающий по батарее ток создает падение напряжения на ее внутреннем сопротивлении. Поэтому на зажимах батареи мы имеем напряжение, равное э. д. с., минус падение напряжения внутри источника.

Н. — Но если через батарею, когда к ней ничего не подключено, не протекает ток?..

Л. — В этом случае действительно на зажимах батареи появляется полностью вся э. д. с., так как падения напряжения на внутреннем сопротивлении не происходит. Вот почему вольтметр может измерить э. д. с. лишь в том случае, если он обладает очень высоким сопротивлением и поэтому потребляет ничтожный ток.

А теперь посмотрим, что произойдет, если к источнику подключить цепь нагрузки с входным сопротивлением (рис. 144).

Н. — Я отмечаю, что внутреннее сопротивление источника и сопротивление цепи нагрузки соединены последовательно, в результате чего ток, создаваемый э. д. с. Е, поочередно протекает по этим сопротивлениям.

Рис. 144. К источнику напряжения Е с внутренним сопротивлением подключена нагрузка с входным сопротивлением ; U — напряжение на выходе.

Рис. 145. Применение трансформатора позволяет согласовать сопротивления нагрузкн и источника.

Рис. 146. Усилитель НЧ состоит из двух каскадов на транзисторах, соединенных через трансформатор, который обеспечивает согласование входною и выходного сопротивлений.

Л. — Верно. И на каждом из этих сопротивлений он создает падение напряжения, тем больше, чем выше это сопротивление.

Н. — Согласен. Теперь я вижу, к чему ты хочешь подвести. Если сопротивление нагрузки очень высокое, а внутреннее сопротивление источника невелико, то почти вся э. д. с. в виде напряжения U появится на сопротивлении нарузки .

Именно это происходит в случае использования электронных ламп, имеющих бесконечно большое входное сопротивление. На их входе могут быть полностью приложены напряжения, создаваемые на выходе предыдущего каскада. Транзисторы же имеют достаточно низкое входное сопротивление. Следовательно, если выходное сопротивление предшествующего каскада относительно высокое, на входе другого получим лишь небольшое напряжение .

Я думаю, что нужно так рассчитать схему, чтобы входное сопротивление было намного выше выходного сопротивления предшествующего каскада.

Л. — Неверный вывод, Незнайкин. Ты забываешь, что в транзисторных схемах на вход надо прилагать некоторую мощность, а не одно напряжение. А мощность не что иное, как произведение напряжения на ток. Следовательно, надо устроить так, чтобы по входному сопротивлению проходил некоторый ток (сопротивление не должно быть слишком высоким) и чтобы ток создавал на нем некоторое падение напряжения (сопротивление не должно быть слишком низким).

Мои объяснения должны помочь тебе понять, что наиболее целесообразно выбрать входное сопротивление такого же порядка, как и выходное сопротивление. Таким образом, получают напряжение и ток, достаточные для того, чтобы приложенная к входу транзистора мощность заставила его работать наиболее эффективно.

Идеальное средство согласования выход — вход

Н. — Понял! Впрочем, я предполагаю, что сказанное тобою относится не только к активным сопротивлениям, но в более общей форме ко всем видам сопротивлений. Однако необходимость иметь примерно равные сопротивления на выходе предыдущего и на входе последующего каскадов должна существенно ограничивать возможность соединения различных схем.

Л. — Разве ты не догадываешься, Незнайкин, о существовании устройства, позволяющего преобразовывать сопротивления. Это делает возможным соединять два каскада, сопротивления которых нельзя было бы соединять непосредственно.

Н. — Не стоит даже думать, так как я все равно не вижу средства для достижения этой цели.

Л. — Это просто-напросто трансформатор (рис. 145). Индуктивное сопротивление его первичной обмотки должно иметь тот же порядок, что и внутреннее сопротивление источника; индуктивное сопротивление его вторичной обмотки должно быть примерно равно сопротивлению нагрузки.

В этом случае согласование происходит наилучшим образом.

Н. - Я помню, что индуктивное сопротивление обмотки пропорционально ее индуктивности. А та, в свою очередь, пропорциональна квадрату числа витков. Следовательно, если вторичная обмотка трансформатора имеет витков вдвое больше, чем первичная обмотка то ее индуктивность, а значит, и индуктивное сопротивление будут в 4 раза больше. Такой трансформатор позволит осуществить связь между двумя каскадами, из которых второй имеет входное сопротивление в 4 раза выше выходного сопротивления предыдущего каскада.

Л. — Я констатирую, что ты очень силен в математике. Поэтому я предлагаю тебе задачу. Вот схема с двумя каскадами УНЧ на транзисторах, включенных по схеме с ОЭ (рис. 146). Если выходное сопротивление первого каскада равно 36 кОм, а входное сопротивление второго каскада составляет 1 кОм, какой коэффициент трансформации должен иметь трансформатор связи?

Н. — Раз выходное сопротивление в 36 раз больше входного следующего каскада, индуктивное сопротивление первичной обмотки трансформатора должно быть в 36 раз выше индуктивного сопротивления его вторичной обмотки. И раз индуктивное сопротивление пропорционально квадрату числа витков, нужно, чтобы в первичной обмотке витков было в 6 раз больше, чем во вторичной. Следовательно, коэффициент трансформации должен равняться 6. И я благодарю тебя за такой подбор сопротивлений, что извлечение квадратного корня из их соотношений не потребовало у меня никакого труда. В конечном счете вычисление коэффициента трансформации по соотношению сопротивлений и производится по формуле

Л. — Ты превосходно рассуждаешь, Незнайкин.

Обратная связь против нагревания

Н. — Увы, все же кое-что в твоей схеме я не понимаю. Я вижу, что смещение на базы транзисторов подается с помощью делителей напряжения, состоящих из резисторов для первого транзистора и из резисторов и для второго транзистора. Из этого я делаю вывод, что конденсаторы служат для пропускания переменных составляющих входных токов. Но какую функцию выполняют резисторы , расположенные между эмиттерами и положительным полюсом батареи?

Л. — Они предназначены для уменьшения влияния температуры на коллекторный ток. Прохождение тока через переходы транзистора вызывает некоторое выделение тепла. А ты знаешь, что полупроводники чувствительны к изменениям температуры. Когда температура повышается, ток коллектора возрастает. Это явление в германии ощущается значительно сильнее, чем в кремнии.

Однако рост тока коллектора вызывает такое же увеличение тока эмиттера, который проходит через резистор, отделяющий эмиттер по полюсам батареи. Следовательно, увеличение этого тока приводит к увеличению падения напряжения на этом резисторе, что вызывает увеличение отрицательного потенциала на эмиттере. Постоянное же напряжение базы при этом остается неизменным. Значит, снижается разность потенциалов между базой и эмиттером, что вызывает уменьшение тока коллектора .

Н. — Очень забавна эта цепочка явлений, где увеличение тока в конечном итоге вызывает собственное снижение, и таким образом, несмотря на повышение температуры, ток остается постоянным.

Рис. 147. Схема отрицательной обратной связи по напряжению.

Л. — Здесь мы наблюдаем явление отрицательной обратной связи, потому что ток воздействует на себя не в направлении увеличения амплитуды своих колебаний, как это бывает при положительной обратной связи, а наоборот, он добивается их уменьшения до минимума.

То, что ты видел на моей схеме, называют отрицательной обратной связью по току. Но может быть и отрицательная обратная связь по напряжению, как показано на упрощенной схеме рис. 147.

Как видишь, здесь резистор отрицательной обратной связи R включен параллельно переходу база — коллектор. В результате часть напряжения из цепи коллектора через этот резистор подается обратно на базу. Когда из-за нагревания ток коллектора увеличивается, падение напряжения на его нагрузочном резисторе также растет; база через резистор R получает напряжение обратной связи в противофазе, что вызывает уменьшение отрицательного потенциала базы. И это уменьшение разности потенциалов эмиттер — база снижает ток коллектора.

Н. — Это мне так нравится, что я становлюсь поклонником отрицательной обратной связи.

Отрицательная обратная связь против искажений

Л. — Раз это явление тебе так нравится, я могу сообщить, что его используют также для снижения искажений напряжений НЧ. В этом случае отрицательная обратная связь воздействует уже не на постоянную составляющую, а на переменную. Для этого переменная составляющая не отводится через конденсатор, включенный параллельно резистору отрицательной обратной связи, а пропускается по этому резистору, чтобы создать на нем падение переменного напряжения, противопоставляемое тому, в которое надлежит внести коррективы.

Н. — А в чем заключаются причины возникновения искажений и какое влияние они оказывают?

Л. — Как в усилителях на лампах, так и в транзисторных усилителях могут возникнуть искажения переменных напряжений НЧ. Так, например, достаточно колебаниям анодного тока быть нестрого пропорциональным колебаниям напряжения, приложенного между сеткой и катодом, и звуки окажутся искаженными. Их воспроизведение не соответствует переданному звучанию. И что еще более важно, само качество звука может быть испорчено появлением гармоник, которых не было в первоначальном звуке в радиовещательной студии.

Н.. — Что ты называешь гармониками?

Л. — Это составляющие звука, имеющие частоту в несколько раз выше его основной частоты. Наличие этих гармоник определяет тембр звучания различных музыкальных инструментов. Особенно богаты гармониками звуки скрипки, легко отличаемые от звуков флейты, имеющей одинаковую со скрипкой основную частоту. Если УНЧ порождает в переменных напряжениях гармоники, которых в них первоначально не было, то тембр воспроизводимых звуков изменяется.

Н. - Я понимаю, насколько подобные искажения опасны. А как можно с ними бороться средствами отрицательной обратной связи?

Рис. 148. Отрицательная обратная связь в каскаде на электронной лампе: а — отрицательная обратная связь по току, создаваемая общим резистором с в цепях сетки и анода; б — отрицательная обратная связь по напряжению, полученная благодаря подаче на сетку части переменного напряжения, выделяющегося на нагрузочном резисторе . Последнее снимается с делителя, образованного резисторами .

Рис. 149. Отрицательная обратная связь по напряжению в каскаде на транзисторе.

Л. — Очень просто: на вход подают в противофазе переменные напряжения, снятые с выхода. Таким образом, полученные в результате усиления напряжения подают на вход в противофазе, в результате чего искажения взаимно уничтожаются или по крайней мере значительно ослабляются.

Н. - А как практически осуществляется отрицательная обратная связь?