Рудольф Сворень - Шаг за шагом. Транзисторы
Согласитесь, что «характер изменения» очень уж расплывчатое понятие. И если мы хотим не потерять при усилении этот самый «характер», то должны научиться описывать его конкретно и точно.
Описывать характер изменения тока словами не только неудобно, но просто невозможно. Представьте себе такое описание. «Достигнув двух миллиампер, ток в течение половины микросекунды оставался неизменным, затем начал равномерно нарастать и уже через пять тысячных микросекунды достиг трех с четвертью миллиампер. После этого ток плавно, но со все возрастающей скоростью в течение четырех микросекунд уменьшался, приближаясь, но так и не приблизившись к величине, от которой он начал возрастать, после чего…» и т. д.
Много томов понадобилось бы, чтобы подобным способом рассказать, что происходит с каким-нибудь одним электрическим сигналом в течение нескольких секунд. Нет, описывать электрический сигнал словами, конечно, не стоит: для этого есть более простые и наглядные способы описания. И среди них прежде всего графики (рис. 3).
Рис. 3. Информация, которую несет электрический сигнал, записана в изменениях тока (напряжения) в форме графика этого сигнала.
График — это особый деловой рисунок, такой же, скажем, как географическая карта или чертеж. График тока показывает, как меняется этот ток с течением времени, каких значений он достигает в тот или иной момент. Горизонтальная ось графика, подобно циферблату часов, размечена в единицах времени, а по вертикальной оси откладывается значение тока или напряжения. Разумеется, это относится лишь к графику, описывающему характер электрического сигнала. Существует множество других графиков, которые показывают совершенно другие зависимости и соответственно имеют другую разметку осей. Встреча с некоторыми из них у нас еще впереди.
Сама линия, показывающая, как изменяется ток с течением времени, называется кривой тока или графиком тока. Это, конечно, не очень строгие выражения, но они уже давно существуют в языке математиков и инженеров, и мы будем этими выражениями пользоваться без всяких оговорок.
Итак, сохранить характер сигнала при усилении — это значит создать более мощный сигнал, график которого по форме был бы таким же, как и график слабого, усиливаемого сигнала. Иными словами, график усиливаемого сигнала и построенный в ином масштабе график усиленного сигнала (деления на вертикальной шкале нужно сжать во столько же раз, во сколько усиливается сигнал) должны быть одинаковыми (рис. 4).
Рис. 4. Усилить сигнал — это значит создать более мощный сигнал, но с неизменной формой графика.
Теперь уже, пожалуй, можно определить, из каких основных узлов должен состоять любой электронный усилитель сигналов. Во-первых, в нем должен быть источник энергии, которая и пойдет на создание мощного, усиленного сигнала. Во-вторых, в усилителе должен быть своего рода копировальный аппарат — устройство, которое, используя энергию имеющегося источника и взяв за образец слабый усиливаемый сигнал, создаст по его подобию новый, мощный сигнал.
Здесь уместно такое сравнение. Представьте, что у вас есть маленькая скульптурка и вам хочется сделать такую же точно скульптуру больших размеров. Что для этого нужно?
Во-первых, нужен большой кусок глины или другого материала, из которого можно было бы слепить большую скульптуру.
Ну, а во-вторых, нужен скульптор, который сумеет, глядя на маленький образец, создать его большую копию из бесформенного куска. В электронном усилителе энергию, которую дает мощный источник, можно сравнить с большим куском глины, а «копировальный аппарат» должен делать примерно то же, что и скульптор в нашем примере.
Что касается источника энергии, то здесь дело обстоит просто: его роль прекрасно выполняет батарея или выпрямитель, дающий постоянный ток. Из постоянного тока сравнительно просто можно «лепить» самые сложные по форме сигналы. Был бы только «скульптор». А вот с ним-то дело обстоит намного сложнее.
Сейчас мы начнем поиски скульптора, начнем поиски устройства, которое может слепить из постоянного тока мощную копию слабого сигнала. Поиски в итоге приведут к транзистору: усиление сигнала, точнее, лепка мощного сигнала по образцу слабого, — это и есть главная роль, которую играет транзистор в электронной аппаратуре.
Конечная цель наших поисков недалека. Но не будем торопиться. Давайте пройдем свой путь, как подобает настоящим следопытам. Давайте внимательно присматриваться к дороге, при любой остановке задумываться, куда идти дальше, и, конечно, отмечать на карте все интересное, что встретится в пути.
Прежде чем отправляться в дорогу, попытаемся как-то изобразить на путевой карте свои исходные позиции.
Начнем с того, что нарисуем источник энергии для создания усиленного сигнала — батарею Б (рис. 5).
Рис. 5. Источником энергии для создания усиленного сигнала может служить батарея.
Подключим к батарее резистор Rвых (почему мы назвали этот резистор «выходным» — сокращенно «вых», — будет объяснено немного позже) и создадим таким образом замкнутую цепь. Теперь батарея Б не бездействует, а гонит по этой цепи постоянный ток. Из него-то мы и будем лепить мощную копию слабого сигнала.
Источником слабого сигнала, который нам предстоит усилить, может быть антенна приемника или телевизора, звукосниматель, движущийся по пластинке, микрофон, фотоэлемент и масса других устройств. Но мы не будем вдаваться в подробности — сейчас они несущественны — и договоримся, что слабый сигнал поступает из какого-то условного генератора, из закрытой «коробочки» с надписью «Слабый сигнал». Мы видим лишь две клеммы этого условного генератора, между которыми и действует непрерывно меняющееся напряжение Uсиг. Если подключить к клеммам генератора электрическую цепь, в простейшем случае одиночный резистор Rвх (почему это сопротивление названо входным, мы скажем позже), то в этой цепи пойдет меняющийся ток Iсиг.
Итак, источник слабого сигнала дает напряжение Uсиг, а по резистору Rвх проходит ток Iсиг. А что является тем самым сигналом, который нужно усилить, — ток или напряжение? И что в результате усиления должно возрасти — Uсиг или Iсиг?
Какой-либо физический процесс может характеризоваться несколькими связанными между собой показателями. Движение автомобиля, например, характеризуется скоростью, пройденным расстоянием и временем, в течение которого машина находится в пути. А то, что происходит на каком-нибудь участке электрической цепи, характеризуется напряжением U на этом участке, его сопротивлением R и током I. Все три величины связаны между собой: величина тока I зависит от U и от R. Описание этой зависимости (словами или в алгебраическом виде, то есть в виде формул) называется законом Ома.
Этот закон всем вам наверняка известен, но мы все же уделим ему несколько строк. Как-никак это главный закон электрических цепей, и не зря радисты шутят: «Не знаешь закон Ома — сиди дома!»
Электрическое напряжение, грубо говоря, создается неравновесием электрических зарядов на каком-нибудь участке цепи, например на концах наших резисторов Rвх или Rвых.
Если в самом резисторе имеется одинаковое количество положительных и отрицательных зарядов и если распределены они равномерно, то никакого напряжения на этом резисторе не будет. А вот если на одном конце резистора отрицательных зарядов — электронов — больше, чем на другом конце, то между этими концами как раз и будет действовать напряжение. Чем больше неравенство, неравновесие зарядов, тем больше и напряжение.
Разумеется, электрическое напряжение само по себе не появляется. Его создают, затрачивая на это определенную энергию. Напряжение на выходе батареи, например, создается за счет химической энергии. Напряжение на выходе звукоснимателя появляется за счет работы, которую совершает игла, двигаясь по извилистой звуковой дорожке. Напряжение на выходе микрофона создается энергией звуковых колебаний. Напряжение в цепи антенны приемника или телевизора возникает от воздействия на эту антенну электромагнитных волн.
Напряжение, действующее на каком-либо участке цепи, создает на этом участке ток — упорядоченное движение свободных электрических зарядов. Довольно часто током называют движение свободных электронов. И действительно, во многих случаях в электрической цепи движутся только одни электроны. Но если в каком-либо элементе цепи имеются и другие положительные либо отрицательные свободные (то есть не привязанные к определенному месту) заряды, то под действием напряжения и они начнут двигаться. Заряды всегда двигаются оттуда, где их слишком много, туда, где их не хватает. Образно говоря, электрический заряд всегда ищет, где посвободнее, где меньше таких же, как и он сам, зарядов-конкурентов. Так, положительные заряды двигаются от «плюса» к «минусу», а отрицательные — от «минуса» к «плюсу» (см. стр. 142. Воспоминание № 2).
