Н. — Я еще раз убеждаюсь в справедливости старинной истины о золотой середине. У транзисторов этой золотой серединой бесспорно является схема с ОЭ, где входное и выходное сопротивления имеют добрые средние значения, что позволяет получить подходящее усиление как по току, так и по напряжению, и по мощности.
Л. — Ты прав, Незнайкин. Входное Rвх и выходное Rвых сопротивления представляют собой как бы две чаши весов, которые примерно уравновешены в схеме с ОЭ; для схемы с ОБ чаша Rвх резко уходит вниз, а при схеме с ОК — сильно поднимается вверх. Если ты обещаешь никому не говорить, я открою тебе один секрет: для одного транзистора произведение RвхRвых остается неизменным во всех трех схемах включения.
Н. — Значит, если, например, в схеме с ОЭ мы имеем Rвх = 500 Ом и Rвых = 20 000 Ом, а их произведение равно 10 000 000, то для этого же транзистора в схеме с ОБ сопротивление Rвх составляет, скажем, 50 Ом, a Rвых = 200 000 Ом, и если в схеме с ОК Rвх = 20 000 Ом, то Rвых должно иметь величину 50 Ом… Если ты разрешишь, я в заключение попытаюсь составить таблицу (рис. 80) наиболее важных характеристик всех основных схем, чтобы их можно было легче сравнивать.
Рис. 80. Сводная таблица основных характеристик трех основных схем включения транзистора.
Н. — Прекрасная идея, она позволит нам приятно завершить нашу сегодняшнюю очень полезную беседу.[17]
Два письма
ВОПРОСЫ СОГЛАСОВАНИЯ
Так же как и для ламп (а может быть, и в других случаях) проблема согласования сопротивлений имеет первостепенное значение в расчете схем на транзисторах. Однако Незнайкину из-за недостатка знаний основ электротехники трудно разобраться в этой сложной проблеме. Поэтому Любознайкин должен восполнить этот пробел, изложив некоторые элементарные понятия, которые даже многие техники — практики недостаточно усвоили… (разумеется, что читатель, знающий, что такое согласование сопротивлений, пропустит без внимания эпистолярные упражнения наших друзей).
Содержание: Источник и режим его нагрузки. Электродвижущая сила и внутреннее сопротивление. Напряжение на зажимах. Генератор напряжения. Генератор тока. Оптимальные условия передачи мощности. Согласование сопротивлений. Применение трансформатора. Оптимальный коэффициент трансформации.
Письмо Незнайкина Любознайкину
Дорогой друг Любознайкин!
Если сингапурский грипп и лишает меня удовольствия побеседовать с тобой, то он не мешает мне думать обо всем, что ты объяснил мне во время нашей последней встречи.
Я убедился, что ты придаешь очень большое значение вопросу входного и выходного сопротивлений. Они изменяются в зависимости от избранной схемы, а ты неоднократно отмечал целесообразность согласования сопротивлений. Я признаюсь, что не очень хорошо понял твои объяснения. Я чувствую себя подобно полупроводнику типа р: у меня дырки (в знаниях).
Не мог бы ты их заполнить? Заранее благодарю тебя.
Твой друг Незнайкин.
Ответ Любознайкина Незнайкину
Бедный мой Незнайкин!
Все несчастия сразу! Грипп и дырки…
Первым займется твой врач, а я постараюсь устранить второе.
Да, проблема согласования сопротивлений очень важна, и я хочу, чтобы ты ее хорошо усвоил.
Во всех схемах, которые мы с тобой должны будем рассмотреть, задача сводится к тому, чтобы передать электрическую энергию от одного каскада к другому с минимальными потерями, иначе говоря, с максимальной эффективностью или к. п. д.
Следовательно, всегда имеется отправитель и адресат. Первый является по отношению ко второму источником энергии (генератором), а второй, получающий энергию, — потребителем (нагрузкой). Одним словом, их взаимоотношения напоминают отношения поставщика и потребителя (рис. 81).
Рис. 81. Вот как в самой общей форме можно представить передачу энергии от источника (генератора) к нагрузке (потребителю) в любой электрической цепи.
Извини меня. Незнайкин, за то, что я преподношу тебе азбучные истины, придав им философскую форму. На практике ты постоянно имеешь дело с такими генераторами и нагрузками. С генераторами ты встретишься не только на электростанции: генератором является, например, батарейка карманного фонарика, а нить питаемой ею лампочки служит нагрузкой.
Антенна радиоприемника, являющаяся источником сигналов, поступающих на вход приемника, — это тоже генератор, а входная цепь приемника, в которую вводится сигнал от антенны, — его нагрузка. Точно так же мощная оконечная лампа является генератором для нагрузки — громкоговорителя.
В схемах на транзисторах выходная цепь каждого транзистора представляет собой генератор энергии для входной цепи следующего каскада, выступающего в роли нагрузки.
Но стоит ли умножать количество примеров? Нужно хорошо понять, что любой источник энергии — генератор — характеризуется двумя величинами:
1) электродвижущей силой (э. д. с.) — максимальным напряжением, которое источник способен дать на выходе; это, если хочешь, его жизненная сила;
2) внутренним сопротивлением, т. е. сопротивлением, которое он оказывает, как и любой другой элемент электрической цепи, проходящему через него току (рис. 82).
Рис. 82. Переменная или постоянная э.д.с. Е источника создает ток I, проходящий через внутреннее сопротивление генератора Rвн на котором возникает падение напряжения Uвн, и через нагрузку Rн, на которой появляется напряжение Uн.
На этом внутреннем сопротивлении генератора Rвн, разумеется, происходит падение напряжений за счет тока, создаваемого самим источником. Поэтому напряжение Uн на зажимах источника, а следовательно, и на нагрузочном резисторе Rн будет меньше э. д. с. Е. Разница между э. д. с. и напряжением на нагрузке тем значительней, чем больше ток I. Естественно, что если нагрузка отключена, то напряжение источника равно его э. д. с. В этом случае говорят, что генератор находится в режиме холостого хода.
Рискуя вызвать у тебя повышение температуры, я предлагаю тебе внимательно рассмотреть следующий очень элементарный расчет. Пусть общее сопротивление будет Rвн + Rн. Следовательно, по закону Ома ток
На внутреннем сопротивлении Rвн этот ток создает падение напряжения
а на сопротивлении нагрузки Rн — падение напряжения
Если ты еще в состоянии держать карандаш, то сложи эти два напряжения; в итоге получишь:
Uвн + Uн = Е,
что и следовало ожидать. Ты увидишь, что э.д.с. делится на два напряжения: Uвн, представляющее собой внутреннее падение напряжения, и Uн — напряжение на нагрузке (оно же на зажимах источника). Это распределение происходит пропорционально сопротивлениям генератора и нагрузки.
Если внутреннее сопротивление генератора очень мало по сравнению с сопротивлением нагрузки, то и падение напряжения в генераторе тоже очень мало, а напряжение на нагрузке почти равно э. д. с. Е. В этих условиях переменная э. д. с. проявляется на сопротивлении нагрузки в виде переменного напряжения, и поэтому говорят, что питание производится от генератора напряжения, причем режим его работы близок к холостому ходу.
Разберем теперь обратный случай, когда внутреннее сопротивление Rвн источника значительно больше сопротивления нагрузки Rн. При этом почти вся э. д. с. будет теряться в виде внутреннего падения напряжения в генераторе, а напряжение Uн, остающееся на зажимах и прикладываемое к сопротивлению нагрузки, составит незначительную часть э. д. с. генератора. При таких условиях основное значение имеет ток I, пропорциональный э. д. с. и практически не зависящий от сопротивления нагрузки, так как ввиду его малости ток ограничивается по существу внутренним сопротивлением. В этом случае говорят, что питание производится от генератора тока, причем режим его работы близок к короткому замыканию.
