Транзистор?.. Это очень просто! - Айсберг Евгений Давыдович - Страница 33

Разберем теперь обратный случай, когда внутреннее сопротивление R_вн источника значительно больше сопротивления нагрузки R_н. При этом почти вся э. д. с. будет теряться в виде внутреннего падения напряжения в генераторе, а напряжение U_н, 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.

При применении транзисторов можно столкнуться с обоими этими крайними случаями, но для достижения наилучшего к. п. д. и здесь следует придерживаться золотой середины.

При выборе схемы связи между каскадами с лампами мы стремимся подать на вход следующего каскада максимум напряжения. Здесь добрая фея устроила все наилучшим образом, так как вход сетка — катод обычно имеет бесконечно большое сопротивление, а потому на него передается вся э. д. с., развиваемая в выходной цепи предшествующего каскада. Это типичный пример возбуждения от генератора напряжения.

А вот при применении транзисторов, мой дорогой Незнайкин, характер явлений меняется; чтобы на входную цепь подать напряжение, надо затратить определенную мощность, потому что, какой бы ни была схема, через входные зажимы транзистора обязательно проходит ток. Образно говоря, лампы удовлетворяются вольтами, а транзисторы, на которые подаются вольты, одновременно поглощают амперы. А вольты на амперы дают ватты.

Задача передачи мощности не столь проста — суди сам: мы стремимся передать в нагрузку максимальную мощность, т. е. наибольшее значение тока при самом высоком напряжении (рис. 83).

Рис. 83. Экспериментальная схема для изучения режимов нагрузки, позволившая снять кривые, показанные на рис. 84.

_{Внутреннее сопротивление источника Rвн изображено отдельно от условного обозначения батареи; в действительности же оно свойственно самой батарее. Чтобы не вносить пoгрешность в измеряемые значения токов и напряжений, нужно применять амперметр А с очень низким и вольтметр V с очень высоким сопротивлением.}

Хочешь ли ты выяснить, каким должно быть сопротивление нагрузки, чтобы получить наилучший результат? Если оно мало по сравнению с сопротивлением генератора, то ток будет больше. Тем лучше! Но тогда из-за повышенного падения напряжения внутри источника напряжения напряжение на этом сопротивлении нагрузки будет меньше. Тем хуже!

Сделаем наоборот. Возьмем сопротивление нагрузки значительно большее, чем сопротивление генератора. Тогда (как и в ламповых схемах) мы передадим на нагрузку почти всю э. д. с. Тем лучше! А ток будет меньше. Тем хуже!

Ты догадываешься, Незнайкин, что в этом случае наилучшим решением окажется наша «золотая середина»: сопротивление нагрузки не должно быть ни больше, ни меньше сопротивления генератора. Иначе говоря, отдача наибольшей мощности происходит тогда, когда сопротивление нагрузки равно сопротивлению генератора. Когда это условие выполнено, то говорят, что сопротивления согласованы.

Чтобы лучше тебя в этом убедить, я не поленился составить графики зависимости отдаваемой в нагрузку мощности Р, тока I и напряжения U_н (для источника с э. д. с. Е = 12 В и внутренним сопротивлением R_вн = 6 Ом) от сопротивления нагрузки R_н (рис. 84). Ты видишь, что по мере увеличения R_н уменьшается ток I и возрастает напряжение U, их произведение быстро достигает максимума при R_н = R_вн = 6 Ом, а затем медленно убывает. Разве это не достаточно убедительно?

Рис. 84. Зависимость мощности P, напряжения U_н, и тока I от сопротивления нагрузки R_н. Внимание! Масштабы, в которых приведены Р, U_н и I, разные.

Однако не думай, что оптимальные условия передачи энергии всегда требуют исключительно точного согласования сопротивлений. Другие требования, такие как хорошая линейность, могут заставить выбрать соотношение между R_н и R_вн, значительно отличающееся от согласования.

Но я предчувствую появление вопроса: как наладить сотрудничество генератора и нагрузки с очень различными сопротивлениями, не разбазаривая при этом слишком много мощности?

Действительно, как передать энергию на транзистор с малым входным сопротивлением от другого транзистора, имеющего большое выходное сопротивление? Как передать мощность от лампы с большим внутренним сопротивлением на низкоомную звуковую катушку громкоговорителя? Как, имея электродинамический микрофон с малым внутренним сопротивлением, подать сигналы на вход лампы усилителя, у которой входное сопротивление бесконечно велико?..

Ты угадываешь ответ: средством согласования сопротивлений должен служить твой старый знакомый — трансформатор: для этого, разумеется, подбирают соответствующее отношение между числами витков первичной и вторичной обмоток (рис. 85).

Рис. 85. Для согласования различных сопротивлений генератора и нагрузки применяют трансформатор с соответствующим отношением витков.

Само собой разумеется, что трансформируемое в цепь первичной обмотки сопротивление нагрузки должно равняться внутреннему сопротивлению генератора. В свою очередь трансформируемое в цепь вторичной обмотки сопротивление генератора должно быть равно сопротивлению нагрузки. Для этого необходимо, чтобы индуктивные сопротивления были пропорциональны сопротивлениям цепей, в которые каждая из обмоток включена.

А ты знаешь. что индуктивное сопротивление обмотки равно ее индуктивности, умноженной на угловую частоту ω = 2πf. Обозначив индуктивность первичной и вторичной обмоток соответственно через L₁ и L₂, получим:

Я напомню тебе, что индуктивность в свою очередь пропорциональна квадрату числа витков. Обозначив число витков первичной и вторичной обмоток через ω₁ и ω₂, мы можем записать:

А что такое ω₁/ω ₂, Незнайкин? Вспомни, что отношение числа витков обмоток трансформатора называется коэффициентом трансформации n. Следовательно, можно написать:

Этот результат имеет большое значение. Возьми для примера мощную лампу с внутренним сопротивлением R_вн = 9000 Ом (рис. 86).

Рис. 86. Понижающий трансформатор позволяет согласовать малое сопротивление звуковой катушки громкоговорителя с высоким внутренним сопротивлением выходной лампы.