При телефонном разговоре меняется звуковое давление на угольный порошок микрофона, а значит, и его сопротивление. При этом меняется ток в микрофонной цепи и в линию уходит электрическая копия звука, которую на другом конце линии вновь превращают в звук (Т-109, Т-110)
37.Типичная ситуация: мощности электрического сигнала не хватает и его приходится усиливать (Т-122, Т-123).
38, 39.Трансформатор — не усилитель, он может увеличить напряжение или ток, но не мощность (Т-143).
40.Усилить слабый (входной) электрический сигнал — значит создать его точную копию (выходной сигнал), но более мощную (Т-124).
41. Усиление электрических сигналов, создание усилительных приборов, режимов и схем усиления — ключевые области электроники.
Глава 11Превращение в генератор
Т-165. В электронной аппаратуре широко используются различные генераторы переменного напряжения. В точном переводе слово «генератор» означает «создающий», «рождающий», а электрическими генераторами называют самые разные преобразователи, которые вырабатывают электрическую энергию, — машинный генератор, химический источник тока, преобразователи тепловой и световой энергии в электрическую. Электрические генераторы очень широко используются в электронной аппаратуре как самостоятельные схемные узлы. Это генераторы, которые преобразуют электрическую энергию в электрическую энергию, но несколько иного вида: они потребляют постоянный ток, а создают переменный, меняющийся. Для краткости все поясняющие слова просто опускают, и когда говорят «электронный генератор» или просто «генератор», то имеют в виду схему, на выходе которой действует переменное напряжение определенной частоты и формы и которая при этом получает только питание.
За примерами применения генераторов далеко ходить не нужно. В радиопередатчиках генераторы создают переменный ток, который в итоге излучает радиоволны. В электронном музыкальном инструменте генераторы заставляют звучать громкоговоритель. В телевизоре с помощью меняющихся токов отклоняют электронный луч, заставляют его бегать по экрану и рисовать картинку. Даже в карманном приемнике, как правило, есть вспомогательный генератор, который помогает лучше отделять одну станцию от другой. Можно наверняка сказать, что после усилителя генератор — самый распространенный элемент электронной аппаратуры.
Т-166. Источником переменного напряжения может быть колебательный контур. Нам уже встречалось несколько устройств, на выходе которых действует переменное напряжение. Первое из них — машинный генератор (Т-62). Для электронной аппаратуры, пожалуй, не подойдет этот сложный агрегат с вращающимися деталями, не говоря уже о том, что от электронных генераторов часто требуются мегагерцы и гигагерцы, частоты, недоступные для машинного генератора. Отпадают и генераторы микрофонного типа (Т-109): в них за переменное напряжение нужно платить переменным перемещением. А где его возьмешь?
Остается пока один достойный претендент на роль электронного генератора— колебательный контур (Т-86).
Колебательный контур — это электрическая цепь, состоящая из конденсатора Ск, катушки Lк и резистора Rк (Р-96;1). Правда, резистора как такового в контуре не бывает, и Rк отображает собственное сопротивление контура, в которое входит сопротивление катушки, потери энергии в конденсаторе, другие виды потерь и затрат. До сих пор мы встречали контур в роли резонансного фильтра в цепи переменных токов. А теперь извлечем его оттуда и посмотрим, что произойдет, если отделить контур от всех других электрических цепей и передать ему порцию энергии, например зарядив конденсатор (Р-96;2,3) до напряжения Uc.
Р-96
А произойдет, скорее всего, вот что. Конденсатор сразу же начнет разряжаться через катушку Lк, в контуре пойдет ток Iк, вокруг катушки появится магнитное поле. Когда разряд конденсатора закончится, ток в цепи не прекратится, его будет поддерживать э.д.с. самоиндукции, которую создаст убывающее магнитное поле катушки. Для пустого разрядившегося конденсатора это будет зарядный ток, он зарядит конденсатор, но уже, конечно, в обратной полярности. И когда катушка завершит свою деятельность, когда ее магнитное поле исчезнет и перестанет действовать э.д.с. самоиндукции, ток в цепи все равно не прекратится, его будет создавать разряжающийся конденсатор. Но это уже ток обратного направления, поскольку противоположна и полярность напряжения на конденсаторе (Р-96;4).
И снова все пойдет по знакомому сценарию. Конденсатор разрядился, но ток поддерживает катушка. Магнитное поле катушки исчезает, конденсатор вновь оказался заряженным. Конденсатор разрядился, но ток поддерживает катушка. Магнитное поле катушки исчезло, а конденсатор вновь оказался заряженным. И так цикл за циклом будет заряжаться и разряжаться конденсатор, нарастать и убывать магнитное поле катушки, меняться ток в контуре, напряжение на конденсаторе и катушке. Будут происходить электромагнитные (иногда для краткости говорят «электрические») колебания в контуре.
Т-167. Частота свободных колебаний в контуре определяется его индуктивностью и емкостью. Эти электрические колебания в контуре относятся к огромному классу процессов, имя которому свободные колебания (Т-91). У электрических колебаний те же главные приметы и повадки, что и, скажем, у колебаний маятника или струны, хотя, конечно, в колебания вовлечены совсем иные физические процессы. Как и в любой колебательной системе, в контуре есть два накопителя энергии — электрическое поле конденсатора и магнитное поле катушки. Накопители эти действуют не каждый сам по себе, они взаимосвязаны: когда магнитное поле убывает, то э.д.с. самоиндукции заряжает конденсатор, а когда конденсатор разряжается, то в цепи идет ток, который запасает энергию в магнитном поле катушки. Именно обмен энергией между двумя ее накопителями — конденсатором и катушкой — и приводит к колебаниям, к изменению тока в контуре, напряжений на его элементах.
Частота свободных электрических колебаний в контуре зависит от его параметров — индуктивности Lк и емкости Ск, так же как частота свободных механических колебаний струны зависит от ее массы и гибкости (Т-92). Чем больше емкость конденсатора Ск и индуктивность катушки Lк, тем медленнее они накапливают и отдают энергию, тем медленнее происходит обмен энергией между этими накопителями, тем ниже частота свободных электрических колебаний (Р-96;5,6). Причем частота переменного напряжения и переменного тока в контуре автоматически устанавливается именно такой, чтобы конденсатор и катушка получали одинаковые порции энергии. То есть частота получается такой, что емкостное сопротивление хс и индуктивное xL на этой частоте одинаковы. Из условия равенства сопротивлений хL = xс легко найти точное значение частоты свободных колебаний — она получается такой же, как резонансная частота контура fpeз (Р-58;1). Логичнее, пожалуй, сказать — резонансная частота fpeз равна частоте свободных колебаний fк.
Очень удобно, что частота свободных колебаний зависит от индуктивности и емкости контура. Это значит, что, изменяя Lк или Ск, можно менять частоту переменного напряжения, которую будет давать контур. Если, конечно, он пройдет на роль электронного генератора. Именно «если пройдет»: пока этому мешает одно прискорбное обстоятельство, характерное для всех колебательных систем, — неизбежное затухание колебаний.
Т-168. Чем выше добротность контура, тем медленнее затухают колебания. Свободные электрические колебания затухают в контуре постепенно, энергия, первоначально полученная конденсатором, постепенно теряется на сопротивлении Rк, превращается в тепло. При этом постепенно уменьшается амплитуда переменного тока, переменные напряжения на катушке и конденсаторе.
То же самое мы уже наблюдали в колеблющейся струне, для нее была введена характеристика «добротность» Q, которая как раз и показывает, от чего зависит время жизни свободных колебаний (Т-93). Подобная характеристика — добротность Q — говорит и о том, насколько бережно относится к своим запасам энергии колебательный контур. Чем больше энергии при каждом перекачивании уходит в запас, в магнитное поле или электрическое поле, и чем меньше энергии при каждом перекачивании превращается в тепло, тем больше добротность Q, тем дольше длятся свободные колебания в контуре (Р-96;7,8).
Т-169. Добротность контура тем выше, чем меньше потери энергии, чем больше индуктивность и меньше емкость. Добротность — исключительно важная характеристика колебательного контура. Когда контур используется в качестве резонансного фильтра, то именно от добротности зависит, насколько хорошо он будет справляться со своей задачей. Чем выше добротность, тем сильнее контур задавит токи соседних частот и тем лучше выделит, вытащит из аккорда ток своей собственной, резонансной частоты. Когда контур держит экзамен на роль генератора, то именно от добротности зависит, какую он при этом получит оценку, насколько долго будут длиться в контуре собственные колебания.
Но от чего же зависит сама добротность, которая столь сильно влияет на все основные таланты контура?
Можно сразу же сказать, что добротность зависит от потерь энергии в контуре: чем меньше потери, чем меньше Rк, тем выше добротность Q. Иногда потери отображаются не только последовательным резистором Rк, но еще и параллельным резистором R'к