Первое издание практической энциклопедии
ка шаг за шагом» Р. А.
широкую популярность. В
электроники
и
Настоящая
вышедшего
звукозаписи, телевидении, радиосвязи,
элек¬
автоматике и вычислительной технике.
году. Основная
изменений; для привязки
дополнена
о
книга подготовлена на
в 1986
рассказы об основах электротехники,
него вошли
радиотехники,
тронной музыке, об
радиолюбителя «Электрони¬
Свореня было выпущено в 1979 году и сразу завоевало
к
комментариями,
базе второго расширенного издания,
часть оставлена почти без
(учебная)
современным реалиям
а также
и терминологии книга
«Практикумом» на основе современных
компонентов.
Для широкого круга любителей электроники.
УДК 621.3
ББК 32.85
Все права защищены. Любая часть этой книги не может быть воспроизведена в какой
бы то ни было форме и какими бы то ни было средствами без письменного разрешения вла¬
дельцев авторских прав.
Материал, изложенный в данной книге, многократно проверен. Но, поскольку вероятность
технических ошибок все равно существует, издательство не может гарантировать абсолютную
точность и правильность приводимых сведений. В связи с этим издательство не несет ответ¬
ственности за возможные ошибки, связанные с использованием книги.
увлекся электрони¬
простоту и
Её
автор
Рудольф
доступность материала.
человек знаменательный, но мало
Сворень,
кой
в детстве, многие отмечают
-
известный
Благодаря
современникам.
это¬
запуске
му человеку, возможно, мир узнал
искусственного спутника до самого события,
о
и
радиолюбители смогли подготовиться и принять сигналы
гих
было запоминающимся событием
на всю жизнь,
-
что для мно¬
объединяющим
лю¬
дей
из многих
стран.
Этот человек, чьи
книги
миллионными
по
в
тиражами
электроникой людей. И мы
основам
СССР,
радиоэлектроники выпускались
внес
вклад
в
появление
увлеченных
бы
опубликовать его воспоминания из
переписки Рудольфа Анатольевича с Русланом Тихоновым, инициатором
переиздания этой
хотели
книги.
Дорогой Руслан! Я обещал Вам рассказать о том, как из радиоинженера по¬
лучился профессиональный журналист, и сейчас попробую это сделать. Начну с
конца в январе 1950 года (в возрасте 23 года) я окончил Одесский электротех¬
нический институт связи (ОЭИС) с профессией «Инженер-электрик радио¬
-
связи».
По
законам того
(ныне Бишкек)
времени получил
назначение на
работу в городе Фрунзе
Министерстве
Киргизии. Перед отъездом из Одессы я
поженился с пианисткой Екатериной Заславской, которая жила с братом, ма¬
терью и отчимом (отец погиб на фронте) в одной комнате на первом этаже
в
связи
старого одноэтажного дома недалеко от одесского
вместе более 50 лет.
вокзала.
Мы
с
Катей прожили
Фрунзе я работал дежурным инженером на местном сред¬
неволновом
радиовещательном передатчике. Довольно быстро привык к непри¬
к
вычному
совершенно непонятным мне радиопередачам на киргизском языке,
Первое
время
во
-
к
мощным усилительным
к высокой
техники
метровых размеров с водяным охлаждением,
(высотой метров двести), к жестким правилам
лампам
передающей антенне
безопасности. Скажем
(например,
«На
тот человек,
антенне
к
тому,
что
работают люди»)
который объявление
повесил.
определенный
имеет
право
Я запомнил
тип
объявлений
снять только щчно
это на всю жизнь.
4
Рудольф Сворень
-
человек-легенда
и Екатерина Сворень (Заславская).
Москва, серебряная свадьба (1973 г.)
Рудольф Сворень
Передатчик находился
города,
ввиду отсутствия транспорта
в
добирался туда
городе
в
трехкомнатной квартире) утром час туда, вечером час обратно. Первое
время жили очень трудно и бедно, скажу честно
просто голодали. Зарплата
в магазинах вообще ничего нет. Катя
мизерная,
сразу пошла работать в дет¬
ский сад музыкальным воспитателем, а я после работы ходил на приработки,
в основном чинил
приемники. Однажды, помню, попался раздолбанный СВД-9,
я
на
окраине
и
(нам временно дали небольшую комнату
пешком
-
-
я с ним
судя
хозяин,
Через
торая
дня три провозился
по
и все же что-то
всему, был еще бедней
несколько
занималась
недель
меня
стройкой) первой,
и
от оплаты отказался
-
меня.
перевели
обслуживанием
сделал. Но
в
город,
в
небольшую лабораторию,
совершенствованием (а
в свое
время
ко¬
и по¬
Дело
в
радиорелейной
и
Ошская
как
бы
от¬
Киргизии Джалал-Абадская
делены от остальной части республики и её столицы двумя большими горными
хребтами. Чтобы попасть из Бишкека (Фрунзе) вДжалал-Абад или в Ош, нуж¬
но сделать
огромную петлю и объехать эти горные хребты через Ташкент.
Таким же длинным путем идут телефонные линии на столбах, и телефонная
связь с
«захребетными» областями, как правило, всегда была очень плохая. Но
вот за несколько лет до моего появления во
Фрунзе главный инженер Киргизского
связи
Константин
Николаевич
Ананьев показал, что не нужно
Министерства
том, что
наверное,
две крупные области
обходить горные массивы,
что
через
стране
них
линии связи.
проще перешагнуть. Была построена
работать радиорелейная
Фрунзе (Бишкек) Ош-Джалал-Абад
двумя промежуточными ретрансляторами на вершинах двух горных
и начала
всего с
в нашей
линия
-
Рудольф Сворвнь
-
человек-легенда
5
Наша промышленность радиорелейных станций в то время еще не
выпускала, и Ананьев добыл трофейные немецкие приемопередатчики «Ру¬
хребтов.
«Михаэль». Из
собирали релейные линии, работающие на
коротких (сантиметровых) волнах, по этим линиям Паулюс из окру¬
женного нашими войсками
Сталинграда напрямую разговаривал с Гитлером,
вызывая недоумение наших радистов. Бишкекская лаборатория не только сде¬
лала для меня привычными диапазоны сверхкоротких радиоволн, она показала,
как четко
работают наши инженеры Оводов и Волчков, решая сложные или
дольф»
и
них
немцы
очень
даже
очень
«Михаэль»
простые задачи. В данном случае
в
менно вести
тином
с
восьмиканальный
8 разных
-
один
превращали одноканальный
переделанный аппарат
телефонных разговоров
Николаевичем были прекрасные
радостью обнаружил
они
вместо
позволял
одного. У меня
человеческие и
одновре¬
Констан¬
с
деловые отношения,
я
интернете,
через тридцать
правительство
оценило его, присвоив звание Героя Социалистического Труда и назна¬
руководителем Управления радиорелейных магистралей и телевидения
что
в
лет
все же
чив
Министерства связи страны.
После двух лет работы во Фрунзе мы с Катей оформили отпуска и поехали
в
Одессу, к морю. Поехали, как обычно ездят, через Москву. А там почти все
родственники и друзья-москвичи уговаривали нас никуда не уезжать, так как
и по стилю жизни, и особенно по
лучшего города, чем Москва, в России нет
снабжению. Кто-то даже нашел для меня работу с жильем. Я съездил, посмот¬
-
-
рел, поговорил
с тамошним начальством и согласился.
А через месяц
мы
пере¬
Москву, вроде бы навсегда.
Организация, в которую я пошел работать, находилась в пяти минутах
ходьбы от железнодорожной станции Расторгуево, на этой станции останавли¬
вались электропоезда, которые шли из Москвы дальше или возвращались в город.
До городской станции Павелецкая, где уже были входы в метро, поезд из Растор¬
гуева шел примерно полчаса. Называлась моя организация «Центральная школа
ехали в
технической
подготовки ЦШТП ДОСААФ СССР».
В эту школу
радиоклубы, шоферские школы и груп¬
пы противовоздушной обороны (ПВО) посылали своих преподавателей на
двух¬
месячные курсы повышения квалификации. Так что в ЦШТП
год
было
круглый
от 3 до 12
по
20
в
человек
каждой.
разных (трех разновидностей) учебных групп
Должность моя называлась «Старший командир-инструктор радиокурса»
несколько часов в день я проводил на радиокурсе занятия по основам электрои
радиотехники. При этом оказалось, что сами курсанты помогли мне в до¬
со всей
страны
местные
-
полнение к
институтским
запасам
или наново
придумать описания
и
(не слишком, кстати, богатым) добавить
объяснения, более простые
и
более
понятные
людям без специальной подготовки. Учение мое в основном состояло из того,
что
курсанты (в основном бывалые военные радисты) задавали мне вопросы, а я
придумывал,
я
дома до
как им ответить.
полночи
просиживал
Бывало, кто-нибудь такой вопрос задаст,
в поисках
правильного и, главное,
что
понятного от¬
Рудольф Сворень
6
вета.
Одним словом,
чему
я
научил
своих
что
том языке,
человек-легенда
слушателей (хотя
полгода приучил
многому), но радиокурс ЦШТП за
рассказывать что-нибудь какой-либо группе слушателей
говорили,
что
не знаю,
-
который
они
хорошо
понимают.
Оказалось,
сами они
меня к
нужно
тому,
только на
что только на этом
отработанных его разновидностях, могут общаться со своими чита¬
школьные учебники, телевизионные диски, рассказывающие об учебных
языке, на
телями
опытах, научно-популярные журналы.
Студенты и преподаватели Радиотехнического отдела Центральной школы
технической подготовки ДОСААФ СССР (Р. А. Сворень третий слева в первом ряду)
-
(1953 г.)
Кстати, дальнейшее
изучение и использование этого языка связано
4
года
на работу в журнал «Радио», который в те
переходом через
времена выпускало издательство Досааф. Я был переведен в журнал по просьбе
для
его
активное
меня с
редакции в связи
отдела регулярно
с
этом все
ных писем
при
100 писем,
и эта
цифра
спрашивается,
специалист
с
росла
и
в
в
отделе
писем в
и знал, что
абсолютным
писем.
день,
рабочий
надо
ответить.
Думаю,
знанием математики
как
мне
гора непрочитан¬
день я ответил на
талантами
сразу понимал,
-
что
что высококлассный
большинство
тут же
Кончилось
писем
бессмыслицу.
формировать и редактировать
непонятную ему
поручили
Сотрудница
а
какими-либо моими личными
написанное на знакомом языке, я
бросил
корзину для мусора,
дело тем, что через пару недель
бы
8
росла. В первый свой
не связана с
просто, открыв письмо,
в нем
проблемами
нарастающими
выполняла план, отвечая на
Рудольф Сворень
-
человек-легенда
7
большой отдел (50 журнальных страниц из
ские схемы и
конструкции,
64), где публиковались любитель¬
а также описание новых
14 страниц каждого номера были отданы,
Первые
отделу -он в основном
в
эфире.
Газеты
писал о
промышленных моделей.
так сказать,
политическому
работе радиоклубов и о любителях, работающих
часто напоминали, что
американцы
ближайшее время
готовятся в
запустить искусственный спутник Земли, первый в мире аппарат для переме¬
щения в космическом пространстве. Нигде не сообщалось, что и в нашей стране
ведутся работы в этой области, очевидно, считалось, что сначала нужно дело
сделать, а потом рассказывать о нём. Мы с нашим старшим редактором Еле¬
ной Петровной Овчаренко написали письмо «на самый верх», доказывая, что
нужно рассказать о предстоящем запуске спутника и в нашей стране. Тем бо¬
лее что в этом
случае журнал «Радио»
радиолюбителей,
перемещалось
мика
принимающих
сформировать большую группу
спутника. Не знаю,
Сергея Павловича Королева в одном
из
какими
путями
указанию акаде¬
были
подготовлены
для
институтов
наше письмо, но ответ появился мгновенно
журнала «Радио» три
Мы
сможет
сигналы
статьи о советских
спутниках
по
-
рабочих
и их
добавив
частотах.
опубликовали,
быстрые
к завод¬
и совсем
простые
приставки
разработки простейшие приемники
уже
ским вещательным приемникам для приема радиосигналов со спутника. Со¬
ветский спутник был запущен 4 октября 1957 года, он оказался первым в мире и
эти статьи, конечно,
сразу
же
к ним свои
-
открыл,
А если
как
принято говорить, новую, космическую эру
кто-нибудь
из
иностранцев
начинал вспоминать
иностранному исследователю
то
русского проекта,
«Радио», который можно купить
Мой
переход в редакцию совпал
радиоэлектроники появились и
в
любом
по
транзисторы,
а
вскоре
засекреченность
советовали читать
этого
журнал
газетном киоске.
времени
с
невиданно
быстрым
прогрессом
в схемотехнике
-
ные
в жизни человечества.
совершили переворот
достаточно мощные
их высокочастотные и
серий¬
типы.
Широко осваивались сантиметровые и дециметровые диапазоны. Были созданы
новые технологии производства транзисторов, а затем и интегральных схем
-
достаточно вспомнить,
уже несколько лет выпускаются размером с поч¬
товую марку интегральные схемы, в каждой из которых несколько миллиар¬
дов (!!!) сложным образом точно соединенных деталей. А ведь для того, чтобы
получился миллиард песчинок, нужно собрать 6 тысяч мешков песка. Отме¬
тим,
что
что вся эта новейшая техника
вения человеческой
-
руки
её делали
и
выпускалась,
проверяли
как
говорится, без прикосно¬
автоматы.
годы вопрос
как познакомить
людей с этим шквалом новой электроники. Когда рассказать о ней? О чём кон¬
кретно? Насколько подробно? Я не мог ответить на эти вопросы потому, что
Думаю,
не только
никак не мог
передо
разобраться
в
му-то принял правильное-я
и
мной встал
в те
обстановке. Не
стал писать
мог
-
разобраться,
детские
книжки
радиотехники. Первые две книжки вышли в 1963 году
-
а
решение
поче¬
об основах электро-
мне
тогда было 36
лет.
8
Рудольф Сворень
Книжки эти были совершенно разные, но главный
радиоприемник. Во-первых,
профессионалом. А во-вторых, он
же
-
герой у
изучая его, юный
-
них
человек-легенда
был один
радиолюбитель
и тот
становился
руками практически бесплатно мог
сделать то, за что в магазине нужно платить. Каждый любитель наверняка за¬
помнил счастливый момент, когда первый собранный им приемник чуть ли не
своими
сразу же заговорил или запел. А вот книги об основах электротехники и элект¬
дело не быстрое, я занимался ими 50 лет, и последняя из этих книг
роники
-
«Электричество
шаг за шагом»
выпустил 13 больших
и
При
соавторстве),
напечатана в
их
общий
тираж
медленное
создание
и
сравнительно
написанную
этом
в
была
(включая два перевода
книг
события
деловой
-
2012
на
году. Всего же я написал
другие языки и одну книгу,
более 8
миллионов
публикация
книг
под
экземпляров.
практически
не
бурные
нарастаю¬
щего своего интереса ко многим различным областям науки я ушел из журнала
«Радио» и несколько лет жил в режиме свободного журналиста. Печатался в
газетах и
журналах «Известия», «Неделя», «Правда», «Комсомольская правда»,
влияли на
«Техника молодежи»,
в личной и
«Вечерняя Москва»,
жизни
«АПН»
-
и
влиянием
многих
других.
Однако
пришел момент, когда достоинства свободной жизни перестали перекрывать
на
её недостатки, и в 1964 году я вернулся на работу в стабильный журнал
-
этот
раз
в
журнал
«Наука
и жизнь»,
считавшийся
в те
времена
лидером
всех
научно-популярных изданий.
Дважды Герой Советского Союза, летчик-космонавт
СССР Алексей
Архипович
Леонов
в гостях у редакторов журнала «Наука и жизнь»
у главного редактора Игоря
Константиновича Лаговского (второй слева), его заместителей Рады Никитичны
-
Аджубей
и
Рудольфа Анатольевича Свореня (1969 г.)
Рудольф Сворень
-
человек-легенда
9
Рудольф Анатольевич Сворень (слева) занят тем, что считает главным делом,
обсуждает с коллегами разработчиками и будущими издателями планы
своих учебных книг и схемы простейших аппаратов, помогающих понять
основы электроники (1969 г.)
-
-
Руководитель разработчиков
Р. А. Сворень демонстрирует из¬
вестным ученым страны и мира
академикам М. В. Келдышу, В. А. Ко¬
тельникову, Н. Г. Басову, А. М. Про¬
хорову и др. созданные его конст¬
рукторской группой электронные
игрушки, управляемые звуковыми
импульсами (1970 г.)
На большой
выставке, рассказыва¬
ющей о развитии разных направ¬
лений советской электроники,
побывал Председатель Совета
Министров СССР Алексей Николае¬
вич Косыгин (глава Правительства
страны). Он, неожиданно для не¬
которых, провел много времени у
стенда электронных конструкторов
и игрушек, а беседуя с руководите¬
лем
разработчиков Р.А. Своренем,
отметил
большие
возможности
содействии
прогрессу техники (1970 г.)
радиолюбителей
в
10
Рудольф Сворень
человек-легенда
-
В этом журнале я
поочередно по несколько лет заведовал несколькими ведущи¬
ми отделами, дольше всего отделом физико-математических
наук. А лет через
меня
членом
и
назначили
заместите¬
двадцать
утвердили
редколлегии вскоре
лем главного редактора. Вот здесь уж свободного времени совсем не стало
так
-
участвовал в подготовке каждого номера целиком и дважды читал
каждый номер «насквозь». Так бы оно, наверное, продолжалось до полного ухода
на пенсию, если бы не одно чрезвычайное событие
в апреле 1999 года я
уехал в
или иначе я
-
США без какого-либо понимания, вернусь
ли.
Уехал
десяти
я
потому,
что очень
болел,
чтобы
работало
уже
пройти,
передохнуть. А назначенную мне операцию на открытом
сердце замену сердечного клапана в наших больницах еще не делали. Состоя¬
ние мое
резко ухудшилось после того, как из-за неизлечимой онкологии ушла из
жизни любимая жена
Екатерина.
Но не будем вспоминать негативные подробности, через месяц после приезда
я
уже жил в неплохой квартире в небольшом городе Малден, входившем в состав
Большого Бостона. А еще через два месяца (после операции) я вернулся к жизни
здорового человека и стал активно разрабатывать проблему, о которой раньше
мог лишь изредка подумать из-за
отсутствия свободного времени. Проблему эту
можно было бы назвать так
«Создание новой системы среднего образования».
сердце практически
не
-
я
и
шагов не мог
не остановиться и
-
-
-
Типичным примером такой системы можно назвать нашу нынешнюю россий¬
скую среднюю школу от 1-го до 11-го класса. Её задача помочь школьнику со¬
-
здать
представление о мире, в котором
создать,
мы живем,
как
её
часто назы¬
картину мира. Делается это
изучения отдельных школьных
вают,
путём
предметов,
например биологии, химии,
истории, геометрии, грамматики и
других, из этого потом и складыва¬
-
ется
картина мира. Но складывается
часто
не очень
удачно
70-80 процентов
в школе
лучают
хотели
ки.
бы
При
гружены
как
-
правило,
школьников
не
знаний, которые
передать учителя
и
им
учебни¬
этом школьники часто
занятиями и очень
по¬
пере¬
устают.
Просмотрите, например, нынешние
учебники биологии или химии прос¬
-
то
страшно от того, что школьники
должны всё это знать. Причем всё это
проблемы,
многих
России
существующие
разных стран,
и
в
в
школах
частности
Соединенных Штатов.
Рудольф Сворень
на приеме
у Гари
Христиансена, мэра города Малден
(часть Большого Бостона, США) (2015 г.)
Рудольф Сворень
-
человек-легенда
11
Мне кажется, что пришло время для серьезных изменений в
разовании, которые избавят
его от
нынешних
среднем
об¬
недостатков. Конечно, созда¬
более изменения в ней, долж¬
обсуждать систему образования, а тем
ны профессионалы-педагоги, но выскажу и несколько своих соображений по
этому поводу. Во-первых, всё учебное время нужно разделить на две примерно
на 1-ю и 2-ю части системы
равные части
среднего школьного образования
1ССШ0 и 2ССШО. Часть 1CCIUO отдается формированию картины мира,
а часть 2ССШО
углубленному изучению (в небольших группах) того, что по¬
надобится в будущей профессии или для поступления в институт.
Занимаясь школьной проблемой, я прежде всего пытался написать учебную
книгу «Самое главное понять самое главное» (сокращенно книга «Самое глав¬
вать и
-
-
-
ное...») для 1ССШО,
то есть для создания картины мира. Книга «Самое глав¬
должна быть такая, чтобы её даже без помощи учителя легко мог чи¬
тать каждый школьник. Пока
у меня получилась огромная рукопись объемом
1500 страниц. Чтобы дописать её, отредактировать, разделить на 10-12 нор¬
ное...»
мальных книжек и
мени,
столь
5-6
думаю
большую
тальное
ниц
текста и
названием
и
готова,
по
издание
укомплектовать иллюстрациями, понадобится много вре¬
Я не стал всё остальное откладывать и сразу начинать
лет.
нужному времени
шести
примерно
я начал готовить
сравнительно небольших
эксперимен¬
(50 стра¬
каждой) с общим
писем-книжечек
столько же
в
страниц иллюстраций
устроен очень просто». Часть из этих писем-книжечек
надеюсь завершить эту рабо¬
«Мир
ту за 2 года. Надеюсь, что 2
чтобы несколько изменить
вполне
работу,
хорошие последние
лет хватит,
и
улучшить
об
мои книжки
электричестве и электронике. И наконец,
2 года уйдет, чтобы организовать выпуск
простых конструкторов для радиолюби¬
телей, возможно,
книжек
с использованием
первых
про приемники.
Как видите, план действий есть, и что
для людей можно сделать, впол¬
полезное
не понятно.
вод для
Единственное,
размышлений,
-
что
дает
по¬
так это то, что
примерно через полтора года мне
будет (по
крайней мере должно быть) девяносто лет.
Р.
Сворень
03.12.2015
уже
Как
книга
«Электроника
шаг за шагом»
обрела новую
История
переиздания
«Электроника
книги
жизнь
шаг за шагом» началась летом
2015 года. Тогда, по выходным, я вёл занятия в кружке электроники для
школьников. В список
рекомендуемой литературы для кружковцев я всег¬
Рудольфа Анатольевича Свореня. Однако с каждым
получить бумажную версию книги становилось все сложнее посте¬
она исчезала из библиотек и стала
редкостью даже у букинистов.
да включал
эту книгу
-
годом
пенно
К тому
же
схемы для
ряд сведений
практических
элементной базе
и
в
книге
работ
уже
тоже
стал
неактуальным, электронные
нуждались
в адаптации к
нынешних школьников,
доступной
поэтому
я
решил
переиздать ее, сохранив дух старой школы, но добавив
новую информацию в свете современных достижений электроники? На¬
шел контакты
автора книги, он к тому времени больше 15 лет жил в США,
-
узнать
интересам
можно ли
связался с ним.
Оказалось,
что, несмотря на
Анатольевич сохранил ясный ум
и
преклонный возраст, Рудольф
прекрасную
память и
по-прежнему
писал книги.
Мою идею
он
поначалу встретил скептически, мол,
но многое в ней изменить, а он
временем (а
телефону
и
мы после этого
книга
устарела, нуж¬
сейчас занят другими делами.
общались
электронной почте)
мне
всё
подготовку к переизданию. Выяснились
Однако
с ним великое множество
же
удалось
и новые
убедить
раз
со
по
его начать
интересные детали:
оказа¬
«Электричество
электротехники), но
она была
выпущена небольшим тиражом благотворительным фондом,
в
продажу не поступала и практически не дошла до читателя. Безусловно,
этот факт
расстроил Рудольфа Анатольевича и служил дополнительным
фактором, сдерживающим его работу по переизданию «Электроники...».
Ведь никакой писатель не хочет писать, как говорят, в стол. Пообещав, что
лось, что недавно он написал
-
новую книгу
(не повторяет «Электронику...»,
я
шаг за шагом»
посвящена основам
о
переиздании уже двух книг, я начал действовать.
Началось общение с разными издателями, к сожалению, большей частью
договорюсь
бесплодное. В это же время я создал страницу в Википедии, посвященную
Р. А. Свореню. А вместе с Ильей Немихиным из Хакспейса Екатеринбур¬
опубликовали серию статей на Хабре (habr.com) с воспоминаниями
Рудольфа Анатольевича о том, как он прошел путь от радиоинженера до
писателя. Чтобы
убедиться действительно ли нужна современному чита¬
телю эта книга, мы объявили
регистрацию желающих приобрести новое
га мы
-
Как книга
«Электроника
шаг за шагом»
13
обрела новую жизнь
шаг за шагом». Таких желающих набралось
неплохой
тираж для технической книги по ны¬
двух
нешним
временам. Важным в этой инициативе оказалось то, что по следам
издание
книги
около
этих
«Электроника
тысяч человек,
публикаций
к нам
обратился
Дмитрий Мовчан, который
и
владелец издательства
предложил издать
«ДМК Пресс»
эти книги.
смерть Рудольфа Анатольевича оста¬
новила
процесс переиздания. Лишь благодаря поддержке наследников
писателя
удалось продолжить эту работу. В конце 2018 года вышло в свет
второе издание книги «Электричество шаг за шагом», а в 2019 году нача¬
К сожалению, болезнь,
лась
работа
а затем и
над подготовкой к печати нового издания и самой известной
Свореня «Электроника шаг за шагом». Предстоял большой
объем работы как для художника требовалось заново воссоздать все заме¬
чательные
рисунки книги, так и для редактора. Напомню, что сам Рудольф
Анатольевич был против репринтного издания книги и хотел ее перерабо¬
книги Р. А.
-
-
тать, исходя из современных реалий.
предложил пригласить писателя
Поэтому для редактирования книги я
Юрия Всеволодовича Ревича. Он
нескольких
ле для
популярных
детей,
книг по
электронике для начинающих,
и я надеялся, что он сможет,
сохранив
стиль и
нию
вот наконец моя мечта
«Электроника
сбылась! Вы держите
шаг за шагом».
В своё время
электроникой тысячи девчонок и
о том, как
оригинальную
и
схемы книги.
практические
книги
автор
в том чис¬
информацию
авторскую манеру подачи материала, актуализировать
И
-
всё устроено
в
она
руках
новое издание
приобщила к увлече¬
мальчишек, дала им
первые
знания
казавшемся им загадочным
в этом,
поначалу
мире
электронных устройств. Надеюсь, и новое поколение юных электронщи¬
ков с помощью этой книги,
при поддержке своих наставников в кружках и
родителей дома,
сделает свои первые шаги в занимательный мир электро¬
ники, достижения
человечества.
А
роге создания
которой
затем
новых
за
последний
уже уверенно,
век полностью изменили жизнь
большой до¬
удивительных технологий
шаг за шагом,
электронных устройств
и
пойдёт
по
на их основе.
Хочу
выразить
благодарность
всем тем, кто
поддержал идею переизда¬
присылал свои советы и
нового издания. И лично от себя
для
рекомендации
хочу сказать большое
спасибо Илье Немихину, Ольге Басовой, Артемию «Di Halt» Исламову
ния книги, кто писал
искренние
отзывы о книге,
(проект easyelectronics.ru), Владимиру Чуднову (главный редактор журна¬
«Радио»), Александру Бениаминову (внук Р. А. Свореня), Юрию Ревичу,
Дмитрию Мовчану. Именно благодаря вам эта замечательная книга обре¬
ла
ла
новую
жизнь.
Руслан Тихонов
svorenbook@gmail.com
Май 2020
г.
Предисловие
Книга
от
редактора
Рудольфа Анатольевича Свореня «Электроника шаг за шагом», пер¬
вый вариант которой
вышел в далеком
1979 году,
в свое
время произвела
деле. В ней впервые по¬
настоящую революцию
радиолюбительском
дробно и на доступном уровне были изложены основные принципы рабо¬
в
ты
электронной аппаратуры практически
всех
существовавших в то время
разновидностей
элементарных радиоприемников до ЭВМ и даже ра¬
диолокаторов. Краткую историю развития этой книги автор излагает сам
-
последней
в конце
В
от
чем ценность
главы.
этой
книги для сегодняшнего
любители электроники
языках
C/C++
тернет,
а
лихо
читателя?
Современные
пишут программы для контроллеров
на
Python
мини-сервер
любимое когда-то развлечение специалистов по искусственному
и
с выходом в ин¬
и знают, как создать
интеллекту создание движущегося робота-тележки, обходящего препят¬
ныне
ствия,
предмет для занятий в детских кружках по робототехнике.
-
-
Но при
совершенно теряются, когда нужно посчитать сопротив¬
ограничительного резистора для светодиода, и не умеют правильно
подключить транзистор в простейшем ключевом режиме. Книга Р. А. Сво¬
этом они
ление
необходимую
базовую информацию по
широкому кругу вопросов:
электротехники до принципов работы
и
сигналов.
усилителей генераторов
Пусть вам никогда не придется само¬
реня дает
всем
электронщикам
от основ
стоятельно
конструировать, например, радиоустройства,
но
понимание
принципов работы радиосвязи и транзисторных усилителей звука
облегчит обращение с готовыми модулями для этой цели.
значи¬
тельно
Для характеристики своей целевой аудитории
употребляет
ние
и
термин
существует
Рудольф Анатольевич
«радиолюбительство». Интересно, что такое назва¬
только в
русском языке, прямых
аналогов в
английском
Этот термин возник в нашей
время никакой другой электронной
языках не находится.
других иностранных
в 1930-е годы,
стране еще
аппаратуры,
доступной
радиоприемников,
не
так как в то
для повторения на любительском уровне, кроме
существовало.
Радиолюбительство
в
буквальном
термина получило тогда широкое распространение, так как про¬
мышленность явно отставала от
потребностей населения. Со временем
смысле
прилавки
наполнялись
бытовой техникой,
и
радиолюбительство последо¬
вательно прошло ряд этапов: сначала центр внимания переключился на
качественный звук, телевидение, затем и на различную домашнюю авто¬
матику. Часть этих этапов, соответствующая времени выхода книги, полу¬
чила отражение в ее тексте.
Надо отметить, что при всем этом собственно «любители радио», то
есть те, кто занимается любительской радиосвязью и радиоспортом, за все
Предисловие
от
15
редактора
эти годы никуда не исчезли. Это признанные во всем мире разновидности
хобби,
которым проводятся соревнования, выходят специализирован¬
по
журналы и создаются тематические сайты. Однако эта сторона «ра¬
диолюбительства» по понятным причинам практически не нашла своего
ные
Р. А.
Свореня на начальном уровне эти увлечения ока¬
зываются
недоступны, тут требуется более основательная теоретическая и
отражения
в книге
-
практическая подготовка.
Настоящее издание подготовлено
на базе
второго издания полной вер¬
1986 году; в последних главах добавлены некото¬
издания 2001 года. Разумеется, с тех пор сама по себе
сии книги, вышедшего в
рые дополнения
из
электроника принципиально изменилась,
в тех
автором
обстоятельствах, актуально
и далеко не все,
и сегодня.
рассказанное
Однако при переиз¬
дании книги мы не стали устранять многие явные архаизмы изложения,
лишь сопроводив их примечаниями для привязки к современным реали¬
ям и современной терминологии.
Подробные
описания многих
ляющие сегодня
лишь
или
вовсе.
Если
кратить
удалить
гим было бы
интересно узнать,
трением,
разделов
радиолюбительства,
будет
позволено такое
Звукозапись,
сменить носители
(а
сравнение,
как люди каменного века
но едва ли один человек из многих тысяч
этот опыт.
представ¬
исторический интерес, пришлось кардинально
например, успела
если считать с
1950-х,
со
со¬
то мно¬
добывали
огонь
соберется
повторить
1960-х
годов
времен
трижды
то и
четырежды),
стала полнос¬
цифровой и в конце концов избавилась от носителей вовсе, став чис¬
информационным феноменом. Фильмы пока еще можно приобрести
на DVD-дисках, но дело
быстро идет к тому, что киноиндустрия повторит
судьбу звукозаписи, портал YouTube тому свидетельство. Принципиаль¬
тью
то
-
широко распространилась не су¬
книги домашняя видеозапись,
изданий
времена первых
успевшая пройти ряд этапов, от отдельных и довольно до¬
но изменились технологии телевидения;
ществовавшая
причем
также
во
рогих аналоговых видеокамер до миниатюрных цифровых, встроенных в
мобильные телефоны. Современная автоматика и связь немыслимы без
микропроцессоров, перевернувших лицо не только
индустрии, но и практически всех областей техники, вклю¬
микроконтроллеров
компьютерной
и
бытовую.
Потому при
чая
ти
подготовке данного издания почти в неприкосновеннос¬
половина книги (вплоть до главы 12 включитель¬
большая
сохранена
но), посвященная общим принципам функционирования электронных
устройств, где исправлены лишь ошибки и неточности автора, а также за¬
менены или снабжены комментариями и дополнениями явные архаизмы.
Пришлось
полностью отказаться от
практической
части в главах, посвя¬
радиовещанию, телевидению и звукозаписи. Не потому даже,
что конструированием подобных устройств любители в настоящее время
практически не занимаются
гораздо существеннее то, что изменились
щенных
-
Предисловие от редактора
16
работы
Тем
теоретические ос¬
быть
разделов электроники по-прежнему могут
интересны (на
них основываются и
современные подходы). Эти разделы сведены в одну
главу (глава 13). По той же причине сохранены главы об электронных музы¬
сами
принципы
таких
устройств.
не менее
новы этих
инструментах, автоматических устройствах и даже компьютерах,
которые в 1986 году еще только выходили из пеленок. Сохранена также
кальных
во многом
актуальная
глава
дополнена отдельным
торах.
Книга
в
об
источниках питания
разделом
о
(глава 17);
она в конце
современных интегральных стабилиза¬
оригинале сопровождалась большим
ских
а также
количеством
практиче¬
необходимыми справочны¬
примеров различных устройств,
радиоаппаратуры, называвшимся тогда еще
Этот
раздел тогда был очень важен, потому что
попросту радиодеталями.
справочники по компонентам в то время были жутким дефицитом и да¬
ми данными по компонентам
доступны. Подобные разделы книги удалены полностью, а
практические примеры созданы заново на современном материале.
Вместо сложного деления текста на теоретическую (в оригинале соот¬
леко не всем
ветствующие подразделы
(помечены буквой С),
не связанные с
лишь
а
помечены
также
окружающим
буквой
номером), справочную
с
практические примеры, зачастую
их текстом
нумерация подразделов
Т
никак
(помечены буквой К), оставлены
первой фразы. Некоторые
и выделение их
необходимые по контексту справочные данные включены в основной текст.
При ссылках из других мест на нужный подраздел текста, что составляет
одно из несомненных достоинств книги Р. А. Свореня, приводится номер
главы и
подраздела (например, «гл. 1; 7»). Заново подготовленные прак¬
тические примеры, чтобы не путать их с авторским текстом, выделены в
особые разделы в конце глав, под названием Практикум. Рисунки теперь
нумерацию в каждой главе, включающую номер главы; при
ссылке на рисунок приводится его номер и далее номер нужной картинки
имеют свою
на этом
рисунке,
как и
было у автора
(например,
«рис. 3.10; 4»).
Кроме того, на авторских иллюстрациях в книге изменена полярность
питания на более привычную современному читателю: питание на схему
подается от положительного полюса источника, а
«общий провод»
под¬
ключается к отрицательному. В соответствии с этим изменением на ри¬
диодов,
сунках изменена полярность подключения компонентов
(батарей,
электролитических конденсаторов и
пр.),
а также
р-п-р-транзисторы
заме¬
нены на
п-р-п.
Отдельно отметим, что упомянутые автором в главе 1 графопостроители
(плоттеры) с пером как инструмент для рисования чертежей под управле¬
обихода (в настоящее время они упо¬
раскройки различных материалов). К сожа¬
нием компьютера давно исчезли из
требляются
лению,
в основном для
введенный тогда стандарт упрощенных
почему-то
таким и остался.
Это
графических обозначений
касается не только отечественных
ГОСТов,
Предисловие
но
и
от
17
редактора
зарубежных
стандартов. Заново введенные практические примеры
следуют введенному автором книги правилу в них употребляются
более выразительные обозначения, пусть и не всегда точно соответствую¬
щие официальному стандарту.
К данному изданию приложен небольшой список литературы, в кото¬
также
рой читатель
-
может
найти дополнительные сведения.
Ревич Ю. В.
ГЛАВА 1
Предисловиепутеводитель
1. Эта
книга
для радиолюбителей, для тех,
кто сам
конструирует при¬
емники, усилители
другую электронную аппаратуру1. Есть немало за¬
гадочных, необъяснимых явлений, немало тайн, до которых еще не успела
и
наука. В
добраться
их числе и
радиолюбительство. Как,
яснить такое: на магазинных полках полно
прекрасных
например, объ¬
всеволновых
при¬
радиолюбитель, путаясь в проводах, обжигаясь
о жало паяльника,
собирает свой первый шедевр приемник, который в
лучшем случае будет принимать две-три местные станции. Забыты друзья,
на самом
интересном месте заброшен детектив, мобилизованы последние
финансовые ресурсы... И все это ради той радостной минуты, когда из
емников,
а
начинающий
-
громкоговорителя зашуршит едва
как мне
слышное: «...е-е-е-если
б
знали вы-ы-ы,
доро-ги-и-и-и...»
годы, появятся термоядерные электростанции и личные ми¬
ни-вертолеты, космонавты высадятся на Марсе, будут раскрыты загадки
Пройдут
человеческой
памяти и
секреты зарождения
жизни.
К тому времени,
воз¬
будет проведен и строгий научный анализ притягательных сил
радиолюбительства... Пока же по этому поводу можно лишь высказывать
предположения. К радиолюбительскому конструированию наверняка
влечет естественная
потребность творить, создавать, строить. Она всамой
можно,
человеческой природе, запрограммирована
ми.
Так же,
в нас,
закреплена тысячелетия¬
без воды и пищи, без воздуха, вот
без интересного дела. А радиолюбительство конечно
как не может человек жить
так же не может он
-
Наука на грани искусства.
Наверняка привлекает радиолюбительство и своей полезностью, тем,
что позволяет легко
приобщиться к самой современной технике. Можете
вы
построить дома настоящий синхрофазотрон? А космический корабль?
Атомный реактор? Самолет? Не можете... А вот настоящий радиоприем¬
же, дело
интересное, творческое.
ник можно изготовить
К
радиолюбительству
щее с
1
прямо
на
краешке кухонного
электроникой. Сегодня электронная
Уточнения
и далее
к
стола.
тянется не только тот, кто хочет связать свое
техника
определению термина «радиолюбительство»
примечания редактора).
см. в
буду¬
применяется повсюду,
«Предисловии от редактора»
(здесь
ГЛАВА 1.
19
Предисловие-путеводитель
встречаются летчик и врач, биохимик и экономист, метал¬
музыкант. И каждый, кто занимается практической электроникой,
с ней постоянно
лург
как
и
говорится,
в
порядке любительства, прекрасно понимает, что это прият¬
любой профессии. И вот еще что:
ное дело окажется полезным для человека
радиолюбительство не только учит, но в сильной мере и воспитывает. Оно,
например, делает человека более сообразительным, находчивым, изобре¬
тательным. Более
собранным, четким, аккуратным несколько раз постра¬
даешь из-за собственной небрежности, и, смотришь, появляется привычка
тщательно проверять сделанное, работать быстро, но не спеша. Потеряешь
час на поиски какой-нибудь детали, и совсем уже по-иному звучат слова
«порядок на рабочем столе» или «организация рабочего места».
Собирая электронные схемы, налаживая их, выискивая какую-нибудь
-
неисправность,
вы
учитесь
логически
пользовать имеющиеся знания,
Вспоминается,
сандр Львович
как
рассуждать, учитесь
мыслить,
добывать
новые.
известный советский
радиофизик академик Алек¬
работу, всегда отдавал
специалистов на
Минц, принимая
радиолюбителям. И не только за конкретные знания,
главным
образом за умение мыслить, работать творчески, изобретать.
предпочтение
2. В
книге имеются описания
стоятельного изготовления. В
узлов
и
блоков,
простых
из
которых
и сложных схем,
ис¬
Учитесь учиться.
некоторых
схем и
конструкций
большинстве случаев
можно
собрать
подобно тому
совсем
само¬
это схемы отдельных
уже огромное
как дети из
для
но
множество
кубиков собирают самые
разнообразные «здания»2.
Каждый схемный блок,
несколько
Это,
проводов (на
как
правило,
связывает с внешним
миром
схемах они чаще всего заканчиваются
всего
стрелками).
провод «Вход» («Вх»), который подключается к предыду¬
щему блоку, провод «Выход» («Вых»), к которому подключается последую¬
щий блок, провод «Плюс» («+»), к которому подключается «плюс» источ¬
в частности,
(или провод с таким
обозначением
«+»
другого блока), и
провод «Общий» («О» или
которому подключаются «минус» источ¬
ника питания и все
другие провода с обозначением «Общий».
вы
Вскоре
научитесь и сами компоновать сложные схемы из простых
ника питания
I
же
V к
блоков, используя для этого интересные элементы не только из
этой книги, но и из других источников, из различных любительских и про¬
мышленных электронных схем.
типовых
Здесь, пожалуй, уместно
сделать важное предупреждение. Так уж слу¬
чилось, что система условных
изображений и сокращенных буквенных
обозначений радиодеталей менялась несколько раз. В результате в радио¬
любительской литературе разных лет одни и те же детали изображаются
2
Описания законченных конструкций, основанных на устаревшей элементной базе, из книги удалены.
Частично этот пробел позволяет восполнить книга [7]. Несколько практических примеров, привязан¬
ных к тематике
этой книги.
соответствующих разделов,
читатель может найти в конце глав
4, 9-11,
а также 14-17
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
20
и
обозначаются по-разному.
хожи, но все же
Последние
графики,
ком
Правда, изображения,
есть и
как
правило,
с
очень по¬
не спутаешь.
различия
конденсатор резистором
были предприняты в эпоху появления машинной
условных обозначений, где и соединительные провода, и об¬
катушек, и все элементы других деталей изображаются сравнитель¬
дена система
мотки
но тонкими одинаковыми линиями.
Для рисунков
этой
книги
выбраны
условные изображения деталей, несколько отличающиеся от стандарта,
но зато более
броские и выразительные, в основном за счет использования
линий
разной толщины (см. рис.
обозначения на схемах).
Примечание редактора.
тернет-источниках
и
2,
где приведены некоторые условные
В переводной литературе,
современный
а также в многочисленных ин-
читатель может встретить схемы, выполненные по
американо-японским стандартам
ным). В
1
(европейские более соответствуют
отечествен¬
начертание многих элементов резисторов, электролитиче¬
ских конденсаторов, логических микросхем и пр., причем отметим, что отечествен¬
них отличается
-
ные более логичны
и проще выполняются графически (см., например, рис. 1.1; 1).
Но это не должно смущать читателя: американские схемы вполне понятны тому, кто
разобрался в отечественных.
Рис. 1.1. Некоторые условные обозначения на схемах (вне рамки
реже употребляю¬
щиеся): 1
резисторы (слева вне рамки
американо-японское обозначение);
2
конденсаторы (слева
неполярный, справа полярный электролитический);
3 диод; 4 стабилитрон; 5 светодиод; 6 тиристор; 7 транзистор п-р-п;
8
полевой транзистор с р-л-переходом;
транзистор р-п-р\ 9
10
полевой транзистор с изолированным затвором (M0SFET)
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
ГЛАВА 1.
21
Предисловие-путеводитель
Рис. 1.2. Некоторые условные обозначения на схемах (продолжение):
11
цифровая интегральная микросхема (логический элемент);
-
12 предохранитель; 13 химический источник тока, 14 антенна;
трансформатор; 16 катушка индуктивности (дроссель; в рамке дроссель
-
-
15
-
-
-
-
с подстройкой индуктивности); 17
лампа накаливания; 18
19
кнопка на
переключатель двухпозиционный; 20
21
переключатель многопозиционный
-
-
-
выключатель;
-
замыкание;
-
3. В книге есть некоторое количество справочных материалов, в ос¬
новном теоретического характера. Некоторые справочные данные, та¬
кие, скажем, как
расчетные
сящихся к
сказать
формулы,
основному тексту,
особо.
4. Книга
можно найти на
и в самом
позволяет сочетать
этом тексте,
практическую
о
рисунках,
котором
работу
отно¬
хочется
изучением ос¬
сложному. Есть два
с
простого
электроники, продвигаться вперед
способа научить человека управлять автомобилем. Первый способ такой.
нов
к
от
Будущий водитель сразу садится
цию: «Хочешь ехать вперед
ехать назад
-
за руль, и ему дают конкретную инструк¬
передвинь этот рычаг на себя и влево, хочешь
себя и вправо. Прежде чем переставлять
его на
-
передвинь
рычаг, нажми вот эту левую квадратную педаль, а когда переставишь ры¬
чаг, отпусти ее. Хочешь ехать быстрее надавливай на эту продолговатую
-
педаль,
хочешь
-
притормозить
дави на эту правую квадратную педаль.
Вот и все. Поехали...»
А вот
другой
способ.
Человеку, который
бы
хочет водить
общих чертах,
машину, нужно
о том, как этот автомо¬
рассказать,
биль устроен. Как работает двигатель, как вращение передается колесам,
сначала
хотя
в самых
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
22
что происходит при переключении
скоростей,
при
нажатии на педаль
сцепления или газа,
рассказать о всех основных процессах, которые проис¬
время управления машиной. И только после такого рассказа бу¬
дущему водителю показывают, какие ручки и педали управляют теми или
иными
агрегатами, объясняют, в каких случаях и как ими пользоваться.
Эти два варианта освоения автомобиля очень похожи на два типичных
ходят
во
радиолюбители идут к конструированию электронных
приборов. Первый начинается с того, что человек берет в руки паяльник
и по
готовому описанию со схемой пытается сразу же собрать приемник
пути, которыми
или
иных
путь
основ
изучение
электротехники
практическая
работа,
аппаратов.
Если разобраться строго,
тем
принцип действия
тех или
приборов и назначение тех или иных элементов схемы. А вот другой
-
нием дела
и
не вдаваясь в такие мелочи, как
усилитель,
-
от
теории
основами
к
практике,
электроники
-
электроники,
а затем
уже
со зна¬
конструирование электронных установок
правильнее
и
от понимания к
дело не простое и не
варительно нужно укрепить
А человеку
то
и
фундамент,
разумнее идти вторым пу¬
действию. Но
знакомство с
быстрое, тем более что пред¬
вспомнить основы
электротехни¬
терпится, хочется побыстрее заняться делом сверлить,
паять, налаживать, побыстрее сделать что-нибудь такое, что само поет,
ки.
не
-
играет, мигает лампочками. Хочется
побыстрее
нажать на педали и дви¬
в
нуться путь.
С учетом всех
этих «хочется» и
«нужно»
книга
построена так,
некий, если можно так сказать,
что
допус¬
гибридный путь радиолюбительство.
конструкций выделено несколь¬
ни
на есть начинающего радиолюбителя,
ко, рассчитанных на самого что
на того, кто в части радиоэлектроники находится на нулевой отметке3.
Описания этих схем и конструкций сделаны достаточно подробно, в опи¬
сания введены сведения о
работе схемы, о назначении некоторых ее дета¬
кает
Из
всего множества
практических
в
схем и
Одним словом, все рассчитано на то, чтобы эти конструкции можно
было сделать еще до знакомства с теоретическими разделами книги или
параллельно с изучением основ электроники, в какой-то степени сочетая
лей.
таким
образом то, что нужно,
и то, что хочется.
5. Основной текст книги посвящен основам электроники и некоторым
конкретным ее направлениям. Одно только есть предостережение: не хо¬
телось
бы, чтобы первые успехи в сборке простейших схем передвинули на
второй план знакомство с основами электротехники и электроники, созда¬
ли иллюзию, что с этим делом можно подождать или даже
тись
без
него.
Если
известного или
3
вы не хотите
бросать работу,
К числу таких «нулевых
но
11,
но и остальные
разгадывание
неисправность в схеме,
понапрасну терять время
отчаявшись найти
конструкций» относятся практические примеры из
потребуют лишь минимальной подготовки.
примеры
вообще обой¬
на
глав
4, 9, 10
и частич-
ГЛАВА 1.
23
Предисловие-путеводитель
дело одной минуты, если вы не хотите повторять
чужие ошибки и слепо копировать посредственную схему, когда есть де¬
сятки способов улучшить ее, одним словом, если вы не хотите блуждать в
обнаружить
когда
потемках по
но стать
ее
-
путаным дорогам страны
«знай
и
Электронии,
вашим девизом долж¬
умей».
Можно прекрасно
собрать велосипед, не зная теоретической
механики,
и успешно пилить дрова, не зная теории резания древесины. Но успехи в
области практической электроники в принципе невозможны без опреде¬
фундамента. Теория это сконцентрированный
опыт миллионов,
собранные, приведенные в систему правильные реше¬
это молние¬
ния, отброшенные в сторону бессчетные ошибки. Теория
ленного
-
теоретического
-
носные мысленные
эксперименты
вместо долгих и
дорогостоящих опы¬
бесконечного
быстрый выбор правильного
перебора и гадания. Теория это кратчайший путь к нужному
практическому результату. Прекрасно сказал великий итальянский физик
Энрико Ферми: «Нет ничего практичнее хорошей теории».
В этой книге весь теоретический материал разбит на 18 глав. Первые
тов «в металле»,
ответа вместо
слепого
-
десять посвящены основам электротехники, радиотехники, электроники,
это
для того, чтобы построить прочное здание
фундамент, необходимый
знаний и
умений.
В каждой
разделов,
новной
на
главе
есть
они имеют
некоторое
количество
сквозную нумерацию
текст книги, тот, что назван
теорию
по
сравнительно небольших
всей книге. Конечно же, ос¬
«теоретическим»,
в истинном высоком смысле этого слова,
формулами, охватывающую
данной темой. Основной текст книги
математическими
связанных с
по возможности
теории; теорией
не очень-то похож
теорию, насыщенную
весь комплекс
предельно
упрощенный
-
это очень
пересказ некоторых
его можно называть только
вопросов,
краткий
и
элементов
условно.
6.
Рисунки, поясняющие основной текст, имеют свою собственную ну¬
мерацию в каждой главе. На рисунке может быть несколько фрагментов
номерами, на них и дается ссылка в тексте. Так, например,
рис. 5.1; 2 означает «фрагмент номер 2 на рис. 1 в главе 5» (в данном
с отдельными
ссылка
примере это иллюстрация к понятию северного и южного полюсов маг¬
нита).
7. Книга написана
сделать самый важный шаг
мим
разных языках, освоить их значит
электронику. Внимательно наблюдая за са¬
на нескольких
в
собой, нетрудно убедиться,
думать: «Я иду
что мы мыслим словами.
-
Стоит
вам по¬
школу»,
глубине звучат неслышимые слова «я
Английский
мальчик о том же самом
и-ду шко-лу».
подумает так: «Ай
тзе
мальчик: «Их гее ин ди
немецкий
гоу ту
скул»,
шуле».
Каждый человек думает словами, думает на том языке, на котором гово¬
рит. Или скажем иначе: человек говорит на том языке, на котором мыслит.
в
в
-
и где-то в
24
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
И не
случайно преподаватели иностранных языков считают, что вы только
тогда
по-настоящему изучили язык, когда
как и на своем
Но
родном.
вот шахматист, автоматически сделав несколько
мывается над сложной
словами,
он
начали мыслить на нем так же,
слышит неслышимые:
пойдет на
Нет,
по-ле
фер-зя,
мо-е-го
позицией. Неужели
и
«Если
я
на-па-ду
время думает
ко-нем на его сло-на, то
заб-рав мо-ю пеш-ку, по-па-дет под у-дар
вэ-че-ты-ре и,
тог-да...»?
конечно же, шахматист не
ного языка.
Он думает
думает звучащими словами разговор¬
другом языке, на специфическом языке
совсем на
шахмат, оперирует в своем
ходов, комбинаций. Точно
сознании готовыми
машину,
деталей, их
типичные
червячной передачи.
тексты, тоже
символами и
которого
а
в нашем
-
по
явлений. И
в
нашей вычис¬
мере
состоит из записанных в память слов,
(Пока
мир,
картин,
никто не знает, как вводятся в мозг или
существуют:
то ли это
комби¬
комбинации молекул
комбинации электрических или химических
возбужденных нервных клеток,
то ли
и
того как мы познаем этот
извлекаются эти записи, в каком виде они
молекуле,
мыслит математическими
мелодиями, аккордами, ритма-
мир вещей
мозгу,
которая
элементов их взаимосвязи.
или атомов в
сложную
конкретных
скажем, зацепление шестерен или
композитор
огромный мир,
его модель,
образы
в
так же, как математик, читая свои математические
действиями,
Нас окружает
всматриваясь
-
обходится без разговорного языка,
лительной машине,
строится
взаимодействия,
И
образами фигур, позиций,
так же, как механик,
мыслит на своем языке, «слова»
нации
первых ходов, заду¬
же и он в это
то ли
в клетке
сигналов.)
Самое универсальное средство для
наш
-
модели
описания
мира, для построения
его
разговорный язык. Но для некоторых фрагментов этой мо¬
устройство машин, шахматы, музыка, электронная аппа¬
дели, таких как
ратура, химические соединения, существуют и специальные языки, более
более оперативные
удобные,
такое
экономные.
Здесь
быть уместно
может
сравнение: универсальный автомобиль для перевозки грузов
перевозки
песка
ревозки молока
звучащих
в
-
-
автоцистерна. Мы пользуемся универсальным
языком
слов или осваиваем новые языки в зависимости от того,
школу»,
что
нужно
устройство
заниматься
ко новых языков.
описать
во втором
электроникой,
Прежде
-
-
какую
простую житейскую ситуацию
машины или состав вещества.
удобен разговорный язык,
химических
формул.
чае
Чтобы
это
бортами, на нем можно перевозить все. Но для
удобнее самосвал, для перевозки людей автобус, для пе¬
удобнее всего рассказать о процессах, которые
происходят электронном приборе. Еще язык спектров, который лучше
всего описывает важнейшие
преобразования электрического сигнала, это¬
го главного
героя электронных схем. Очень удобен и язык математических
формул, он, в частности, помогает экономно и наглядно представить важ¬
с его помощью
в
нейшие законы электрических цепей.
Чтобы знать электронику, нужно прежде всего знать эти специальные
объеме,
языки, пусть не в очень большом
бодно
мыслить на них,
мыслить на языке схем,
Освоение
формул.
будем постепенно,
математических
целей,
ней
к
мы
шагом чувствуя себя
но знать очень
уверенней
этих языков
-
хорошо,
сво¬
графиков, простейших
одна из главных наших
шаг за шагом продвигаться, с каждым
свободней
и
в
сложном
мире электро¬
ники.
8. Многое
и,
может
в книге излагается
быть, даже
слишком
упрощенно,
а кое-что очень
упрощенно. Один известный
упрощенно
астрофизик,
своей работе, заметил, что ему, наверное, никогда не уда¬
лось бы успешно развивать свою науку, если бы он постоянно представ¬
лял себе чудовищные космические расстояния или гигантские интервалы
рассказывая
о
Работая, он думал
масштабами, оперировал образами, крайне упрощенными,
времени, которыми измеряются космические события.
совсем иными
такими, которые легко себе представить.
но зато
удобными,
Солнце
он мысленно
А иногда
своего
и
нашу
Галактику
считал
рода плоскому солнцу,
лактики.
-
прием
как
Ну,
скажем,
некий шар с диаметром 10 см.
однородным телом, приравнивал ее к
Галактике десятки миллиардов звезд,
хотя в
миллиардов раз меньше Га¬
и
об
рассказе
электронике электронных приборах такой
упрощение истинной картины, изменение масштабов, использо¬
похожих на наше
вание
представлял себе
В
Солнце,
а само оно в тысячи
нашем
образов
искаженных, но более
встречаться очень часто. Иногда
можно было
проще обдумывать
удобных
для
обдумывания
это делается для того,
чтобы
-
будет
читателю
сложные
процессы, а иногда для того,
чтобы автору было легче их объяснить. Мы будем, например, представлять
себе атомные ядра и даже сами атомы маленькими шариками, этакими
горошинами
или маковыми
шие системы,
зернышками,
собранные
невообразимо малы.
Мы будем часто пользоваться
из множества
в то
время
как все это
разнообразных
сложней¬
частей, размеры
которых
ромагнитные процессы
заряд конденсатора
с наполнением
ними чисто внешнее,
вершенно разная.
аналогиями,
физическая
сравнивая, например,
(переменный
ведра), в то время как
с механическими
сущность
элект¬
ток с качелями или
сходство
этих похожих
между
процессов
со¬
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
26
Примечание редактора. Неточное утверждение. Приведенные автором примеры
(скажем, сравнение переменного тока с качелями), как и многие другие подобные
аналогии, как раз показывают, что физическая сущность у разных по видимости
процессов одинаковая. Причем именно колебательные процессы есть самая яркая
иллюстрация этого положения: гармонические колебания маятника и процессы
в колебательном контуре; звонок механического будильника и релаксационные
генераторы на различных элементах (см. главу 11); самопроизвольные пульсации
жидкости в трубах
физика
и
самовозбуждение усилителей
-
все эти явления сточки зрения
являются одними и теми же процессами и описываются одними и теми же
уравнениями. Автор прав в том, что
глубинная сущность у них одна и та
они относятся к разным
же
областям физики,
как правило, это процессы
-
но
преобразова¬
различной форме.
ния энергии в
Мы
наконец, пользоваться привычными житейскими словами,
чтобы рассказать о сложных электрических явлениях,
например,
будем,
употреблять
такие
выражения,
как
«электроны
будем,
быстро побежали»,
или
старается
нарастанию тока», или даже «атом¬
ное
не хочет
ядро
отпускать электроны». Подобные выражения в тексте
встречаются настолько часто, что пришлось даже отказаться от спаситель¬
ных кавычек, иначе
страницы текста просто пестрили бы кавычками.
«магнитное поле
Все
помешать
чтобы
это делается только для того,
сложных и
непривычных
чить познание нового,
в
терминах
пользуясь самым, пожалуй,
сравнением, сопоставлением,
для того, чтобы
и символов,
выпускать
необходимых
достаточно строгого описания сути дела.
механическими моделями
ми,
было думать о вещах
чтобы облег¬
сильным
связыванием с тем, что
по возможности не
количество слов
можно
знакомых и понятных,
уже
на эти
средством
известно.
-
И еще
страницы огромное
для достаточно аккуратного,
Встречаясь
электронных схем,
в тексте с
с искаженными
грубыми
масштаба¬
с сильно
упрощенными процессами или структурами, с разного рода
«прыжками» электронов или «стараниями» магнитных полей, нужно
необходимая
помнить, что все это лишь военная хитрость,
крепостей непонятного.
И
ской сложности
более
9. В
книге
-
это не
что
упрощенное
чем
последовательность
сказ шел от
к
простого
упрощенное
изложения
сложному,
или о
рее,
физиче¬
описание.
чтобы рас¬
неизвестному. Но
выбрана такой,
понадобится нарушить эту
что какие-то
разделы ему уже
после¬
известны
каком-нибудь приборе, о какой-нибудь схеме хочется узнать побыст¬
«вне
очереди».
Краткое,
лов текста
ред
Хотя бы потому,
для штурма
какой-либо
от известного к
вполне может оказаться, что читателю
довательность.
описание
правильнее даже
приводится
основным
сказать
сверхкраткое содержание всех разде¬
раздела (жирным шрифтом, пе¬
в начале каждого
текстом).
Эти краткие резюме мо1ут быть
полезны и в том
случае, когда нужно повторить пройденное, чтобы двинуться дальше.
ГЛАВА 1.
Предисловие-путеводитель
27
10. Книга должна помочь вам сделать первые шаги в электронику и
создать фундамент знаний для дальнейшей самостоятельной работы.
вершинам любительского конструирования электронных прибо¬
ров, конечно, не просто. И дело это не быстрое. Однако же и путь от про¬
стейшего генератора прямоугольных импульсов к сложным электронным
Выйти
к
схемам,
к
усилителям
электронным
роботам
многие тысячи
лать
первые
высококачественного
-
путь
этот вполне
людей. Хочется верить,
шаги на
важные слагаемые
его
прошли уже
что эта книжка поможет вам сде¬
фундамен¬
приобрести практическую хватку. А это есть самые
пути
тальными знаниями и
звучания, электрогитарам,
преодолим,
в
электронику,
поможет запастись
дальнейшего успешного продвижения вперед.
ГЛАВА 2
Встреча
с
1.
Мир,
электричеством
котором мы живем, устроен намного сложнее, чем это кажет¬
первого взгляда. Если раздобыть где-нибудь машину времени, прое¬
ся с
в
прошлое и побеседовать с тамошним жителем, то
картину мира довольно-таки простую. В ней будет твер¬
хаться на ней в далекое
он
вам
нарисует
дый потолок-небосвод,
котором закреплены тлеющие угольки-звезды,
на
будут мельчайшие частицы вещества пылинки, разделить которые, раз¬
дробить уже невозможно, будет трение, рождающее огонь, и холод, пре¬
вращающий воду в лед, будет огромный шар-костер, который каждый
день перекатывается по небосводу от одного его края до другого. И еще
будут некоторые твердо установленные истины, по нынешней терминоло¬
гии
законы
природы. Например, такие: «дерево, пожираемое огнем, дает
-
-
тепло»,
земле:
«в воде
дерево
не тонет, а камень тонет», «всякое тело
тяжелый камень, легкий лист, мягкая
все падает на землю, тянется к
Не торопитесь,
пожалуйста,
капля и
стремится
пушистая
снежинка
к
-
ней по своей собственной воле».
выводить своему далекому предку
двойку
природоведению. Таким же, наверное, виделось бы окружающее любо¬
му из нас, если бы он вырос где-нибудь на необитаемом острове, без паро¬
по
вого отопления и
«Юный
техник».
необученного
был
шариковых ручек, без
А потом,
был
если
не таким
вдуматься,
уж скудным,
«Гастроном» и журнала
запас знаний человека
и в школе
природы
древнего,
он никогда не
в числе отстающих.
Великая мастерица
-
эволюция
-
им лучшим творением Человеком и
ментами познания
пературы
мира.
Зрение,
долго и тщательно
работала
над сво¬
снабдила его изумительными инстру¬
слух, обоняние, осязание, датчики тем¬
анализаторы вкуса и, наконец,
и давления, тонкие химические
изумительный компьютер
ном
магазинов
вещей
многообразии
работая
тысячелетия,
и
и
мозг
-
все это
наблюдая, замерзая
хиями, голодом и хищным
Человеку мир в огром¬
который длился
обжигаясь, в борьбе со сти¬
открыло
явлений. На школьном уроке,
и
зверьем, твердо усвоил Человек такие
понятия,
«быстрый» «медленный», «тяжелый» и «легкий», «теплый», «холод¬
ный», «далекий», «большой», «горький». В плоть и кровь человеческую во¬
как
шли
и
представления
о плотности вещества и
скорости движения,
о массе,
ГЛАВА 2. Встреча с электричеством
29
словом, важнейшие представления о
-
размерах, времени, температуре
мире, в котором нашим предкам приходилось жить и
Никакой
житель планеты не имел столь
другой
И
все-таки...
И
все-таки это
телем лесов и
делец
всего лишь диким
обита¬
плодов, охотником, имевшим в своем
собирателем
Эту
арсенале только палку и камень.
современный человек,
тем, что знает
за жизнь.
детальной картины мира.
была картина мира, созданная
пещер,
бороться
картину,
конечно же, не
пассажир реактивного
сравнишь
лайнера
с
и вла¬
карманного плеера, исследователь живой клетки, строитель небо¬
скребов,
атомных
2. Человечество
реакторов,
не
космических
кораблей.
быстро и не легко выясняло, как что устроено в при¬
роде. Сначала,
наверное, лишь одинокие смельчаки решались перейти по¬
рог дозволенного, пытались увидеть больше, чем хочет показать природа.
Эти безвестные академики сделали немало великих открытий и изобрете¬
ний, таких, скажем,
как
рычаг, колесо, ориентировка
И еще одно, наверное
лие.
давать
самое великое,
знания потомкам, с тем
чтобы
-
по звездам, земледе¬
школа: человек
научился пере¬
они не начинали все с самого начала,
нуля», а могли бы пользоваться уже достигнутым. И идти дальше.
В далекой, уже невидимой древности начались бои на огромном фронте
линия этого
познания мира. Было время
фронта, линия, отделяющая
«с
-
знание от неизвестности, продвигалась вперед очень медленно.
челетия
уходили
на то,
чтобы
понять
какую-нибудь
простую,
Века,
как
тыся¬
сейчас
задачи, которые приходилось решать древним мыслите¬
лям и исследователям, были для них столь же мучительно трудными, как и
кажется, истину
-
современные научные
вой
победой,
проблемы для ученых наших дней. Но с каждой но¬
с их новым
открытием росли
силы
наступающей армии,
зна¬
добывать
знание, все быстрее шли вперед передовые части
человечество
восхищенное
уже
рукоплещет глубоким проры¬
вам в тайны жизни, в
глубины вещества и просторы Вселенной, фантасти¬
ческим
успехам химии, медицины, астрофизики, энергетики, блистатель¬
ние помогало
науки. И
ным
вот
научным победам последних столетий,
только наше
В
миропонимание,
но и сам
так сильно изменившим не
образ нашей
жизни.
науке встречается интересный при¬
популярных
ем, помогающий почувствовать темпы человеческого прогресса в разные
времена. Авторы сжимают масштаб времени в тридцать миллионов раз,
книгах о
нескольких
так что
каждый
год прошлого превращается в секунду. Вот как располага¬
ются некоторые события на такой сжатой шкале времени.
Примерно сто пятьдесят лет назад в неприметном уголке огромной Все¬
ленной
из газопылевого
облака, окружавшего звезду Солнце, образовалась
цепочка планет, и в их числе
а еще
через десять
Мирового
на
-
наша
Земля. Лет двадцать Земля остывала,
некоторых участках
ее
поверхности
океана начались сложные химические
процессы
в теплых водах
с
образованием
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
30
больших молекул, началась предыстория жизни. Около ста лет назад по¬
явились первые примитивные живые клетки, а затем много десятилетий
они
совершенствовались, специализировались, объединялись в много¬
организмы. Лет десять-двенадцать назад появились рыбы и па¬
клеточные
динозавры, которые, правда, уже через год ис¬
Немногим более четырех лет назад в небо поднялись
пять лет назад
поротники,
чезли с лица земли.
-
первые птицы, примерно через год начали появляться млекопитающие.
И только месяц прошел с тех пор, как из царства животных выделился
человек.
3.
Электрическая сила похожа на силу тяжести, но имеет совсем другую
природу. Если бы мы захотели отметить на нашей сжатой шкале времени
научные открытия, пусть даже не все,
спектр». «Строение белка».
Из всего этого множества черточек-отметок
как-то
несколько
нужно было бы
или
их
скажем
сделать
подлиннее
выделить,
нарисовать другим
цветом. Это были бы отметки, соответствующие особо важным открыти¬
ям, суперважным. Открытиям совершенно новых для человека, принци¬
свойств окружающего мира.
Вы подняли с земли небольшой камушек,
пиально новых
камушек падает вниз,
мы живем,
-
все тела
тянется к земле.
это явление мы называем
ем.
Откуда
все тот же
Один
из
предметов
тяжести»,
к
разжали ладонь,
Так устроен мир,
и
в
котором
другу, стремятся сблизиться, и
гравитацией, гравитационным взаимодействи¬
берется? Почему действует
оно
-
Почему?
притягиваются друг
а затем
именно так, а не
иначе? Ответ
так
устроен мир...
примеров гравитационного взаимодействия
-
притягивание
к земле, то, что в нашем сознании связывается со словами «сила
притяжение». Железный шар тянется к земле
деревянный, большой сильнее, чем маленький. Характе¬
«вес»,
сильнее, чем
«земное
-
ристика какого-либо
тела, которая показывает, насколько
сильно, насколько активно это тело участвует в гравитационных взаимо¬
действиях,
физического
называется его массой.
железный или
деревянный шар,
Чем
сильнее
физическое тело
капля воды, планета
-
-
камень,
тянется к
другому
под
действием
сил,
тем,
гравитационных
говорим мы,
физическому телу
больше масса этого тела. А можно сказать так: чем больше массы взаимо¬
действующих
именно
тел, тем сильнее их гравитационное притяжение.
поэтому
такими легкими
чувствуют себя
космонавты на
Кстати,
Луне:
ее
ГЛАВА 2.
Встреча
с электричеством
масса меньше, чем масса
Земли,
31
и
Луна
тянет к
себе
в несколько
раз
сла¬
бее.
С
гравитацией
был Чело¬
человек познакомился тогда, когда он еще не
ней, считаем ее совершенно естественной и чуть ли
не единственной силой,
которая правит миром.
Но вот около двух с половиной тысяч лет назад древнегреческий фило¬
веком.
соф
Мы привыкли
и исследователь
гравитации
есть
к
природы Фалес Милетский впервые отмечает,
могучий
соперник, ранее
Обнаружилось, что если натереть
притягивает
ем
к
себе
своей тяжести,
легкие
силы
шерстью янтарную палочку,
от
что
у
людей.
то палочка
скажем клочки ткани. Под действи¬
действием гравитационного притяжения к
предметы,
то есть под
земле, эти клочки ткани должны
преодолевая
скрывавшийся
ловко
были бы падать, двигаться
гравитации, упрямо поднимаются вверх
вниз.
А они,
(рис. 2.1).
Рис. 2.1. Электризация тел
О чем это
опыте с
говорить?
Только об одном
-
кроме гравитационных
притяжения, которые стремятся сблизить, стянуть в одно
массы, в мире существуют еще какие-то силы, которые в данном
сил, кроме
место две
могло
сил
натертой янтарной
Какова природа
палочкой
неизвестных
оказались сильнее
ранее сил?
Почему
гравитационных.
только после
янтаря у него появляются новые свойства?
Ответить на эти вопросы первые исследователи
натирания
не могли, они лишь за¬
фиксировали обнаруженный факт
новому явлению свое название
На
язык это слово можно было бы
«электричество».
перевести
русский
так:
«янтарничество». Потому, что «электричество» происходит от грече¬
и дали
ского слова
явление
с
«электрон», что означает «янтарь», и «электричеством» новое
было названо именно потому, что оно было обнаружено в опытах
янтарной
палочкой.
Опыты с натиранием янтаря
До
этих опытов
было
позволяют сделать очень важный вывод.
известно только одно основное свойство
-
материи
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
32
масса,
ся,
-
которое
предметы притягиваться друг к другу, двигать¬
янтарь показал, что наряду с массой у вещества
заставляло
работать. Натертый
быть еще одно работающее
может
основное
свойство,
дальнейшем ему
в
дали название
«электрический заряд». Почему электрический понятно.
Почему заряд? Трудно сказать... Может быть, тот, кто впервые ввел это по¬
нятие
электрический заряд, представлял себе, как, натирая янтарь, в
-
-
-
него вталкивают
некую невесомую электрическую массу, заряжают янтарь
электричеством, подобно тому как заряжали когда-то пушку, вталкивая в
нее стальное
ядро.
Кстати, электричество, электрический заряд
-
не единственное
принци¬
свойство материи, открытое пытливым человеком. Несколь¬
тысячелетий назад у некоторых металлических руд были обнаружены
пиально новое
ко
ни на что
тации
и
недавно,
не похожие магнитные
другое
электричества могут
уже
ных свойств
в нашем веке,
работать,
силы.
физические
хуже грави¬
тела.
И
Это
не
гравитация,
не
совсем
основ¬
электричество,
совершенно самостоятельно, при¬
небольших расстояниях. Именно они каким-то своим
Действуют ядерньге
чем только на очень
двигать
не
открыт еще один совершенно новый сорт
материи: ядерньге
не магнетизм.
свойства, которые
силы
собственным способом
стягивают
расталкивающие друг друга составные
А
потом
ядра.
открыли еще одно фундаментальное свойст¬
их назвали слабыми, хотя
во
особых
сил
действуют
материи, еще один вид
эти слабые силы во много раз сильнее, чем гравитация.
вон
Вот так-то... Все было просто, была одна гравитация, а теперь
части атомного
-
-
сколько
открылось
основных свойств
материи.
Мир
намного сложнее, чем
человеку, который, подобно своему доисторическому предку,
лишь то, что видно с
первого взгляда...
кажется
дит
Нужно,
правда, отметить,
что
физика
современная
ви¬
пытается, в каком-то
смысле, упростить открывавшуюся ей сложную картину мира: в современ¬
ной физике господствует представление о единой природе, о «великом
объединении»
всех известных сил
гравитационных. Могучие
чтобы
выявить
силы
-
сильных,
теории
и
слабых, электромагнитных,
эксперимента направлены
Причем
на то,
есть
на этом
уже огром¬
пути
объединившая
подкреплена
теория,
экспериментально
электромагнитные и слабые силы в единое, как его называют, электрослабое взаимодействие.
Но вернемся, однако, от этой высокой физики к делам простым и прак¬
эту единую природу.
ное достижение
-
тически важным.
Электричество
А
гравитация
в чем-то очень похожи, и
работают они
по
Гравитационное притяжение тем сильнее, чем
взаимодействующие массы; электрическое чем больше заряды.
очень похожим
больше
и
правилам.
-
раздвигать взаимодействующие тела, увеличить расстояние меж¬
резко ослабевают
электричество и гравитация
ду ними, то обе силы
если
-
(рис. 2.2).
-
ГЛАВА 2. Встреча с электричеством
Рис. 2.2.
Гравитационное
и
33
электрическое взаимодействия
чтобы почувствовать реальность таких понятий, как «грави¬
тация», «масса», «сила тяжести», не нужно раскрывать учебник физики.
Достаточно положить его на ладонь. Мы непосредственно воспринимаем
Для
того
массу, ощущаем ее, чувствуем массу
несем из магазина,
массуупавшего
конечно,
не
на
поверить,
тие
ногу
лишь
мы
привыкали
к
ней
в
нашей
воображения
В
него
Электрический
миллионы лет.
сталкиваемся ежедневно всего около ста лет.
уже играет
массу покупки, которую
камня.
почувствуешь, в реальность электричества
проделав специальные опыты. К тому же масса
ощупь
привычное,
своего тела,
на
жизни
нужно
А
с
заряд,
можно
-
поня¬
электричеством
Но электричество сегодня
такую важную роль, что силой мысли, силой
ему достойное место в своей картине мира.
отвести
нужно неотвратимо поверить,
к
нему нужно привыкнуть.
Нужно
привыкнуть...
4.
бывает двух видов, двух сортов: положительное и
В
отрицательное.
результате гравитационного взаимодействия физичес¬
Электричество
кие тела только
притягиваются,
пока еще никто не
тации, то есть расталкивания двух масс.
в
природе существует
масса только одного
масс
ской точностью
-
наблюдал антиграви¬
можно сделать вывод, что
сорта
и что одинаковые массы
притягиваются. Одинаковость,
колоссальной,
установлена
просто-таки фантастиче¬
до миллионных долей миллионной доли процента. Но
взаимодействуют только так
однотипность
Отсюда
-
они взаимно
с
факт существования только одного сорта массы настолько важен, что физи¬
планируют еще более точную его проверку. В отличие от массы, элект¬
ричество бывает двух разных сортов, и в этом может убедиться каждый,
проделав простейшие опыты с натиранием стеклянной и пластмассовой
ки
Поначалу может показаться, что электричество всегда действует
(рис. 2.1), но, передавая заряды с натертых палочек двум легким
можно
шарикам,
убедиться, что в разных случаях они ведут себя по-разному (рис. 2.2; 2). Шарики, получившие электрический заряд разных сортов
(разноименно заряженные), притягиваются, одинаковых сортов (одно¬
именно
заряженные) отталкиваются. Если бы электричество было толь¬
палочек.
одинаково
-
ко одного
сорта,
то
взаимодействие зарядов всегда было бы одинаковым:
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
34
наэлектризованные предметы либо только притягивались
бы, либо только
отталкивались.
Два разных сорта электричества нужно было
«электричество сорта А»
и
сортам, понравились другие слова,
имя этим
электричества
назвать,
«минус»). В данном
скажем
кто давал
и он назвал два
(сокращенное
положительным
отрицательным («-»,
как-то
«электричество сорта Б». Однако тому,
разных сорта
обозначение «+», «плюс») и
привычный для нас смысл
случае
этих слов не имеет никакого значения, и ни в коем случае не нужно думать,
что положительное электричество чем-то лучше отрицательного, как, ска¬
жем, положительный литературный герой или положительный пример.
Электрический
заряд, который назвали положительным, появляется у
стекла,
натертого
отрицательный у натертой пластмассы. Попробуем
такой
мысленный
провести
эксперимент: будем ломать, распиливать, кро¬
-
шить наэлектризованные стекло и пластмассу, чтобы найти в них самые
маленькие порции электрического заряда.
мельчайшая частица данного вещества. Мысленный
эксперимент, кроме всего прочего, хорош тем, что любая трудная работа
5.
Молекула
-
здесь идет легко и
быстро.
Вот
у нас уже появились сначала маленькие
кусочки наэлектризованного вещества, затем очень маленькие и, наконец,
их
самые маленькие частички стекла и пластмассы
молекулы. Можно,
и
-
конечно,
и эти
молекулы, например молекулы стекла, разделить
ные части, но то, что
при
по-видимому, уместно
разделить
на
-
лучиться,
дом
лей
будет
Представьте себе,
получится, уже
такое
районы город.
это один дом,
сравнение.
Самый маленький
не
на состав¬
стеклом.
Здесь,
что вам
нужно
район, который
может по¬
молекула большого города. Можно, конечно, и
вряд ли какую-нибудь из строительных дета¬
разобрать
будет назвать районом города.
по частям, но
можно
Получив молекулы
из них
а
этом
стекла и пластмассы, мы
обладают электрическими свойствами,
обладают. Остается предположить, что электрический заряд
наэлектризованы,
другие
не
обнаружим, что некоторые
то есть
молекулы, ее электрические свойства связаны с какой-то еще более мелкой
частицей, которая или входит, или не входит в молекулу. И если входит, то
делает ее наэлектризованной. Чтобы проверить эту гипотезу, продолжим
свой мысленный эксперимент и разделим наэлектризованную молекулу
на составные части.
Подобно тому
ков
-
как
современный дом
состоит из отдельных типовых бло¬
перекрытий, лестничных пролетов,
стеновых
панелей,
-
подобно это¬
му молекула любого вещества состоит из типовых блоков вещества ато¬
мов. Всего сегодня известно
чуть больше сотни основных типов различных
-
атомов,
их называют химическими элементами.
В молекулу могут входить
разные атомы и в самой разной пропорции, они могут по-разному соединяться друг с другом, образовывать различные пространственные
самые
ГЛАВА 2. Встреча с электричеством
35
конструкции. И из сравнительно небольшого количества элементов
сотня
-
это тоже немного, но
ется еще
реально
в
(хотя
строительстве молекул использу¬
самых
разных веществ. Так же,
меньше) образуются миллиарды
как из одинаковых
строительных деталей строятся
самые
разнообразные
здания. Разные сочетания разных атомов дают воздух и воду, мрамор и
зеленый лист винограда, соль и сахар, стекло и пластмассу.
свой мысленный эксперимент
Продолжив
лы подопытных веществ
среди
атомов попадаются, как
брать
говорится, наэлектризованные
и ненаэлект-
как в поисках
и
мельчайших
частичек
электрического заряда разо¬
на части сам атом.
Планетарная
модель
атома
щаются электроны. Слово
лимый». Это
в
-
без него, то
электрическим зарядом
электрически нейтральные. И после этого нам не останется ничего
другого,
6.
и
атомы с
ризованные экземпляры,
есть
разобрав на части молеку¬
мы
пластмассы,
обнаружим, что и
стекла и
-
-
ядро,
массивное
«атом» в
с
переводе
вокруг которого вра¬
греческого
означает «неде¬
название появилось очень давно, когда о настоящих атомах,
современном
понимании этого слова, никто и
представления
не имел.
Просто считалось, что всякое вещество можно дробить на части до тех пор,
получатся мельчайшие невидимые пылинки, которые дальше уже
пока не
разделить
нельзя.
Невозможно. Вот
гаемые неделимые, пылинки
название «атом»
эти гипотетические, то есть
предпола¬
и называли атомами.
древние греки
Позднее
не гипотетическим, а
к частицам
перешло
уже
совершен¬
реальным, к тем самым основным блокам, из которых, как было уста¬
новлено, строятся разные вещества. Еще какие-нибудь полтора века назад
некоторые ученые считали эти блоки неделимыми и с чистой совестью
но
И
называли их атомами.
только в начале
XX
века
было установлено, что,
неделимый
и состоит из множества
собой
представляет
сложную машину
разнообразных деталей.
Склеенная из пластмассы модель самолета или даже летающая его мо¬
атом нельзя называть атомом, что атом не есть
строго говоря,
блок,
он
дель лишь в
на
борт
можно
новных
Одна
небольшой
сотни
пассажиров. Но
вместе
деталей,
о том, для чего эти детали
правдоподобных моделей
систему, и ее
ной модели
-
воздушный лайнер, берущий
с тем,
рассматривая эти модели,
об устройстве их ос¬
много важного о настоящих самолетах,
узнать
из
степени похожа на
так и называют
-
основная деталь
сосредоточена
нашу Солнечную
«планетарная модель». В центре планетар¬
атома, его ядро, массивный шар, в котором
почти вся атомная масса.
кие и легкие
нужны.
атома похожа на
Вокруг
ядра вращаются
малень¬
чем-то напоминая планеты,
-
шарики
электроны,
вращаю¬
щиеся вокруг Солнца (рис. 2.3). Такая картина очень наглядна, ее легко
себе представить, но, конечно же, планетарная модель
это
упрощение,
-
искажение истины
(см.
гл.
1; 8). Она
похожа на
настоящий
атом, наверное,
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
36
не
больше,
чем
электроны
загадочные
на
самолет-игрушка
настоящий «Ту»
или
«Ил». Скажем,
это совсем не
шарики-пылинки, а некоторые во многом еще
сгустки материи, которые ведут себя не только как частицы, но
-
И двигаются электроны не по спокойным круговым орбитам,
или Земля
вокруг Солнца. Электроны как бы размазаны в про¬
и как волны.
как
Венера
сферам вокруг ядра, образуют вокруг него так
оболочки.
И само ядро
тоже не
бильярдный
электронные
шар. Это огромный (по атомным масштабам, разумеется) бурлящий ко¬
тел, в котором никогда не прекращаются самые удивительные преобразо¬
по
странстве, распределены
называемые
вания и
-
перестройки, непрерывно идут сложные превращения вещества
энергии, рождаются
и
умирают частицы.
Рис. 2.3.
И
и
Планетарная
модель атома
планетарная модель, несмотря на все ее недостатки, помогает
правильно объяснить многие важные процессы в атоме, многие
все же
просто
и
особенности
ные
его
глубины
-
щую
конструкции. Именно поэтому
мы
именно
начнем
с
действующую
-
свое
путешествие
в атом¬
что
построим упрощенную действую¬
планетарную модель самого простого из
того,
известных атомов.
Привяжите
модель готова
коробке,
к спичечной
(рис. 2.3; 1).
Ваша рука
в
раскрутите
ее
вокруг руки,
и
ней играет роль атомного ядра,
роль электрона. Но чью же
нитка
нитка?
если
Ведь
оборвется, то короб¬
случае играет
в
силы
действием центробежной
улетит
сторону, без нитки наш
вращающаяся
роль
нитку
на нитке спичечная
коробка
-
в таком
ка под
«атом»
существовать
не может.
А
в настоящем атоме нет
которая связывала бы ядро с электроном,
шается, электрон
с
никакой нитки,
и вместе с тем атом не
огромной скоростью (миллионы оборотов
вращается вокруг ядра
и
никуда
не
улетает. Что
его
держит?
в
разру¬
секунду)
Какая
сила
ГЛАВА 2. Встреча с электричеством
Ъ7
привязывает, притягивает вращающийся электрон
ему оторваться, улететь? Это делает электричество.
7. В атомных частицах
-
электроне
и
к
ядру,
не позволяет
хранятся мельчайшие
установлено, что любой
-
протоне
Точными
порции электрических зарядов.
электрон обладает некоторым отрицательным электрическим зарядом,
то есть
зарядом того же самого сорта, который был обнаружен у пласт¬
массовой палочки.
Электрический
заряд
обязательное, непременное
есть
непременное, как масса. У всех электронов
так же, скажем, как одинакова масса
одинаков,
заряд
у всех
свойство электрона,
электрический
опытами
такое же
пятаков.
Теперь
что
и
ядро
заглянем в
ядро. Если
состоит из
протонов. И те,
и
крепко
-
другие
из них почти в две тысячи
-
электрон
или
копейка,
то
раз больше
-
рическими свойствами
то можно считать,
-
двух сортов
нейтронов
или
массы
электрона
нейтрон
каждой
(рис. 2.3; 8):
если
-
двухкилограммовая гиря
водой. Различаются ядерные части¬
всего тем, что
прежде
нейтрон в электрическом
наполненная
нейтрон и протон
отношении
нейтрален (отсюда
-
цы
упрощений,
довольно тяжелые частицы, масса
протон
двухлитровая банка,
бояться
не
склеенных частиц
он не
и его
название),
обладает,
а
то есть никакими элект¬
у протона
есть положительный
электрический
заряд.
Подведем некоторые итоги. Электрон на орбите, протон в ядре. Обе час¬
тицы от природы обладают электрическими свойствами. У электрона от¬
рицательный электрический заряд, «минус», у протона
-
положительный,
«плюс»...
Теперь
уже, наверное, понятно, почему
настоящем атоме делают то, что в
вращающийся
гивают
к
электрические
ядру. У протонов
силы в
-
притя¬
и
у электронов разно¬
именные
электрические заряды, и силы их электрического взаимодействия
стараются стянуть, сблизить эти частицы.
Еще
электрон
именно
нашей модели делала нитка,
одна интересная особенность: у электрона и у протона заряды хотя
и разного сорта, но равны по величине, по
зать,
действующей
силе.
Массы у
двухлитровая банка воды,
свойства одинаковые. Это тоже
ка и
Если расположить
и на таком же
силы
будут
-
своей,
этих частиц
а
если можно так ска¬
разные,
вспомните: копей¬
электрические заряды, электрические
быть доказано точными опытами.
может
некотором расстоянии один от другого два протона
расстоянии один от другого два электрона, то электрические
на
расталкивать протоны (все правильно
отталкиваются)
с такой же
силой,
как и
электроны
-
одноименные заряды
(рис. 2.3; 4).
недавно, в середине семидесятых годов, начала активно
и
развиваться
получать экспериментальное подтверждение
Сравнительно
физическая
теория,
рону
которой такие частицы, как протон и нейтрон (к элект¬
относится), состоят из еще более «мелких» деталей кварков.
согласно
это не
-
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
38
У кварков
1/3
лять
электрический заряд
или
2/3
меньше, чем у протона, и может состав¬
порции электричества, которую имеет протон.
Причем заряд кварков может быть как положительным, так и отрицатель¬
ным. Однако
теория предсказывает, что сами кварки выделить из прото¬
нов или
от той
других частиц
и
в «чистом виде» невозможно, а может
получить
быть,
даже принципиально невозможно. Придравшись
считать, так же как считалось до появления кварковых
к
этому,
теорий,
жительный
малые
заряд протона и отрицательный заряд электрона это самые
порции электричества, которые можно обнаружить в природе.
-
8. Атомы разных
нов в
ядре
химических элементов
и
электронов
атома, построенная нами,
-
руки,
бите
будем
мы
что поло¬
это модель атома
различаются
числом
прото¬
орбитах. Простейшая планетарная модель
спичечная
коробка, которая вращается вокруг
на
-
водорода. В его ядре один протон (+), а на ор¬
Бывают атомы водорода, в которые входят еще
-
один электрон (-).
нейтроны (это так называемые изотопы тяжелый водород, дейтерий, с
одним нейтроном и сверхтяжелый водород, тритий, с двумя), но мы нейт¬
-
и
-
роны
во внимание
принимать
не
будем. Потому,
них нет и на
ральные, электрического заряда у
что это частицы нейт¬
электрические свойства
атомов они не влияют.
Следующий по сложности атом гелия. В его ядре уже два протона, а
на
орбите два электрона (нейтроны мы опять-таки не принимаем во вни¬
-
-
мание, хотя они есть и
три протона
и
три электрона, у
-
пять,
у гелия,
углерода
у
всех
от
другого
существует 92 разных сорта
92 химических
более
бериллия
шесть и шесть, азота
элемент отличается
то есть
и
-
(с
и
четыре
атомов).
четыре,
семь и семь и т. д.
числом
атомов
сложных
-
протонов
числом
в
протонов
лития
бора
Один
-
-
пять и
химический
ядре. Всего
в
У
ядре
в
природе
1 до
от
элемента, а с
-
92),
око¬
учетом полученных искусственно
115. У разных элементов разная способность вступать в химические ре¬
акции, соединяться в молекулы. На это и обратили внимание химики еще
ло
в те
времена, когда
о
строении
атомов ничего не знали.
химические свойства элементов,
жил их в
как
определенном порядке
таблица Менделеева. А
Дмитрий
в
таблице, которая всему миру
протонов
в
в атомном
этой таблице
ядре
известна
потом, спустя много лет, оказалось, что поря¬
док следования элементов в менделеевской
-
Проанализировав
Иванович Менделеев располо¬
чем
таблице определяется
больше протонов,
тем
числом
более далекое
место
занимает элемент.
Электроны вращаются вокруг ядра по разным орбитам. Некоторые из
орбит находятся поближе к ядру, другие подальше от него, третьи совсем
далеко. Все электронные орбиты сгруппировываются в несколько слоев,
-
несколько, как принято говорить, электронных оболочек. В первом, са¬
мом близком к ядру слое только две орбиты, два вращающихся электро¬
в
на
(исключение
-
атом
водорода, у которого
всего один
электрон),
во вто¬
ГЛАВА 2. Встреча с электричеством
39
ром слое может быть уже до восьми
орбит,
в
-
третьем
до восемнадцати.
На всех наших рисунках электронная оболочка показана в виде одного
круга или эллипса, по которому вращаются все электроны. Это, конечно,
грубое
упрощение, одно
ние в гл.
потому
няются
1; 8. Особое
наружный
что именно с помощью своих внешних
друг
с
другом,
образуя молекулы.
лочками атома нам еще
слов о
которым было посвящено предупрежде¬
из тех,
значение имеет
другой
внешними
ион и
орбит,
атомы соеди¬
электронов
электронными обо¬
предстоят интересные встречи,
важной особенности
9. Положительный
С
слой электронных
а
сейчас
несколько
конструкций.
атомных
отрицательный
ион
-
атомы, у которых на¬
Обнаружив электронах и протонах
мельчайшие порции электричества, мы можем теперь объяснить, как по¬
являются
электрические свойства у более крупных «предметов» у атомов,
в
рушено электрическое равновесие.
-
у молекул. И у натертых палочек из пластмассы и стекла. В нормальном
своем состоянии любой атом
электрически нейтрален число протонов в
-
его
ядре
и число
электронов
на
орбитах одинаково.
ный положительный заряд атома, и его
как
бы
нейтрализуют друг друга,
рические свойства вообще
нейтральных атомов,
нет (рис. 2.4).
не
же каким-то
электрон,
то
суммарный отрицательный заряд
и за
пределами атома никакие его элект¬
ощущаются. Вещество, состоящее из таких
само тоже
нейтрально, электрического заряда у него
Рис. 2.4. Атомы
Если
способом удалить
и ионы
с
атомной
общий заряд электронов будет уже
протонов.
И такой
А значит,
будет обладать
А при этом и суммар¬
атом в целом
орбиты
хотя
меньше, чем
будет обладать положительным
положительным
зарядом
и
бы один
общий заряд
зарядом.
молекула, куда
вхо¬
наэлектризованный атом, и в итоге вещество, в которое входит
наэлектризованная молекула. У натертой стеклянной палочки положи¬
дит этот
тельный
заряд
появляется именно
говоря, выдираем электроны
ностном слое стекла.
потому,
что
из многих атомов,
при натирании мы,
расположенных
в
грубо
поверх¬
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
40
Можно при натирании
каким-то
способом втолкнуть
электрон, у некоторых веществ ему найдется местечко на
атома
ся
электронов окажется больше, чем протонов в ядре,
отрицательный заряд.
включившей
в
себя
В
лишний
орбите. У такого
а значит, появит¬
отрицательный заряд будет у молекулы,
у вещества, куда входит наэлектризован¬
можно объяснить появление
отрицательного
итоге
этот атом, и
молекула. Именно так
электрического заряда у натертой пластмассовой
ная
В заключение остается
зависимости от их
в атом
назвать имена,
электрического
палочки.
которые присваивают
атомам в
состояния.
Нормальный атом, такой, у которого число протонов и число электро¬
нов одинаково и который поэтому во внешнем мире никак не проявляет
своих
электрических свойств,
достающими
называют
нейтральным
электронами (или, другими словами,
называют положительным ионом
-
в целом
с
атомом.
Атом
избытком
с не¬
протонов)
такой атом ведет себя
как час¬
тица, имеющая чистый положительный заряд. Атом с избытком электро¬
нов ведет себя как частица с чистым
отрицательным зарядом, и такой атом
называют
10.
отрицательным
ионом.
бы
С давних пор
люди стремятся умножить силу своих мускулов, выполнять работу боль¬
шую, чем могли бы по своим природным способностям. Стремятся они
к
этому не просто так, не ради спортивного интереса, а для того, что¬
бы улучшить свои жизненные условия, чтобы жить лучше, чем предна¬
Электрические
чертано дикой
силы могли
природой.
работать
В разные времена
в машинах.
человек
приспособил
себе
в
энергию падающей воды, ветра, рас¬
ширяющегося пара, взрывающихся бензиновых паров. И конечно же, не
помощники домашних животных,
мог он оставить в
бездействии такую прекрасную работающую силу,
электричество.
Уже простейшие
опыты с
натиранием
стекла и пластмассы
как
говорят
о
электричество может работать, ну, скажем, перемещать какие-то
Или
грузы.
приводить в движение машины, подобно тому, например, как
гравитационные силы вращают жернова водяной мельницы. В принципе,
том, что
значительно больше, чем ра¬
ботоспособность гравитации. Если стеклянную и пластмассовую палочки
размером с карандаш расположить на расстоянии метра, то под действием
гравитационных сил они будут притягиваться одна к другой, как и любые
работоспособность электричества огромна,
две
массы.
меньше,
эти
Но
сила этого
притяжения будет в миллиарды миллиардов раз
комарика. А вот если наэлектризовать
чем сила самого чахлого
палочки-карандаши, уменьшить
стекле и
увеличить
на один
такой силой,
что
процент
процент число электронов
тите внимание: всего на один
с
на один
процент!
-
то палочки
смогут сдвинуть с места
миллиарда миллиардов груженых вагонов!
число
электронов
в пластмассе
будут
-
в
обра¬
притягиваться
железнодорожный
состав из
ГЛАВА 2. Встреча с электричеством
41
Вы хотите спросить, почему же в наших опытах электрических сил едва
хватало на то, чтобы подтянуть вверх легкие бумажки? Только потому, что
натиранием
мы
небольшого
числа атомов.
И
сумели нарушить электрическое равновесие лишь у очень
все же в использовании
пути
машин с
менных
большими
электрических
электрической энергии
сильно
техника не пошла по
наэлектризованными деталями. В совре¬
установках всех типов работают детали,
машинах и
наэлектризованные самой
природой,
-
мельчайшие частицы вещества,
с
которыми мы встретились на нашей экскурсии в мир атомов и молекул.
А конкретно в современных электрических машинах всех типов работают
электроны, положительные и отрицательные ионы. Главным образом
электроны.
-
ГЛАВА 3
Завод,
где
работают
электроны
1. В некоторых веществах электроны и ионы могут находиться в сво¬
бодном состоянии. Есть хорошая французская поговорка: «Для того что¬
бы сделать рагу из зайца, нужно, как минимум, иметь зайца». По анало¬
гии можно сказать: для того чтобы заставить ионы и
электроны работать в
электрических машинах, нужно,
как
минимум,
иметь ионы и
электроны.
свободном
состоянии, чтобы можно было эти микро¬
скопические детали перемещать, двигать и тем самым заставить их выпол¬
Причем
иметь их в
нять какую-то
работу.
Повседневный опыт
приучил нас, что твердые тела и жидкости имеют
плотную, непрерывную структуру. А вместе с тем структура у них, если
можно так сказать,
вода, бумага, мрамор,
ажурная. Любое вещество
сталь
больше напоминает редкую волейбольную сетку, чем плотный клу¬
-
-
бок
ва
Мы,
конечно, не можем увидеть эту ажурность, сетчатость, но
физическими исследованиями установлено, что сгустки вещест¬
ниток.
точными
находятся друг от друга на расстояниях,
во много раз превышающих размеры этих частиц. Так, скажем, если пред¬
положить, что атомное ядро имеет размеры
мяча, то для со¬
-
атомные
ядра
и
-
электроны
футбольного
блюдения
мяча на
истинных
пропорций нужно представить себе,
расстояниях
размером
соседними
в
сотни и тысячи
горошину. А
с
все остальное
атомами в этом
масштабе
как
вокруг
этого
метров (!) вращаются электроны
-
пустота.
совсем
Ну,
а
расстояния между
-
уже огромны
это десятки и
километров!
Ажурные атомные
сотни
конструкции, огромные пространства между атома¬
особенность
первая
строения вещества, которую важно знать кон¬
структорам электрических заводов, где будут работать электроны.
А вот вторая.
ми
-
вот
В любом веществе всегда найдется некоторое
рявших электроны
закреплены
в
в
со своих внешних
определенных
прочный каркас.
точках
В жидкостях
орбит.
количество атомов, поте¬
В твердом
пространства,
атомы связаны
теле атомы как
связаны
друг
слабее, могут
с
бы
другом
смещаться,
ГЛАВА 3. Завод, где работают электроны
43
поэтому жидкость «мягкая», она легко изгибается, течет. Во всех
случаях
совершают какие-то небольшие движения, колеблются, по¬
шатываются, причем тем сильнее, чем выше температура вещества. Толь¬
ко
при абсолютном нуле, при температуре 0 градусов по шкале Кельвина
именно
атомы
(О °К,
или
-273,16 °С; получить такую температуру пока никому не удалось,
хотя подошли к
ней очень близко
остались десятые доли
-
градуса),
соб¬
В процессе этих хаоти¬
колебаний атомы, грубо говоря, сбра¬
ственные хаотические движения атомов затихают.
ческих, как их называют, тепловых
сывают
некоторые
внешние
слабее других привязаны
из атомов
электроны
пространстве,
было бы
шин
они
к
электроны, те,
что сильно
нему электрическими
беспорядочно
свободны,
и эти
использовать в качестве
удалены
силами.
1; 8)
свободные электроны
слоняются
(см.
гл.
от
ядра
и
Вырвавшиеся
в межатомном
вполне можно
движущихся деталей электрических
ма¬
(рис. 3.1; 3).
Рис. 3.1.
Запомним, в
перь перейдем
Поведение зарядов
в различных телах
твердом веществе могут быть свободные электроны. А
те¬
к жидкостям и газам.
Атом, потерявший
один или несколько электронов,
-
это положитель¬
ный ион. В
костях и
твердых телах такие положительные ионы неподвижны, в жид¬
особенно в газах они могут двигаться. Кроме того, в жидкостях и
газах могут появиться подвижные отрицательные ионы атомы, в
которые
попал лишний электрон. Таким образом, в жидкостях и газах может быть
-
сразу три
типа
работающих деталей
-
свободные
положительные ионы,
свободные отрицательные
свободные электроны
(рис. 3.1; 4).
Итак, в веществе существуют свободные электрические заряды. И есть
свободное пространство, где они могут двигаться. Теперь попробуем вы¬
ионы и, как всегда, еще
яснить,
какую пользу можно получить
заряды могут выполнять.
от такого движения
зарядов, какую
работу эти
2.
свободные электроны (ионы) могут создавать тепло и
свет, участвовать в транспортировке вещества. Если бить молотом по
куску железа, то оба они сильно нагреются: энергия движущегося молота в
Движущиеся
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
44
процессе удара превращается в тепло. По той же причине
выбрасываемый пескоструйным
песчинок,
быстрый поток
попав на
аппаратом,
ную плиту, не только очищает ее, но еще и нагревает.
Если в каком-либо веществе создать поток электронов
или
гранит¬
свободных
ионов, то, сталкиваясь с атомами вещества и друг с другом, эти движущие¬
ся частицы
нагревать вещество удар всегда удар. Тепловое действие,
будут
-
первая профессия движущихся зарядов (рис. 3.2; 1,2). Вторая
профессия излучение света. Если хорошо разогнать свободные заря¬
ды, то они будут ударять по атомам вещества с такой силой, что те начнут
нагревание
-
их
-
светиться, как, скажем,
светится сильно
Рис. 3.2.
нагретый кусок железа.
«Профессии» электрических зарядов
Примечание редактора. Автор говорит об электрическом свете на примере ламп
накаливания, которые по принципу устройства мало чем отличаются от электро¬
нагревательных приборов. В настоящее время лампы накаливания уже почти вытес¬
нены из практики: в них определяющая часть энергии расходуется на бесполезное
нагревание
окружающей среды (причем
настолько интенсивное, что может при¬
во времена первого издания книг автора в 1960-1970-е
годы, широко применялись источники электрического света на иных принципах:
люминесцентные лампы, которые намного экономичнее. В то время они были не¬
водить к
пожарам). Уже
-
-
достаточно совершенными
и в
быту применялись редко, но
часто использовались
производственных помещений и улиц. Сейчас и люминесцентные
света постепенно вытесняются еще более экономичными и не содержа¬
для освещения
источники
щими вредных веществ светодиодными источниками на основе полупроводников.
Однако во всех разновидностях электроосветительных приборов эффект излуче¬
ния света
обусловлен
все тем же движением зарядов, хотя и разными
физическими
механизмами, лежащими в его основе.
И еще одна
профессия движущихся зарядов. Создать поток ионов
означает создать поток вещества, ионы
что
у
них недостает
организовать
его
перебрасывая
меди,
никеля,
электронов
переброску
-
это ведь тоже атомы, а тот
или есть лишние
из одного
района
в
электроны,
-
это
факт,
не мешает
другой. Так, например,
растворов на поверхность какого-либо предмета ионы
хрома, серебра, золота, наносят на этот предмет тонкие
из
ГЛАВА 3. Завод, где работают электроны
металлические покрытия
ионов из
какого-либо вещества
тех или иных
Мы
(рис. 3.2; 3).
в
45
Или
раствор,
наоборот
-
если создать поток
можно очистить это вещество от
примесей.
пока еще, к сожалению, не готовы к
о
рассказу
главной
профессии
свободных электронов
умеют
работу, вращать диск электрофона, двигать диффузор
и ионов
тянуть электропоезда. И даже
зарядов
-
-
они еще
известная
выполнять
познакомиться с машинами и
нам
уже
тепло, свет, транспорт вещества
-
механическую
громкоговорителя,
продукция движущихся
чтобы
действием рентгеновского излучения. Количество свободных зарядов
сит также от
колебания
-
температуры
атомов и
нечно же, число
тем
больше
свободных зарядов
вещество, насколько
ядру,
чем она выше, тем интенсивнее
молекул,
крепко
спо¬
появлению
слетает с них
зави¬
собственные
электронов. И
ко¬
в веществе зависит от того, какое это
в его атомах внешние
И
электроны привязаны
к
вырваться
свободу.
iycro они расположены и долго ли сможет свободный
межатомном
пространстве, не подвергаясь опасности
насколько легко им
на
от того, насколько вели¬
ки атомы, насколько
электрон бродить в
наткнуться на свободное
очутиться на орбите.
Специалисты
электричеству привыкли делить все вещества на три
основные группы
проводники, полупроводники и диэлектрики (изоля¬
К
торы). проводникам относятся вещества, в которых свободных зарядов
очень много. Полупроводники
это те вещества, в
которых свободных
зарядов немного, но все же они есть. В диэлектриках свободных зарядов
место в атоме и вновь
по
-
-
очень мало, почти нет
(рис. 3.3).
Рис. 3.3. Проводники, полупроводники
и диэлектрики
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
46
В диэлектриках все электроны крепко связаны с ядром,
из
них
может
миллиардов
вырваться
на
жительный ион, один атом,
Теперь
свободу. Нужно
диэлектрика, чтобы
атомов
редко какой-то
и
пересмотреть миллиарды
отыскать
среди
упустивший какой-нибудь
них один поло¬
свой электрон.
о
проводниках.
К проводникам относятся все металлы. У них внешние электроны связа¬
ны с
ядром очень слабо и почти каждый атом превратился в положитель¬
ный ион, выпустил
электронов. В
пространство один
в межатомное
металлах так много
или даже несколько
свободных электронов,
что по отноше¬
нию к ним
применяют выражение «электронный газ».
Проводниками могут быть жидкости и газы. «Могут быть»
чае
понимать так: количество
нужно
газе)
свободных зарядов
в данном
в жидкости
слу¬
(или
в
зависит от того, какие вещества в ней
растворены, какие химические
дистиллированная вода это изолятор,
процессы происходят. Например,
свободных зарядов в ней очень мало. Но стоит
-
бросить
в
воду щепотку
соли, как она становится проводником соль растворяется, образует в воде
большое количество свободных положительных и отрицательных ионов.
-
О полупроводниках
умолчим. Это вещества
поговорим о них особо.
ром. Придет время,
Не требуется, по-видимому, пояснять,
лучше,
чем тонкая
струйка
могут
мы хотим
влечь к
выполнить
увидеть
делу
река
работает
свободных зарядов при прочих равных усло¬
большую работу,
чем малое их количество.
И
если
движущихся зарядов настоящую работу, нужно при¬
больше этих зарядов. А значит, нужно организо¬
как можно
вывать движение
а в
от
что полноводная
характе¬
воды из водопроводного крана. Точно так же
большое число движущихся
виях
со сложным
пока
и мы
свободных зарядов
не в
диэлектрике, где
их очень мало,
зарядов-работников огромное количество.
проводнике, где
4.
основные элементы электрической цепи.
Генератор и нагрузка
Завод, где работают свободные электроны или ионы, получил название
-
«электрическая цепь». Слово «цепь» в этом названии появилось потому,
что
заряды, как правило, последовательно, поочередно проходят по не¬
скольким цехам, нескольким
Какой бы сложной
участкам.
была электрическая цепь,
два основных участка, два главных цеха. В одном из
ни
в
ней обязательно есть
них
свободные заряды
получают энергию. Это генератор. На другом участке,
цехе
он
заряды отдают полученную энергию. Этот цех
в
другом
называют
главном
нагрузкой
-
отбирает у него энергию, использует ее для вы¬
работы. Так, например, в нагрузке свободные заряды
нагружает генератор,
полнения полезной
электроны
и ионы,
-
-
которые генератор
с «местными» атомами,
грузке выделяется
ударяют
тепло или свет
заставил двигаться, сталкиваются
по ним, и в
(рис. 3.4).
результате
этих
ударов
в на¬
ГЛАВА 3. Завод, где
работают
47
электроны
Рис. 3.4. Генератор
и
нагрузка
в
электрической
цепи
эти элементы входят в любую схему использо¬
нагрузка
энергии, в любое устройство, предназначенное для выполнения ка¬
Генератор
вания
и
-
работ. Возьмем,
ких-либо
-
к
солнце и ветер
примеру, водяную мельницу.
с
-
Могучие
испаряют воду
белые
облака и выплескивают обратно на
рают
прекрасные
в том числе на
горные вершины. С гор вода течет вниз, сливается
природы
ее в
быстрых рек. Так работает генератор,
энергией.
А
мельничное колесо
он создает потоки воды,
-
-
нагрузка
силы
поверхности земли, соби¬
эту энергию
землю,
в
русла
снабжает их
отбирает. Падаю¬
щая вода вращает колесо, оно приводит в движение жернова, и они выпол¬
няют нужную
перемалывают зерно.
работу
-
Две наэлектризованные
вот
уже
готов
-
зарядами
ионы, наши
заставляя их
мы для
начнется
(+)
мог
и пластмассовая
работать (вы уже,
краткости
называем
поток
проводником,
(принято
-
как в нем
(-)
-
бы двигать свободные
очевидно,
обратили
свободные электроны
микроскопические наэлектризованные детали). Стоит
соединить эти палочки
рический
стеклянная
-
простейший генератор, который
электрические заряды,
внимание
палочки
сразу
же появится элект¬
ток, очевидно, тоже для
говорить
упорядоченное движение свободных зарядов
и
только
с
краткости)
одной
-
палочки на
Проводник в этой системе играет роль нагрузки: проходя по нему,
заряды работают, выделяют, вырабатывают какое-то количество тепла.
А это значит, что наша цель достигнута, завод, где работают движущиеся
ДРУГУ10*
заряды, построен.
Давайте для определенности предположим,
что к
наэлектризованным
подключен именно металлический проводник
(на¬
(генератор)
и
как
наш завод
более
грузка), попробуем
подробно рассмотреть,
работает
и какими показателями
нужно оценивать его работу.
палочкам
5. Наряду с веществом существует и такая форма материи, как поле.
Этот небольшой раздел, пожалуй, самый сложный во всем нашем повест¬
вовании, и в значительной степени из-за него это повествование при¬
шлось
гал
начинать издалека.
устройство мира.
первого взгляда. И
С того,
что человек нелегко и
Что мир устроен
что
нужно уметь
непросто
намного сложнее, чем
считаться с
пости¬
кажется с
реальностью, какой бы
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
48
непривычной она ни казалась, уметь подчиняться неотвратимым аргумен¬
там опыта.
койной
Уметь ограждать себя
формулой
-
«так
Как конкретно, через
ские
заряды?
от
неверия и внутренних протестов
устроен этот мир...».
каких
спо¬
посредников взаимодействуют электриче¬
Как наэлектризованная
палочка тянет клочки
бумаги? Ведь
они находятся на значительном
расстоянии, непосредственно несоприка¬
саются. Не может же палочка действовать на
бумажки через Ничто, обяза¬
тельно должно
существовать Нечто, через которое один заряд тянет к себе
другой...
Проще
ют
было бы предположить,
заряды как-то взаимодейству¬
через вещество, которое находится между ними, в нашем примере че¬
всего
рез воздух.
мы,
Например,
электроны
передает
свою
тянут
или еще
или толкают
какие-нибудь
тягу последнему вагону через
безнадежно
отпадает
жуточного вещества нет,
силой, как и в воздухе. А это
-
это значит, что,
подобно тому,
все
ато¬
паровоз
вагоны.
промежуточные
безвоздушное пространство, и эта
значит...
кроме реальности «вещество»,
кали миллионы лет и
как
вакууме, в пустоте, где никакого проме¬
притягивает клочки бумаги с такой же
в
палочка
А
друг друга через молекулы,
частицы,
Но достаточно перенести эксперимент в
гипотеза
что
прекрасно
к
которому
мы
знаем все его свойства и повадки
привы¬
-
массу,
объем, геометрические формы, гравитационное притяжение, движение по
так вот, кроме вещества, кроме этой
инерции, плотность, температуру,
-
привычной реальности,
ная по
есть еще
совершенно иная, бестелесная, размазан¬
пространству реальность, которой
сознании.
Этой реальности, этой особой
не заготовлено место в нашем
форме
материи дано
название
«поле».
сортов. Во¬
круг электрического заряда существует электрическое поле, вокруг
магнитов, с которыми мы начнем подробно знакомиться очень скоро,
Поля бывают разные, разных,
существуют
магнитные поля,
окружает гравитационное
(рис.
3.5
и
можно так сказать,
каждую массу
поле.
взаимодействия на расстоянии
действие магнитов, притяжение
дов
если
И
-
именно
взаимное
-
протон, яблоко, планету
-
происходят все
притяжение масс, взаимо¬
через
поля
или отталкивание
электрических заря¬
3.6).
Рис. 3.5. Магнитное и гравитационное поля
ГЛАВА 3. Завод, где работают электроны
49
Рис. 3.6. Электрическое поле
6. В
цепи можно создать непрерывный ток,
движение свободных зарядов. Как только мы подключим
замкнутой электрической
упорядоченное
наэлектризованным палочкам (генератору) металлический проводник
(нагрузку), в этом проводнике сразу же начнется упорядоченное движе¬
ние свободных
электронов. Слово «упорядоченное» в данном случае долж¬
но
подчеркнуть, что речь идет не просто о движении электронов, а о том
движении, которое возникает под действием внешних электрических сил,
под действием электрических полей наэлектризованных палочек. Сво¬
к
бодные электроны никогда
не стоят на месте, они, как всегда,
непрерывно
рывки в разные стороны, рывки тем более
энергичные, чем выше температура проводника. Но под действием элект¬
рических сил электроны, кроме этих хаотических движений, непрерывно
смещаются в одном определенном направлении, и именно это смещение,
именно это
упорядоченное движение в одну сторону как раз и называется
совершают
свои хаотические
электрическим
током.
Нетрудно сообразить,
нашем
-
куда
будут
двигаться
проводнике
рядом (-) будет отталкивать электроны (-),
стеклянная
палочка
себе электроны (-),
электронов
много
(-),
к
свободные электроны
пластмассовая палочка своим
своим
положительным
в
за¬
отрицательным
уходить от нее,
(+)
зарядом
будет тянуть к
и они
будут
будут двигаться к ней. Таким образом, поток
будет направлен от того места, где их слишком
не хватает (+).
Короче, поток электронов будет
и они
в
проводнике
месту, где их
двигаться от пластмассовой палочки к
стеклянной,
от
к
«плюсу».
проходит некоторое время,
проводнике прекращается. Из¬
быточные, лишние электроны, которые как раз и создавали отрицатель¬
ный заряд пластмассовой палочки, уйдут из нее в проводник, а из него сво¬
Но
«минуса»
и ток в
вот
бодные электроны,
пустовавшие
в свою
там места
из-за нехватки
-
очередь, уйдут
в
стеклянную палочку
положительный заряд
электронов. В
и
займут
стекла появлялся именно
итоге все атомы пластмассы, отдав лишние
электроны, станут нейтральными, все положительные ионы стекла, полу¬
чив недостающие
электроны, станут нейтральными, и ток в проводнике
прекратится. Произойдет это все практически мгновенно, и ток в нагрузке
ничего
наработать не успеет.
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
50
Можно придумать
несколько типов
в отличие от наших палочек,
рые,
живать ток в
нагрузке. В
электрических генераторов, кото¬
могли бы длительное
время поддер¬
самом
простом
прерывную электризацию двух дисков
из них можно
-
производить
не¬
стеклянного и пластмассового,
(рис. 3.4; 3).
Теперь, как только с пластмассового диска в проводниках начнут уходить
избыточные электроны и отрицательный заряд диска начнет уменьшать¬
прижав
к ним для этого
куски шерсти
ся, прижатый кусок шерсти добавит
во
-
электронов
в
в этом-то и состоит
и шелка
пластмассу еще
процесс электризации пластмассы,
при натирании
в нее попадают лишние
шерсти. Точно
так же, когда из
в
стеклянный диск,
убирать
прижатый
-
электризация
из его атомов
электроны, выдираемые из атомов
проводника начнут поступать электроны
нему кусок шерсти
вырываются электроны
этому избыток
будет
стекла состоит именно в том, что
мет, то есть на кусок шерсти
(шелка).
эти
электроны
при натирании
переходят на натирающий пред¬
Казалось бы, что благодаря всему
и
электронов на дисках генератора будет все
проводнике, подключенном к такому генерато¬
и недостаток
время поддерживаться,
ру,
к
какое-то количест¬
и в
будет существовать непрерывный, непрекращающийся ток.
это только «казалось бы...».
Между электрическими зарядами
Но
электризованных дисков, кусков шерсти
и
на¬
свободных электронов, бегаю¬
щих по проводнику, существуют довольно сложные отношения, и они по¬
рой приводят к странным на первый взгляд результатам, которые, однако,
всегда объяснимы и справедливы. В электрической цепи неукоснительно
действуют железные законы хозрасчета, и всякое событие происходит или
происходит в зависимости от соотношения многих разных сил, высту¬
пающих «за» или «против».
Мы подключили к нашему дисковому генератору металлический про¬
водник-нагрузку, раскрутили диски, и по проводнику пошел ток. Однако,
не
мысленным
взором в проводник, мы увидим, что интенсив¬
движения
упорядоченного
электронов в нем постепенно снижается,
какое-то
тока
через
время
уже вообще нет. Почему? А потому, что через
проникнув
ность
и
некоторое время
на
куске шелка,
собирающем
диска, скопилось так много этих
шелк
электроны со стеклянного
одной новой частицы
что ни
электронов,
принять уже не может. Это легко понять
-
по
мере накопления
элект¬
ронов
отрицательный заряд (-) увеличивается,
каждому
новому электрону все труднее преодолеть отталкивающее действие этого
заряда, выйти из стекла в шелковую тряпку. Точно так же, по мере выдира¬
на шелке его
и
ния
ка
электронов из куска шерсти, примыкающего к пластмассе, у этого кус¬
будет все больший положительный заряд (+), и он со все возрастающей
силой
будет удерживать электроны (-), пытающиеся уйти в пластмассу.
Устранить эти неприятности и создать в проводнике-нагрузке непрерыв¬
ный
ток очень
зует стекло,
просто: соедините шерсть
и тот, что
и шелк
электризует пластмассу,
-
-
тот
кусок,
что
электри¬
еще одним проводником.
ГЛАВА 3. Завод, где работают электроны
51
По этому проводнику «сверхнормативные» электроны
с
куска
шелка
(-)
на
шерсть
(+),
будут
переходить
препятствие для
непрерывного движения зарядов по
а вместе с этим исчезнет
непрерывной электризации дисков
и
Теперь уже по замкнутой (рис. 3.4).
Электрическая цепь с генератором, который мы до сих пор применя¬
ли, имеет ряд особенностей, и детально разобраться в том, что происхо¬
дит в такой цепи, не очень просто. Трудности главным образом связаны с
цепи.
тем, что в
генераторе
(Электродами
и пластмассы.
мых
использованы
стекла
диэлектриков
самые
разные детали са¬
принято
называть
-
электронных приборов, в частности
которым приходят
которых уходят электрические заряды.)
пожалуй, нет смысла тратить время для знакомства с данным типом
разных электрических
детали, к
Нам,
из
электроды
машин и
или с
искусственно придуманного генератора,
которые
часто
на
встречаются
7. В аккумуляторах
и
а
лучше перейти
к
генераторам,
практике.
гальванических
элементах
для электризации
электродов используются химические реакции. Что требуется от генера¬
тора? Во-первых, требуется, чтобы на электродах генератора был избыток
электрических зарядов на одном электроде избыток отрицательных за¬
рядов (такой электрод называют отрицательным, или сокращенно «мину¬
сом»), на другом электроде избыток положительных зарядов (это поло¬
-
-
жительный электрод,
«плюс»). Во-вторых,
электроны будут уходить
нагрузки
на «плюс»,
с
нужно
по
мере
«минуса» генератора
каким-то
в
того
как
нагрузку
и
свободные
приходить
с
образом добавлять электроны в «ми¬
Одним
словом, нужно, чтобы в электродах
избыток
генератора поддерживался
электрических зарядов.
Чтобы накопить на электродах генератора избыточные ионы и электро¬
нус»
и
убирать
их из «плюса».
ны, чтобы создать на электродах заметный
суммарный заряд, нужно по¬
(-), который вы втолкнете в
работать. Первый
отрицательный электрод, будет препятствовать вталкиванию следующего
же
избыточный электрон
электрона (-):
ничего не поделаешь, одноименные
И
положительный
на
первый
(-) появится
же
нию
ион
в положительном
заряды
(+), который
будет
после
электроде,
отталкиваются.
удаления электро¬
препятствовать удале¬
следующих электронов (-): разноименные заряды, как всегда, притя¬
Нет, конечно же, избыточные заряды на электродах генератора
гиваются.
не появятся сами
собой, чтобы
ную энергию.
Это, в принципе,
может
Когда
вы
нужно затратить определен¬
быть энергия разных сортов
тепловая, энергия атомных
гия химических
накопить их,
излучений,
механическая
(рис. 3.7)
работа. А
-
световая,
еще энер¬
реакций.
отпускаете тетиву лука, выпускаете из него стрелу, то лук, точ¬
натянутая тетива, отдает свою энергию распад системы
нее его только что
на составные части
-
(лук-стрела)
сопровождается выделением энергии,
ее
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
52
уносит стрела. Когда в ведро с водой падает камешек, то появление новой
системы (камешек-вода), объединение этих двух только что еще разных
объектов, тоже сопровождается выделением энергии,
слабого звука, всплеска воды.
в частности в виде
Рис. 3.7. Источники электрической энергии
Выделением энергии сопровождаются
распад молекул
на части или
крупные молекулярные
химических веществ,
лука
и
объединение
системы.
Энергия
подобно тому
химические
превращения,
атомных комплексов в
запасена
в самой
как она запасена в
более
структуре
натянутой
тетиве
Химические реакции в генера¬
водой
запасы
энергии именно на то, чтобы непрерывно
или в поднятом над
камешке.
торе используют эти
ввозить электроны в
отрицательный
тельного.
То
есть для того,
чтобы
электрод
накапливать
и вывозить их из положи¬
электрические заряды
электродах.
Типичный химический генератор это хорошо всем
нический элемент (рис. 3.8, табл. 3.1). Он
получил свое
-
ни итальянского естествоиспытателя
двухсот
сами и
лет назад
обнаружил
электрическим
тов одинаково: два
знакомый гальва¬
название по име¬
Луиджи Гальвани, который
взаимосвязь
током.
Устройство
между
на
химическими
около
процес¬
всех гальванических элемен¬
вставленных в
электролит, в жидкость, где
раз
происходят основные химические реакции, которые в итоге
электризуют электроды. Различаются гальванические элементы самим
как
и
веществом
пом
электрода,
электродов
и
электролита и, следовательно, конкретным
ти¬
реакций.
В наиболее популярном марганцево-цинковом
элементе в качестве от¬
рицательного электрода, «минуса» (-), используется цинк (Zn), в качест¬
ве положительного, «плюса» (+),
порошкообразная двуокись марган¬
ца (Мп02), а электролитом служит раствор хлористого аммония (NH4C1).
Цинковый электрод (-) это чаще всего стаканчик, в который спрятана
вся «начинка» элемента.
Двуокись марганца (+) смешана с графитом и
-
-
ГЛАВА 3. Завод, где
соединена с внешним миром через
ошибке принимают
шеобразную
53
работают электроны
который часто по
электрод. Электролит входит в ка¬
соприкасается и с цинком (-), и с двуокисью
угольный
стержень,
за положительный
массу, которая
марганца (+).
Рис. 3.8. Химические (гальванические)
элементы
Процессы в гальваническом элементе в самом упрощенном виде можно
описать так. В
результате химических реакций между цинком и электро¬
литом из отрицательного электрода уходят положительные ионы цинка
(Zn++ атом с двумя недостающими электронами; их отбирает атом хло¬
ра, который уходит из NH4C1 и соединяется с Zn), и в электроде остаются
-
избыточные свободные электроны. Так на цинковом электроде образует¬
значительный отрицательный заряд «минус». Одновременно совсем
ся
другие
положительные ионы
стающим
электроном), которые
мопроизвольного
из
(NH4 молекулярный
химического
двуокиси марганца,
и
появляются в
распада,
заряд, «плюс».
Когда гальванический элемент никуда
родах
накапливается
этого химические
реакции
ческая
реакция
пока
нее хватит сил,
же
у
электролите
из-за его са¬
значительный положительный
не подключен, то на его элект¬
количество
некоторое
с одним недо¬
отбирают свободные электроны
нее появляется
у
блок
избыточных зарядов,
и после
прекращаются. Потому что хими¬
электрод заряды лишь до тех пор,
в основном
может вталкивать на
чтобы преодолеть отталкивающее действие
скопившихся на
электроде. Но
таких
как только к
химическому
зарядов, уже
и
в
начнется
то есть в ней
подключена
цепи
ток,
генератору будет
нагрузка
начнется движение электронов от цинка (-) к двуокиси марганца (+), то тут
же химические
реакции заработают, убирая с одного электрода положи¬
тельные ионы, а с
генератора будут
другого
-
свободные электроны. Одновременно внутри
пополняться запасы
«отбирателей»
зарядов
(С1
и
NH4),
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
54
причем именно
ли»
за счет химических
будут двигаться
со «своим»
зарядом
реакций (распад NH4C1). «Отбирате-
каждый к «своему» электроду и соединяться
(С1
-
с ионом цинка,
NH4
-
с
электроном).
реакции
тех
пор,
идти, до тех пор, пока хватит химического сырья,
будут
наш генератор будет работать, будет происходить электризация
дов, и они будут создавать ток во внешней цепи, в нагрузке.
пока эти
каждый
И до
электро¬
А когда запасы сырья кончатся или появятся какие-либо другие помехи
для химических
станет
тока
-
реакций,
то эти
реакции прекратятся, и генератор пере¬
быть генератором. Важная характеристика химического источника
его емкость
(рис. 3.9, табл. 3.1), она говорит о том, как долго этот
источник может создавать ток той или
теристику
будет нетрудно,
измерения
тока
иной величины. Понять эту харак¬
после того как мы познакомимся с единицами
(гл. 3; 10).
Рис. 3.9. Емкость химического элемента
Примечание редактора. Автор описал устройство простейшего марганец-цинкового гальванического элемента. Подобные элементы называются еще «солевыми»
(так как электролит в них
раствор соли, в данном случае хлористого аммония),
импортные элементы такого типа маркируются как «General purpose» (общего
-
назначения). Более распространены в настоящее время т. н. щелочные (alcaline)
марганец-цинковые элементы, они имеют большую емкость и срок хранения. По
принципу работы они мало чем отличаются от описанных автором солевых, толь¬
ко электролитом в них служит раствор щелочи, обычно гидроксида калия. Основ¬
ные характеристики современных типов гальванических элементов приведены
табл. 3.1.
Если
вы
частично
разберете негодный гальванический элемент,
разрушенный цинковый
стакан
-
то
в
увидите
в нем
часть цинка
уже израсходова¬
лась, ушла в электролит в виде положительных ионов. Это одна из причин
того, что элемент вышел из строя, разрядился. В этом отношении аккуму¬
ляторы выгодно отличаются от гальванических элементов разрядивший¬
-
ся
аккумулятор
можно вновь
зарядить,
источника.
При
кумулятор
вновь сможет создавать ток в
накачать его
этом восстановится состав
энергией
электродов
нагрузке
и
от
другого
электролита,
(рис. 3.8; 6).
ак¬
ГЛАВА 3. Завод, где
работают
55
электроны
Таблица 3.1. Некоторые разновидности одноразовых гальванических элементов
Обозначение (типоразмер)
Напря¬
жение, В
Размеры, мм
Примерная
Международное Отечественное,
(МЭК)*
(устар. ГОСТ)
Торговое
(ANSI)
4,5
1604
емкость,
мАч**
3R12, 5LR12
5556
62
22
6000
6LR6 (щелочная),
6F22 (солевая,
«Крона»
17,5
48
600
750***
-
9
Длина
Диаметр
(высота * (толщина),
мм
ширина), мм
литиевая)
1,5
AAA
R05, LR05, FR05
286
10.5
45
1200
1,5
АА
R6, LR6, FR6
516
14,5
50,5
2500
1,5
С
R14, LR14
545
26,2
50
7500
1,5
D
R20, LR20
575
54,2
61,8
15 00018 000
Добавление буквы
L означает щелочной элемент, F литиевый (литий-железо-дисульфидный
отсутствие этих букв означает простейший солевой элемент.
-
Li/FeS2),
**
Для щелочных
***
элементов.
Литиевый элемент 1604LC.
Главная, пожалуй, характеристика
впрочем,
и всех
других
источников
химических
источников
тока,
электрической энергии, говорит
как,
о том,
электродах происходит накопление избыточных
Чем
больше
силы,
зарядов.
которые производят электризацию электродов
(трение, химические реакции, тепло, свет), тем больше суммарный заряд,
насколько интенсивно на
который на
этих
выталкиваться
они
электродах
накопится.
свободные электроны
будут втягиваться
из
нагрузки
электродвижущей
ство с
8.
Тем,
в
нагрузку,
будут
тем сильнее
И тем, значит, энергичнее
электрический
этот показатель
силой генератора,
следовательно, сильнее
«минуса»
в «плюс».
дет движение электронов в нагрузке,
Эта характеристика,
с
бу¬
ток.
уровня электризации,
называется
и именно с нее мы начинаем знаком¬
конкретными характеристиками электрической цепи.
Электродвижущая сила (ЭДС),
ток и
сопротивление
-
важнейшие ха¬
рактеристики электрической цепи. Важнейшие характеристики грузово¬
го автомобиля:
грузоподъемность, размеры кузова, мощность двигателя,
максимальная
скорость, расход горючего, стоимость. Важнейшие харак¬
теристики водяной мельницы:
вода падает на мельничное
(высота, с которой
(количество воды, кото¬
высота подъема воды
колесо); расход
воды
рое падает на колесо в единицу времени, например в
вращения жерновов;
рабочая
поверхность жерновов; трение
ках водяного колеса, в подшипниках
-
производительность
секунду);
количество
жерновов
и
скорость
в подшипни¬
другие потери энергии;
зерна, перемалываемого
в час...
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
56
Важнейшие характеристики
движущая сила генератора,
щее сопротивление цепи...
электрической
сила тока в цепи,
цепи
(рис. 3.10)
электро¬
сопротивление нагрузки, об¬
Рис. 3.10. Важнейшие характеристики электрической
В
-
цепи
названиях двух
первых характеристик встречается слово «сила»,
однако в обоих случаях оно скорее литературное украшение, чем точ¬
ный физический термин. В
физике «сила» совершенно определенное,
точное понятие, она может быть точно
измерена, выражена точными
-
В повседневной речи
цифрами.
тот же
общий
значениях,
ют
смысл, однако
слово «сила» хотя и имеет всегда один и
употребляется
часто не имеющих ничего
физики.
в самых
общего
с
разных конкретных
«силой», как ее понима¬
Вспомните выражения «сильный дождь»,
«знание
-
сила»,
«вооруженные силы», «сильный ученик». В названии «электродвижущая
сила» слово «сила» тоже введено как бы для образа. Сама же электродви¬
жущая
сила
-
силу, а работу,
генератор, перемещая заряды по электриче¬
сокращенно ЭДС
которую может
ской цепи.
выполнить
-
показывает совсем не
Примечание редактора. Автор на протяжении всей этой главы и значительной час¬
следующей (вплоть до раздела гл. 4; 7) употребляет понятие «электродвижу¬
щая сила» вместо привычного «напряжения». Строго говоря, это более корректно,
ти
так как напряжение, по определению, есть всего лишь разность потенциалов на
определенном участке цепи, то
рохимических источников тока
есть только часть
(гальванических
общей ЭДС. Например, для
элементов,
элект¬
батареек) ЭДС равна
на их контактах, измеренному на холостом ходу, без подключения
нагрузки (см. также гл. 4; 9). Как только мы подключим нагрузку, часть ЭДС «сядет»
на внутреннем сопротивлении батарейки, и напряжение на контактах будет мень¬
ше величины ЭДС, причем потеря будет тем больше, чем более мощная нагрузка и
менее мощная батарейка (при этом величина ЭДС сама по себе остается прежней,
напряжению
см. рис.
4.10; 4
в
следующей главе). Так как вольтметр, подключенный к батарейке
потребляет ток, хоть и очень малый, то, вообще говоря, тео¬
на холостом ходу, тоже
ретическую величину
ЭДС данного
источника тока мы на практике точно измерить
ГЛАВА 3. Завод, где работают электроны
57
не можем. А даже если как-то исхитримся ее узнать, то все равно эта величина
практике важна именно та часть ЭДС, которая делает
полезную работу,
впустую теряется на нагрев батарейки. Именно поэтому в
инженерной практике, в отличие от науки физики, понятие электродвижущей силы
нам мало что даст
-
нам на
а не
употребляется
очень редко
-
вместо этого привыкли говорить о «напряжении ге¬
нератора», «напряжении гальванического элемента», подразумевая величину на
работы (см. рис. 4.10).
контактах, которую покажет вольтметр при данных условиях
Условия эти при необходимости могут уточняться
«под нагрузкой 1 Ом», «при токе в 0,5 А» и т. п.
отдельно
-
«на холостом ходу»,
Точно так же
автор именует все источники электрической энергии «генераторами»,
генератором в настоящее время понимается определенная конструкция
для преобразования тепловой или механической энергии в электрическую (по¬
хотя под
дробнее
тока»
см. гл.
5; 16), а
источники
(может уточняться
электрической энергии
переменного)
постоянного или
-
называют «источниками
или «источниками пита¬
ния».
Тем не менее
мы не сочли
необходимым нарушать авторский
замысел и сохранили
авторскую терминологию.
Перечисляя важнейшие характеристики водяной мельницы, мы назвали
высоту подъема воды. Это действительно важнейшая характеристика,
говорит
о том, насколько
работоспособна
она
поднятая плотиной вода: чем
с большей высоты падает вода на мельничное колесо, тем лучше оно ра¬
ботает. Ясно, что получение полезной
главная цель
сооружения
работы
мельничной плотины, подъема воды
ристики
на
-
высоту. А значит, вместо характе¬
было бы ввести другую
«высота подъема воды» вполне можно
-
характеристику
«вододвижущая
сила» или, точнее,
«работоспособность
одного литра воды», которая сразу давала бы конечный результат, показы¬
вала бы, какую работу может выполнить каждый литр воды, падающий с
плотины на мельничное колесо.
ной
что
Мы
же не стали пользоваться
этой
удоб¬
«работоспособностью» выбрали «высоту подъема» только потому,
эта
характеристика, по-видимому, более удобна для строителей мель¬
и
ничных плотин.
У любого электрического генератора одна задача
-
создавать ток в цепи,
но о том, насколько успешно он готов справиться с данной задачей, могли
бы рассказать разные характеристики генератора. Скажем, концентрация
избыточных зарядов на его электродах: чем больше эта концентрация, тем
энергичнее заряды движутся по цепи; сила электрического поля, которое
эти
электроды создают; энергия, которую получает каждый единичный
заряд каждый электрон при его выталкивании из «минуса» и втягивании
-
в «плюс».
Или,
что, по сути дела, то же самое,
работа,
которую каждый
(Это
электрон
совершить, двигаясь
рабо¬
тоспособность литра падающей воды.) Вот эта последняя характеристи¬
ка и
признана наиболее удобной, она очень точно показывает, насколько
может
хорошо генератор
по цепи.
может
справляться
очень похоже на
с главными своими
обязанностями:
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
58
выполнять
работу,
двигая заряды по
характеристика
ность
точнее
работоспособ¬
и называется
электродвижу¬
генератора,
он двигает по цепи,
-
зарядов, которые
щей силой генератора, или сокращенно ЭДС.
Чтобы иметь точное представление о величине
участке электрической цепи,
устраивают
в нем своего
подсчитывают, сколько
эту
цепи. И именно эта
электрической
работоспособность
-
тока
в
каком-нибудь
мысленно
этот
участок
перегораживают,
рода пограничный контрольный пункт. А затем
свободных электронов
или ионов
проходит через
воображаемую границу за единицу времени, скажем за секунду. И чем
больше зарядов
через «перегородку», тем, значит, интенсивнее
больше величина тока, больше (сильнее) ток. Чуть
пройдет
тем
зарядов,
забегая вперед, отметим,
движение
что величина тока зависит от
ЭДС генератора
-
большую энергию может передать генератор свободным зарядам, тем
быстрее они будут двигаться и тем большее количество зарядов включится
чем
в
ток.
электрический
Сопротивление,
и
характеристика
ление
Тем
всей цепи
в целом, и отдельных ее
участков.
-
Сопротив¬
характеристика, в которой учтено множество различных
процессов. Таких, например, как уход электронов с внешних ор¬
итоговая
-
сложных
бит некоторых атомов,
лекул,
сильнее этот ток.
или, как еще говорят, электрическое сопротивление,
или
собственные
или еще сложность атомов, из
в этом веществе
каких-либо
тепловые
которых
колебания
атомов и мо¬
состоит вещество, наличие
примесей. Просуммировав
все эти
факторы,
о том, насколько легко
характеристика «сопротивление» говорит
генерато¬
ру создавать ток в данном участке электрической цепи. Даже не вдаваясь
в
подробности, можно представить себе, что ток создается тем легче, чем
легче внешние
электроны покидают атом и чем больше этой свободной
рабочей силы блуждает в межатомном
тем легче, чем меньше
один
от
-
другого
размеры
в этом
пространстве. И еще
атома и чем дальше атомы
случае электрону
ток создается
расположены
легче двигаться в межатомном
пространстве.
Сопротивление, как говорит сам смысл этого слова, показывает, насколь¬
ко
данный участок
цепи или вся цепь в целом сопротивляются созданию
электрического тока. И чем меньше сопротивление какого-либо провод¬
ника, тем легче генератору создавать в нем ток, тем больше
будет этот ток
при прочих равных условиях.
Не кажется ли вам, что в нашем рассказе об электрической цепи слиш¬
ком часто
используются слова там, где должны быть цифры? Мы говорим
«много», «мало», «сильный», «слабый», «больше», «меньше», вместо того
чтобы точно сказать, сколько, на сколько, во сколько раз. Слова помогают
понять
суть дела, понять,
как
говорится, качественную сторону. Это
важно, но не всегда достаточно.
приема гостей,
но нельзя
Можно
прийти
понимать всю важность
в магазин и сказать:
«Продайте
очень
щедрого
мне, по¬
ГЛАВА 3. Завод, где работают электроны
много печенья и очень много
жалуйста,
назвать точные
ния
цифры
2
и
8
или
2
и
3
и
59
конфет».
Вместо
добавить
к ним единицы
этих слов
нужно
измере¬
-
«килограмма».
Если в своем путешествии
ставите
мир электротехники и электроники вы
перед собой практические задачи, скажем, изучение конкретных
приборов,
электронных
в
знакомство с
конкретными электронными уста¬
новками или даже самостоятельное изготовление
некоторых
из них, то
общих представлений об
следующий шаг
электрическом заряде, токе, ЭДС, сопротивлении перейти к их количест¬
вам
необходимо
-
сделать
от
венной оценке.
9.
ты
длины
Единица
джоуль,
-
секундах,
а
-
метр,
мощности
скорость
по известным пути
в
-
массы
в час, то
или
времени
килограмм,
силы
Если длину измерять
ватт.
километрах
и
-
путь
-
в
ньютон,
рабо¬
метрах, время
в
всякий раз, вычисляя скорость
по известным
времени
и
скорос¬
утомительный пересчет, перевод километров в
секунды. Особенно неудобны такие пересчеты, когда
ти, придется производить
или часов в
метры
одной задаче много разных характеристик, напри¬
сила,
мер мощность,
расстояние, скорость, время, работа, энергия.
Чтобы избежать лишних пересчетов, переводов одних единиц в дру¬
Для практических целей чаще всего употребляется система СИ
ма
интернациональная»,
кунда-ампер
чили так:
или иначе система
(рис. 3.11). Единица
МКСА
-
«систе¬
-
метр-килограмм-семетр. Его полу¬
длины в этой системе
-
измерили длину меридиана, который проходит через Париж,
ее на 40000000 равных частей и объявили: «Отныне отрезок,
разделили
равный одной сорокамиллионной парижского меридиана, будет служить
единицей при измерении длины
измерять
в
и называться
метром». Конечно, метром
громоздкие цифры получаются, если
метрах расстояние до Солнца или размеры атома. Поэтому
пользоваться не всегда
удобно
-
очень
было введено последовательное десятикратное уменьшение и увеличение
метра в 10,100,1000 и большее число раз. Из метра легко были получены
более
мелкие единички с
часть, мили
кило
-
в
-
приставками: деци
тысячная и т. д.
десятая часть, санти
И более крупные единицы
с
-
сотая
приставками
раз больше и т. д. Эти при¬
получить единицы более крупные и более мелкие,
тысячу раз больше,
ставки позволяют легко
-
мега
-
в миллион
в зависимости от того, что в данном
случае удобнее
(табл. 3.2).
60
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
Рис. 3.11. Международная система единиц СИ
Таблица 3.2. Кратные
и дольные
приставки
к единицам
измерения
Обозначение
Название
Величина
русское
международное
тера
Т
Т
1012
гига
Г
G
109
=
1 ООО ООО ООО
мега
м
М
106
=
1 ООО ООО
кило
к
к
105
=
1000
гекто
г
h
102
=
100
дека
да
da
10
деци
Д
d
ю1
=
санти
с
с
10-2
=
милли
м
m
микро
мк
М
нано
н
п
пико
п
Р
Примеры: 1
мкА (микроампер)
5 МГц (мегагерц)
=
од
0,01
10-5 0,001
10-6 0,000 001
10-9 0,000 ООО 001
1012 0,000 ООО ООО 001
=
=
=
=
106 А
=
0,000 001 А (ампера);
5-106 Гц 5 ООО ООО Гц (герц);
20 мВ (милливольт);
=
=
0,02 В (вольта)
3 мг (миллиграмма) 0,003 г (грамма);
0,05 м (метра) 5 см (сантиметров) 50 мм (миллиметров);
1 пФ (пикофарад)
1012 Ф (фсфад)
10'6 мкФ 0,000 001 мкФ
=
1 ООО ООО ООО ООО
=
=
=
=
=
=
10 ООО нф (нанофарад)
2 не (наносекунды)
=
=
10 мкФ (микрофарад);
210'9 с 0,000 ООО 002 с.
=
=
(микрофарада);
ГЛАВА 3. Завод, где работают электроны
Единица длины
масса
А
помогла
получить
(кубического дециметра)
литра
из единицы массы
ньютон, сила, с
получилась
61
и
единицу
берет
Ньютон
-
килограмм:
это
обычной воды при температуре 4 °С.
и единица силы для системы
которой притягивается
к
Земле
эта появилась из соотношения: 1
свое начало от земного
массы
масса в
силы
килограмм
ускорения 9,8 м/с2).
=
9,8
СИ
102 грамма
-
это
(цифра
ньютона; число
9,8
единица непривычная, долгие годы единица силы, или, что
это есть сила, с которой данное тело
более понятно, единица веса (вес
-
-
притягивается к
Земле),
-
килограмм.
массы,
была крупнее
Просто единицей
этой единице такое же название,
дали
неудобно:
очень
и называлась так же, как и единица
веса
какое
выбрали
вес
литра воды
было у единицы
массы.
и
Это
одинаково называть две совершенно разные единицы,
определяя две совершенно разные характеристики.
Приходилось каждый
раз слову «килограмм» давать пояснения, к чему он относится к массе
или к
весу. Так и говорили: «килограмм массы» или «килограмм силы».
В системе СИ такой путаницы быть не может, здесь для силы (веса) есть
-
к
своя
собственная единица. А
если вам
придется переводить килограммы
что
это примерно
запомнить,
килограмм
нетрудно
ньютон
100
веса.
примерно
граммов
веса в ньютоны, то
10 ньютонов,
а
-
-
Примечание редактора. Широкое применение килограмма силы вместо ньютона
обусловлено удобством оценки массы по величине ее веса на поверхности Зем¬
ли
-
в этом
случае
с
достаточной для практики
граммах или граммах
будет
точностью значение массы в кило¬
численно совпадать со значением веса в килограм¬
мах или, соответственно, граммах силы. Чтобы отличить «грамм силы» от «грамма
массы»,
первый сокращенно обозначают
или
большой буквой Г,
или
сокращением
(в стандартах предусмотрено и то, и другое обозначение). Поэтому правиль¬
но писать «вес медного цилиндра равен 5 кГ (кгс)», но «масса медного цилиндра
равна 5 кг», «удельный вес бензина 0,7 кГ/л (кгс/л)», но «удельная масса бензи¬
гс
на 0,7 кг/дм3», «атмосферное давление на уровне моря равно 1 кГ/см2 (кгс/см2)».
Аналогичное правило относится к тоннам массы (т) и тоннам силы (Т,тс). В старой
зарубежной литературе для килограмма силы иногда можно встретить устарев¬
его не надо путать с «килофунтом», хотя фунт
шее сокращение кр («килопонд»)
по-английски также произносится как «понд» {pound). Просто и фунт (сокращенно
lb для массы и Ibf- для силы), и «килопонд» произошли от одного и того же ла¬
тинского слова pondus (вес,тяжесть),однако фунте приставкой «кило» никогда не
употребляется, для больших величин в британско-американской системе мер есть
-
-
другие единицы измерения.
чуть раньше единица времени секунда получена как
суток, то есть времени одного оборота Земли вокруг своей
Разумеется, в наше время, когда секунды, метры, килограммы нужно
Промелькнувшая
1/86 400
оси.
часть
отмерять
с очень высокой точностью,
ми эталонами
Эталоны
пользуются
и
чрезвычайно
точны¬
времени, длины, массы и всех других физических величин.
берут из мира атомов, отсчитывая, например, время по
эти часто
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
62
очень
стабильному
дит
работы
1
сила в
в системе
-
ньютон на пути в
1 метр,
нужно выполнить, чтобы поднять
учета
веса
стакана).
Напомним,
возни¬
при переходе электрона с одной орбиты на другую.
СИ
джоуль. Это работа, которую произво¬
кающим, в частности,
Единица
электромагнитным колебаниям,
-
«маятнику»
на
высоту
Легко получается
это
то есть,
в
например,
1 метр
в системе
СИ
работа,
которую
полстакана воды
(без
и единица мощности.
работа,
которая выполняется за единицу вре¬
мени, например за секунду. Мощность характеристика очень важная как
для поставщиков, так и для потребителей энергии. Конечно, и общий объ¬
мощность
-
-
работы очень важен, но иногда нужно еще знать, насколько интенсивно
ведутся работы, сколько чего делается за определенное время, например
ем
за час или за
Когда
мы
1 джоуль,
тор. За
плохо.
говорим,
что
какой-то генератор может
выполнить
работу
в
чтобы представить себе такой генера¬
наработает этот джоуль? Если за секунду не¬
то этого еще недостаточно,
сколько
Если
работает
бота
секунду.
за
времени он
сотую долю секунды
энергичнее,
быстрее
-
-
еще лучше, это значит, что генератор
выполняет
данный объем
работ.
А
если
ра¬
1 джоуль
будет выполнена за месяц, то, значит, генератор работает
вяло.
слабо,
чрезвычайно
То же самое и в отношении потребителей энергии. Если, например, из¬
вестно, что в электрической лампочке ток выполняет работу в 1000 джоу¬
лей,
в
то вы не сможете
за сколько
времени
представить себе яркость лампочки,
выполняется эта
такая лампочка светит очень
бота
в
1000
джоулей
ярко,
растянута
на
работа.
Если
ее эквивалент
минуту,
-
за
пока не
-
секунду
тысяча свечей.
узнаете,
хорошо,
Если ра¬
то лампочка светит достаточно
тускло. Ну
лей, превращая электрическую энергию в свет,
скорее всего, как одинокий тлеющий уголек.
В системе СИ единица мощности ватт. Это
а если лампочка только за час выполняет
работу
в
1000 джоу¬
то светит такая лампочка,
работа в 1 джоуль, выпол¬
нарабатывает 1 джоуль за 2 секунды,
то мощность этого
генератора уже меньше всего 0,5 ватта. А если работа в
1 джоуль выполняется за 0,1 секунды, то, значит, генератор работает энер¬
-
ненная за
1 секунду. Если генератор
-
гичнее,
его мощность
10
ватт.
Как видите,
ра,
большую группу важных единиц мы получили, начав с мет¬
единицыдлины. Другую группу мы сейчас получим, начав с единицы
электрического заряда.
10. Единица электрического
заряда
-
кулон,
величины тока
-
ампер,
С метром дело было
электродвижущей
на 40000000, и
метр готов. А где
просто
отмерил меридиан, разделил
взять
единицу электрических свойств, электрического заряда? Как прак¬
силы
-
вольт, сопротивления
-
ом.
-
получить такой единичный
представить себе?
тически
заряд? Или,
по
крайней мере,
как его
ГЛАВА 3. Завод, где работают электроны
63
Единицу электрического заряда лучше всего взять в атоме. Там находятся
частицы, у которых
имеются самые минимальные
свойств, причем электрические свойства
всегда одинаковы, всегда стабильны.
заряд,
порции электрических
этих частиц, их
Вы,
электрический
конечно, вспомнили: это
протон, частица с минимальным положительным зарядом, и электрон,
частица с точно таким же по величине, но уже отрицательным зарядом
4; 7).
Заряд электрона (или,
(см.
также гл.
что количественно то же самое,
заряд
протона)
-
единица заряда. Но очень маленькая. Пользоваться ею на
было
бы так же неудобно, как, скажем, измерять в миллиметрах
практике
расстояние между планетами. Поэтому единица заряда выбрана значи¬
удобная
очень
тельно
более крупная
суммарному
запись
-
единицей признан электрический заряд, равный
6241516000000000000 электронов (сокращенная
-
заряду
6,24151 1018). Эта единица,
вобравшая в себя около 6 миллиардов
название
кулон.
Имея единицу заряда, легко ввести и другие недостающие нам элект¬
рические единицы. Единица силы тока (величины тока, тока)
ялшер
миллиардов зарядов электрона, получила
-
так:
если
-
сечение
проводника за одну
секунду проходит суммарный электрический заряд в 1 кулон, то ток в
таком проводнике
равен 1 амперу1. Теперь представим себе, что дви¬
жение
электронов проходит более вяло, и в результате за секунду через
получается
сечение
а
через поперечное
проводника проходит уже
не
а
кулон,
3 миллиарда миллиардов электронов
(или,
ардов миллиардов электронов проходит
за
2
полкулона,
то есть не
что то же самое,
секунды). В
этом
6
6,
милли¬
случае
ток
0,5 ампера.
Здесь уместно вспомнить,
в цепи
-
что в некоторых проводниках под действием
сил
электрических
движутся и создают ток не только свободные элект¬
но еще и
роны,
свободные
электроны двигаются
их
«плюсу»,
положительные ионы
от выталкивающего их
в этом
случае определяется
«минуса»
если
к
притягивающему
идут
противоположном направ¬
«минус», наоборот, притягивает. Как же
то положительные ионы
лении: «плюс» их выталкивает,
(рис. 3.2). Причем
величина
в
тока? Какие учитываются
заряды?
На
первый взгляд может показаться, что в счет нужно принимать раз¬
ность между положительными и отрицательными зарядами. Потому что
одни
идут туда, другие
-
обратно, и какое движение преобладает, то в ито¬
ге и создает ток.
Такая
арифметика,
однако же, несправедлива, а значит, и неверна. По¬
что
независимо
от
того, в какую сторону идут заряды и какие это за¬
тому
электроны или положительные ионы, они всегда работают. И те,
другие, к примеру, в процессе своего движения ударяют по атомам, вы¬
-
-
ряды
и
1
В системе СИ
первичной
величиной считается ампер (А),
ментарного заряда, а кулон
силе тока 1 А за
время 1
с.
определяется
как величина
который определен через величину
эле-
заряда, прошедшего через проводник при
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
64
рабатывают тепло, свет. Поэтому, определяя ток в цепи, где движутся раз¬
зарядов, нужно учитывать общее их количество, учитывать не
разность, сумму. Если по проводнику за 1 секунду в одну сторону прошло
6 миллиардов миллиардов электронов (1 кулон) и за то же время в другую
ные типы
а
сторону прошло
с одним
ра.
столько же положительных
потерянным
Потому
что всего
прошел заряд
в
электроном),
то ток в
однозарядных
сечение
через поперечное
ионов
(атомов
такой цени составляет 2 ампе¬
проводника
за
1 секунду
2 кулона.
Следующая на очереди
-
электродвижущей силы, вольт. Чтобы
единица
лучше понять, что она означает, можно в порядке шутки ввести аналогич¬
ную единицу, которая позволит оценить работоспособность мельничной
плотины.
Будем считать, что если литр воды, падая с этой плотины, может
работу в 1 джоуль, то ее «вододвижущая» сила, то есть сокра¬
выполнять
щенно ВДС плотины,
наработает
вниз,
5
5
составляет
джоулей,
то
1
мельник.
ВДС
На эту характеристику,
мельников.
А если
на
ВДС,
литр воды, падая
уже в 5 раз больше
тот же
будет
плотины
-
очень похожа наша элект¬
родвижущая сила работа, которую может выполнить генератор, переме¬
щая по цепи определенный электрический заряд (см. гл. 3; 28). Единица
-
заряда у
Отсюда
нас
теперь
есть
-
это
ЭДС
сила, при которой каждый заряд
работу 1 джоуль.
После введения вольта
работы тоже есть
кулон. Единица
и выходит, что единица
в
-
вольт
-
это такая
1 кулон,
пройдя
-
джоуль.
электродвижущая
по цепи,
совершит
в
комые нам
Ее
генераторы,
ЭДС около 4 вольт,
тарейка протолкнет по
-
немало, когда дело
можно
другими
в частности на
а значит,
глазами
на
посмотреть
батарейку для
карманного
уже
фонаря.
каждый кулон зарядов, которые
касается механической
в
эта
ба¬
4 джоуля. Это
работу
работы: вспомните,
цепи, может выполнить
зна¬
что одного
джоуля достаточно, чтобы поднять полстакана воды на метровую высоту.
4 джоуля
Но вот для тепловых
величина очень небольшая: чтобы
работ
-
вскипятить полстакана воды,
нужно
выполнить
работу в 10-20 тысяч джоу¬
лей.
Единица сопротивления
-
ом
-
тоже
произвольная
о
ЭДС
1
вольт в
проводнике идет
ток в
1 ампер,
величина.
насколько
характеристика «сопротивление» говорит
ратору создавать ток в данном проводнике. Так вот,
том,
Сама
легко
если под
гене¬
действием
то
сопротивление такого
за
проводника принимается
единицу сопротивления -1 ом. Если при той
же ЭДС ток меньше, значит,
сопротивление больше одного ома, если ток
в
больше,
1
значит, сопротивление меньше ома.
вольт ток в
в десять
ЭДС 1
ом.
В
раз
Например, если при ЭДС
10
то,
значит,
проводнике
ампер,
сопротивление проводника
меньше единичного, то есть составляет
вольт ток всего
0,001 ампера,
заключение знакомства с
обходимости
то
0,1
ома.
сопротивление 1000 ом,
набором
единиц, так сказать,
А
если
или
1
при
кило-
первой
не¬
отметим, что все эти единицы имеют сокращенные обозна¬
ГЛАВА 3. Завод, где работают электроны
чения, которыми
в
обозначения: метр
дальнейшем
-
мы
м, килограмм
будем
-
кулон
Кл,
вольт
-
В, ампер
Обратите внимание:
ных имен,
людям,
-
А,
ом
широко
кг, секунда
правил для наглядности пишут сек),
-
65
ньютон
-
-
с
пользоваться. Вот эти
(иногда в нарушение
Дж, ватт Вт,
Н, джоуль
-
которые произошли от собствен¬
большой буквы. Это дань уважения
названия единиц,
с
при сокращении пишутся
присвоены этим единицам измерения.
чьи имена
-
Ом.
-
ГЛАВА 4
Конституция
электрической
цепи
1. Закон Ома:
тивление,
чем
больше ЭДС,
тем меньше ток.
То,
тем
о чем
больше ток;
рассказано
в
чем
больше сопро¬
этой главе, есть
нечто
быть, даже самое важное на вашем пути в электро¬
нику. Вам сейчас предстоит познакомиться с основными законами элект¬
очень важное, а может
прежде всего с законом Ома. Выучить и пересказать
вам
электрических цепей несложно. Но этого мало
нужно по¬
рических
законы
цепей,
и
-
все описанные этими законами взаимозависимости
нять и
прочувствовать
электрических величин. Вчитываясь в объяснения и
в
всматриваясь
рисунки, вы должны при каждом удобном случае спра¬
и взаимные влияния
и отвечать себе на все эти «поче¬
себя: «А почему именно так?»
обстоятельно и точно. Если вы преодолеете эту главу, если поймете
шивать
му?»
-
существо
законов
смело считать, что
Торжественные
электрических цепей и привыкнете
путь в электронику для вас открыт.
слова
«Закон
Кулона»,
или
«Третий
к ним, то можете
закон
Ньютона»,
«Закон Ома для участка цепи» мы часто воспринимаем так, будто бы
Кулон, Ньютон и Ом придумали какие-то законы, которым теперь под¬
или
чиняется
которые поэтому нужно учить и знать на экзаменах.
В действительности же дело обстоит совсем не так. И вообще, в выражении
природа
и
«закон
природы» смысл слова
вычным, житейским смыслом.
Когда
мы
говорим «закон»,
«закон» не имеет ничего
общего
с его
при¬
то имеем в
виду определенные правила, ко¬
чтобы
торые придумали
упростить и упорядочить
какие-то свои отношения. Законы
никто не
природы
придумывает, люди
только записывают их под
диктовку реальности. Законом природы при¬
сами люди, для того
нято называть
подмеченную
человеком
некоторую
общую,
одинаковую
черту какой-то группе явлений, некоторые правила, которые действуют
в
природе только потому, что все в ней устроено именно так, а не иначе.
в
Если
бросать с высокой
то эти
башни камень, медный подсвечник
разные предметы, падая
на землю,
будут
постепенно
и
кусок мыла,
ускорять
свое
ГЛАВА 4. Конституция электрической цепи
движение, причем одинаково
-
каждую секунду
9,8 м/с. Одинаковое ускорение
чиваться на
жет
67
быть подтверждено
в
их
будет увели¬
скорость
всех падающих
предметов
любых других подобных экспериментах,
мо¬
и имен¬
такую одинаковость, разумеется после того, как она замечена и точно
описана, можно называть законом природы.
Закон Ома не относится к числу фундаментальных законов природы.
но
Он рассказывает
системе
ток в
цепи
-
о довольно
этой цепи
зависит от
(сопротивление).
узком круге явлений
действия генератора (ЭДС)
обратно
и от
Зависимости эти, утверждает
свойств самой
закон
силе
ток
просты:
скромной
электрический
в достаточно
цепи. Рассказывает о том, как
электрической
в
прямо пропорционален электродвижущей
пропорционален сопротивлению цепи (рис. 4.1).
Ома,
очень
генератора
и
Рис. 4.1. Закон Ома
То, что ток должен возрастать с увеличением
и то, что он должен
вает сомнений.
зависимости,
ЭДС
ток
ее
растет,
уменьшаться
Но заметьте,
с
закон
в
принципе понятно,
ростом сопротивления, тоже не вызы¬
Ома не просто устанавливает характер
просто утверждает, что с ростом
ростом сопротивления уменьшается. Немецкий физик
качественную сторону,
а с
ЭДС,
не
Георг Ом полтора столетия назад подметил и описал точную количествен¬
между ЭДС, током и сопротивлением. Он подметил: во сколько
раз возрастает ЭДС, во столько же раз возрастает ток; во сколько раз воз¬
растает сопротивление, во столько же раз ток уменьшается. Никаких об¬
ную
связь
щих
соображений,
точно и
определенно «во сколько раз... во столько же
В
этой
точной
количественной
связи
главный смысл закона Ома и
раз...».
-
-
его важное
2. Из
для
практическое
закона
вычисления
Ома
ЭДС
получить две удобные расчетные формулы
сопротивления цепи. Все, о чем говорит закон Ома,
можно
и
можно записать в виде
ваемой
значение.
короткого
формулы. Для этого
ЭДС обозначим буквой Е,
кая
Из
алгебраического
прежде
всего введем
выражения, так назы¬
условные обозначения
-
буквой I и сопротивление буквой R. Крат¬
формула закона Ома, приведена на рис. 4.1; 4.
ток
алгебраическая запись,
формулы видно, что ток
-
I зависит от двух величин: от электродвижу¬
щей силы Е и сопротивления R. В этой зависимости £ находится в числи¬
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
68
теле
и, значит, с увеличением Е ток I возрастает. Так записывается
прямая зависимость тока I от ЭДС Е. Величина R стоит в знаменателе, а
дроби,
увеличением R ток I уменьшается.
Как видите, зависимость, для записи которой
значит, с
чуть
букв,
ли не сотня
Формула
-
не только очень
какая-либо
(как
ние
Е
в
величина в числителе, она
формуле
(как
R
окинув
этой
в
пригодится
на
как зависит.
сразу
Если
увеличение результата
-
работает на уменьше¬
других. Это микроотступление
в
математику
очень
дальнейшем.
На рис. 4.2 приведено
мя величинами,
работает
если в знаменателе
часто можно
И
формуле). Извинившись перед читателями, хорошо
мы сейчас напомним
некоторые типичные зависимос¬
ти одних величин от
нам в
Ома),
буква-
же
алгебру,
знающими
формулу,
какая величина от какой зависит.
закона
тремя
короткий, лаконичный способ записи раз¬
и удобный способ. Удобство его, во-первых,
состоит в том, что, одним взглядом
почувствовать,
понадобилась
на языке математики записана всего
личных зависимостей, но еще
же
словами
несколько возможных зависимостей
обозначенными
буквами А, В
и
между тре¬
С. Зависимость 1
-
точная
Ома: А возрастает с увеличением В и падает с увеличени¬
ем С. В зависимости 2 все
наоборот: величина С уже старается увеличить
величину А, а величина В старается ее уменьшить. Зависимость 3 говорит
копия закона
А совершенно одинаково зависит от В и С, причем с увеличе¬
из них А тоже
увеличивается. В зависимости 4 обе величины,
о том, что
нием
В
любой
С,
А,
но, в отличие от предыдущего при¬
мера, обе они стоят в знаменателе, и поэтому с ростом В и С величина А
и
тоже одинаково влияют на
уменьшается.
Рис. 4.2.
Некоторые
математические зависимости и
преобразования
закона Ома
В формуле 5 величина А равна сумме В и С; увеличьте любую из них, и
А возрастет, правда, не так резко, как в зависимости 3.
А вот в зависимость 6 величина С входит со знаком «минус», и чем она
больше
по
абсолютной величине,
тем меньше
А.
ГЛАВА 4.
69
Конституция электрической цепи
формулы В и С входили в первой степени, в следую¬
щую формулу 7 одна из них входит во второй степени, в квадрате. Это зна¬
Во все предыдущие
чит, что А особо сильно зависит от В: увеличьте В в 2 раза, и А увеличится
в 4 раза, увеличьте В в 10 раз, и А возрастет в 100 раз. Зависимость 8 уже не
квадратичная, а кубическая: В входит в нее в третьей степени и еще сильнее
А: если В возрастает в 2 раза, то А увеличивается в 8 раз, если В
10
в 1000
растет
раз, то А
раз. Зависимость 9 тоже квадратичная, но В
находится в знаменателе и со всей своей силой старается уменьшить А.
В формуле 10 влияние величины, попавшей под знак корня, резко
влияет на
в
-
уменьшается: величина В влияет на А значительно слабее, чем в форму¬
ле 3: если
увеличить В в 4 раза, то в зависимости 3 величина А возрастет в
те же
4 раза,
Мы
10
в зависимости
всего в
-
лишь несколькими словами
тематических
2 раза.
простейших ма¬
простейшие примеры демон¬
коснулись
зависимостей. Но даже
наши
нескольких
стрируют одно из
удобств математического языка, показывают, как много
информации можно легко и быстро извлечь из записей, сделан¬
ных в виде
формул.
Другое удобство математического языка заключается в том, что, ис¬
пользуя известные способы преобразования алгебраических выражений,
важной
можно из
более
одной
зависимости
удобную. Причем
механически, без
значены
вания
той
правильно
делается это
рассуждений
иной
или
получить другую,
быстро
о том, какие
И
буквой.
формула
во всех
и исходная
и, можно сказать, просто,
конкретные
случаях,
верна,
в каком-то отношении
величины
если делать
новая
формула
обо¬
преобразо¬
тоже будет
правильной.
Разные способы
курсе
преобразования
большом объеме
ко и в
Мы
алгебры.
же
математических зависимостей
в течение нескольких лет
изучаются
глубо¬
в школе, в
приведем одно простое правило, которое в неко¬
чтобы преобразовать
торых случаях
может оказаться полезным для того,
какую-нибудь формулу и получить из нее другую, более удобную. Прави¬
ло это можно изложить так: «Если из формулы, которая показывает, как
величина а зависит от величин
Другую
формулу,
которая
Ь,
с,
d,
показывала
е и так далее, вам
бы,
нужно получить
как от всех этих величин зави¬
нужно одновременно с обеими частями
формулы производить любые полезные, по вашему мнению, операции
до тех пор, пока величина Ъ не будет отделена от всех других величин и не
сит,
например,
величина
Ъ,
то
останется в одиночестве». Слова «одновременно с обеими частями
лы» выделены
может
потому,
привести
к
что это важнейшее
форму¬
условие, нарушение которого
совершенно неверному результату.
получить две удобные расчетные формулы:
для вычисления ЭДС и сопротивления цепи. На рис. 4.2; 11 приведены при¬
меры применения нашего «самодельного» правила для преобразования
3. Из
закона
Ома
можно
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
70
формул. Пользуясь этим же правилом, можно из формулы закона Ома
(рис. 4.2; 12) получить две новые формулы (рис. 4.2; 13 и рис. 4.2; 14). Первая
получается, если в формуле закона Ома обе части умножить на R, вторая
если обе части одновременно умножить на jR и разделить на I. Обе эти фор¬
мулы получены нами с помощью математических фокусов и физического
смысла не имеют, их нельзя читать так, как
первую, основную формулу
-
закона
Ома: «Ток
в цепи зависит от...» и т. д.
Действительно, было
смеш¬
прочитать вторую формулу так: «Электродвижущая сила зависит от
сопротивления цепи...» Электродвижущая сила это есть характеристика
генератора, и от сопротивления цепи она никак не зависит. Но, несмотря
на все это, полученные нами из закона Ома две новые формулы очень по¬
но
-
Это расчетные формулы, которые позволяют при необходимости
подсчитать неизвестную ЭДС Е по известным / и jR или подсчитать неиз¬
вестное
сопротивление R по известным Evil.
лезны.
Примечание редактора. В дальнейшем (см. раздел 7
рейдет
от
абстрактной
определяемому для участка
ческий
в этой главе), когда автор пе¬
электродвижущей силы Е к напряжению U,
цепи,то все формулировки закона Ома обретут физи¬
величины
естественно,
цепи»)
участка цепи» (или, более строго, «паде¬
как раз определяется его сопротивлением
величиной протекающего тока: U
4. Принципиальная
схема
ниями показаны элементы
тов
-
смысл. В частности, «напряжение
ние напряжения на участке
пор
-
=
I
(ну и
R).
котором условными обозначе¬
электрической цепи и их соединения. До сих
-
чертеж,
на
электрическая цепь состоит всего из двух элемен¬
нагрузки. Но чаще всего такого не бывает. Хотя бы по¬
мы считали, что
-
генератора
тому,
что
и
нагрузка
еще один элемент
роны идут на
торую
несколько
-
от
генератора
и в цепи появляется
соединительные провода. По этим проводам элект¬
работу
часть своей
удалена
работы и, естественно, теряют в проводах неко¬
энергии (рис. 4.3). Иными словами, соединительные
и с
общее
необходимо учитывать. Кроме
обладает и сам генератор: внутри гене¬
провода обладают некоторым сопротивлением, которое входит
сопротивление
в
цепи и которое иногда
того, некоторым сопротивлением
ратора, между его электродами тоже идет ток, тоже движутся заряды.
Они, как обычно, сталкиваются с атомами среды и, как обычно, теряют
какую-то часть энергии. Так что если рисовать полную схему даже самой
простой цепи, то в нее нужно включить несколько новых элементов, в ко¬
торых отражалось бы сопротивление проводов и внутреннее сопротив¬
ление
генератора.
Можно нарисовать упрощенный чертеж электрической цепи,
ваясь в то, как
устроен
тот или иной элемент, а лишь показав
не вда¬
условными
(в цепи) такие-то элементы и как они соединены. Такой чертеж
называется
принципиальной схемой. Примеры условных обозначений,
знаками
ГЛАВА 4.
Конституция электрической цепи
71
принятых при составлении принципиальных схем, показаны на рис. 1.1
и 1.2 в главе 1. Элемент, обладающий электрическим сопротивлением,
нагрузку, Rnpl, Rnp2
Rnp3 сопротивление кусков провода, RBHyTp внут¬
реннее сопротивление генератора. Если почему-либо сопротивление
проводов учитывать не нужно, то элементы Rnp не рисуют (рис. 4.3; 3).
Но во всех случаях прямые линии, соединяющие на схеме один элемент
с
другим, принято считать
сопротивления.
идеальными
проводниками,
не имеющими
никакого
Рис. 4.3. Принципиальная схема электрической цепи
5.
цепи, основное назначение кото¬
рого
сопротивление току. Представьте себе такую ситуацию:
нужно уменьшить ток в цепи, а генератор при этом трогать нельзя. Что де¬
Резистор
-
-
элемент
электрической
оказывать
лать? Решение подсказывает
цепи,
ввести в нее
закон
Ома: нужно увеличить сопротивление
дополнительный трудный уча¬
Есть детали, основное назначение которых
именно в том, чтобы оказывать сопротивление
сток.
току,
они
называются
ление таких
всегда
резисторами.
Сопротив¬
деталей строго дозировано,
прямо
на
и почти
самой детали написано, чему
оно
равно.
Резисторы
можно
делать
проволоки. Чем длиннее
которой
намотан
и
резистор,
из
металлической
тоньше
и чем
проволока,
больше удель¬
сопротивление металла (сопротивление куска
провода длиной 1 м и диаметром 1 мм), тем со¬
противление такого резистора больше (рис. 4.4).
ное
Другой
способ
изготовления
резисторов
-
напы¬
Рис. 4.4. Обозначения
величины
резисторов
на схемах
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
72
ление слоев металла
дозированной
толщины на тонкую керамическую
(а также родственные им
трубочку. Проволочные,
в настоящее
фольговые) резисторы
время используются только для специ¬
металлопленочные
это особо точные, а также очень мощные типы резисторов.
Обычные резисторы широкого применения углеродистые, проводящий
слой которых образован вместо металла графитоподобной пленкой, осаж¬
альных
целей
-
-
денной
на
Особое
керамическое
основание.
переменные резисторы, или, иначе, резисторы
переменного сопротивления. Их сопротивление можно менять, переме¬
щая подвижный контакт и изменяя тем самым ту часть резистора, которая
место занимают
нарисовать реальную
сравнительно сложной цепи из
На практике же
значительно более
(рис. 4.3).
более сложными,
Что такое, например, телевизор
электрическая цепь,
и па¬
попытка
семи последовательно соединенных элементов
сложными.
последовательно
или
и
компьютер?
Это
тоже
но состоящая из сотен или тысяч элементов, слож¬
соединенных между собой.
Даже простенький карманный
в которой десятки деталей
собой
цепь,
плеер представляет
электрическую
ным
образом
соединены сложным
образом
и
к
подключены
общему генератору элект¬
рической энергии гальваническому элементу или аккумулятору.
Рассматривать сложные и очень сложные электрические цепи сразу
-
целиком, к счастью, почти никогда не приходится. В большой сложной
машине, как правило, можно выделить самостоятельные узлы и агрегаты.
В автомобиле, например, это двигатель, коробка переключения передач,
передний мост, задний мост, рулевое управление, тормозная
В сложной
электрической
цепи, как правило, тоже можно выделить свои
узлы и блоки.
Каждый
ную цепь,
состоящую уже
но
из них
представляет собой самостоятельную
сейчас познакомимся.
нескольких
При
С некоторыми
такими
простыми цепями
этом отвлечемся от того, какие элементы
считать, что она состоит из генератора (источника
энергии для конкретности гальванического элемента) и
входят в цепь, и
электрической
слож¬
не из сотен и даже не из десятков, а чаще
всего из нескольких элементов.
мы
система...
будем
-
различным
образом
соединенных резисторов.
Начнем с цепи с последовательным соединением резисторов
Ее общее сопротивление равно сумме
всех
участкам цепи,
сопротивлений:
(рис. 4.5; 1).
ток последо¬
«препятствия», которые он
встречает в каждом участке, в итоге суммируются. Из двух последователь¬
но соединенных
резисторов главный тот, чье сопротивление больше, он в
основном
определяет общее сопротивление.
вательно
проходит
по всем
и
ГЛАВА 4. Конституция электрической цепи
Рис. 4.5. Цепи
По
73
с последовательным и параллельным соединением резисторов
всем элементам
последовательной
цепи идет один и тот же ток: если
бы по двум соседним резисторам шел разный ток, то к месту их соедине¬
ния приходило бы больше свободных зарядов, чем ушло, или
наоборот
уходило бы больше зарядов,
чем
пришло. Ни то,
В первом случае заряды непрерывно
ния
резисторов,
во
-
накапливались
это место должно
втором
зарядов.
параллельном соединении
ни
-
другое невозможно.
бы в месте соедине¬
было бы быть неистощи¬
мым поставщиком
При
ние меньше
любого
из
элементов цепи их
сопротивлений (рис. 4.5; 2);
общее сопротивле¬
если
параллельно като
подключить
кому-нибудь резистору
другой резистор,
откроется допол¬
нительный обходной путь для зарядов, и двигаться им будет легче. Чтобы
подсчитать сопротивление двух элементов цепи, соединенных параллель¬
но, нужно произведение их сопротивлений разделить на их сумму. При
параллельном соединении двух резисторов главный тот, чье сопротив¬
ление меньше, именно он в основном определяет общее сопротивление.
Подойдя к параллельно соединенным элементам цепи, поток свободных
зарядов разветвляется
лению,
так же как в
-
большая
часть тока идет по
меньшему сопротив¬
разветвляющемся трубопроводе большая часть потока
74
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
пойдет по более
широкой трубе. Сумма тока в
параллельных ветвях равна
току до разветвления и току после разветвления (см. далее рис. 4.8; 3).
Общий ток любой сложной цепи, как бы он в этой цепи ни разветвлял¬
ся, определяется общим количеством зарядов, которое двигает генератор.
Этот общий ток подсчитывается по формуле закона Ома, в которую, естест¬
венно, уже входит общее сопротивление всей цепи. Общее сопротивление
сложной цепи,
которой есть и
в
параллельные,
и последовательные
участ¬
ки,
например сначала опре¬
делить общее сопротивление параллельного участка и затем сложить его
можно подсчитать постепенно, шаг за шагом,
со всеми последовательными
7.
сопротивлениями
(рис. 4.5; 5).
Напряжение на участке цепи можно рассматривать
доставшуюся этому участку. Чтобы глубже понять
в
электрической цепи, можно привлечь на помощь
и
мысленным
быстрых
взором просматривать
кинофильмы
с
как часть
то, что
силу
ЭДС,
происходит
воображения
участием
легких и
пылинок-электронов, неповоротливых тяжелых ионов, непо¬
электрических полей и других положитель¬
движных атомов, невидимых
отрицательных героев. Конечно, такие
упрощением истинной картины, но это
ных и
ным
их
учебную
полезность.
Ведь
кинофильмы будут страш¬
бросать тень на
не должно
мы понимаем, что
чертеж это упрощение
прекрасно пользуемся чертежами, что¬
-
реальной машины, но вместе с тем
бы понять, как эта машина устроена.
Мысленно заглядывая во внешнюю электрическую цепь
соединительные
провода),
вы
или поздно наткнетесь на
рано
собственно говоря, эта внешняя цепь начинается,
с генератором? Это не в смысле
геометрических
где
(нагрузка
вопрос:
проходит
форм,
ее
и
а где,
граница
а в смысле элект¬
рического состояния. Мы знаем, что на электродах генератора скопились
избыточные заряды, они-то и создают электродвижущую силу. Известно
также,
ных
что в
куске провода
электронов
в нем
ровно
положительных ионов.
как таковом
избыточных зарядов нет, свобод¬
столько же, сколько и
Так,
внешней цепью
может
покинутых
ими атомов,
быть, граница между электродами
ге¬
рода электрический обрыв, про¬
зарядов и они ни на шаг
не выходят за
А
что же тогда
пределы электрода?
будет, если и электроды,
и
из
и
того
же
одного
проводник сделать
материала и соединить сваркой?
Как в этом случае заряды узнают, где кончается электрод и начинается про¬
вод, где именно проходит та граница, через которую переступать нельзя?
А как представить себе те «пограничные войска, которые смогут удержать
избыточные заряды в пределах электрода?
и
нератора
пасть? Может быть,
на
-
это своего
электродах
есть скопление
избыточные заряды не выходят за пределы
генератора, то, значит, электрическое поле, которым генератор, собствен¬
И еще одно
но
говоря,
бой,
сомнение: если
и подталкивает
даже самой
свободные электроны,
удаленной
точки цепи...
А
должно доставать до лю¬
если
генератор находится
в
ГЛАВА 4. Конституция электрической цепи
Москве
и к
75
нему проводами подключена нагрузка, которая находится
Владивостоке?
Рассказывают,
что однажды
Наполеон приехал
в
во
артиллерийскую часть,
которая накануне подвела его в очень важном сражении, и спросил та¬
мошних командиров: «Вы почему же, такие-сякие, вчера в самый ответст¬
венный момент перестали
-
артиллеристы,
называйте
-
рых...»
свои
«Стоп,
стрелять?»
восемнадцать причин».
хватит,
-
нас
на
то
было,
-
отвечали
«Ну-ка, давайте выкладывайте,
было снарядов, во-вто¬
прервал артиллеристов Наполеон, дальше рас¬
-
причины».
-
«У
-
«Во-первых,
у
нас не
-
сказывать не нужно. Все остальное уже не имеет значения...»
Этим рассказом обычно хотят подчеркнуть, что во всяком деле есть сто¬
роны более важные и менее важные и есть самые важные, принципиально
важные, такие, что если их не учитывать, то «все остальное уже не имеет
значения». Одна из чрезвычайно важных особенностей всякой электричес¬
кой цепи
-
это то, что ток во всех ее
участках одинаков; при разветвле¬
виду сумма тока в ветвях (см. далее рис. 4.11; 6, 7). Другая
принципиально важная особенность цепи связана с вопросом, который
нии имеется в
мы только что пытались
обсуждать:
где
избыточных зарядов, где
фактически
заканчивается
область
электроды генератора?
Разобраться в этом нам поможет довольно простая аналогия; захватив
санки, мы заберемся на высокую снежную гору и, на время забыв об элект¬
рических цепях, прокатимся вниз (рис. 4.6).
со скоплением
Рис. 4.6. Движение зарядов
Прокатимся? Возможно...
снежной горы
Но
кончаются
в
электрической
только не в этот
и вместо покатого склона видим
цепи
раз. Мы подходим
резкий обрыв,
к
затем
краю
совер-
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
76
шенно ровное снежное плато и опять обрыв. О том, чтобы прокатиться на
такой горки, и речи быть не может, с нее можно только упасть.
санках с
Находим другой спуск,
бугорка
или впадины.
что и этот
снега
спуск
на этот
Но при
не очень-то
чередуются
раз
хорош для
на нем с гладким,
быстро,
по
пологий
внимательном
землей. По такой дорожке санки
мчатся
очень
рыхлому снегу
и
ровный,
без единого
рассмотрении оказывается,
катания на санках:
блестящим льдом
будут двигаться
им двигаться
участки рыхлого
и с голой оттаявшей
-
рывками
труднее,
а на
по
льду
они
голой земле
могут совсем остановиться.
После долгих поисков находится, наконец, горка, хорошая во всех отно¬
шениях. На ней, правда, как и на предыдущей, тоже чередуются лед, снег
и оттаявшая земля, но наклон этих
разных участков
тоже
разный: там,
где
лед, дорога пологая, где снег, она идет несколько более круто, а там, где по¬
явилась голая земля, спуск совсем крутой. Одним словом, там, где санкам
труднее двигаться, там спуск круче.
Три
придуманные нами горки иллюстрируют три варианта распреде¬
избыточных зарядов в электрической цепи (рис. 4.6; 2, 3,4). Первый
вариант: все избыточные заряды, появившиеся в генераторе, сконцентри¬
ления
рованы на его электродах. Этот вариант уже забракован нами: в замкну¬
той цепи не может быть электрического обрыва. Второй вариант избы¬
-
точные
всем ее
после подключения цепи
заряды
участкам,
и
свободные электроны,
равномерно распределяются
по
создающие ток, подталкиваются
на всем своем пути с одинаковой силой. Но и такое тоже невозможно: на
участках с разным сопротивлением свободные электроны в этом случае
двигались бы
разными скоростями, подобно санкам, спускающимся
с
нашей горки. То есть
со
последовательной цепи на участках с раз¬
второй
ным сопротивлением шел бы разный ток, чего, конечно, быть не может.
От неудачного второго варианта остается всего один шаг до следующего,
третьего,
с этим
который в точности
третьим вариантом
в
соответствует действительности. Знакомство
прокручивания очередного учеб¬
мы начнем с
кинофильма.
Представьте, что мы движемся вдоль последовательной электрической
цепи и всякий раз берем из нее пробу вещества, подобно тому, как геолог
берет для химических анализов пробу грунта. Начнем с «минуса» генера¬
ного
тора, с отрицательного электрода.
В пробе, взятой из него, естественно,
обнаружится избыток отрицатель¬
зарядов, ну, скажем,
электронов (эта цифра, как и все
чистая
последующие,
выдумка, цифры подобраны так, чтобы пояснить
суть дела, его качественную сторону). Движемся в сторону положитель¬
ного
электрода и еще раз берем пробу, на этот раз уже в соединительном
лишняя тысяча
ных
-
проводнике. Здесь избыток отрицательных зарядов несколько меньше
проводник соединяется с нагрузкой, с лампочкой, в пробе
оказалось 990 электронов. Как видите, разница в количестве избыточных
-
в том месте, где
ГЛАВА 4.
Конституция электрической цепи
77
зарядов на концах соединительного провода невелика
10 зарядов больше,
це всего на
А вот пройдя
чем на
-
на одном его кон¬
другом.
обнаружим большое различие в ко¬
избыточных электронов на одном конце нити их, как мы только
что установили, 990, а на
другом оказывается уже 590 разница в 400 избы¬
по нити лампочки, мы
личестве
-
-
электронов. Двигаясь дальше, мы в какой-то момент обнаружим
участок цепи, где избыточных электронов вообще нет, а затем начнут появ¬
точных
ляться
избыточные
металла.
положительные
По мере продвижения
заряды,
к
«плюсу»
возрастать и
положительные ионы самого
количество
избыточных
поло¬
зарядов будет
электроде
достигнет своего максимума.
Учебный фильм «Путешествие вдоль электрической цепи» так же, как
и наш третий вариант санного спуска (крутизна отдельных участков тем
больше, чем больше трение по их поверхности), иллюстрирует точно уста¬
новленный порядок распределения избыточных зарядов. До тех пор, пока
генератор находится в одиночестве, избыточные заряды сконцентрирова¬
ны только на его
электродах. Но подключите к генератору внешнюю цепь,
жительных
и
все
избыточные заряды
появится во всей
ее
различным
участкам. Однако неравномерно.
продукция генератора
распределится
по
на положительном
-
-
цепи,
Заря¬
ды автоматически распределятся так, что на участок с большим сопротив¬
лением придется большее их количество. А это значит, что чем больше
сопротивление участка, тем сильнее
бодные электроны. И
в итоге
будут проталкиваться через него
что во всех
сво¬
независимо
получится,
участках,
сопротивления, установится одинаковый ток. Так же, как может уста¬
новиться одинаковая
скорость движения саней на горке с разным покры¬
от их
тием
(лед,
Хочется
ние
снег,
обратить
зарядов
вдруг
в
земля)
на
и с
разной крутизной спуска.
особое
внимание на слово «автоматически».
разных участках цепи ре1улируется
какой-нибудь
точке
избыточных зарядов
Скопле¬
самим током.
станет
Если
чуть больше
или
чуть меньше, например потому, что по каким-то причинам сопротивле¬
ние одного из
участков цепи изменилось, ток тут же на мгновение изме¬
нится и
исправит нарушение баланса, добавит
немного
зарядов
или
уба¬
всегда с таким расчетом, чтобы восстановить свое неизменное
значение во всей цепи.
вит.
Причем
Теперь мы должны другими глазами взглянуть на электрическую цепь,
по
которой идет ток. На каждом участке такой цепи, а не только на элект¬
родах генератора, есть избыточные заряды, а значит, между любыми дву¬
мя точками цепи действует электродвижущая сила. Конечно же, перво¬
электродвижущих сил генератор. Именно в
нем за счет
видов
других
энергии (свет, тепло, химические реакции, меха¬
ническая
работа) происходит электризация атомов, накапливаются избы¬
причина
всех этих местных
точные
электроны
заряды,
вся
-
или положительные ионы.
электрическая энергия,
Но
в итоге все
избыточные
вырабатываемая генератором, распре¬
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
78
деляется между участками цепи. А могло ли быть иначе?
двигать
Ту
в них ток...
часть
называть
и
Нужно же как-то
свободные заряды
участкам, создавать
ЭДС, которая достается какому-либо участку цепи, принято
поэтим
4.7).
напряжением
Как уже
на концах
рядах
на этом
несколько
участке
и
обозначать
(рис.
4.6
избыточных
за¬
буквой
раз подчеркивалось, разница
в
U
какого-либо участка последовательной цепи автомати¬
больше, чем больше сопротивление этого участка.
чески оказывается тем
То есть,
напряжение на участке цепи пропорционально
сопротивлению участка. Ну а кроме того, по абсолютной величине это
напряжение тем больше, чем больше сама ЭДС, если делить на несколь¬
ко человек большой
каравай хлеба, то каждому достанется больше, чем
иными словами,
-
если
бы делить маленькую
булочку (см.
4.11; 2). И
далее рис.
еще
-
между
I, напряжением U на участке и сопротивлением R действуют соот¬
ношения закона Ома, в этом
случае их называют законом Ома для участка
током
(рис.
цепи
4.7
и
4.8).
Рис. 4.8. Закон Ома для параллельной цепи
Если отвлечься от того, что происходит во всей последовательной цепи,
только
события
рассматривать
кона Ома наиболее
удобной
тем
больше,
идет
чем
(рис. 4.7; 2).
жены
ности,
сразу
больше
Вот
его
сопротивление
в этом самом «...чем
что на
участке,
становится такая:
все сложные взаимные связи
отражено то,
тем больше
больше,
на одном ее
напряжение
ток в цепи и, значит,
то из
формулировок
напряжение
и чем
больший
на
больший
ток по
участке цепи
ток по
нему
нему идет» отра¬
между
элементами цепи.
влияет
ЭДС генератора:
напряжение
и
за¬
во всех ее
В
част¬
чем она
участках.
ГЛАВА 4.
Местная
дение
79
Конституция электрической цепи
ЭДС,
то есть
напряжения»),
это не
Это реальность.
подсчитать.
участку цепи,
зовать свою
-
как к
участке цепи (часто говорят «па¬
выдумка, помогающая что-то объяснить или
на
напряжение
Причем
генератору,
-
настолько
реальность, что к любому
нагрузку и обра¬
можно подключить свою
местную цепь в большой общей цепи. При подключении такой
местной нагрузки, как при всяком параллельном подключении, несколь¬
ко уменьшится общее сопротивление этого участка, а значит, и реально
действующее
на нем
напряжение.
ЭДС, говорит о той энергии, с которой про¬
каждый кулон свободных электрических зарядов (а если стро¬
Напряжение,
талкивается
так же как и
работе, которую он выполняет), но, конечно, уже по какому-либо
участку, а не по всей цепи. Поэтому напряжение, так же как и ЭДС, изме¬
го
-
о той
ряется
в вольтах.
зарядом
во
Очевидно,
что
общая работа,
всей цепи, равна сумме
то есть
участках,
рис. 4.11; 2).
ЭДС равна сумме
8.
работ,
всех
выполняемая единичным
выполненных на отдельных ее
напряжений
на
участках цепи (см.
Вольтметр, амперметр и омметр приборы для измерения ЭДС (на¬
пряжения), тока и сопротивления. Напряжение на участке цепи, сопро¬
тивление участка и ток, который проходит по этому участку, можно
подсчитать по одной из формул закона Ома (рис. 4.7 и 4.8). А можно и
измерить. Приборы для измерения напряжения (ЭДС) и тока вольтметр
и
амперметр сегодня обычно объединяют в одном устройстве мульти¬
метре. Будем считать, что вольтметр измеряет разницу между количест¬
-
-
-
-
вом избыточных зарядов в двух участках цепи, определяет, каких зарядов
и где больше, и насколько. И тут же вычисляет, какую работу выполнит
каждый кулон электричества при такой разнице концентрации зарядов.
Результаты измерений и вычислений прибор выдает сразу в вольтах, за
что он и получил название вольтметр. Подключается вольтметр к тем двум
точкам, напряжение между которыми нужно измерить (рис. 4.9; 1). При
этом важно выполнить такое условие: собственное сопротивление вольт¬
метра должно быть
Вольтметр
он подключен.
жет заметно
во много
раз больше,
чем
сопротивление, к которому
большим сопротивлением мо¬
с недостаточно
уменьшить общее сопротивление участка,
прибор
чем было до его подключения
(рис. 4.9; 2).
своего
это
Амперметр
рода счетчик движущихся
жение на этом
участке,
-
ным
секундомером. Подсчитав
цепи за
одну секунду,
за что он и
количество
показывает
название
со
встроен¬
зарядов, которые проходят
величину
амперметр.
сопротивление амперметра должно быть
напря¬
напряжение,
зарядов
тока
сразу
Прибор
которой нужно измерить ток (рис. 4.9; 3).
получил
вательно в цепь, в
прибор
а значит, и
покажет меньшее
и в итоге
во много
в
по
амперах,
включается последо¬
Собственное
раз меньше,
чем
общее
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
80
сопротивление цепи,
иначе он сам заметно изменит
ние цепи и покажет ток значительно
меньший,
чем
общее сопротивле¬
был до
его включения
(рис. 4.9; 4).
Рис. 4.9. Вольтметр, амперметр
представить себе
и
омметр
комбинированный прибор, кото¬
рый одновременно измеряет напряжение и ток и сразу же по формуле
закона Ома вычисляет
сопротивление (рис. 4.9; 5). Возможен и более прос¬
Омметр
можно
как
той вариант: элемент цепи, сопротивление которого нужно измерить,
подключается к генератору, ЭДС которого известна, и тогда омметр опре¬
деляет сопротивление
только по величине тока
(рис. 4.9; 6).
9. Чем больше потребляемый ток, тем меньше напряжение на вы¬
ходе генератора. Внутреннее сопротивление генератора
такой
же элемент цепи, как и все остальные. И на нем так же, как и на дру¬
RBHyTp
гих
напряжение (рис.
достается
теперь уже
напряжение
участках, создается
внешней цепи
чем
ЭДС,
меньшее как
какое-то
раз
на
4.10). При
-
этом всей
несколько меньшее,
величину внутреннего падения напряже¬
Если увеличится потребляемый от генератора ток, то в полном со¬
гласии с законом Ома
увеличится и внутреннее падение напряжения в
ния.
генераторе,
а значит,
(рис. 4.10; 3, 4).
выходное
Чтобы
уменьшится напряжение li.
изменение
нагрузки
напряжение генератора,
минимуму.
его
на выходе
генератора
как можно меньше влияло на
внутреннее сопротивление стара¬
ются свести к
Кстати, напряжение на выходе батарейки уменьшается
нии, так как со временем увеличивается Явнутр (рис. 4.10; 4).
постоянной. Это не так:
ЭДС
внутреннего сопротивления,
в
больший
вклад
старение электрохимических элементов вносит яв¬
существенно
ление саморазряда, которое заключается в снижении именно ЭДС, т. е. напряже¬
ния холостого хода, точно так же, как при истощении батарейки во время работы,
а сама по себе
остается
только медленнее. Это касается любых электрохимических источников
и одно¬
разовых батареек, и перезаряжаемых аккумуляторов. Интенсивность саморазряда
-
очень сильно зависит оттипа электрохимической системы
солевых элементов
саморазряд
Соответственно, срок годности
в разы
солевых
больше,
-
в частности, у дешевых
чем у более дорогих щелочных.
батареек не
превышает 2-3 лет с момента
производства, а у щелочных он достигает 7-8 лет.У литиевых
батареек саморазряд
еще ниже, и срок годности у них может составлять более 10 лет, при этом они до
последнего держат уровень напряжения
10. Последовательная цепь
литель тока.
чтобы
на
Можно
так
каком-нибудь
сравнению
подобрать
из них
к
начальному.
делитель напряжения, параллельная
элементы
-
угодно раз
де¬
последовательной цепи,
получить напряжение, уменьшенное
с исходным во сколько
(рис. 4.11; 1,2). Чем
по
меньшую
мы хотим
напряжения
получить и подать на нагрузку, тем
быть
должно
сопротивление участка, с которого оно снимается.
часть исходного
меньше
-
(ЭДС), близкий
Кроме того, сопротивление участка делителя, с которого снимается напря¬
жение, должно быть значительно меньше, чем сопротивление нагрузки,
которая к этому участку будет подключена (рис. 4.11; 3). Иначе подклю¬
чение
нагрузки
изменит
нем снизится еще
сопротивление
больше. В одной
является сама нагрузка
из
(рис. 4.11; 4).
всего
участка,
разновидностей
В
этом
и
напряжение
на
делителя частью его
случае второе сопротивление
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
82
котором гасится избыток напряжения, называют гасящим
сопротивлением. Еще одна разновидность делителя с резисторами пере¬
делителя, то,
на
-
менного
менять
сопротивления
(рис. 4.11; 5),
с помощью
которых
можно плавно
напряжение.
Рис. 4.11. Делители напряжения
и тока
Подключив резистор параллельно нагрузке,
можно
уменьшить идущий
мы включили для ответвления
4.11;
6).
(рис.
Резистор, который
лишнего тока, называется
шунтом («шунт» в переводе на русский обход¬
ной путь), а сам процесс уменьшения тока с помощью шунта называют
в нее ток
-
шунтированием. Чем меньше сопротивление шунта,
пойдет в него и меньшая в нагрузку.
тока
тем
большая
часть
-
11.
Электрическая
мощность
ница измерения мощности
ность
-
это
работа,
-
-
произведение
ватт.
выполненная за
напряжения
С одной стороны,
единицу времени,
на ток;
еди¬
мы знаем, что мощ¬
и что единица изме¬
рения мощности ватт соответствует работе в 1 джоуль за 1 секунду (гл. 3; 9).
это есть работа,
С другой стороны, напряжение
которую выполняет в
-
-
электрической
цепи
каждый кулон движущихся зарядов,
на
что мощность,
-
числа
которое нарабатывает каждый
увеличением напряжения,
неизвестен один из
напряжение),
число
по цепи
напряжение, произведение
Если
-
каждую секунду (гл. 3; 10). Отсюда сле¬
потребляемая участком цепи, это произведение тока
кулонов, которое проходит
дует,
а ток
можно
и с
джоулей,
(рис. 4.12). Мощность возрастает и с
кулонов
кулон
увеличением
сомножителей
определить
его по
в
в
секунду
на число
тока.
формуле мощности (ток или
из формул закона Ома
одной
ГЛАВА 4.
Конституция электрической
83
цепи
(рис. 4.7; 2, 3). И тогда получатся две новые формулы для подсчета мощ¬
(рис. 4.12; 2, 3). Они поясняют, что при неизменном сопротивлении
ности
участка R выделяемая
ем
U
квадратичной
в нем мощность
зависимостью:
Р
связана с током
при увеличении
ность
Здесь
нет никакого
на
(Р
U
напряжени¬
раза мощ¬
в пять
раз увеличит
участках электрической цепи
противоречия
=
или
тока в два
возрастет в четыре раза; повышение напряжения
мощность в двадцать пять раз (рис. 4.12; 4, 5).
Рис. 4.12. Мощность
I
с тем, что
Г). Потому что
говорит первая
формула
увеличением тока в цепи
всегда возрастает напряжение на участке, и, значит, увеличение тока сразу
по
двум каналам, двумя «рычагами», влияет на мощность: само по себе
для подсчета мощности
с
(растет число кулонов в секунду) и повышая напряжение (растет работо¬
способность каждого кулона). Напряжение также двумя «рычагами» влия¬
ет на мощность: если
сопротивления,
то
увеличить напряжение
при
этом
сразу же
на
участке цепи,
не меняя его
мощность поднимется за счет
увели¬
работоспособности каждого заряда, и еще она увеличится потому,
что с ростом напряжения возрастет и ток, увеличится число работающих
чения
кулонов.
Сама эта характеристика
-
«мощность»
-
может относиться и к
генерато¬
любому другому элементу цепи. Мощность генерато¬
о
какое
количество
ра говорит том,
работы он может выполнить в электри¬
ру,
и к
нагрузке,
и к
ческой цепи каждую секунду. Мощность, которая указана на пассивных
элементах
электрической цепи, на потребителях энергии, это то, что в
нормальном режиме может переварить этот элемент. Например, если на
-
лампочке написано
«100 Вт»,
это значит, что
каждую секунду
она может
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
84
превращать в свет (и, к сожалению, в тепло) 100 джоулей электрической
энергии. А если подвести к такой лампочке большую мощность, увеличив,
например, напряжение на ней, то лампочка просто выйдет из строя: коли¬
чество тепла, выделяемого в ней, возрастет, температура нити превысит
расчетную величину, и она сгорит.
Мощность, определяемая размерами корпуса резисторов,
от
теплового
также
предо¬
если
стерегает
нарушения
режима:
превысить допустимую
мощность, резистор может перегреться, его проводящий слой разрушится
(это
На
чернеет окраска корпуса), и деталь выйдет из строя.
допустимую мощность резисторов указывают условными зна¬
заметно внешне
схемах
(рис. 4.12; 6).
ками
-
Если
же
условного
знака нет, то, значит, в
данной
цепи
на резисторе выделяется ничтожно малая мощность, и можно применять
деталь любого типа.
12. Условное направление тока от «плюса» к «минусу». В цепи, где есть
жидкий
или
газообразный
проводник,
можно
наблюдать
движение заря¬
дов одновременно в двух противоположных направлениях
электроны идут
са» к
«минусу
цепей,
»
от
«минуса»
(рис. 4.13; 1).
-
положительные ионы
к
«плюсу»,
В то же время, рассматривая
свободные
-
схемы
от «плю¬
электри¬
нужно
подробности,
нужно
заряды создают ток: электроны, положительные ионы
или те и
другие одновременно. Поэтому, рассматривая схемы, обычно за¬
бывают о конкретных носителях заряда и представляют себе, что ток созда¬
ческих
знать,
как
правило,
совсем не
знать
не
какие именно
ется только одним
сортом частиц,
а именно положительно
заряженными
частицами.
Рис. 4.13. Ток
Это,
цепей
ми.
может
быть,
и
ток создается
в проводящих жидкостях
несправедливо, потому
(электролитах)
что в
большинстве реальных
электронами, отрицательно заряженными частица¬
Однако исторически получилось
так, что главными были названы по¬
ложительные частицы: в то время не имели представления об электрон¬
ной природе тока в проводниках. И теперь нам ничего другого не остается,
как считать, зачастую вопреки истине, что ток создают не электроны, а
какие-то положительно заряженные шарики и что, конечно же, идет та¬
ГЛАВА 4.
Конституция электрической цепи
кой ток от «плюса» к «минусу».
Тому,
85
кто
будет испытывать в связи с этим
неудобства, ощущать внутренние протесты, можно предложить два уте¬
шения.
Во-первых, условное направление тока не более чем условное на¬
-
правление тока, мы пользуемся им в основном тогда, когда нужно водить
пальцем по схеме, а при этом в реальной цепи жизнь идет своим чередом.
Во-вторых, рассматривая электрическую цепь и считая, что в ней от «плю¬
са»
«минусу» двигаются положительные «шарики», мы получим точно
результаты (те же величины токов и напряжений, те же полярности
напряжений), как и в том случае, если бы считали, что ток создают элект¬
к
те же
роны
13.
и
идут
они от
Конденсатор
к
«минуса»
-
«плюсу» (рис. 4.13; 2, 3).
устройство для накопления электрических зарядов.
другой две металлические пластины и на ко¬
Если расположить одну над
роткое время подключить их к генератору, то на пластинах накопится какое-то количество зарядов, и они
оставаться там довольно долго. То,
будут
что
заряды
не
уходят
тины эти находятся
скими полями
с пластин, можно
близко,
так: плас¬
разноименные заряды своими электриче¬
притягиваются друг к другу и не дают друг другу уйти с
и
Такой пластинчатый
пластин.
упрощенно объяснить
накопитель
зарядов
называют конденсато¬
(рис. 4.14; 1) и на схемах обозначают буквой С (от слова capacitor
накопитель). Конденсаторы различаются формой пластин и веществом
(изолятором), которое находится между ними. Обкладки конденсатора
так часто называют его пластины
в
простейших случаях выполняют в
виде дисков, вставленных друг в друга трубок или свернутых в спираль ме¬
-
ром
-
-
таллических лент из
фольги.
конденсатора характеризует его способность накапли¬
заряды; единица измерения емкости фарад. Количество зарядов,
14. Емкость
вать
-
конденсаторе, зависит от того, каким напряже¬
это
заряжали:
напряжение, тем больший заряд оно
втолкнет на пластины
при прочих равных условиях. А еще количество на¬
копленных
зарядов зависит от свойств самого конденсатора. О его способ¬
ности накапливать заряды говорит особая
характеристика емкость кон¬
емкости
денсатора. Единица электрической
фарад, такая емкость будет у
некоторого условного конденсатора, в котором под действием зарядного
напряжения 1 вольт накопится заряд в 1 кулон (рис. 4.14; 5). Емкость кон¬
денсатора тем больше, чем больше площадь его пластин (иногда для уве¬
которое
накапливается на
нием его
чем
больше
-
-
личения этой площади делают конденсаторы с большим числом парал¬
лельно соединенных пластин) и чем меньше расстояние между ними (чем
ближе пластины, тем сильнее притягивающее поле одной из них действует
другой). Кроме того, емкость определяет¬
ся свойствами вещества между пластинами. О них говорит характеристика
вещества, которая называется диэлектрической проницаемостью е: чем она
на
заряды, которые находятся
на
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
86
больше, тем, при прочих равных условиях, больше
мер,
если
воздушный конденсатор (между
тить в масло, то его емкость
раза больше,
чем
увеличится
в
емкость.
пластинами
два-три раза:
-
Так, напри¬
воздух)
£ масла в
помес¬
два-три
воздуха.
Рис. 4.14. Конденсаторы
Особое
много
место занимают
общего
с
электролитические конденсаторы, у которых
химическими
источниками
тока.
конденсаторах под действием приложенного
В электролитических
постоянного
происходят определенные электрохимические процессы,
рым резко увеличивается
торы
янное
благодаря
кото¬
Поэтому электролитические конденса¬
образом, чтобы на них действовало посто¬
емкость.
включают в цепь таким
напряжение.
напряжения
Причем
в
определенной полярности:
положительный
вывод конденсатора обязательно должен быть направлен
са» источника питания,
тического
отрицательный
конденсатора гибкие выводы,
-
к
то
в
сторону «плю¬
Если
у электроли¬
«минусу».
положительный вывод всегда
делается длиннее отрицательного; кроме того,
на
корпусах современных
ГЛАВА 4. Конституция электрической цепи
конденсаторов
отрицательный
87
вывод часто обозначен большим жирным
«минусом».
Фарад (сокращенно Ф)
-
-
единица
пластинами в
расстояние между
нужно было бы взять
чрезвычайно большая.
1 мм,
то для
получения
Если принять
1 Ф
емкости в
диаметром чуть ли не в 30 км.
Употребляемые на практике конденсаторы (электролитические) имеют
емкость в несколько тысяч или, в лучшем случае, несколько десятков тысяч
микрофарад (мкФ). Встречаются и специальные типы конденсаторов под
дисковые пластины
ионисторы (в западной литературе
названием
их называют
ладающие недостижимой для обычных типов емкостью
На практике они употребляются в качестве резервных
ния для маломощных
нельзя.
Это
пластины
ник
на
может
источников пита¬
устройств.
Важная характеристика конденсатора
обычно указано
SuperCaps), об¬
фарад.
в единицы
корпусе,
привести
и
-
превышать
к
пробою
рабочее
при зарядке конденсатора
или к
и он
конденсатора замкнутся,
напряжение. Оно
его
его
разрушению диэлектрика,
превратится в обычный провод¬
(рис. 4.14; 6).
15.
Время заряда (разряда) конденсатора зависит от его емкости и от
сопротивления зарядной (разрядной) цепи. В момент, когда мы подключаем
конденсатор к электрическому генератору, в цепи появляется некоторый
зарядный ток это свободные электроны идут к одной обкладке конден¬
сатора и уходят с другой, происходит накапливание зарядов на обкладках
(рис. 4.14; 7). Зарядный ток будет протекать до тех пор, пока конденсатор не
-
примет все,
что он может
ко позволяет его емкость.
накопить
конденсатор,
тем дольше
принять,
Чем больше емкость,
будет существовать
зарядов, сколь¬
больше зарядов должен
продолжаться процесс заряда,
Но как только заряд
Если
последовательно с
прекратится.
в цепи
этот ток
чем
зарядный
ток.
зарядную цепь включить резистор, то он ограничит
процесс заряда конденсатора будет длиться дольше.
конденсатором
в
Если соединить
начнется
реходить
га.
будет
тем дольше
конденсатора закончится,
цепи, и
пока не запасет столько
обкладки заряженного конденсатора резистором,
процесс разряда,
с
ток в
по внешней цепи
одной обкладки
Во время разряда
на
избыточные заряды
то
будут пе¬
другую, стремясь нейтрализовать друг дру¬
в цепи тоже течет ток, и его величина также зависит
ограничивается сопротивлением резистора. Разряд
подобно
конденсатора,
заряду, будет длиться тем дольше, чем больше ем¬
кость конденсатора (то есть чем больше зарядов должно уйти с обкладок)
от емкости
и чем
и также
больше общее сопротивление
Быстрее
всего
Наблюдая
за
разряд произойдет,
зарядом
и
разрядной
цепи.
если соединить
разрядом конденсатора,
обкладки накоротко.
мы
впервые
сталки¬
электрической цепи определяют продолжи¬
тельность тех или иных процессов, в данном случае время заряда и разря¬
ваемся с тем, что элементы
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
88
да.
Электрическая
RC-цепочка,
цепь, состоящая из С и
в данном
«разряда» которых
которому
он течет.
случае
R,
или, как ее часто называют,
чем-то напоминает песочные часы,
время
зависит от количества песка и
Не
случайно произведение
диаметра отверстия, по
RC называют постоянной
времени.
16. Любой
элемент
электрической
цепи
режим (на¬
Обдумывая очеред¬
может влиять на
пряжение, ток, мощность)
других
ной ход в шахматной партии, приходится учитывать множество возмож¬
ных его последствий. Точно так же, изменяя
сопротивление какого-либо
сложной
участка
электрической цепи, приходится думать о том, что про¬
всех
ее элементов.
изойдет на всех других участках.
взаимосвязаны, они
ловия жизни своих
разными
близких и
Потому, что элементы сложной цепи
путями и в разной степени влияют на ус¬
далеких соседей. Научиться разбираться в
электронных схемах, научиться,
схемы
-
это
прежде
всего значит
как
принято говорить, свободно
научиться
читать
быстро оценивать, как именно
связаны между собой элементы сложной цепи, как они влияют на токи,
напряжения, потребляемые мощности, одним словом, на режим других
элементов. Именно на это направлено наше постепенное, шаг за шагом,
путешествие в мир электротехники и электроники. Первые шаги на этом
пути уже сделаны. Несколько полезных шагов
где на некоторых примерах показано, как тот
поможет сделать
или
симости от его «места под солнцем», влияет на
Рис. 4.15.
Примеры
взаимовлияния элементов
рис. 4.15,
иной элемент,
в зави¬
всех остальных.
режим
электрической
цепи
примеры, присмотритесь внимательно к тому, какие
происходят при переходе от одного из них к другому, и поста¬
объяснить, почему именно так должны были измениться токи и
Вдумайтесь
в эти
изменения
райтесь
для этого вам понадобится не более чем закон Ома. Если
напряжения,
ваши собственные
расчеты совпадут с тем, что указано на рисунках, то мо¬
-
жете считать, что
важном экзамене и сделали
ный
получили пятерку на
Но,
конечно, главные
вперед.
схем
еще впереди.
электронных
шаги в
шаг
ских и
изучении
языка
серьез¬
электриче¬
ГЛАВА 4.
Конституция электрической цепи
89
Практикум. Изучаем
и
Ома
закон
свойства конденсатора
Эксперимент
1.
Измерение
тока с помощью
вольтметра
Мультиметром
или
называют настольные
портативные
приборы
для
измерения различных электрических величин: прежде всего напряжения,
тока и сопротивления. Это обязательная принадлежность любой элект¬
ротехнической
электромонтажной лаборатории, причем зачастую
или
оказывается достаточно для наладки даже довольно слож¬
мультиметра
ных схем.
мультиметры в большинстве случаев устроены так, что вы¬
строя (как говорится, «спалить») при неправильном подклю¬
Фирменные
вести их из
Хотя в руководствах по работе с мультиметром
соблюдать
рекомендуется
определенный порядок подключения, но, как
чении почти невозможно.
правило,
жение с
ничего не
переменным
настроенный на
Из
произойдет,
этого
или подключите к
источнику напряжения
есть единственное исключение,
Обратите
следует
цепи, и
рис. 4.5; 1,
прибор для
да последовательно
касается из¬
ток последовательно
его измерения
источнику
Почему?
амперметр
питания и
по
проходит
-
-
А потому что,
всем
как
участкам
включается в цепь всег¬
нагрузке (см.
гл.
4; 8). Поэтому
(внутреннее)
со¬
образуется большое падение напряжения, что
измеряемую величину тока. То есть если перепутать
иначе на нем
противление,
внесет искажения в
и
которое
должен иметь очень маленькое собственное
амперметр
напря¬
прибор,
внимание, что клеммы для подключения щупов
в режиме измерения тока вынесены отдельно.
из
постоянное
перепутаете
измерение сопротивления.
правила
тока.
мерения
если вы
амперметр не последовательно с нагрузкой, а параллельно
источнику питания, через него, в полном соответствии с законом Ома,
включить
потечет
огромный
Сопротивление
ток,
ограниченный
только возможностями источника.
амперметра при измерении больших токов составляет
при 5-вольтовом источнике дает
нескольких сотых ома, что даже
порядка
100 А
токи в
Чтобы
не
и
более!
повредить мультиметр при такой ошибке, внутри
ставят плавкий
предохранитель.
показывать ток
(а
Поэтому
корпус
Но надо
и
ли
проверьте
этот
обычно
прибор вдруг перестал
случайно подсоединили
питания), то прежде всего вскрой¬
самый предохранитель.
вообще мучиться
метра? Представьте себе,
схеме,
его
вы можете и не заметить, как
его в режиме измерения тока к выводам
те его
если ваш
приведенной
на
с такой
что вы хотите
ненадежной
проверить
функцией
токи и
рис. 4.7; 1: общее напряжение
мульти¬
напряжения
в
источника питания
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
90
(45 вольт),
общий
падение напряжения на резисторе R1
равный 3
ток в цепи,
амперам. Так
(15 вольт)
и
R2
(30 вольт)
и
мультиметров у вас вряд ли
придется переходить
измерения напряжения к изме¬
рению тока, каждый раз переключая щупы к другим клеммам и устанав¬
ливая новый
режим измерений на мультиметре. Мало того, что это долго
больше одного,
как
от
то
и
неудобно, так еще и, оказывается, очень легко сделать ту самую ошибку,
о
которой упоминалось
измерение тока,
выше: подключить
к клеммам
источника питания.
разрывать цепь для подключения
мость
мультиметр, настроенный
Кроме
того,
на
необходи¬
прибора нарушает работу схемы,
и просто проверить ток без отключения схемы у вас не получится.
Этого можно избежать, если вообще не использовать режим измерения
тока,
производить такое измерение мультимером, настроенным на из¬
мерение напряжения. Тогда мультиметр всегда оказывается включенным
в безопасном
режиме вольтметра, и щупы не требуется переключать из
одного гнезда в другие. Соорудить амперметр из вольтметра можно, если
а
запастись точным
резистором с номинальным значением сопротивления,
1
например ровно Ом, что подойдет для измерения токов в единицы-десятки-сотни миллиампер,
обычные значения для наших схем (для токов
в
диапазонах
других
нужен больший или меньший номинал резистора
10 Ом или 0,1 Ом). Мощность этого резистора должна быть как можно
-
-
выше
-
не менее
мощностью в 10
1-2 Вт
Вт,
(см. рис. 4.12),
а если достанете
огромный резистор
будет просто прекрасно.
приобрести такой резистор, то в крайнем случае мож¬
но его изготовить самостоятельно.
Лучше всего использовать нихромовую
проволоку толщиной 0,2-0,4 мм. Приобрести такую проволоку можно в
интернет-магазинах, торгующих радиокомпонентами (например, в «ЧиЕсли
то это
не сможете
пе-Дипе»)
из нее делают¬
аксессуарами к электронным сигаретам
ся
спирали испарителей. Возьмите кусок этой проволоки подлиннее (как
минимум несколько метров) и измерьте его сопротивление. Величина эта
или
-
порядка нескольких десятков ом. Затем растяните и измерьте ру¬
леткой длину. Поделив одно на другое, вы получите сопротивление одного
составит
Ом/м. Осталось отмерить
нужный
кусок, соответствующий одному ому (скорее всего, получится поряд¬
ка 4-12 см), свернуть его спиралькой, намотав на карандаш и затем акку¬
метра проволоки
ратно сняв,
оно
-
и
в
как можно точнее
сопротивление, причем достаточно точное, готово. Чтобы
взять любой достаточно
крупный
было более долговечным, следует
резистор (например,
нескольких килоом),
мощностью 2
Вт)
с высоким
сопротивлением (более
отрезок нихрома так, чтобы
туго обернуть его кончики вокруг имею¬
намотать на него этот
витки не касались
друг друга, и
Затем их следует пропаять
флюса
(того, что подходит для пайки обычной углеродистой стали).
Теперь заранее включите этот одноомный резистор последовательно в
щихся выводов.
измеряемую цепь, а при
с помощью кислотного
необходимости измерить
ток
параллельно ему
ГЛАВА 4. Конституция электрической цепи
подключите вольтметр,
будет
численно
равна
91
как показано на
показаниям
рис. 4.16. Величина
вольтметра:
лен на диапазон в вольтах, то, значит, ток в
тах
-
то в
Думаю,
как
щийся
от
миллиамперах (в примере
сообразите, почему
напряжение,
если
также подсчитать,
при
существенную погрешность
жения на нем должно
схемы:
тока в цепи
вольтметр установ¬
амперах,
если в милливоль¬
рисунке измеряется
ток
это так, и сами сможете
резистор
170
мА).
придумать,
имеет номинал,
отличаю¬
1 Ом.
Рис. 4.16. Измерение
Легко
на
вы легко
подсчитать
если
И1ом « Unm.
быть
в
тока с помощью вольтметра
каких
условиях резистор
измеряемый
много меньше
Это условие
не
будет вносить
ток: для этого падение
общего напряжения
будет соблюдаться
как
напря¬
питания
раз при указанных
миллиампер падение напряжения
то есть от общего
долей
вольта,
превысит
напряжения
выше значениях токов: вплоть до сотен
на
резисторе
не
питания отнимется совсем немного.
При
токах в единицы
ампер
и выше
сопротивление резистора следует снизить до 0,1 Ом, а, наоборот, при
токах в единицы
миллиампер и ниже сопротивление следует увеличить
до 10 Ом (при этом измеренное значение нужно, соответственно, умно¬
жать или делить на
10).
Эксперимент 2. Исследование заряда
и
разряда
конденсатора
Как указывалось
ряда) конденсатора
выше
(см. раздел
15
в
этой
главе), время заряда (раз¬
зависит от его емкости и от
сопротивления зарядной
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
92
(разрядной) цепи. Произведение сопротивления R (в омах) на емкость С
(в фарадах) называется постоянной времени Т (в секундах). Постоянная вре¬
мени также будет получаться в секундах, если подставлять емкость в более
приближенных к практике микрофарадах, а сопротивление при этом из¬
мерять
в мегаомах.
времени Т? Ответ на
этот
вопрос может дать измерение напряжения на конденсаторе, под¬
ключенном к
источнику питания по схеме рис. 4.17; 1. Переключатель К1
Что
физически
представляет собой
постоянная
соединенных резистора R и
либо
к
электролитического конденсатора С
общему проводу (нулю напря¬
жения), либо к источнику питания +12 В. Для наглядного представления
подключает цепочку
из
последовательно
процессов зарядки и разрядки сопротивление резистора R можно
выбрать
100 кОм до 1 МОм, емкость конденсатора С в пределах от
100 до 1000 мкФ. Большие значения емкости лучше не использовать, про¬
цесс заряда/разряда может искажаться из-за большого значения собствен¬
в
пределах
ных токов
Для
от
-
утечки у электролитических конденсаторов большой
отслеживания
процессов, происходящих при
сатора, вам
потребуется
пользовать
любые
также
часы с
секундомер,
отображением
Рис. 4.17. Заряд
емкости.
заряде/разряде конден¬
в качестве
которого
можно ис¬
секунд.
и разряд конденсатора
переключатель К1 находится в нижнем (по схеме) по¬
ложении, конденсатор обесточен, напряжение UK равно нулю. Подайте на
резистор R напряжение 12 В, переключив К1 в верхнее положение, и одно¬
временно запустите секундомер. Отметьте количество секунд, прошедшее
Первоначально
ГЛАВА 4. Конституция электрической цепи
момента достижения
до
от напряжения питания
доля
напряжением
(где
е
-
93
17к
основание
величины,
равной
натуральных
1
-
1/е
доли
логарифмов);
эта
будет примерно равна 63 % от Ц, (7,6 В при питании 12 В). Отмеченное
секунд и будет равно постоянной времени Т. При указанных на
количество
схеме величинах
ра 470 мкФ
сопротивления резистора 510 кОм
она составит
и емкости конденсато¬
240 секунд.
График
нарастания напряжения при зарядке конденсатора показан
рис. 14.7; 2. Он представляет собой экспоненту, то есть обладает тем
свойством, что за каждый последующий промежуток времени, равный
на
постоянной времени Г,
ную 1
ка.
от
-
11к увеличится на ту же самую долю, рав¬
величина
1/е (примерно 63 %)
от оставшегося значения в начале
промежут¬
Иными словами, за первые 240 секунд напряжение возрастет до 63 %
12 В (до 7,6 В), за следующие 240 секунд
еще на 63% от величины
-
12
-
7,6
4,4 В,
=
то есть на
4,4 0,63
бесконечно далеком
пока в
=
2,8 В (до 7,6
+
будущем напряжение
Слова
2,8
на
=
10,4 В),
и так далее,
конденсаторе не срав¬
бесконечно далеком
будущем»
буквально примерно за 4-5 постоянных времени (то
есть
минут за 15-20 в данном случае) напряжение на конденсаторе окажет¬
няется с
напряжением
питания.
понимать
не
следует
ся
практически равным напряжению
Дождавшись
чить
этого момента
полный заряд
можно затем
К1
ключатель
График
сительно
быстрее,
питания.
(если терпения
не хватит, можно
ненадолго перемкнув резистор R
обратно в нижнее положение. При
тот же
напряжения
Ик
резистор R,
то есть с
при разряде
этом
конденсатор
U0
показан на
рис. 14.7; 3. Он пред¬
«перевернутый» (точнее, зеркально отображенный отно¬
горизонтальной оси) график заряда. Напряжение 1Гк за каждый
12 В
(примерно 4,4 В)
тически длится
лится
Из
будет
собой
относительно оставшегося значения
=
пинцетом),
той же постоянной време¬
промежуток времени, равный постоянной времени, убывает
от
обеспе¬
наблюдать процесс разряда конденсатора, установив пере¬
разряжаться через
ни Т.
ставляет
«в
-
на те же
63 %
вначале оно достигает величины
37 %
Как
и
заряд, разряд конденсатора теоре¬
бесконечное время, практически же напряжение 11к обну-
примерно
формул,
и т. д.
-
за
4-5
постоянных
показанных на
времени.
рис. 14.7; 2, 3,
можно вывести одно
интерес¬
заряде и разряде конденсатора (то есть при
нулевом значении сопротивления R) ток в цепи будет равен бесконечно
большой величине. Понятно, что в реальности достичь такого можно лишь
ное следствие:
при
мгновенном
при нулевом сопротивлении всех
денсатора, подводящих проводов,
кроме того, еще
тания
Так
и
остальных
контактов
разряд
и
переключателя,
а
кон¬
при заряде,
источника пи¬
при нулевом внутреннем сопротивлении
его бесконечно большой
(что равносильно требованию
как в
участков цепи: выводов
мощности).
реальности ни одно из этих условий обеспечить невозможно, то
заряд конденсатора на практике никогда не происходят мгно¬
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
94
венно. Однако надо
учитывать, что ток в цепи при таком режиме может
достигать весьма больших значений, поэтому у конденсаторов большой
емкости и рассчитанных на высокие напряжения часто оговаривается
минимально допустимое время заряда и разряда
выводы
слишком
большим
током.
-
чтобы
не
перегрузить
ГЛАВА 5
Созданный
движением
Первопричина всех магнитных явлений движение электрических за¬
рядов. Знакомство с магнетизмом так же, как и с электричеством, начина¬
ется с
простейших опытов (рис. 5.1). Магнит притягивает к себе железную
булавку, и та, преодолевая силу тяжести, подскакивает вверх.
1.
-
Магнитная стрелка компаса,
смотрит
А
сила.
свете,
в
если поднести к
поворачивается
как
бы
будто
вы этот компас ни
повернули, всегда
острие тянет какая-то невидимая
компасу магнит, то стрелка, позабыв обо всем на
одну сторону,
к
как
ее
этому магниту
за ним, если магнит двигать
и потом
компаса.
Все
уже неотступно следует
это не
гравитационные
взаимодействия (масса Земли тянула булавку вниз, а она все же подскочила
к магниту), не электрические (магнит не притягивает клочки бумаги, как
наэлектризованная
на что
расческа),
вокруг
это нечто совсем иное, новое, не похожее ни
другое.
Рис. 5.1. Простые
Магнетизм относится
роды,
и магнитные
массой и
был
к
числу основных,
фундаментальных явлений при¬
свойства вещества могут быть поставлены
электрическим зарядом. Магнетизм
замечен человеком
новый вид
нельзя
опыты с магнитным полем
несколько
притягивающих
было объяснить. Их
сил так же, как и
можно
так же, как и
тысячелетий назад.
было
Разумеется,
И
ряд
с
электричество,
электричество,
только назвать.
в один
в те
этот
времена
назвали новые,
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
96
ни на что
не похожие
другое
магнетизмом.
гивать железо,
свойства вещества
свойства,
Потому
былиобнаружены у руды из
магнитными
свойствами,
способность притя¬
месторождений вблизи города
эта загадочная
что эти
из
древних городов Малой Азии. От этой Магнезии
«магнит»1.
Магнезия, одного
пошло слово
Понять происхождение
опыты.
Но для
таких
магнитных
объясняющих
свойств тоже помогают
опытов
и
простейшие
придется уже добыть
кое-ка-
современное лабораторное оборудование батарейку для карманного
фонаря, кусок провода и пару лампочек.
Соберите из этих элементов простейшую электрическую цепь, показан¬
кое
которому идет ток, компас
сторону проводника. Подклю¬
по
-
отклонение
батареи,
и
стрелки уменьшит¬
тем
самым
измените
направление
(рис. 5.1; 6) стрелка повернется противоположную
и
сторону. И последнее: разорвите цепь, прекратите ток в ней
стрелка
тока
в
-
-
компаса
который
на
север
Из
тут
же
вернется
она только что
в исходное состояние:
равнялась, стрелка
позабыв
будет,
о
проводнике,
на
как всегда, показывать
(рис. 5.1; 2).
всех
этих
опытов
электрическим током,
можно
сделать
вывод:
и чем сильнее ток в
магнетизм
проводнике,
тем
порождается
более сильным
проводник. Глубокие исследования привели к
более
еще
категорическому выводу: никакого самостоятельного магнетиз¬
ма вообще нет, магнетизм порождается электричеством, магнитные свой¬
магнитом становится этот
ства появляются у движущихся электрических зарядов, и только у движу¬
щихся электрических зарядов.
Но откуда же тогда берутся магнитные свойства у постоянных,
железных
у стрелки компаса? Их тоже создает движение зарядов,
но на этот
раз движение зарядов в мире атомов и молекул.
Каждый электрон сам по себе обладает некоторыми магнитными
магнитов, скажем
свойствами,
ческие токи
и, кроме того, в каждом атоме есть свои внутренние электри¬
Именно эти
движение электронов по
всего, первоисточником всех названий с корнем «магн» был город Магнесия на севе-
ро-востоке
Греции (в том числе от него произошло и название двух одноименных городов в Малой
около этого греческого города находили залежи минерала магнетита. Интересно,
Азии). Именно
этому городу, кроме «магнита» и «магнетизма», мы обязаны названиями элементов магния и
марганца, соединения которых под общим названием «магнезия» также встречались поблизости.
что
ГЛАВА 5. Созданный движением
руются. Конечно,
результат
ствами
именно
в
97
действительности
такой: постоянные
обязаны движению зарядов
тину,
отметим:
янтарная
тертая янтарная
палочка
-
это
-
утрируя для
это всего лишь
2. Магнитное поле всегда замкнуто.
(гл. 3; 5),
ного
не только
что в
какой-то
точке
-
электрическое поле,
пространства
но
свой¬
этого
и, наконец, натертая
это
уже
магнит.
Вокруг всякого движущегося заря¬
но также магнитное поле, еще одна
еще одно невидимое, неслышимое,
просто,
истинную кар¬
янтарная палочка; на¬
электрический заряд,
янтарная палочка, если ею размахивать в воздухе,
да существует уже
не так-то
магнитного поля
итог и несколько
палочка
происходит
магниты своими магнитными
(рис. 5.2; 7,8).
Рис. 5.2. Свойства
Пытаясь подвести
все
неосязаемое
есть
как
вокруг неподвиж¬
особая
форма материи,
Нечто. Чтобы убедиться,
электрическое поле, достаточно
пробный электрический заряд: если электрическое
поле есть, то оно
будет пытаться сдвинуть этот заряд с места. Обнару¬
жить магнитное поле можно с помощью
пробной магнитной стрелки:
если магнитное поле есть, то стрелка будет поворачиваться в сторону
сунуть
в
действия
эту точку
магнитных сил.
Эксперименты с магнитной стрелкой убеждают, что магнитное поле всег¬
да замкнуто, что у него, как у бублика, нет начала и нет конца (рис. 5.2; 1).
Слово «замкнуто» в данном случае надо понимать так: если двигать проб¬
ную магнитную стрелку в ту сторону, куда ее поворачивает магнитное поле,
придем в ту же точку, из которой вышли. Этому факту не нужно
объяснения так устроен мир. Замкнутость магнитного поля это
то мы
кать
-
-
основное свойство: оно из той же
электрического заряда
ис¬
его
серии, что и существование двух сортов
сорта массы.
и только одного
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
98
3. Возле проволочного витка с током можно выделить две особые об¬
ласти
-
северный
Направление магнитно¬
и южный магнитные полюсы.
определяется направлением тока, который это поле создал; это
направление поля можно узнать по правилу буравчика, или по правилу
часов (рис. 5.2; 2). А если расположить рядом два проводника с током,
го поля
любой
между ними магнитные силы, действующие на проб¬
ную магнитную стрелку, будут определяться магнитными полями обоих
то в
точке
Причем
в зависимости от
направления тока эти два маг¬
либо
действовать друг против друга и взаимно унич¬
могут
проводников.
нитных поля
тожаться
(рис. 5.2; 4),
с
силой
удвоенной
либо действовать
действии
согласованном
действуют
на
проводник
усилия складываются,
магнитных
и того же
они
меж¬
полей, которые создаются
проводника: нужно просто свернуть
(рис. 5.2; 5). При этом магнитное поле внутри такого
суммой многих согласованно действующих магнитных по¬
в кольцо
кольца станет
лей
их
магнитную стрелку, помещенную
ду проводами.
Есть простой способ складывания
разными участками одного
(рис. 5.2; 3). При
согласованно
полей
магнитных
усилится во много раз по сравнению с полем ровного, неизогнутого
проводника. Наиболее сильное суммарное поле в районе центра витка.
Причем если приближать стрелку компаса к району центра то с одной
и
-
стороны, то с другой, то поле будет поворачивать эту стрелку в разных
направлениях (рис. 5.2; 6). Если поднести стрелку к центру витка с одной
его
стороны, то стрелка повернется к витку своим северным полюсом, а
если поднести
к
Где у какого магнита северный полюс, а где южный, можно легко опре¬
делить, если поднести к нему другой магнит, полюсы которого известны.
Остается лишь пояснить, как при этом можно дать названия полюсам
самого первого магнита, скажем стрелке самого первого компаса.
есть два
пути. Вот
(оно окрашено
в
полюсом назвать то
первый: северным
красный цвет), которое поворачивается
к
Здесь
острие стрелки
Северному гео¬
графическому полюсу Земли, а южным полюсом стрелки назвать то ее
острие (окрашено в синий цвет), которое смотрит на Южный географичес¬
кий полюс. Мы знаем,
ходятся
примерно
Земля
что
там же, где и
Северного географического
этого
большого
полюс
Земли)
магнита.
тянет к
И
-
большой магнит,
географические
полюсы
полюсы.
которого
Причем
на¬
на месте
полюса находится южный магнитный полюс
этот южный полюс
(Северный географический
себе острие стрелки компаса, которое
мы называем
северным.
Примечание редактора. По поводу
цвета компасной стрелки существует большой
разнобой. У большинства обычных компасов северный конец как-то выделен
(фор¬
п.). Часто северный конец вы¬
деляют красным цветом, как и написано у автора (при этом южный необязательно
синий, чаще всего он бесцветный, черный или белый). Разнобой в это дело вно¬
мой,
нанесением светящихся точек или полосок и т.
сят цвета, принятые для демонстрационных магнитов в школьных опытах,
северный полюс всегда синий, а южный
ный»
-
«теплый», «синий»
-
-
у них
красный (согласно ассоциации «крас¬
«холодный»). Соответственно, для многих простейших
-
была принята такая же расцветка, и она сохранилась в памя¬
ти у многих. Если цвета стрелки компаса соответствуют цветам демонстрационного
магнита (северный полюс синий, а южный красный),то северный полюс у про¬
«школьных» компасов
-
веряемого магнита
-
(см. предыдущий раздел) будет притягивать южный (красный)
конец стрелки. Во избежание подобной путаницы при пользовании компасом стоит
ориентироваться не на цвета, а на каким-то образом выделенный конец стрелки,
который будет указывать
на
географический север,
или на южный полюс подне¬
сенного магнита.
А
вот и
второй способ.
Зная направление тока, всегда
можно по
правилу
буравчика, или по правилу часов (рис. 5.2; 2), определить, где у кольцевого
тока
северная
магнитная
область,
а где южная
(их
часто тоже называют
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
100
полюсами).
И
если внести компас в магнитное поле кольцевого тока, то
можно дать названия полюсам
стрелки.
5.
Катушка: ток последовательно проходит по нескольким виткам
провода, и их магнитные поля суммируются. Если можно складывать
магнитные поля
участков проводника, свернув его в кольцо,
больше усилить суммарное магнитное поле, если
проводника несколько колец и сблизить их (рис. 5.3; 1). Такой
отдельных
то, конечно, можно еще
свернуть
из
спиралевидный
элемент называют
катушкой. Ясно,
чем
магнитное поле.
А кроме того, поле,
больше
способность катушки создавать
тока)
величине
в
амперах
катушкой
витков
индуктивности
у катушки,
или
тем сильнее ее
суммарное
как всегда, зависит от тока, и
магнитное поле
просто
поэтому
(при данной конкретной
иногда оценивают ампер-витками
-
произведением
тока
I
на число витков w.
Рис. 5.3. Магнитные свойства катушки с током
6.
Ферромагнитные
и
парамагнитные вещества в разной степени уси¬
диамагнитные ослабляют его. Можно во мно¬
ливают магнитное поле,
го
магнитное поле
раз усилить
(рис. 5.3; 4)
из так называемых
катушки,
если вставить в нее
ферромагнитных
сердечник
веществ. К их числу от¬
(сталь, чугун), никель, кобальт, редкоземельные элементы
(гадолиний, диспрозий, тербий и др.), а также некоторые специальные
носятся железо
сплавы и специальная
Мощные
мента ниобия
керамика, содержащая
постоянные магниты в настоящее
Внешнее
с железом и
бором
магнитное поле
магнитного вещества таким
ки»
поворачиваются
магнитное поле,
в
время делают
самария
с
кобальта.
из сплава эле¬
кобальтом.
действует
ферро¬
образом, что эти «микроскопические магнити¬
одну сторону
которое
созданного током в
или
окислы железа и
на кольцевые токи в атомах
и начинают создавать свое
может оказаться во много
собственное
сильнее внешнего,
раз
катушке. Число, которое показывает,
во сколько
раз
веществе реальные магнитные силы превышают магнит¬
ные силы внешних полей, называют относительной магнитной проницае¬
в том или ином
мостью р. У стали магнитная проницаемость около 7000. Это значит, что
ГЛАВА 5. Созданный движением
101
внутри стального сердечника, вставленного
в
катушку, магнитные силы
поворачивали бы магнитную стрелку (это, конечно, мысленный экспери¬
мент
стрелка внутри стального сердечника) в семь тысяч раз сильнее, чем
внутри той же катушки, но без сердечника. Если в катушку вставлен сталь¬
-
ной
иной
или
усиливается
ферромагнитный сердечник, то магнитное поле значительно
и в нем самом, и во
всей области вблизи катушки.
Примечание редактора. Относительная магнитная проницаемость ферромагнит¬
ных материалов очень сильно зависит, во-первых, от кристаллической структуры
и химического состава, во-вторых, от напряженности магнитного поля (см. далее),
при которой проводится измерение. Поэтому, говоря о величине магнитной прони¬
цаемости, обязательно следует уточнять, для какого именно материала и при каких
условиях проводилось измерение. Так, для химически чистого железа величина р
составляет около 5000-20 000 в зависимости от чистоты и условий получения. Для
мягкой стали (обычной конструкционной СтЗ, например) в зависимости от напря¬
женности поля величина р составляет около 100-1000, для электротехнических
сталей и специальной электротехнической керамики ферритов
она возрастает
-
до величин
-
300-10 000, а
для некоторых специальных сплавов (пермаллой, альсиопределенных условиях может составить 100 000 и более. Величина
фер и пр.) при
7000, на которую
опирается автор,таким образом, очень приблизительная и харак¬
терна для электротехнических (трансформаторных) сталей только при определен¬
ных значениях интенсивности магнитного поля.
Все остальные вещества, кроме
на
реальные
ные)
магнитные силы.
незначительно
значительно
ферромагнитных, незначительно влияют
При этом некоторые вещества (парамагнит¬
увеличивают
ослабляют
эти силы, а
другие (диамагнитные)
не¬
их.
7. Основные характеристики магнитного поля
напряженность, ин¬
дукция и магнитный поток. Мы затратили довольно много усилий на
-
электрическими явлениями, с процессами в электрических
Хочется
цепях.
верить, что это было интересное знакомство, но во всех слу¬
знакомство с
чаях это
Потому
было
знакомство полезное. Можно даже сказать, необходимое.
любая электронная установка это не что иное, как электриче¬
и чувствовать себя свободно и легко в
мире электроники может
что
ская цепь,
-
электрических цепей.
Во многих электронных приборах и установках работает не только элект¬
только тот, кто
ричество,
глубоко
понимает законы
но и магнетизм, и именно
общее представление
единицах их
о
некоторых
измерения.
поэтому нужно
иметь хотя
важных магнитных
бы
самое
характеристиках
и
Когда нам понадобились единицы измерения различных электрических
-
характеристик
напряжения, тока, сопротивления, мощности,
-
то мы на¬
порции электрического заряда, с электрона. Из него
сформирована реальная единица заряда кулон, и дальше уже все
пошло легко и
просто ампер, вольт, ом, ватт, фарад, джоуль (гл. 3; 9,10).
чали с минимальной
была
-
-
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
102
С единицей
лать эталоном
проводника,
Знакомые
в
обстоит
свойств, единицы
магнитных
единицы
свойства
магнетизма дело
нам
по
которому идет
Во
сложнее.
какой-либо атомный кольцевой
ток не
магнетизма
ток в
случае, сде¬
И
в качестве
удается.
всяком
выбраны
электрические характеристики рассказывают
цепи, об интенсивности движения зарядов
электрической
(напряжение),
тоспособности
ское поле
А
-
магнитные
1 А.
мы оставили в
а
первопричину
Одна
событиях
(ток),
всех явлений
-
их
рабо¬
электриче¬
стороне.
вот все основные магнитные
магнитного поля.
о
из них
-
характеристики
напряженность
-
это
(Н)
поля
характеристики
-
показывает, с
какой силой магнитное поле в данной точке действовало бы на опреде¬
пробный магнит, скажем на проводник с током в 1 А, если бы дей¬
ленный
ствие
происходило
чтобы
в
вакууме
(рис. 5.4; 1).
исключить всякое влияние
напряженность
поля
-
это
абсолютно
только о возможности магнита,
чем другом.
среды,
по
который
Единица напряженности
в
вакуум,
можно считать, что
характеристика:
она
говорит
создает магнитное поле. И ни о
ампер
напряженностью появляется
которому идет ток в 1 ампер.
Точное значение 1/2п метров.
поэтому
-
Рис. 5.4. Характеристики
3
и
чистая
поле с такой
ника,
События переносятся
на
на
метр
(А/м).
расстоянии 16 см3
магнитного поля
Магнитное
от
провод¬
ГЛАВА 5. Созданный движением
103
Если напряженность говорит
поле, то
о
-
вторая характеристика
что
том,
индукция
могло
-
бы делать
магнитное
о том, что оно дела¬
говорит
реально, с учетом среды (рис. 5.4; 2). Магнитная индукция (В) показывает
реальную силу, с которой поле в данной точке действует на пробный маг¬
ет
нит.
Единица магнитной индукции
Представьте себе,
что в
вот,
(ньютон),
то мы
говорим,
из
индукции
вить
такое
себе
или
ампер,
магнитное поле с
точке поля,
Это гдусс
можно
Магнитное
поле
через которую
(Гс), который
индукцией
себе представить. А
1 Тл
этих единиц отметим, что магнитное поле
поле
в
1 Н
этот
в
10000 раз
0,0001 Тл).
=
жет достигать нескольких десятков тысяч
Магнитное
огром¬
1 А. Так
ток в
составляет
10000 Гс; 1 Гс
=
метр
каждой
магнитная
системы единиц.
другой
(1 Тл
меньше теслы
Что
которому идет
такой проводник с током силой
на
что в
Тл).
1 теслу. Довольно
индукция
более
мелкой
единицей магнитной
пользуются другой,
проводник проходит,
часто вместо теслы
по
проводник,
действует
если такое поле
или
магнитное поле, созданное
равномерное
ным магнитом, поместили
(Т
тесла
-
или
1 Гс?
вблизи
гауссов,
как
предста¬
Для иллюстрации
сильного магнита мо¬
то есть нескольких тесл.
вблизи стрелки компаса едва превышает 100 Гс (0,01 Тл).
Земли вблизи ее поверхности может быть меньше 0,01 Гс
(0,000001 Тл).
о
Индукция говорит
поля.
А
велико
какие
общие
реальных
магнитных силах в
силовые возможности
определенной
точке
у данного магнита? Насколько
пространство, где действует известная величина индукции? Об этом
косвенно
рассказывает такая характеристика
ный поток
выделяют
(обозначается буквой Ф).
магнитного поля, как магнит¬
Магнитный
поток
площадку, перпендикулярную направлению
смотрят, чему равна
магнитная
индукция
не в
определяется
так:
магнитных сил, и
одной какой-нибудь
точке,
а на всей площадке. Величина индукции, умноженная на площадь пло¬
щадки, и называется магнитным потоком. Магнитную индукцию уместно
сравнить
капель,
с весом
одной дождевой капли,
ударяющих
в
в
1 Тл,
8.
действующей на
Путь,
по
по
магнитной цепи играет
замыкается магнитное поле, часто называ¬
которой
идет ток, и тем
(рис. 5.5; 1).
сам магнит или
магнитное
аналогию
«бубликом»,
общим
-
в
будет отображать
влияние
такой
катушка. Ток
магнитным
потоком,
другой.
из одного полюса магнита и входит в
сопротивление
между
по кото¬
Роль генератора
электромагнит
цепи можно сравнить с
электрической
который как бы выходит
с весом всех
1 м2.
замыкается магнитное поле
в
А
-
-
по
цепью. Можно провести полезную
электрической цепью,
рому
площади
которому
ют магнитной
СИ
магнитный поток
району, где идет дождь. Единица
вебер (Вб), он соответствует индукции
данную минуту
магнитного потока в системе
а
среды
на вели¬
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
104
чину
подобно тому,
магнитного потока
как
ской цепи
отображает влияние среды, где
этого тока. Существует даже закон Ома для
он имеет внешнее сходство с законом
сопротивление электриче¬
протекает ток, на величину
(рис. 5.5; 2),
электрической цепи. На¬
магнитной цепи
Ома для
пример, отмечается, что магнитный поток пропорционален так называ¬
емой магнитодвижущей силе, которую в случае электромагнита опреде¬
ляют ампер-витки катушки: чем больше эти ампер-витки, тем сильнее
общий
магнитный
поток.
Кроме
того, магнитный поток
порционален магнитному сопротивлению:
рый находился в воздухе,
(в 7000 раз4) уменьшится
магнитный
магнитное
сопротивление цепи
и
увеличится
поток.
Сравнение
магнитной цепи
очень важным
с
магнитного поля
электрической приводит
практическим выводам. Вот один
резко увеличит общее
См. «Примечание редактора»
к
магнитное
некоторым
замкнутой
зазор (рис. 5.5; 6),
сопротивление цепи
пункту 6 этой главы.
к
из них: если в
стальной магнитной цепи сделать небольшой воздушный
4
про¬
замкнуть магнитопроводом из стали, то резко
Рис. 5.5. Характеристики
то он
обратно
если полюсы магнита, кото¬
и
ослабит об¬
ГЛАВА 5. Созданный движением
105
так, участок с большим сопротивлением, последовательно
включенный в электрическую цепь, резко уменьшает ток в ней. Очень важ¬
поток
щий
-
но, что при этом уменьшится и магнитная индукция в самой стали
-
это
результат ослабления общего магнитного потока. А если параллель¬
воздушному зазору создать дополнительный путь с меньшим магнит¬
есть
но
ным
(рис. 5.5; 7),
сопротивлением
к
например приложить
зазору тонкую
стальную пластинку,
сопротивление участка уменьшится
(так уменьшалось сопротивление участка электрической цепи при ее шун¬
то магнитное
тировании)
и
основной магнитный поток пойдет по пути наименьшего
магнитного сопротивления
цепи тоже идет по
(основной электрический ток в параллельной
пути наименьшего сопротивления), пойдет через маг¬
шунт. Это интересное явление ранее использовалось для записи
сигналов на магнитную ленту в магнитофонах и видеомагнитофонах и до
нитный
сих
пор используется
9.
в
обычных компьютерных
Электромагнитные
электроэнергию для
знали, что ток,
взаимодействия
жестких дисках.
позволяют
работы. До
выполнения механической
работая
электрической
в
использовать
сих
пор
мы
цепи, может создавать тепло и
свет, может переносить некоторые вещества с одного электрода на другой
(гл. 3; 2). Теперь же, после знакомства с магнитными свойствами тока, не¬
трудно представить
себе,
как
электрический ток выполняет тяжелую меха¬
ническую работу электродвигателях.
Двигатели бывают самые разные по устройству,
в
режиму работы, потреб¬
электрической мощности, разные по характеру питающего их
тока (к некоторым двигателям нужно подводить неизменное, постоянное
обязательно меняющееся, переменное). Но во
напряжение, к другим
ляемой
-
всех этих двигателях
пропускают ток,
та)
используется один
и тот же
принцип:
магнитные силы внешнего магнита
проводник, взаимодействуя с
5.6). Сила этого взаимодействия,
(рис.
тоспособность двигателя
зависит от тока в его
проводнику
(или электромагни¬
начинают двигать этот
магнитным полем
по
рабочих
его
собственным
а значит, и
рабо¬
движущихся об¬
индукции внешнего магнитного поля: чем больше этот ток и
больше индукция внешнего поля, тем мощнее двигатель. Поэтому,
мотках и от
чем
в двигателях так много стальных
между прочим,
магнитное
поля,
при
сопротивление
этом
тех магнитных
усиливается магнитный
цепей,
деталей:
по
они
которым
уменьшают
замыкаются
поток и, следовательно,
индукция
(рис. 5.6; 3).
На
принципиальных
(рис. 5.6; 4). Для
простоты
схемах
пользоваться всеми известными
гателе, его
двигатель
его часто можно
свое
рассматривать
формулами,
сопротивление, напряжение
двигателем мощность.
имеет
обозначение
как
резистор
чтобы подсчитать
на зажимах или
и
ток в дви¬
потребляемую
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
106
Рис. 5.6. Принцип устройства электродвигателя
10. В
проводнике; который
движется
(наводится) электродвижущая
в
магнитном
поле,
индуциру¬
годы электричество и
магнетизм были известны как совершенно разные, независимые явления.
И только в 1820 году датский
Ханс Кристиан Эрстед обнаружил,
ется
сила.
Долгие
физик
что
электрический
ток
действует
на
но, магнетизм может появиться из
естественно
было предположить,
компаса и что, следователь¬
стрелку
электричества. После
что можно
осуществить
этого
и
открытия
обратное пре¬
ведь получают же
из воды лед, а изо льда воду. И электричество из магнетизма действительно
было получено, но не сразу, а только через двадцать два года после откры¬
образование:
из магнетизма
-
получить электричество
Эрстеда. Все эти годы ушли на выяснение одной, как теперь кажется,
простой истины.
Электричество из магнетизма впервые получил замечательный англий¬
ский физик Майкл Фарадей. Он самыми разными способами пытался
тия
очень
расположить проводник
нужно
место
быть,
даже
проводника
движение.
той цепи
возле магнита, полагая, что для
придать проводнику удачную
в магнитном поле.
может
этого
лишь
И
только
случайно,
спустя
форму
много
получения
Фарадей обнаружил,
получения
проводнике, кроме
нужно еще одно обязательное слагаемое
Электродвижущая
-
сила на концах
проводника,
а
при замкну¬
образом
Это
явление
называется
5.7;
1).
(рис.
электро¬
переводе на русский
электромагнитным наве¬
и ток в нем, появляется, если
проводник определенным
двигать в магнитном поле
магнитной индукцией (в
-
дением).
Дополнение
редактора. История открытия
весьма драматична.
радей применил
5
В 1831
году.
Немедленно
вновь
тока
найти ему удачное
тока в
что для
и магнита,
лет5
и
электромагнитной индукции
Эрстеда, в 1821 году, Майкл Фа¬
постройки прототипа электродвига¬
явления
после открытия
открытый эффект для
ГЛАВА 5. Созданный движением
107
током). В том,
обратимо, был уверен не только Фарадей, но все попытки получить
электричество из магнетизма разбивались об указанное автором непонимание
теля
(в
его опыте постоянный магнит вращался вокруг проводника с
что явление
обоих процессах: ведь электрический ток тоже пред¬
собой движение (электрических зарядов в проводнике), но тогда это еще
не было очевидно. В 1825 году швейцарский физик Жан-Даниэль Колладон, ра¬
ботавший в лаборатории Ампера в Париже, поставил простой опыт, который, не¬
ключевой роли движения в
ставляет
сомненно, должен
был
Колладон упустил результат
иметь успех, но
из излишней
Сейчас подобный эксперимент демонстрируют на уроках в школе:
магнит передвигается внутри катушки из провода, подключенной к гальванометру.
При движении магнита стрелка отклоняется. Однако Колладон решил исключить
всякое влияние мощного магнита на гальванометр и разместил прибор в дру¬
аккуратности.
гой
комнате. Пока он не спеша приходил
уже успокаивалась. Заметим,
взглянуть
что первые опыты
на
стрелку, она, разумеется,
Фарадея были безуспешными
аналогичной причине, а конечный эксперимент в 1831 году, в котором
конец, получен
результат, гораздо сложнее по своему принципу
-
по
на¬
там в качестве
источника магнитного поля использовался не постоянный магнит, а
нитная
был,
электромаг¬
катушка с сердечником.
Рис. 5.7. Электромагнитная индукция
Появление
виде
можно
ными
индуцированной (наведенной) ЭДС
объяснить
свойствами
собой
так:
А
в соответствии с законом
элементарный электрический
взаимодействуя
если
самом
упрощенном
каждый свободный электрон обладает магнит¬
ток.
внешнее магнитное поле, то оно «схватит»
ника,
в
с ними,
Эрстеда,
Если
так как
поместить
представляет
проводник
во
свободные электроны провод¬
микроскопическими магнитиками.
электроны как бы останутся на месте,
как с
теперь двинуть проводник,
то
удерживаемые внешним
полем, и
свободных электронов. В
итоге на одном конце
проводник сместится
относительно этих
проводника концентрация
уменьшится. То есть на концах про¬
электронов увеличится, на другом
водника появится скопление разноименных зарядов, а значит, электро¬
-
движущая
сила.
Если
же остановить
проводник,
то
электроны
постепенно
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
108
в свои
воднике.
При этом, разумеется, ЭДС на его концах исчезнет. Еще раз отме¬
тим: это очень
и вновь
в
вернутся
старые районы
равномерно распределятся
упрощенное объяснение, скорее даже
намек на
про¬
объяснение,
чем истинная
картина.
Величина наведенной ЭДС Е зависит от длины проводника I, от индук¬
ции внешнего магнитного поля В и еще, конечно, от скорости движения
быстрее он движется, тем больше наведенная электро¬
(рис. 5.7; 3).
проводника V. Чем
движущая
сила
11. Различные способы наведения
самоиндукция. Для
того
чтобы
в
ЭДС
-
индукция, взаимоиндукция,
проводнике
навелась
ЭДС,
можно дви¬
гать его в магнитном поле, или, что то же самое, магнитное поле двигать
относительно
проводника. А
дом два проводника
можно еще
так:
поступить
расположить ря¬
величину тока, например
включив в цепь переменное сопротивление (рис. 5.7; 4). Раз в первом про¬
воднике меняется ток, то, значит, меняется и его магнитное поле. А оно,
и в одном
из них менять
это меняющееся поле, охватывает
второй
точно так же, как это делало магнитное поле
способ наведения ЭДС
в
движущегося
магнита.
ЭДС
Такой
взаимоиндукцией.
называется
Уберем второй проводник
и наводит в нем
проводник
и внимательно
посмотрим,
что
происходит
Этот меняющийся ток, как мы только
установили, создает меняющееся магнитное поле. Но ведь это поле не
первом, когда
что
в нем меняется ток.
в
пространстве вокруг проводника, оно пронизывает и
И
собственное магнитное поле проводника меняет¬
когда
проводник.
то оно, по всем
правилам электромагнитной индукции, наводит ЭДС
только
действует
сам
ся,
в самом этом
проводнике
самоиндукцией,
а
(рис. 5.7; 5).
наведенную ЭДС
-
Такой способ наведения
электродвижущей
называют
силой самоиндук¬
ции.
Итак,
силы
-
в
цепи
при
ЭДС генератора
модействие,
каковы
действуют две электродвижущие
ЭДС самоиндукции. Как же происходит их взаи¬
изменении
и
тока
результаты такой совместной
работы? Оказывается,
ЭДС самоиндукции всегда мешает генератору менять ток в цепи. (Ин¬
терес представляет только режим изменения тока: если ток не меняется,
то остается неизменным и магнитное поле проводника, а значит, ЭДС са¬
что
моиндукции вообще нет.) Если
то
ЭДС самоиндукции
так
резко. Если
ток по
какой-либо причине увеличивается,
этому увеличению, и ток уже возрастает не
уменьшается, то ЭДС самоиндукции мешает
мешает
ток в цепи
этому уменьшению, поддерживает ток,
В этом отношении ЭДС самоиндукции
торый вначале трудно раскрутить,
сильно
и в итоге он падает
можно
а затем
сравнить
непросто
возрастает ЭДС самоиндукции при резком
пример в момент размыкания цепи.
более
плавно.
с маховиком, ко¬
остановить.
Особенно
изменении тока, на¬
ГЛАВА 5. Созданный движением
109
12. Чем больше число витков в катушке
наведенная
если
свернуть
индуктивности,
ЭДС. Можно увеличить наведенную
в ней
этот
индуктивности. В
проводник
в
спираль,
в
тем
больше
проводнике ЭДС,
то есть сделать из него
катушку
будет
случае
(ЭДС индукции, взаимоиндукции или самоиндукции, в
зависимости от
выбранного способа наведения), и все эти ЭДС отдельных
витков будут складываться так же, как складывается ЭДС последовательно
включенных генераторов. Суммарная ЭДС, наведенная магнитным полем
этом
в каждом витке
наводиться электро¬
движущая сила
в катушке, пропорциональна числу ее витков.
То же самое можно сказать и о процессе взаимоиндукции.
Здесь
для
(рис. 5.8; 4) первич¬
получения ЭДС располагают рядом
I
ней
меняется
ток
и
магнитное
создается меняющееся
поле) и вто¬
ную (в
ричную II (в ней наводится ЭДС взаимоиндукции). Чем больше витков в
этой вторичной катушке, тем больше наведенная в ней ЭДС. Кстати, такое
устройство из нескольких катушек (обмоток) называется трансформато¬
ром. Вскоре мы познакомимся с ним подробнее (гл. 6; 25).
-
две катушки
Рис. 5.8.
Самоиндукция
Наведенная ЭДС
и взаимоиндукция в катушках индуктивности
зависит и от
скорости
ного поля, охватывающего витки.
ны
магнитной индукции,
ная
особенность
изменения,
-
многих
что на
а от
изменения
индукции Н
магнит¬
Обратите внимание: не от самой величи¬
скорости
процессов
-
ее изменения.
зависимость
ней стоит остановиться более
Это
настолько важ¬
чего-либо
от
скорости
подробно.
13. Во
ние
многих процессах решающую роль играет не абсолютное значе¬
какой-либо величины, а скорость ее изменения. Вообразите себя ге¬
арифметической задачи из популярной серии задач с бассейнами.
По условиям нужно выбрать для купания один бассейн из трех возмож¬
ных. При этом известно, что в первом бассейне уровень воды 30 см, во вто¬
роем
110
-
ром
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
15
см и в
третьем
-
5
см.
Из
всех этих мелких водоемов вы, конечно,
выбираете первый лучше уж войти в воду по колено, чем по щиколотку.
Но вот, почитав условия задачи чуть дальше, вы узнаете, что кран, напол¬
няющий первый бассейн, закрыт, а во втором бассейне кран открыт (в за¬
-
бассейнами обязательно должны быть открытые и закрытые краны)
уровень воды поднимается на 1 см каждую минуту. Приходится на ходу
даче с
и
решение
выбираем второй бассейн, через час здесь вода подни¬
мется
уже до 75 см, и можно будет поплавать по-настоящему.
В ожидании, пока это произойдет, вы наконец дочитываете условия за¬
дачи до конца, и выясняется, что и в третьем бассейне открыт кран, причем
менять
-
открыт очень
Теперь
75 см,
сильно
сомнений
что и
нет:
уровень воды каждую минуту поднимается на 10 см.
лучше всех третий бассейн, он наполнится до тех же
второй, уже
простой
не за час, а всего за
и
каких-нибудь
7 минут. Только
можно
уже
нырять.
что есть
показывает,
пример
случаи, когда нужно
успеешь раздеться,
Этот
-
не толь¬
«сколько?», но стоит также поинтересоваться, «меняется или не
меняется?», а если окажется, что меняется, то необходимо выяснить, «на¬
ко знать
сколько
быстро меняется?»,
или, иными словами, «чему равна скорость
изменения?».
14. Наведенная в катушке
нения магнитного поля.
человека
-
До
ЭДС тем больше,
чем
чего же все-таки это
школа, система передачи знаний.
больше скорость
прекрасное
изме¬
изобретение
То, на выяснение чего великий
Фарадей потратил годы, мы узнаем в несколько минут. Заглянув в школь¬
ный учебник физики, мы узнаем, что ЭДС, которая наводится в проводни¬
ке или в катушке, зависит от того, насколько быстро меняется поле: чем
больше скорость изменения магнитной индукции (или скорость движе¬
ния
проводника в равномерном поле с постоянной индукцией), тем боль¬
ше наведенная ЭДС. Объяснить это можно,
пользуясь крайне упрощенной
картиной наведения ЭДС
и ни на
минуту
1; 8. При движении проводника
бодные электроны, старается сдвинуть
главе
не
забывая
о
предупреждении
в
внешнее поле, схватившее его сво¬
их в один конец этого
проводника,
одной области. А электроны своими электрическими полями
расталкиваются, стараются распределиться по проводнику равномерно.
Здесь для магнитного поля, создающего ЭДС, самое главное
скорость:
накопить в
-
чем
быстрее оно будет сдвигать электроны, тем большее их количество на¬
(катушки), тем больше будет наведенная
копится на концах проводника
Кое-что здесь
пример с бассей¬
нами.
Представьте себе, что в бассейне два крана, через один вода наливает¬
ся (внешнее магнитное поле, изменяясь, тянет за собой
электроны), через
ЭДС индукции.
может пояснить еще один
кран выливается. Ясно, что чем больше открыт первый кран, чем
больше скорость наполнения бассейна, тембольше в нем успеет накопить¬
другой
ся воды.
-
А
стоит
перекрыть первый кран
(скорость изменения магнитного
ГЛАВА 5. Созданный движением
поля
нулю),
нулю).
равна
равна
как
111
бассейн
В процессе взаимоиндукции
быстро
и
окажется
пустым (наведенная ЭДС
самоиндукции
магнитное поле меняется
что меняется ток в цепи, и
потому,
тем больше
и наведенная в
поэтому
катушке ЭДС (рис. 5.9;
примером, но уже не с бассей¬
теперь электрической цепью. По двум совер¬
катушкам идет ток по первой 5 А, по второй -1000 А.
понятия
«скорость
нами,
более близкой
а с
быстрее меняется ток,
1,2). Подчеркнем смысл
чем
изменения» еще одним
шенно одинаковым
нам
-
Токи
в
катушках постепенно меняются, и через секунду в первой катушке
10
во
А,
второй -1001 А. Так вот, ЭДС самоиндукции во второй катуш¬
уже
это
ке, несмотря на устрашающую абсолютную величину тока (1000 А
-
много!), будет меньше, чем в первой. Потому что скорость измене¬
первой катушке больше здесь ток изменился на 5 А за 1 с, а во
второй катушке всего на 1 А за 1 с.
очень
ния тока в
-
-
Рис. 5.9. Наведенная ЭДС
15.
и понятие
индуктивности
характеризует способность катушки создавать
единица индуктивности генри. Зависимость ЭДС са¬
Индуктивность
магнитное поле,
-
моиндукции от скорости изменения тока позволяет ввести точную харак¬
теристику тех свойств самой катушки, которые говорят об умении взаи¬
модействовать
с магнитным полем и создавать свое поле.
что магнитное поле
поле
катушки
резко усиливается,
тем сильнее, чем
если вставить в
больше
катушку
в
Мы упоминали,
ней витков,
и что
ферромагнитный сердеч¬
(гл. 5; 6; рис. 5.8; 3). Теперь мы можем о магнитных свойствах катушки
судить по той ЭДС, которая в этой катушке наводится. Характеристика
ник
катушки, которая рассказывает об этом, называется ее коэффициентом са¬
моиндукции, или, короче, коэффициентом индуктивности, или, еще ко¬
роче, просто индуктивностью. Обозначается этот коэффициент буквой L,
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
112
этой же
обозначаются
на схемах и сами катушки. Единица
Такой
генри.
индуктивностью обладает катушка, если
индуктивности
при изменении в ней тока на 1А за 1 с в катушке наводится ЭДС 1 В. О том,
что реально могут представлять собой катушки той или иной индуктив¬
ности, показано на рис. 5.9.
буквой
часто
-
16. В машинных генераторах ЭДС создается за счет перемещения про¬
водников в магнитном поле. К арсеналу генераторов, в которых электри¬
зация электродов шла за счет химической, тепловой или световой энергии
(гл. 3; 7), мы сейчас прибавим еще один тип источников электрической
энергии. Это машинный генератор, в нем получают ЭДС, двигая провод¬
ник или систему проводников (обмотку) в магнитном поле. В реальных ге¬
нераторах, правда, чаще поступают наоборот обмотка, на которой долж¬
на наводиться ЭДС, стоит на месте, а относительно нее движутся мощные
электромагниты. Но принцип работы всех машинных генераторов один и
-
используют энергию внешних источников (водяных или паро¬
турбин, двигателей внутреннего сгорания, ветродвигателей) для того,
чтобы создавать ЭДС, направлять в электрические цепи заряды, которые
тот же: они
вых
могли
бы
выполнять
работ
светить, греть, двигать.
что
в
такой системе, можно натолк¬
над
тем,
Задумываясь
происходит
наивных
на
два
два
нуться
простых вопроса,
«почему?». Вот первое поче¬
разные
виды
-
-
му для перемещения обмоток генератора в магнитном поле нужны мощ¬
ные источники энергии, все эти гигантские паровые турбины, гигантские
плотины, в которых работает падающая с огромной высоты вода? На это
виде, а можно ответить конкретно, с
учетом конкретных процессов в электрогенераторе. Сначала общий ответ.
«почему?»
можно ответить в
общем
Электрические заряды, которые электрогенератор направит в цепь, будут
выполнять там большую работу. Откуда заряды возьмут необходимые для
этого силы? Кто даст им необходимый запас энергии? Конечно же, генера¬
тор. Но генератор
не может взять
внешнего источника,
например
А теперь конкретно:
энергию
от
из
ниоткуда,
он
получает
ее от
паровой турбины.
мы знаем, что магнитное поле выталкивает
провод¬
генераторе, мы вынуждены вталкивать
проводник с током в магнитное поле, которое, естественно, сопротивля¬
ется этому вталкиванию; чтобы преодолеть сопротивление магнитного
иначе не провернешь в
поля, как раз и приходится затрачивать энергию
ник с током
(гл. 5; 7, 9),
а здесь, в
-
магнитном поле
обмотку,
Второе «почему?»
гаем на
электростанциях
вырабатывают
6
в
которой должна навестись ЭДС.
не только наивно, оно еще и весьма
тепловые
топливо
(почти
коварно. Мы
сжи¬
80 % всей электроэнергии мира
электростанции6)
для того, чтобы пришла в дви¬
В тексте издания 1986 года указана ошибочная цифра 90 %. В1973 году тепловые станции (уголь, газ
и нефть) вырабатывали более 75 %, остальное делили между собой ГЭС (21 %) и атомные станции
(более 3 %). В 2015 году тепловые электростанции вырабатывали около 67 %; атомные около 10%,
возобновляемые
источники
(ГЭС
и
альтернативная энергетика)
-
около 23 %.
ГЛАВА 5. Созданный движением
113
турбина и чтобы у нее были силы двигать обмотки в элект¬
Генератор создает ток, который затем приходит на завод и
жение паровая
рогенераторе.
приводит в движение
станок.
электроплитку. Так для
Для чего нужны
бота
-
чество
столь сложные
электричество
-
нужен
этот
в
нашу квартиру
посредник
преобразования тепло
тепло? Или тепло
-
-
-
механическая
и
нагревает
электричество?
-
механическая
работа
электри¬
работа?
Вы сами легко ответите на подобные вопросы,
ра¬
-
Не проще ли сразу, без посредников
механическую работу или тепло?
механическая
пользовать
Или приходит
чего же
ис¬
если внимательно посмот¬
работает электричество.
Электричество
перебрасывать энергию на огромные
И
очень
расстояния.
простые, удобные средства транспорта не труба с го¬
рите вокруг, приглядитесь
-
к
тому,
как
это возможность
-
рячим паром, не состав с углем, а всего лишь медный проводник нужны,
чтобы миллиарды тружеников-электронов приступили к работе за сотни
-
от
километров
электростанции.
Электричество
И распределять
вел
провод
в
-
это возможность делить
ее
между огромным
квартиру и пользуйся
-
числом
энергию
на
любые порции.
потребителей (рис. 5.10):
сколько
про¬
нужно.
Рис. 5.10. Электроэнергия
Электричество это мгновенное превращение полученной энергии в
любую нужную тебе форму в свет, тепло, механическое движение. Это
-
-
компактные
простые
и
яркие
источники
компактные и
света,
простые
(представьте себе, что в электропроигрывателе
бензиновый
установлен
мотор) и масса самых важных устройств и про¬
цессов, которых без электричества вообще не было бы (ускоритель атом¬
механические двигатели
ных частиц,
телевизор, большая
вычислительная
машина). Одним
словом,
у электричества достаточно достоинств, чтобы было выгодно сначала пре¬
вращать
другие виды энергии
димости производить
в
электроэнергию,
обратные превращения.
Примечание редактора. Надо учитывать, что
за
удобство
а затем по
мере необхо¬
использования электри¬
чества приходится платить излишним расходом источников энергии
(в
частности,
превышает 40 %, осталь¬
ное уходит с горячим отработанным паром. Повысить эффективность использо-
вания топлива можно, если дополнительно утилизировать отработанный пар на
предприятиях и на бытовые нужды, что осуществляется на теплоэлектроцентралях
(ТЭЦ),
но к
выработке электричества
это уже не имеет отношения.
Второй
источник
сопротивление линий электропередачи и бытовых электрических сетей,
потерь
на котором теряется около 10 % произведенной электроэнергии. Иными словами,
-
за
удобство
пользования
и
электрическими плитами, духовками, микроволновками
мы вынуждены примерно 70 % вырабо¬
другими электробытовыми приборами
танной энергии либо впустую рассеивать
в
окружающей среде, либо
искать пути ее
утилизации, что не всегда возможно.
причине всеобщий переход на электромобили не решит проблемы
загрязнения окружающей среды в глобальном масштабе, а наоборот, должен усугу¬
Именно по этой
в случае если не будут найдены дешевые способы преобразования и хра¬
нения энергии из возобновляемых источников. Потенциал гидроэлектростанций
на сегодняшний день практически исчерпан (везде, где можно, они уже построе¬
ны), а суммарное производство электроэнергии из всех альтернативных источни¬
бить ее
ков
-
(солнечные, ветровые, приливные, гидротермальные
2015 год
в
мире
сильно больше
ные
не
превышало 7 %. Хотя
средней
-
в
Германии
доля
электростанции) на
эта цифра
альтернативной энергетики в отдель¬
в
периоды 2017-2019 годов доходила до 85 %,
ветры, иногда даже превышала
и т. п.
некоторых странах мира
а в
Дании,
где дуют постоянные
потребности страны.
Самый удобный способ получения наведенной ЭДС
водников
(обмоток)
в магнитном поле.
-
это
вращение про¬
Именно вращение. Главным
зом, конечно, потому, что большинство
машин-двигателей дают
обра¬
именно
вращательное движение. К тому же вращательное движение проводника в
магнитном поле позволяет легко и
просто получить переменную ЭДС, по¬
имеет
лучить переменный ток, который
массу интересных особенностей и
важных достоинств.
Но
ная
это
уже следующая глава нашего повествования,
особенностям и достоинствам переменного тока.
целиком посвящен¬
ГЛАВА 6
Сложный
характер
переменного тока
проводник; то в нем наводится пере¬
что ЭДС, наведенная в
Отмечая,
синусоидальная ЭДС.
проводнике,
в
магнитном
от скорости его перемеще¬
зависит
поле,
который движется
1. Если
в магнитном поле
вращать
менная
ния, нужно помнить: речь идет не о движении
вообще, куда угодно. Важно
то, с какой скоростью проводник пересекает магнитное поле, с какой ско¬
ростью он движется перпендикулярно полю, перпендикулярно направ¬
лению, в котором поле повернуло бы
поясняет
поле в
рис. 6.1,
на
котором
пробную
показано движение
разных направлениях. Предполагается,
примерах одна и та же, т. е. проводник
1 с, везде проходит одно
и то же
В первых двух случаях
(рис. 6.1; 1.2)
нию поля, движется в том же
стрелку
компаса.
поля.
дник по-прежнему продвинулся
рек
поля сместился на
скорость движения
единицу времени,
в
котором
поле
по
сколько-нибудь
направле¬
устанавлива¬
ЭДС равна нулю;
мы видим на
чтобы
ЭДС
сместиться
поперек
3.
Здесь
6.1;
рис.
прово¬
расстояние а, но теперь
расстояние яг. В случае, показанном
на
во
ска¬
а.
проводник движется
направлении,
Такое небольшое смещение
в магнитном
в магнитном поле
А поэтому наведенная
наводилась, проводник должен хоть
за
расстояние
Рис. 6.1. Движение проводника
ет
проводника
что
всех пяти
жем за
магнитную стрелку. Это
он
уже
попе¬
на
рис. 6.1; 4,
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
116
ЭДС
максимальна
-
проводник движется строго перпендикулярно
ЭДС наводится и в случае рис. 6.1; 5.
да, проводник движется в другом направлении и полярность
Такая
же максимальная
обратную (по сравнению
полярность наведенной ЭДС всегда зависит
с
но, меняется на
проводник пересекает
магнитное поле, и
известному правилу правой руки
Все рассмотренные примеры
тейшей моделью
машинного
полю.
Здесь, прав¬
ЭДС,
конеч¬
рис. 6.1; 4). Так бывает всегда:
от того, в каком
эта
определяется
направлении
полярность
по
(рис. 5.7; 1).
лишь подготовка к
знакомству с прос¬
электрического генератора, где проводник
-
равномерном магнитном поле (рис. 6.2). В таком проводнике
индуцируется ЭДС, которая подводится к внешней электрической цепи
вращается
в
с помощью скользящих контактов.
поле
равномерно
он, естественно, с
с
постоянной скоростью движется
разной скоростью пересекает
7,
водник проходит точки 3 и
поле,
хотя и в
дится
ности.
Проводник вращается в магнитном
оборотов в минуту. При этом
с постоянным числом
магнитное поле.
он с
окружности,
эти моменты в
проводнике
из всех возможных, но, конечно,
Когда проводник проходит
но
максимальной скоростью пересекает
разных направлениях. В
ЭДС, наибольшая
по
Когда, например, про¬
точки
1
и
5,
он
разной
вообще
наво¬
поляр¬
не
пересекает
равна нулю. Во всех
ЭДС в эти моменты
ЭДС разной величины, в
магнитного поля, и наведенная
пределах от макси¬
мальной до нуля, причем на всем участке движения от точки 1 до 5 ЭДС
остальных точках наводится
одну полярность, а на всем участке от 5 до 1
противоположную.
Одним словом, на проводнике, который вращается в магнитном поле,
наводится переменная ЭДС, непрерывно меняется ее величина и перио¬
дически меняется ее полярность. О том, как меняется наведенная ЭДС
имеет
-
при вращении проводника
в магнитном поле,
лучше
всего
рассказывает
график.
Рис. 6.2. Круговое движение проводника
в магнитном поле
ГЛАВА 6. Сложный характер переменного тока
117
особый рисунок, наглядно показывающий, как одна ка¬
кая-либо величина зависит от другой. Об одной из зависимостей за¬
2.
График
-
кона Ома можно рассказать
электродвижущей силе...»,
лы
(рис. 4.1),
словами
«ток
прямо пропорционален
можно записать ее в виде
отобразить эту
Основа графика
а можно
рис. 6.3; 1.
-
зависимость на
короткой форму¬
графике,
как это
две взаимно перпендикулярные
и
оси:
две
линии,
вертикальная
горизонтальная. По вертикальной оси в
сделано на
-
определенном масштабе откладывают, отмеряют ту величину, об изме¬
нениях
которой мы хотим рассказать. А по горизонтальной оси отмеря¬
ют
ту величину, от которой зависит первая. «В определенном масштабе»
означает,
что если,
соответствовать
уже
может
жение
с
1
например, отмеряется масса,
г или
быть 1°;
-1 В. Отсчет
1 кг;
если ток
в
если
-
то
то
1
мм на шкале может
отмеряется температура,
1
мм может
отображать
большинстве случаев ведется
от
то
1 А;
1
мм
-
это
если
напря¬
нуля, совпадающего
точкой пересечения осей.
Рис. 6.3. Графики различных величин
На рис. 6.3 показано,
как с помощью
разных зависимостей.
графиков можно записать несколько
I в цепи от напря¬
R.
сопротивлении
Строится график
так: задаемся
некоторыми значениями напряжения -1 В, 2 В, 3 В и т. д. и
подсчитываем для них соответствующие величины тока по формуле закона
самых
жения
U при некотором
Первая
-
зависимость тока
постоянном
-
Ома.
из
При R
=
2 Ом получается соответственно 0,5 А, 1 А, 1,5 А
точек на осях
соответствующих
пересечения и получаем
на поле
и т. д.
Теперь
IuU проводим перпендикуляры до
между
осями точки, каждая из
их
которых
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
118
говорит: «при U
ток I
1,5 А» и т.
=
показывает,
0,5 А», «при U 2 В ток 1=1 А», «при U 3 В
Соединяем точки и получаем линию, которая как раз
1 В
=
д.
I
ток
как именно ток
=
=
=
I
зависит от
напряжения U. Одного взгляда
на
достаточно, чтобы сказать, что с увеличением напряжения ток
растет, причем растет прямо пропорционально, или иначе линейно. Для
график
-
экономии места можно на одном
графике
показать несколько зависимо¬
IotU при разных сопротивлениях цепи. Легко заметить, что с ростом
сопротивления цепи R ток I при увеличении U нарастает не так резко. Гра¬
стей
фики
могут
также показать, что величина тока
сопротивлению, рассказать
обратно
о зависимостях закона
пропорциональна
Ома для участка цепи,
напряжения (рис. 6.3; 2).
как меняется масса космиче¬
3
показано,
6.3;
условно
графике рис.
ской системы при выведении спутника на околоземную орбиту. Сама
о том, как мощность зависит от тока или
На
жена высота подъема
масса системы
топливо,
20
-
и масса
ракеты
Точно
высоте
250
так же на высоте
км
-
Землей
График (рис. 6.3; 4)
50
км.
автомобиль
на
(жирная
первая сту¬
орбите, то несколько
графике).
опускаясь,
то
линия на
показывает, как меняется с течением времени рас¬
шел с
В последующие два
города А. Мы видим,
скорость была больше
часа
уже проходила 100 км. А вот на
участок время идет, а пройденный
-
машина стоит на месте.
от
графике
первые
путь
расстояние
от
каждый
за
-
появился
час ма¬
горизонтальный
остается неизменным, то есть
Потом водитель вообще
пошла вниз, то есть
что
постоянной скоростью, каждый час покрывая
шина
фика
отработавшая
отстреливается вторая ступень, и на
орбите сам спутник (чистая масса 1 т),
км
I, которое автомобиль проехал
часа
затем по
отстреливается
100
третья. Остается
поднимаясь над
два
мере подъема выгорает
уменьшается. На высоте 40 км масса
движется по эллиптической
который
стояние
постепенно
скачком это
уменьшается резко,
пень.
вертикальной
(цифры условные),
т
оси, а по
горизонтальной отло¬
ракеты-носителя. На Земле (нулевая высота) общая
масса в тоннах отложена по
линия
гра¬
уменьшаться,
ско¬
поехал назад
города А
стало
-
обнаружил
рее всего, водитель
какую-то неисправность и вернулся в до¬
После
непродолжительной остановки машина вновь
рожную мастерскую.
двинулась вперед.
И еще один пример
-
график
изменения
в течение
температуры
(рис. 6.3; 5).
почти все
ко
часами она остается
В
Мы видим, что температура
и 10 часами и
8
между
между 12 и 13
какие-то моменты
моменты
резче. На
времени температура
этом
то называют линию,
тальную
мы
соединяющую
впервые видим,
точки
температура,
вниз.
но точно так же
отрицательного
тока
(рис.
6.4
и
строится
6.5).
меняется
-
суток
толь¬
постоянной.
меняется медленнее, а в
графика)
как
другие
кривая (так час¬
пересекает горизон¬
Так условились показывать,
уходит
становится
отрицательной. В данном случае
ось и
величина
графике
время
что изменяющаяся
это
отрицательная
график отрицательной ЭДС
или
ГЛАВА 6. Сложный характер переменного тока
119
Нужно сказать, что сами названия «положительная ЭДС» и «отрицатель¬
ная
ЭДС» присвоены совершенно условно:
меняется
полярность
ются местами.
но
И одну
-
какую, условно
3.
на контактах
График переменной ЭДС
времени. Отсчет
подчеркнуть,
его «плюс» и
часто
«минус»
что
меня¬
безразлич¬
отрицательной.
совершенно
положительной, вторую
-
показывает, как она меняется с течением
отрицательной
цательной ЭДС, ведется
генератора,
полярностей,
из этих
называют
они должны
величины на
так же, как и
графике,
положительной,
в частности
отри¬
горизонтальной
ЭДС, тем ниже
(оси времени) расположится соответствующая точ¬
от
оси, но уже, естественно, вниз: чем больше отрицательная
от
горизонтальной оси
ка на
графике.
На рис. 6.4
воднике при
график переменной ЭДС, которая наводится в про¬
вращении его в магнитном поле (рис. 6.2). График очень по¬
показан
дробно рассказывает о процессе наведения ЭДС. Мы видим,
момент
с
ЭДС
достигает максимума
-
это
как в
какой-то
проводник проходит точку 3
максимальной скоростью пересекает магнитное поле.
Видим
и
макси¬
мальную ЭДС, но уже другой полярности проводник проходит точку 7.
Наконец, график рассказывает, что дважды за каждый оборот проводник
-
движется не поперек поля, а вдоль и затем меняет направление, в котором
он пересекает поле. В эти моменты
они
соответствуют точкам 1 и 5 ЭДС
-
равна нулю,
и в эти же моменты
-
происходит
Рис. 6.4. ЭДС генератора
4. Под действием переменной ЭДС
на
смена ее
полярности.
графике
в цепи идет
переменный
ток, а
на участках цепи
ходит
в
действуют переменные напряжения. Все, что проис¬
электрической цепи, подчиняется закону Ома, и если увеличивает¬
ся или
уменьшается ЭДС,
няется
полярность генератора,
И
то
увеличивается
ток, проходя по
ременное напряжение
уменьшается ток,
если ме¬
направление тока (рис. 6.5; 3).
Ома (но уже для участка цепи)
то меняется
также в полном соответствии с законом
переменный
или
какому-нибудь резистору,
(рис. 6.5; 4).
создает
на нем пе¬
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
120
Рис. 6.5. Графики переменной ЭДС, напряжения
Переменный
и тока в
электрической
цепи
ток и
переменное напряжение по пятам следуют за все¬
ЭДС, и поэтому график переменного тока и график пе¬
ременного напряжения будут точной копией графика переменной ЭДС.
Очень часто кривую тока и кривую ЭДС или напряжения располагают во¬
ми изменениями
обще
на одном
кальной оси
графике (рис. 6.5; 5),
-
одну разметку
амперах для тока.
сделав для этого две разметки верти¬
в вольтах для
ЭДС
или
напряжения, другую
график, нужно
и ничего больше. Ни в коем
такой двойной
разметку
Рассматривая
помнить, что это всего лишь экономия бумаги,
в
случае нельзя сравнивать высоту этих кривых они рассказывают о разных
величинах, каждая начерчена в своем масштабе, и общая у них только ось
-
времени.
5.
Переменный ток может работать так же хорошо, как постоянный.
От того,
переменная ЭДС двигает заряды в разные стороны то туда,
обратно, работоспособность этих зарядов ничуть не уменьшается. Они
так же, как
при однонаправленном, одностороннем движении, сталки¬
ваются с атомами вещества, нагревают его, заставляют светиться. И маг¬
нитное поле переменный ток создает не менее
успешно, чем постоянный,
что
то
только
направление
только сменится
этого магнитного
направление тока,
поля
непрерывно
меняется: как
так поменяются местами
северный
южный полюсы электромагнита. Во многих случаях эту неприятность
научились обходить
существуют, в частности, двигатели переменного
и
-
тока, которые
работают ничуть не
хуже,
чем двигатели постоянного тока.
«севера» на «юг» вообще не имеет значения.
Электромагнит притягивает стальную деталь потому, что он
намагничивает ее и тянет к себе, как обыкновенный магнит
(рис. 5.3; 5).
Если же в обмотке электромагнита протекает переменный ток, то одно¬
В
других
же
случаях
замена
Вот пример.
временно с изменением магнитного поля самого электромагнита меняет¬
ся направление намагниченности стальной детали, и ее притягивание не
прекращается.
В тех же случаях, когда постоянный ток нельзя заменить переменным
(или переменный постоянным), можно, как мы скоро увидим, превратить
один вид тока в
другой.
ГЛАВА 6. Сложный характер переменного тока
6. Частота говорит о том, насколько
единица
ток;
знать одно
в
ражено
ток
-
-
частоты
-
герц. О
121
быстро меняется переменный
постоянном токе нам достаточно
какова интенсивность движения
«величина
характеристике
зарядов,
«сила
тока»,
было
то есть то, что от¬
Переменный
тока».
более сложное, и, чтобы судить о событиях в
переменного тока, нужна значительно более обширная информа¬
явление значительно
цепях
ция. В частности, нужно знать, насколько
быстро меняется ток, насколько
происходит
направлений. Об этом в равной мере хорошо
говорят две характеристики, связанные между собой. Первая
период
указывает время, в течение которого переменный ток (ЭДС, напряже¬
часто
смена его
-
-
ние), изменяясь, проходит
Вторая
-
характеристика
весь свой цикл, все свои возможные значения.
частота
изойти
дов
в
говорит
периодов,
то
(ЭДС, напряжения), успевает про¬
единицу времени. Единица частоты герц (Гц) число перио¬
секунду. Ясно, что чем медленнее происходят изменения тока, чем
за
-
-
дольше длится
И
о том, сколько
-
есть полных циклов изменения тока
период,
тем меньше
наоборот, с увеличением
(рис. 6.6).
частоты
(принято
период
говорить «ниже»)
становится все
частота.
более корот¬
ким
Рис. 6.6. Период и частота переменного тока
7. «Мгновенное значение» и
ности тока в
данный
длительное время. С
себе
«амплитуда» говорят о работоспособ¬
в среднем за
момент; «эффективное знамение»
-
постоянным током
ток в цепи, достаточно
было
знать
было просто: чтобы представить
одну
цифру. А вот что делать, если
потребуется указать величину переменного тока? Какую цифру называть?
Ток ведь переменный, величина его непрерывно меняется, и в какой-то мо¬
мент по
проводнику идет очень
очень мало, в
третий
и отметить, что она
свободных зарядов,
Можно поступить
наблюдалась
так:
в
другой момент
указать силу
именно в такой-то момент.
тока
Например,
1986 года в 18 часов 37 минут 26,57854 секунды ток в цепи был
5
равен амперам». Это будет мгновенное значение тока, ток в данный мо¬
так:
«29
много
ни одного...
мент.
мая
Характеристика
замерять ток, чтобы
не очень
удобная: нельзя же каждую микросекунду
подробное жизнеописание.
составить его
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
122
Можно назвать
наибольшее, амплитудное
тот
жения),
максимум, которого
наибольший ток (ЭДС, напряжение)
тельного
тудой.
время
положительного и
называют положительной и
полупериода
Это уже
во
(ЭДС, напря¬
период. Кстати,
значение тока
он достигает дважды за
отрица¬
отрицательной ампли¬
вполне
приемлемая характеристика, жаль только, расска¬
редких событиях амплитудный ток появляется на
зывает она о довольно
-
неуловимо короткое мгновение всего два раза за период.
Чтобы судить о том, что может сделать переменный ток
не в какой-то
«данный момент», а в среднем за длительное время, проще всего сравнить
его действия с постоянным током. Пропустим, например, по лампочке
переменный ток и по такой же точно лампочке пропустим постоянный
ток.
Подберем
величину
ки светились одинаково.
этого постоянного тока так,
Это
чтобы обе
означать, что оба тока
будет
-
лампоч¬
постоянный
работу. Так вот, эту величину
который
работоспособности эквивалентен пе¬
называют
ременному,
эффективным значением этого переменного тока.
Точно так же эффективное значение переменного напряжения (ЭДС) это
есть величина некого постоянного напряжения с такой же работоспособ¬
и
переменный
-
производят одинаковую
постоянного тока,
по
своей
-
ностью.
При прочих равных условиях эффективное значение тока (ЭДС, на¬
пряжения) тем больше, чем больше амплитуда (атлет, поднимающий
штан1у
малыш,
в
200 кг,
наверняка сумеет перенести больше грузов, чем
с
трудом тащит легкую табуретку). Для переменной ЭДС
за день
который
(напряжения, тока),
такая
ЭДС
которая наводится
называется
синусоидальной,
знакомство с ней далее
фективное
туда
Так,
-
см. гл.
значение составляет
соответственно в
в сети
например,
напряжения 220
Точное значение \2
вращающемся
и нам еще
7; 11), существует
примерно 70 %
1,41 раза1 больше
переменного
=
1,414...
(рис. 6.4,
такое соотношение:
от
амплитуды,
эффективного
тока с
витке
предстоит детальное
значения
эф¬
а ампли¬
(рис. 6.7).
напряжением 220 В амплитуда
1,41« 310 В.
Рис. 6.7. Эффективное
1
во
значение переменного тока
ГЛАВА 6. Сложный характер переменного тока
Для
элементов
эффективные
«220 В»,
цепей переменного
именно
виду
тока, как правило, указывают их
и токи: если на лампочке или
напряжения
то имеется в
123
утюге
написано
эффективное напряжение.
фаз удобно указывать не в секундах, а в градусах. Если
это та¬
строгих определений, то можно сказать, что «фаза»
кой параметр переменного тока, который указывает, в какой именно
момент
времени этот переменный ток (ЭДС, напряжение) имеет то или
иное мгновенное значение.
Поэтому, указывая фазу, мы должны были бы,
8.
Фазу
и
сдвиг
не искать
-
например, говорить так: «У мгновенного значения тока 5 А фаза такая
10 часов 37 минут 16,3785 секунды 19 декабря 1985 года». Конечно, вести
-
отсчет от начала нашей
И главное,
удобно.
не
какого-либо условного
того момента, когда
эры и определять фазу по секундомеру не очень-то
нужно. Вполне достаточно вести отсчет фазы от
момента
переменный
положительный полупериод. И
а в долях
«У
периода. Тогда
фазу
мгновенного значения тока
легко заметить, что
или иначе
риода,
а
скажем от начала
времени,
ток
проходит через
фазу удобно
отсчитывать
периода,
от
ноль и начинается
не в
секундах,
было бы, например, указывать так:
5 А фаза
5 % всего периода». Из графика
можно
-
фаза положительной амплитуды тока составляет 25 %,
1/4 периода, фаза отрицательной амплитуды
фазы нулевых значений 0 %, 50 %
и
100 %
-
75 %,
или
3/4 пе¬
от длительности целого
периода.
Фазу
это
не
принято отмерять
1/360
периода,
температуру,
случаях одинаковое
угол,
этих
часть
не
не в
процентах,
а в
градусах, каждый градус
-
градусами в данном случае отсчитывают
время. Название единицы измерения во всех
градус, а единицы измерения разные. Кстати,
то есть
а
-
меру времени, меру периода можно легко связать с угловыми
положение
показывающими
проводника, который вращается
градусами,
градусы
как
в магнитном поле
(рис.
Параметр «фаза»
случаях, когда
нить
этих
6.4
и
6.8; 2).
очень важен,
в цепи
действуют
а часто
несколько
и
необходим, например
в тех
переменных ЭДС. Чтобы оце¬
результаты такого взаимодействия, нужно знать, как сдвинуты фазы
ЭДС. Насколько это важно, видно из примеров, приведенных на
рис. 6.8; 3, 4, 5. В первом случае нет сдвига фаз между двумя напряжения¬
ми, и их действия суммируются. А вот в третьем примере напряжения
действуют друг против друга сдвиг фаз между ними равен 180°, то есть,
-
сути дела, одно напряжение запаздывает по отношению к другому на
полпериода. Или, что то же самое, на полпериода опережает его. Иногда
фазу приходится учитывать еще и потому, что в цепи не совпадают по вре¬
по
мени,
то есть
сдвинуты
тока и такое возможно.
по
фазе,
напряжение
и ток.
В цепях переменного
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
124
Рис. 6.8. К понятию фазы
9. Активное сопротивление: ток и напряжение совпадают по
тивным называют
фазе.
Ак¬
ток в цепи,
если оно
сопротивление участка,
уменьшает
препятствует движению зарядов и одновременно отбирает у них часть
мощности. Но разве бывает иначе? Разве может какой-либо элемент цепи
препятствовать электрическому току
энергию? Оказывается,
добилось
именно
может.
и в то же
Понятие
время
«активное
не
отбирать
сопротивление»
что есть, оказывается, элементы
у
него
пона¬
электрических
цепей, которые оказывают сопротивление току, но мощности при этом не
отбирают. О таких элементах говорят, что у них реактивное сопротивле¬
ние.
потому,
ГЛАВА 6. Сложный характер переменного тока
События
на
участке
с активным
125
сопротивлением
беспрекословно
под¬
чиняются закону Ома в том виде, в каком он был установлен для постоян¬
ного тока (гл. 4; 1, 7). Амплитуда тока, например, равна амплитуде ЭДС,
деленной
на
сопротивление;
ному току, умноженному
наблюдается
тока
максимум
то есть
пряжения,
на
между
эффективное
напряжение равно
сопротивление
(рис. 6.7),
и т. д.
точно в тот же момент, что и
током и
напряжением
эффектив¬
Поэтому и
максимум
нет никакого сдвига
на¬
фаз
(рис. 6.5; 5).
10. Под действием переменного напряжения в цепи
переменный ток. Постоянный ток через конденсатор
конденсатора
не
идет
проходит в ди¬
бы создавать ток,
-
свободных зарядов, которые
электрике просто
и включение
конденсатора в цепь постоянного тока равносильно разрыву
нет
этой цепи. Однако
же в момент, когда
ток в цепи идет
ряжается,
(рис. 4.14).
бом
могли
И
-
такое движение
изменении
значит, пойдут
вение появится
зарядов уйдет
напряжения
на
с
обкладки
зарядный
обкладок,
конденсатор заряжается
заряды идут
обкладкам
или
или
уходят
раз¬
с них
будет
происходить в цепи при лю¬
конденсаторе. Увеличится напряжение,
зарядов
на
к
дополнительные заряды, и на какое-то мгно¬
Уменьшится напряжение,
и часть
кратковременный разрядный
ток, ток
ток в цепи.
появится
обратного направления.
Рис. 6.9. Прохождение переменного
Теперь
представить себе,
тока через конденсатор
произойдет, если подвести к кон¬
денсатору переменное напряжение. Поскольку напряжение непрерывно
меняется,
легко
то
что
будет непрерывно заряжаться и разряжаться, а
конденсатора будет непрерывно идти ток. Через диэлект¬
конденсатор
значит, в цепи
рик заряды, как всегда, не проходят, они лишь двигаются к
обкладкам кон¬
обкладок
денсатора (напряжение растет, конденсатор заряжается)
или с
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
126
(напряжение
падает, конденсатор
разряжается),
но это движение
конденсатора. На рис. 6.9
зарядов
график такого
раз
по
ток несколько
тока. Как видно по
фазе относи¬
сдвинут
этому рисунку,
же
и
тока имеет
тельно
график
ту
синусоидальную форму,
напряжения,
что и само
напряжение. То, что все получается именно так, требует неко¬
как
и есть ток в цепи
показан
торых пояснений.
11. Замечательная кривая
синусоида описывает множество самых
В
мире происходит бессчетное множество естественных
разных процессов.
-
и
в
искусственных процессов,
сят от
других
каких-нибудь
ности ее вещества, вес
автомобиля
-
зайца
-
какие-нибудь величины зави¬
Температура звезды зависит от плот¬
которых одни
величин.
от количества
от количества сжигаемого
Зависимости
съеденной
бензина,
бывают
им
травы, скорость
ток в цепи
-
от
ЭДС гене¬
разные (рис. 6.10), в том
ратора
сложными
числе и описываемые
чрезвычайно
уравнениями. Посреди всех
возможных зависимостей одной величины от
другой особое место зани¬
мы называем
мает та,
которую
синусоидальной. Она была открыта очень
давно при исследовании некоторых геометрических построений, но потом
и т. д. и т. п.
оказалось, что именно такая
самых
эти
самые
синусоидальная
различных природных явлений.
зависимость
Рис. 6.10. Различные виды зависимостей физических
характерна для
величин
ГЛАВА 6. Сложный характер переменного тока
127
У синусоиды чисто табличное происхождение. Если мобилизовать
тазию, то можно представить
себе,
безвестный
как
древний
рисовал круг, провел через центр две перпендикулярные
стал
кругу радиус,
угла», или, что
измерять длину
линии я,
которую
фан¬
математик на¬
оси и,
вращая
по
он назвал «линией
(рис. 6.0; 7). Свои измере¬
ния наш математик свел в
таблицу (рис. 6.10; 6), в которой было всего два
столбца: угол поворота радиуса а и цифра, показывающая, какую часть
то же самое,
«линией синуса»
от длины радиуса R составляет при данном угле а длина линии синуса я.
По этой таблице затем была построена кривая, которую мы и называем
синусоидой. Можно, конечно, нарисовать много кривых, похожих на си¬
нусоиду (рис. 6.10; 5), но синусоидой называется только одна (рис. 6.10; 7).
Именно та, которая в точности соответствует таблице (рис. 6.10; 6).
Примечание редактора. Автор не упоминает о том, что в дальнейшем
ми был
найден способ
вычисления синусоиды, не
привязанный
математика¬
к неточным геомет¬
рическим построениям. Способ заключается в вычислении значений ряда Тейлора
по формуле sin х х -х3/3! + х5/5! -... (где «!» знак факториала, а аргументх из¬
=
-
меряется радианах, связанных с углом в градусах а соотношением а х 180/п).
Этот способ позволяет вычислить синус с любой заданной степенью точности и
составить по этим вычислениям справочную таблицу. Задача составления подоб¬
=
в
ных
таблиц (не
функций
только тригонометрических
центов, движения небесных тел и т.
практики вычислительных задач
п.) была
одной
-
логарифмов, сложных
про¬
из самых сложных и важных для
и во многом стала
причиной появления автома¬
арифмометров, а затем
тической вычислительной техники, сначала механических
и
компьютеров.
О замечательных особенностях синусоиды, о том, почему она оказалась
столь универсальной, можно написать целые тома: по синусоиде меняется
энергия звуковой волны, скорость маятника,
струны, ЭДС
отклонение
колеблющейся
который вращается
про¬
других процессов (рис. 6.10; 8). Но сейчас нас прежде всего
интересует одна особенность синусоидальной зависимости, которую не¬
исходят
в
в магнитном поле, и
проводнике,
тысячи
трудно заметить, если всмотреться в ее
12.
Скорость
синусоидальной ЭДС (напряжения, тока) так¬
синусоидальному закону. В свое время мы обратили
изменения
же изменяется по
особое
график.
внимание на то, что в
ряде случаев
важна не
абсолютная
величина
чего-либо
(объема воды, пройденного пути, тока), а скорость ее изменения
(гл. 5; 13). Подтверждение этой истины в цепях переменного тока можно
встретить
скорость
на каждом
изменения
Сначала общее
шагу,
и
поэтому посмотрим, чему, например, равна
переменного синусоидального напряжения
замечание:
синусоидальное напряжение
в
(рис. 6.11).
разные
мо¬
разной скоростью. Иногда график его идет круто (на¬
меняется
пряжение
резко, быстро), иногда более полого (напряжение
менты меняется с
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
128
меняется вяло, сравнительно
нарастает),
медленно),
иногда идет вверх
синусоидальных
но меняется
(напряжениеуменьшается).
напряжений (рис. 6.11; 1,2,3, 4), но
скорость
(напряжение
Это бывает не только у
иногда вниз
изменения
Рис. 6.11. Скорость
важно еще, как имен¬
напряжения.
изменения напряжения
разной формы
Начнем сначала периода, когда синусоидальное напряжение (рис. 6.11; 5)
только что
прошло через
ноль и очень
быстро
нарастает. В
этот момент
большая;
дальше кривая идет все более
полого, то есть скорость нарастания напряжения постепенно уменьшает¬
ся. Наконец, в момент, когда оно достигло амплитуды, скорость его из¬
его
скорость
менения
изменения
-
равна нулю
кратилось,
самая
изменение
напряжения
и вслед за этим оно начнет
бы
как
на мгновение
уменьшаться. Отметим
этот
пре¬
факт
будем считать, что скорость нарастания напряжения стала отрица¬
тельной. Постепенно напряжение уменьшается все быстрее и быстрее, а
так
-
значит, скорость его уменьшения (отрицательная скорость) все нарастает.
Наконец, скорость достигает максимума (это отрицательная амплитуда
скорости)
в момент, когда
напряжение проходит через ноль и когда меня¬
ется его
полярность. Перевалив через ноль, напряжение сначала меняется
очень
резко, но затем, как это уже было в самом начале, скорость его из¬
менения постепенно
уменьшается,
приближается
к
нулю. Ноль скорости
соответствует отрицательной амплитуде напряжения,
рость
вновь становится положительной
то
нужно считать,
раз отрицательное напряжение
напряжение нарастет (если на дворе
минус 5, то мы говорим, что потеплело,
что
уменьшается,
было минус 10 градусов, а стало
температура поднялась). Если тщательно проследить
синусоидальное напряжение,
то окажется, что
это тоже
сдвинутая
синусоида,
но только
а после этого ско¬
-
за тем, как меняется
скорость
по отношению к
его изменения
синусоиде
-
само¬
ГЛАВА 6. Сложный характер переменного тока
го
напряжения ровно
-
тоже
синусоиды
встретишь. На рис. 6.11
не
(рис. 6.11; 5). Подобное совпадение (скорость
синусоида) ни в каких других зависимостях
90°
на
изменения
129
несколько
примеров того,
как меняется ско¬
рость
разных переменных напряжений, и везде, кроме
совершенно разные
рис. 6.11; 5, напряжение и скорость его изменения
изменения самых
-
графики.
То, что мы установили для синусоидального напряжения
меняется по
ние),
ида.
же
такому
относится к
любому
другому процессу,
(его скорость
как и само
синусоидальному закону,
график
напряже¬
-
синусо¬
которого
13.
Синусоидальное напряжение создает синусоидальный ток через кон¬
денсатор; ток опережает напряжение на 90°. Для начала попробуем по¬
напряжение на конденсаторе, подключив его
напряжения. Оказывается, чем резче мы меняем напряжение,
больше ток. И это вполне объяснимо. Если, например, взять конден¬
степенно менять постоянное
к делителю
тем
сатор
емкостью 1 Ф и изменить на нем
напряжение
на
1 В,
то на
обкладках
лишний кулон зарядов. Если напряжение изменилось на 1 А
этот
кулон придет на обкладки за 1 с и в цепи пойдет ток 1 А
накопится
за
(1
1 с, то
А 1 К
=
за
1
А
с).
увеличить напряжение на 1 В
раз медленнее, то и ток будет
если
в десять
напряжение
теперь 1 К зарядов пройдет
как
раз
и есть ток
силой
в
по цепи за
10 с,
то есть за
за
10 с,
то есть менять
в десять
1
с
раз
меньше:
пройдет 0,1
К. Это
0,1 А.
подтвердить правильность графиков рис. 6.9. Напря¬
жение, действующее
конденсаторе, все время будет создавать ток в цепи.
Потому что напряжение все время меняется, и заряды все время то при¬
Теперь
мы можем
на
ходят
на
обкладки конденсатора,
в те моменты, когда
есть когда оно
становится
бы
напряжение
проходит через
равным нулю:
не меняется
-
то
уходят
ноль.
какое-то
неуловимое
оно
направление
рость его изменения
тоже
мгновение
ток
будет
скоростью,
напряжение
но еще не начало
обратное,
то
ток
как
уменьшаться.
положительным, когда
тока меняется на
направление отрицательным.
Если к конденсатору подведено
-
Наибольший
Во время амплитуды напряжения
уже перестало расти,
Когда напряжение растет, мы считаем ток
жение падает,
с них.
меняется с максимальной
напря¬
и мы называем это
синусоидальное напряжение, то ско¬
синусоида,
и
поэтому
тока, можно
в цепи течет
синусо¬
убедиться,
между ним
(четверть периода), причем ток
напряжением существует сдвиг фаз
опережает напряжение. Это не нужно понимать так, будто ток появляется
идальный
ток.
Построив график
90°
и
раньше,
чем мы
возможно.
чем
что
прикладываем
к
конденсатору напряжение; подобное не¬
наступает на четверть периода раньше,
Просто амплитуда
(рис. 6.9).
амплитуда напряжения
тока
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
130
14. Емкостное сопротивление показывает, как конденсатор влияет на
величину тока. Конденсатор никакой мощности от генератора не потреб¬
ляет.
В
какие-то моменты,
правда, генератор затрачивает усилия
бы зарядить конденсатор,
конденсатор
на то, что¬
возвращает полученную
время разряда. Этим он очень напоминает пружину, которая
накапливает
при сжатии, то и отдает при отпускании.
Однако
же
конденсатор
ти, ток в цепи
тому
что с
будет
тем
увеличением
накопиться на
влияет на
величину
больше, чем больше
емкости
обкладках (при
рядов, циркулирующих
возрастает
том же
в цепи.
Величина тока,
тока в цепи.
емкость
число
как мы только что
в частнос¬
конденсатора. По¬
чем
может
а значит, и число за¬
больше емкость,
тем
ток в цепи.
установили,
зависит еще и от того,
какой скоростью меняется напряжение: чем больше
больше
ток.
быстрее
оно меняется, тем, следовательно,
Ясно,
Так,
зарядов, которое
напряжении),
Иными словами,
при прочих равных условиях больше
с
честно
во
энергию
что
но
что чем выше частота
скорость,
тем
переменного напряжения,
тем
больше
эта
ток в цепи конденсато¬
ра. Или, иными словами, если переменное напряжение с частотой 10 Гц
создаст в цепи конденсатора ток 5 мА, то такое же по величине напряже¬
ние, но с частотой 100 Гц, создаст в той же цепи ток уже 50 мА.
Чтобы
удобнее было учитывать влияние емкости С и частоты/на ток, их
сводят в единую величину и называют ее емкостным сопротивлением
хс
(рис. 6.12). И, пользуясь этим сопротивлением, для цепи переменного тока
с конденсатором
получают стандартные формулы закона Ома, такие же
удобные,
как и для цепи с
резисторами.
Рис. 6.12. Емкостное сопротивление
Хс в
цепи переменного тока
ГЛАВА 6. Сложный характер переменного тока
131
15. Синусоидальный ток в катушке индуктивности отстает от сину¬
соидального напряжения на ней на 90°. Тот факт, что по катушке индуктив¬
ности пойдет
переменный ток, если подвести к ней переменное напряже¬
ние,
не вызывает никаких
идет по
цепи
любому
сомнений: катушка
проводнику. Однако то,
катушки, определяется
которого
эта
катушка
не только
намотана
что в этом
проводом,
а ток
случае происходит
сопротивлением проводника,
в
из
изготовлена.
ЭДС самоин¬
(гл. 5; 11).
скорость
дукции, которая
А это значит, что в катушке, по которой идет синусоидальный ток, наво¬
дится синусоидальная ЭДС самоиндукции: скорость изменения синусои¬
Вспомните,
дального
если в
катушке
меняется ток, на ней наводится
тем
больше,
чем выше
тока тоже меняется по
индукции всегда препятствует
которая
может
переменный
ет на
катушке,
синусоидальному закону. Но ЭДС
Эта
то есть часть
сила
-
этой мешающей
внешнее
ЭДС поддерживать
напряжение, которое действу¬
ЭДС, которая достанется
ЭДС самоиндукции,
ратора. Чтобы компенсировать
должно бить по ней
само¬
изменениям тока, и есть только одна сила,
противодействовать
ток в цепи.
изменения тока
этой катушке от гене¬
внешнее
напряжение
противофазе, то есть со сдвигом на 180°, на полперио¬
да. Построив графики всех трех «героев» этого сражения, легко убедиться,
что ток в катушке отстает от напряжения на ней на 90° (рис. 6.13; 7).
в
Рис. 6.13. Индуктивное сопротивление xL
в цепи
переменного тока
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
132
16.
Индуктивное сопротивление показывает,
величину тока. Теперь о соотношении между
на
Это
соотношение автоматически
пряжением
на
в точности
катушке. С подобным
постоянное
напряжение
распределялось так, чтобы
ток во
напряжением.
образом, чтобы
таким
уравновешивалась бы
автоматизмом мы
на последовательных
влияет
катушка
током и
устанавливается
ЭДС самоиндукции
мешающая току
как
на¬
уже встречались:
резисторах
автоматически
(гл. 4; 7,10).
всей цепи был одинаковым
Вот пример
работы «автоматики» в катушке, по которой идет переменный
ток.
Допустим, что в какой-то момент вышла из повиновения и сама по
себе увеличилась в два раза амплитуда тока. При этом, конечно, увеличит¬
ся и скорость его возрастания: если, например, раньше за 1 с ток нарастал
до амплитуды 1 А, то теперь он будет за ту же секунду нарастать до 2 А, то
скорость нарастания тока будет в два раза больше. А значит, возрастет
ЭДС самоиндукции и, мешая току, уменьшит его.
есть
увеличим частоту переменного тока,
к
подводится
напряжения, которое
катушке. В этом случае увели¬
Посмотрим, что
не меняя
чится
ток),
скорость
а значит,
матически
случится,
увеличится
уменьшится
выше частота, тем
быстрее
они именно настолько,
чтобы
же авто¬
ЭДС.
ЭДС самоиндукции.
внешнее
напряжение
двигать по цепи заряды, создавать ток.
грузовик, который
сам меняет свою
меняется
И тут
связанная с ней мешающая
ток в цепи, а вместе с ним и
беспрепятственно
напоминает
(чем
изменения тока
Причем уменьшатся
могло
если мы
(Это чем-то
в зависимости от
скорость
рельефа дороги.)
То
же самое
произойдет,
и в
увеличить индуктивность катушки
уменьшится и потянет за собой мешаю¬
если
-
случае ток автоматически
ЭДС
щую
самоиндукции, не позволяя ей одолеть внешнее напряжение.
Одним словом, и увеличение частоты, и увеличение индуктивности влечет
за собой
уменьшение тока в катушке или, при неизменном токе, увеличе¬
этом
ние
напряжения
ность в
на ней.
Кстати,
же, как и
том цепи.
катушка,
она отдает
объединить частоту
-
формулы
(рис. 6.16; 2).
пренебречь сопротивлением ее проводов,
закона
Ома
оказывается не активным, а
сопротивление xL
генератора
отбирает у
обратно, когда это
так
элемен¬
реактивным
так же, как емкостное хс, влия¬
не
потребляет. Все, что в
него на создание магнитного поля,
катушка
конденсаторов
и
поле исчезает.
катушек
можно
цепи, которые по-разному пропускают
Сопротивление
зависит от
и
индуктив¬
индуктивном сопротивлении xL и полу¬
но мощности от
генератору
17. С помощью
ры
если
Индуктивное
величину тока,
-
простые
конденсатор,
какие-то моменты
-
позволяет
общей характеристике
чить с его помощью
ет на
Это
создавать
токи
разных
фильт¬
частот.
реактивных элементов
конденсатора и катушки
частоты. Эта их особенность может оказаться весьма нежела¬
тельной в тех
случаях, когда
-
-
по цепи с
конденсатором
и
катушкой идут
ГЛАВА 6. Сложный характер переменного тока
133
разных частот и нужно создать для всех этих токов
равные условия. Когда нужно, никому не отдавая предпочтения, одина¬
ково
главное, одинаково!
хорошо или одинаково плохо
пропускать
переменные
токи
-
по цепи токи
-
любых частот, конденсатор
или
катушка, разумеется,
по¬
мешают
этому равноправию. По-разному сопротивляясь токам разных
частот, конденсатор или катушка в разной степени будут ослаблять эти
токи
(рис. 6.14; 2, 3).
Рис. 6.14. Фильтры
Реактивные
элементы незаменимы, когда
частот, протекающие
в
общей
цепи.
нужно разделить
Например,
нужно пропустить в нагрузку легко, а другим
токи
разных
когда некоторые из них
вообще преградить путь
в
пустить их по другому пути. Только у реактивных элементов развито
«чувство частоты», только конденсатор и катушка могут разделить токи
разных частот, одни из них пропуская легко, другим оказывая большое
нее,
сопротивление.
Цепи,
частот,
в
которых происходит сортировка
называются
фильтрами.
или
и
разделение
токов
разных
большие цепи, чаще
которых обязательно
это не очень
двух-трех элементов, в числе
катушка или оба реактивных элемента одновременно.
всего они состоят из
конденсатор
Обычно
Фильтры чрезвычайно
широко используются в электронных устройствах.
Точной статистики, конечно, никто не делал, но, по-видимому, половина
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
134
всех элементов электронных схем
работе
или по
используются одни
в них всегда
шо
увидеть
работает в фильтрах на своей основной
совместительству2. Схемы фильтров очень разнообразны, но
на
и те же
можно
принципы, которые
хоро¬
простейших примерах.
бывают параллельные и последовательные. Примеры после¬
на
довательных фильтров
факти¬
рис. 6.14; 2, 3. Эта группа фильтров
Фильтры
-
-
напряжения, отдельные участки которых имеют разное
сопротивление
разных частотах. Поэтому разные (по частоте) токи соз¬
дают на этих участках разные напряжения. Или иначе
фильтр-делитель в
чески делители
на
-
разной пропорции делит подведенные к нему напряжения разных частот.
Пример простейшего параллельного RC-фильтра на рис. 6.14; 4, 5, 6.
-
Здесь происходит отделение переменного
через Сф не пойдет, у него есть только
тока от постоянного: постоян¬
ный ток
данной
частоте/(частота
Сф было во
конденсатора
переменный ток в
то есть
через
Сф,
переменного тока)
много
раз меньше,
-
один
путь
емкостное
чем
через RH. Если
на
сопротивление хс
RH (рис. 6.14; 5, 6). Тогда
пойдет по пути наименьшего сопротивления,
чистый (точнее, почти чистый) посто¬
RH
пойдет
через
основном
а
янный ток.
Чтобы получить нужное хс на данной частоте, достаточно подобрать ем¬
кость
конденсатора
с помощью
простых расчетных
формул (рис. 6.12; 4).
Эти формулы
еще раз напоминают, что величину хс на равных определя¬
ют и емкость
С,
и частота
/,
поэтому для получения одного
на низких частотах емкость должна
быть
значительно
и того же хс
больше,
чем на вы¬
соких.
более
Пример
рис. 6.14; 7.
нератора
Первое
Rr
и
сложного
показан
на
образовано выходным сопротивлением ге¬
Сф1, второе дросселем Ьф и вторым конден¬
звено здесь
-
конденсатором
Сф2. Катушку,
сатором
RLC-фильтра
двухзвенного
применяемую
в
подобном фильтре,
часто называ¬
она
дросселем (что можно перевести на русский как «глушитель»)
дополнительно ослабляет переменный ток. Перед вами схема обычного
ют
-
фильтра
напряжения, устанавливаемого на выходе источ¬
особенно импульсных, в которых на выходе присутствует
постоянного
ников питания,
высокая частота.
обойтись
не
вень
-
Одним конденсатором (как
при увеличении
емкости
на
рис. 16.14: 4, 5, 6) бывает
Сф сверх некоторого значения уро¬
переменного напряжения, проникающего
на выход,
перестает падать
Двухзвенный фильтр индуктивностью
проблему.
В старой радиоэлектронной аппаратуре очень часто можно было встре¬
тить особый
LC-фильтр, так называемый колебательный контур. Но преж¬
с
из-за неидеальности компонентов.
обычно решает
2
Конечно,
В
это относится только к той части
электроники, которая оперирует
с аналоговыми сиг¬
радиопередатчикам/приемникам, модемам разного
цифровой электронике фильтров гораздо меньше, но это не значит, что их нет вовсе
-
налами,
звуковым устройствам,
мум, емкостный фильтр, предотвращающий импульсные
присутствует в любой схеме.
рода и пр.
-
как мини¬
помехи по шинам питания, обязательно
ГЛАВА 6. Сложный характер переменного тока
де, чем знакомиться с ним, нужно
135
сказать несколько слов о том, как с по¬
графиков описывают основные
фильтра.
«черты характера» электрического
мощью
18. Частотная характеристика график, рассказывающий о том, как
ведет себя электрическая цепь на разных частотах. Представим себе,
-
что в нашем
торой
мы
поворотом ручки
генератор переменной ЭДС, частоту ко¬
поворотом ручки. Так же, например, как
громкость звучания в приемнике. Такие
есть
распоряжении
можно плавно изменять
меняем
генераторы реально существуют,
(см.
тическими схемами
гл.
ный машинный генератор,
проводника,
а значит, и
в
11).
и
А
мы познакомимся с их
вскоре
пока
котором
представьте себе,
можно менять
что это
скорость вращения
генерируемой ЭДС. При
частоту
прак¬
обыч¬
этом, правда,
серьезный недостаток: чем быстрее вращается проводник, тем
больше частота переменной ЭДС, но одновременно увеличивается и сама
ЭДС, так как проводник быстрее пересекает магнитное поле. Предполо¬
в
жим, что этот недостаток устранен
генератор ввели автомат, который
выходное
будет поддерживать
напряжение на одном уровне, например
появляется
-
включая в цепь дополнительные сопротивления. Но не стоит, однако, вда¬
ваться в подробности, они сейчас несущественны. Считаем, что у нас есть
генератор
(рис. 6.15; 1), который дает синусоидальное напряжение любой
нужной частоты,
вольт) одинакова.
Если
и на всех частотах сама величина напряжения
к
подключить
(рис. 6.15; 2),
то на
нашему
любом
из них
генератору
напряжение
из
делитель
будет
не
(число
резисторов
меняться с часто¬
резисторы имеют одно и то же сопротивление и делят
общее напряжение в одной и той же пропорции.
А вот в делителях, куда входят реактивные элементы
конденсаторы
и
все по-другому. Об этом как раз и рассказывают графики
катушка,
той: на всех частотах
-
-
рис. 6.15; 3, 4.
Графики
эти называются частотными
они показывают, как с изменением частоты меняется
де
фильтра
при
приведенных
схемы
мер,
в
неизменном
частотных
фильтров,
к
которым
эти
простейшем RC-фильтре
конденсаторе С, потому
И если нужно «задавить»
что
напряжение следует
увеличением
делится на UR
и
Ua
убедиться,
характеристики
с частотой
на выхо¬
В справедливости
если
относятся.
взглянуть
Так, напри¬
уменьшается напряжение
его емкостное
на
на
сопротивление.
высшие частоты, или, иначе, поднять низшие,
конденсатора. А на резисторе R с
напряжение, наоборот, растет. Общее напряжение
чем меньше одно из них, тем
нужно выделить более
высшие частоты над
легко
уменьшается
напряжение
на его входе.
снимать именно с
частоты
тора.
напряжении
характеристик
характеристиками,
высокочастотные
больше другое. И
напряжения,
другими, напряжение нужно
если
если
нужно поднять
снимать именно с
резис¬
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
136
Рис. 6.15. Частотные характеристики
Коэффициент передачи К показывает, во сколько раз напряжение или
ток на выходе больше или меньше, чем на входе. Все графики на рис. 6.15
19.
могут быть построены для конкретных величин напряжений и токов. Не
в
устройство какого-либо фильтра, нарисуем его в виде прямо¬
вдаваясь
угольничка
(рис. 6.15; 5)
ние
соответственно
увеличится вдвое
увеличатся
Без долгих
в два
и составит
раза
20 В? Тогда
будем
и выходные
и составят соответственно
рассуждений
шение входного
определенности
считать, что при
10 В выходные напряжения на частотах 3 кГц и
равны 2 В и 8 В. А что будет, если входное напряже¬
lir
входном напряжении
5 кГц
и для
=
можно сказать, что
напряжения
повлечет за
4 В
и
напряжения тоже
16 В (рис. 6.15; 6).
любое увеличение
собой
такое же
(во
или
умень¬
столько же
уменьшение выходных напряжений. И для данного
конкретного фильтра на данных частотах соотношение между входным
раз)
увеличение
напряжением
или
и выходными есть величина постоянная.
ГЛАВА 6. Сложный характер переменного тока
Но
стоит ли в таком
ными значениями
137
случае характеризовать действие
напряжений
и токов, вольтами
фильтра числен¬
и
амперами? Не лучше
которая показывала бы, на ка¬
ослабляется
раз
переменное напряжение или пе¬
ременный ток? Тогда, зная эту характеристику, можно всегда подсчитать,
какое напряжение будет на выходе фильтра при данном напряжении на
его входе, еще
раз, кстати, подтвердив полезность общих представлений.
Такая характеристика существует, она называется коэффициентом пере¬
дачи фильтра и обозначается чаще всего буквой К (рис. 6.15; 5, 6). На каж¬
дой частоте у фильтра свой коэффициент передачи К, в этом, собственно,
и состоит особенность
фильтрующих цепей. Зависимость коэффициента
передачи К от частоты есть одна из разновидностей частотной характерис¬
ли ввести
общую характеристику фильтра,
ких частотах во сколько
тики.
20.
Децибел
одна
величина
мерять
«раз»
-
универсальная единица, показывающая,
больше
или меньше
коэффициент передачи?
или хорошо известные
ра Белла. Децибел
другой.
во сколько
каких единицах
Вполне подошла бы для
раз
нужно
из¬
этого единица
проценты. Ведь мы так и говорим: «На частоте
3 кГц напряжение ослабляется
Однако чаще используется
щенно дБ. Она названа так
В
в пять
раз...
5 кГц
на частоте
не «раз», а другая единица
по имени
-
1,25 раза...»
децибел, сокра¬
-
в
изобретателя телефона Александ¬
единица универсальная, она применяется для того,
чтобы показать отношение любых двух величин
напряжений, токов,
-
-
давлений,
мощностей, скоростей
«во столько-то
мощью
если
к
децибелам
раз»
табл. 6.1. Если
фильтр
Переход
других.
от
обратно проще
коэффициент передачи меньше
другой
или
и
всего
и
характеристики
произвести с по¬
единицы, то есть
элемент цепи
уменьшает напряжение (ток), то
если
коэффициент передачи
выходное напряжение (ток) больше вход¬
децибелы получаются отрицательные. А
больше единицы,
ного
то есть если
(так тоже бывает,
и вы очень
скоро
в этом
убедитесь), то децибелы
-
положительные.
Таблица 6.1. Децибелы
1
2
3
6
10
20
30
40
50
60
и/и
1,112
1,26
1,41
2
3,16
10
31,6
100
316
1000
Р/Р
1,26
1,58
2
4
10
100
1000
104
105
106
ДБ
Особо нужно сказать о нижней строке табл.
6.1,
в
которой указано
от¬
ношение мощностей,
соответствующее тому или иному числу децибел.
Мы хорошо знаем, что между мощностью и током и между мощностью и
напряжением существует квадратичная зависимость. То есть если увели¬
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
138
участке цепи в два раза, мощность
Эта
зависимость как
4;
11).
(гл.
возрастет четыре раза
раз и находит отра¬
жение в таблице: во сколько бы раз ни изменилось напряжение (ток), мощ¬
ность изменится в то же число
раз, возведенное в квадрат.
чить
или ток на каком-то
напряжение
в
Децибел
инства.
-
Так, например,
фильтр
ется на один
фильтр
логарифмическая, и с этим связаны ее многие досто¬
единица
и
если вы знаете, что
ослабляется
ослабляется еще
и там
вается как сумма
(-20)
+
(-30)
=
на
переменное напряжение пода¬
20 дБ,
а затем
поступает
на
другой
30 дБ, то общее ослабление подсчиты¬
-50 дБ. По таблице легко определить, что
на
случае ослабляется в 316 раз.
На
частоте 10 Гц
Другой пример.
коэффициент передачи фильтра К10
-60
дБ (выходное напряжение составляет 0,001 от входного, или, ина¬
равен
че, фильтр ослабляет напряжение на этой частоте в 1000 раз), а на часто¬
напряжение
в этом
фильтр ослабляет напряжение уже всего в 10 раз, то есть коэффи¬
циент передачи К500 -20 дБ. Если вы хотите узнать, насколько эффективно
действует фильтр, насколько на его выходе напряжение с частотой 10 Гц
будет меньше, чем напряжение с частотой 500 Гц, нужно найти разность
децибелов для Kw и Кж. Эта разность равна (-60) (-20) -40 дБ, и по табли¬
це определяем, что на выходе фильтра одно из напряжений будет меньше
500 Гц
те
=
=
-
100 раз (оно
1 %
исходного).
Оценка коэффициента передачи в децибелах
другого
в
составит
прицелом. В дальнейшем мы еще
выкнем к ним, как
привыкли
к
будем
метрам
введена нами с далеким
пользоваться
децибелами
килограммам. А
или
фильтров и рассмотрим, каким же образом
(LC-фильтр) оказывает наибольшее благоприятствование
определенной
емкостного.
чет один и тот же ток
на
конденсаторе
от
напряжения
(гл. 4; 6). Вторая:
через конденсатор опережает
13); об этом можно сказать и иначе напряжение
ней
на
напряжение
-
отстает от тока на
на
(рис. 6.16; 1),
то
на
90°
90°.
(гл. 6; 15);
катушке опережает
увидим,
что
Третья:
об
друга.
сопротивлений xL
тот же ток
напряжение
I,
и
по
хс. А поскольку
то соотношение
от соотношения
на
ток
через катушку
отстает
этом тоже можно сказать ина¬
ток в
ней
от
на
90°. Если, обогащен¬
последовательную цепь LCR
UL на
180°. То
фазе
Напряжения UL и Uc зависят
конденсаторе сдвинуты
тив
те¬
ток
ные этими воспоминаниями, мы взглянем на
на
последовательной цепи
во всех элементах
90° (гл. 6;
на
че:
LCR-цепи индуктивное сопротивление дейст¬
Для начала извлечем из памяти три уже уста¬
Первая:
новленные истины.
напряжение
одной
частоте.
21. В последовательной
вует против
при¬
вернем¬
колебательный
ся к схемам
контур
и
пока
катушке
есть они
и
напряжение
Uc
действуют друг про¬
соответствующих реактивных
проходит один и
по всем элементам
между напряжением
между сопротивлениями xL
и
хс.
UL и Uc зависит только
ГЛАВА б. Сложный характер переменного тока
139
резонансной частоте резко падает общее сопротивление после¬
LCR-цепи, и ток в ней возрастает. Попробуем подключить
к последовательной LCR-цепи генератор с изменяемой частотой (рис. 6.15; 1)
22. На
довательной
и
будем
этом
ное
-
постепенно
переменного напряжения. При
будет постепенно увеличиваться, а емкост¬
(рис. 6.16; 4). На какой-то частоте давайте
увеличивать частоту
его
индуктивное сопротивление
постепенно
-
уменьшаться
сразу же назовем ее резонансной частотой
ными, и, значит, уравняются напряжения
противофазны,
-
сопротивления xL и хс станут рав¬
UL и Uc. А так как эти напряжения
то они полностью
скомпенсируют друг друга, и генератор
вообще перестанет чувствовать присутствие реактивных элементов, переста¬
ЭДС. Общее сопротивление цепи Z резко умень¬
шится, для генератора из всей цепи останется только одно активное сопро¬
тивление R, ток I из-за этого резко возрастет (рис. 6.16; 5), и столь же резко
нет отдавать им часть своей
увеличатся напряжения
в отдельности, а
тах
Ых,
Весь
как
общее суммарное напряжение на обоих реактивных элемен¬
уже говорилось,
этот
нансом
UL и Ис (рис. 6.16; 6). Но заметьте, увеличится каждое
процесс
будет равно нулю.
называется последовательным
напряжений.
Если
после
резонансом,
или
резо¬
резонанса продолжать увеличивать час¬
то
станет
чем
больше,
тоту,
хь
хс, и в цепи в основном начнет действовать
Ток
индуктивное сопротивление.
уменьшится, а вместе с ним уменьшатся
и
напряжения UL и Uc.
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
140
Как видите,
ется только
в последовательном
резонансная
частота
/
тает ток,
контуре
.
на
Именно
положении оказыва¬
на отдельных элементах.
возрастают напряжения
последовательный контур из
ток
одной определенной частоты.
выделяет
означает, что
23. На
особом
на этой частоте
резонансной
резко возрастает. В
всех
А
резко возрас¬
это как
переменных
токов
раз и
особо
частоте
самом
сопротивление параллельного контура
упрощенном виде параллельный LC-контур
состоящую из двух параллельно соеди¬
сопротивлений xL хс (рис. 6.17). На низших частотах сопротивле¬
ние
xL мало и катушка шунтирует конденсатор. На высших частотах мало
сопротивление хс и конденсатор шунтирует катушку. И лишь на резо¬
нансной частоте никто никого не шунтирует и общее сопротивление па¬
можно
рассматривать
как цепь,
и
ненных
раллельного контура
но, уменьшается
согласуется
оказывается весьма
общий
с законом
ток в цепи
большим.
При этом, естествен¬
(рис. 6.17; 3) это вполне
-
генератора
Ома. И еще одна интересная деталь:
если включить
в делитель
напряжения (рис. 6.17; 4), то этот кон¬
большого сопротивления на резонансной частоте будет
параллельный контур
тур
за счет своего
выделять только напряжение этой частоты из всех
мых к делителю.
Рис. 6.17.
напряжений,
подводи¬
Параллельный LC-контур
Подбором индуктивности (емкости) меняем резонансную частоту.
Почему резонанс наблюдается именно на такой частоте, а не на другой?
Почему резонансная частота не выше или не ниже? И можно ли как-либо
влиять на
эту частоту, можно ли сделать так, чтобы контур выбирал не тот
24.
ГЛАВА 6. Сложный характер переменного тока
ток, какой ему захочется, а тот,
путем добраться
который
141
нам
нужен?
Чтобы
кратчайшим
до ответов на эти вопросы, проведем маленький экспе¬
римент. Изменяя частоту, доведем контур до резонанса
определенности предположим,
что этот
(рис. 6.18; 2)
резонанс наблюдается
и для
на часто¬
200 кГц.
Теперь возьмем и уменьшим индуктивность катушки LK. Из-за
уменьшения Lk уменьшится индуктивное сопротивление xL и тут же нару¬
шится
равенство хь хс. А значит, нарушится равенство UL lic, и никакого
резонанса в цепи уже не будет. Чтобы восстановить резонанс, нужно посте¬
те
=
=
пенно
увеличивать частоту переменного напряжения, которое поступает с
генератора. С увеличением частоты начнет расти xL, уменьшаться хс, и на
какой-то частоте
они вновь
уравняются,
в цепи снова
наступит резонанс.
Рис. 6.18. Расчет колебательного контура
Такой
ность
L,
же
точно
а емкость
результат получится,
С контура
(рис. 6.18; 3).
если
Или
уменьшить
если
не
индуктив¬
одновременно умень¬
индуктивность L и емкость С. В этих случаях резонанс
наблюдаться на более высокой частоте.
шать
Вывод
ся
и
из этих
экспериментов такой:
частота
/
,
на
тоже
будет
которой наблюдает¬
резонанс, определяется параметрами самой LC-цепи. С уменьшением L
С резонансная частота повышается, с увеличением L и С резонансная
частота понижается
из
6.18
(рис.
условия резонанса хь
=
и
6.19).
получить точную формулу для/рез,
С
или
а на
простейших преобразований
удобные
рис. 6.18; 4, 5, 6 приведены
формулы, с помощью которых можно найти/рез при известных
подобрать L и С, чтобы получить резонанс на нужной частоте.
расчетные
L и
На рис. 6.18; 1 показано, как, исходя
х., можно путем
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
142
Рис. 6.19. Расчет колебательного контура (продолжение)
То, что
мы
узнали
небольшая
резонансном фильтре
часть важных сведений о
о
-
колебательном контуре,
-
Хорошо бы, например,
резонансной кривой, почему некоторые
контуры резко увеличивают ток на резонансной частоте, а другие повы¬
шают его лишь в небольшой степени. Или другой вопрос
отчего зависит
ширина резонансной кривой, чем определяется полоса частот, близких
это лишь
еще узнать,
нем.
от чего зависит высота
-
к/рез, на которых хотя и не в полной мере, но все же
явления? И еще: одну и ту же резонансную частоту
заметны
можно
резонансные
получить при
разных соотношениях L и С, если, например, в два раза увеличить индук¬
тивность контура и в два раза уменьшить его емкость, то резонансная час¬
тота не изменится.
Подводя предварительный
контуром,
сформулируем
резонансным фильтром, с
особенности. Во-первых, из многих
итог знакомства с
главные его
переменных
разными частотами контур умеет выбирать ток опре¬
деленной частоты; во-вторых, изменяя L или С контура, можно добиться,
токов с
чтобы
тоты
из сложного
аккорда
извлекался ток
(напряжение) нужной нам час¬
(рис. 6.19).
Примечание
редактора. Колебательный LC-контур
с возникновения первых
радиостанций
беды интегральной микроэлектроники
ших узлов
электронной аппаратуры
-
в
в
в течение многих
десятилетий,
в начале XX века и до окончательной по¬
1980-1990-е годы, был одним из важней¬
любом радиоприемнике или телевизоре
можно было найти не один колебательный контур, часто с переменным конден¬
сатором (рис. 6.19; 2) или катушкой с подстраиваемым сердечником. Однако ре¬
альные катушки
сопротивления,
индуктивности гораздо дальше
чем конденсаторы
-
от идеального чисто
индуктивного
от идеального емкостного, а резисторы
-
от
Намотать катушку индуктивности так, чтобы
свести к достаточному минимуму паразитную межвитковую емкость и активное со¬
противление провода, в малых габаритах не получается. К тому же процесс намот¬
идеального активного
ки катушек
(особенно
(резистивного).
с замкнутым
сердечником) крайне
нетехнологичен и плохо
совместим с современными автоматизированными линиями.
По всем этим причинам в современных радиочастотных
дорогого,
габаритного
и сложного в
настройке
устройствах
вместо этого
компонента чаще всего
использу¬
ются аналогичные по свойствам узлы схем в интегральном исполнении. Это могут
быть программные фильтры
на
цифровых
сигнальных процессорах
(DSP),
различ¬
ГЛАВА 6. Сложный характер переменного тока
ные
пьезоэлектрических и
конструкции
143
магнитострикционных
фильтров, акус-
все эти
поверхностных акустических волнах и пр.
в
и к
исполнении
разновидности гораздо проще реализуются
микроэлектронном
назначения:
более
же
свойствами
сточки
целевого
обладают лучшими
тому
зрения
тоэлектронные фильтры
стабильны
Вы
и не
на
-
требуют ручной подстройки.
встречать индуктивности в простейших радиочастотных приме¬
(например, в дешевых приемниках импульсного сигнала на фиксированной
частоте), однако и там их применение ныне очень ограничено. Возможно, един¬
ственная область, где традиционные катушки индуктивности (дроссели) остаются
незаменимыми,
фильтрация выходного напряжения современных импульсных
источников питания от высокой частоты, на которой производится преобразование
(рис. 6.14; 7). Кроме того, их очень часто ставят в качестве фильтров питания в схе¬
мах, где мощные компоненты работают на высокой частоте, чтобы предотвратить
ее действие на другие компоненты или проникновение во внешнюю сеть: разбери¬
те обычную микроволновку, и вы найдете там несколько дросселей с сердечниками
из ферромагнитной керамики
феррита.
можете иногда
нениях
-
-
Поговорим теперь
шек
о еще одном
распространенном применении кату¬
индуктивности.
25.
Трансформатор увеличивает напряжение (ток),
однако, не увеличивая мощность. Используя явление
можно
передавать электрическую энергию
из
одной
ни в коем
случае,
взаимоиндукции,
цепи в другую без
непосредственного контакта между ними.
вляет
такую передачу,
-
это и есть
Устройство, которое осущест¬
трансформатор (в переводе «преобра¬
-
зователь»).
В
простейшем случае трансформатор
щим
это две
обмотки,
связанные
об¬
(рис. 6.20). В принципе, магнитный поток мо¬
воздуху (рис. 6.20; 1, 2, 7), но обычно сердечники транс¬
магнитным потоком
жет замыкаться по
-
Ф
форматора замкнутые: стержневой (рис. 6.20; 3, 4), кольцевой (рис. 6.20; 5)
или наиболее
распространенный броневой («Ш-образный») (рис. 6.20; 6).
В трансформаторах часто бывает несколько обмоток (рис. 6.20; 7).
Коротко о сердечниках. Сердечники делают из электротехнической
стали, а иногда из сплава пермаллоя, ферромагнитного материала, более
дорогого,
но зато со значительно
Сердечники,
ты.
не
Это
как
собраны
связано с тем, что в самом
принять мер,
дела,
правило,
будет
пластинчатом
из пластин или свиты из тонкой лен¬
сердечнике тоже наводится ток, и, если
большим: сердечник
это, по сути
он окажется весьма
короткозамкнутый
ге сердечник
большей магнитной проницаемостью.
-
виток, обмотка с малым сопротивлением. В ито¬
греться
сердечнике
и
отбирать
значительную мощность. А
вот в
токи в соседних пластинах создают магнитные
которые действуют друг против друга (рис. 6.20; 8). Пластины состав¬
ляют из половинок, которые дополнительно изолируют друг от друга (час¬
то просто слоем окисла), ленту также покрывают изоляционным слоем.
поля,
И
в итоге
общая
мощность, пожираемая сердечником, резко уменьшается.
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
144
Рис. 6.20. Трансформаторы
Потери в сердечнике увеличиваются с частотой, и для высокочастотных
трансформаторов и катушек обычных мер уже недостаточно. Ферромаг¬
нитный материал измельчают,
мощью
изолирующих
смол
а
затем
крупники спрессовывают
(рис. 6.20; 9),
с
по¬
создавая так называемые магни-
тодиэлектрики. Токи в отдельных крупинках порождают «враждующие»
магнитные поля, потери в сердечнике уменьшаются. При этом, правда,
уменьшается результирующая магнитная проницаемость, но что подела¬
ешь, иначе сердечник для высокочастотных катушек вообще не получишь.
Если подвести
нератора,
к
первичной
обмотке I переменное напряжение
обмотке пойдет
то в этой
создаст переменное магнитное поле
дится
напряжение
нагрузку
о
RH,
то в
вторичной
Фг 2,
но мы
сразу
ЭДС теряется
на
ток
от ге¬
1} (рис. 6.21; 1). Он
действием которого
под
обмотке II,
этой нагрузке пойдет
наведенной ЭДС,
какая-то часть
U2
во
переменный
ток
наво¬
и если подключить к
1Г(Точнее
ней
было бы говорить
напряжение li2, полагая, что
сопротивлении самой вторичной обмот¬
же введем
ки.) Если Ц
синусоидальное напряжение, то и U2 тоже будет синусо¬
идальным: наведенное напряжение зависит от скорости изменения тока
(гл. 5; 14), а скорость изменения синусоиды тоже синусоида (гл. 6; 12).
Величина наведенного напряжения U2 зависит от нескольких факто¬
-
-
ров.
Например,
от того, насколько магнитный поток
пронизывает вторичную:
чем
большая
первичной
часть этого потока
тем, при прочих равных условиях, наведенное напряжение
Вот почему обмотки
трансформатора
в
обмотки
рассеивается,
будет меньше.
большинстве случаев располагают
замкнутом ферромагнитном сердечнике: по этому сердечнику замы¬
кается практически весь поток, и все магнитное поле первичной катушки
пронизывает витки вторичной. В трансформаторе с такой стопроцент¬
на
ГЛАВА 6. Сложный характер переменного
ной магнитной связью напряжение
отношением числа витков
(рис. 6.21; 2, 3).
Это
w2
в
тока
на
145
вторичной обмотке определяется
обмотке II
к
соотношение называется
числу
витков
w1
в
обмотке I
коэффициентом трансфор¬
мации п.
Рис. 6.21.
Если
во
вторичной обмотке
если
и>2 больше,
цы
трансформатор
и
чем
wv
звания вполне
катушке,
то
II
витков
больше,
чем в
первичной I,
коэффициент трансформации
называют повышающим.
то п меньше единицы и
на
Принцип работы трансформатора
трансформатор
объяснимы. Мы знаем,
больше, чем больше
тем
А
если
w2
то есть
больше едини¬
меньше, чем
wy
Эти
на¬
называют понижающим.
напряжение, которое наводится
индуктивность. А индуктивность
что
ее
катушки, в свою очередь, пропорциональна числу витков. Поэтому напря¬
жение, наведенное на вторичной обмотке, будет тем больше, чем больше
zvr В
трансформаторе
со
стопроцентной
вом числе витков в обмотках I и
магнитной связью при одинако¬
II,
при коэффициенте трансформа¬
U2 равно напряжению Ц. А если w2 отличается от
юv то и U2 будет отличаться от Ц, причем именно в п раз.
Теперь о токах. Когда во вторичную обмотку включена нагрузка, то в
этой обмотке идет ток 12. Конечно же, вторичная обмотка сама никакой
ции п
=
то есть
1, напряжение
мощности не дает, а
генератора. И
получает
ее из
первичной, то есть в
конечном итоге от
Р2, потребляемая во вторич¬
ной цепи, равна мощности Pv поступающей от генератора в первичную
цепь (оговорка «в идеальном случае понадобилась потому, что реально ка¬
кая-то мощность
теряется в самом трансформаторе, и нагрузке достается
в идеальном
случае мощность
несколько меньшая мощность, чем дает
генератор).
мощностей Pj Р2 можно найти соотношение
Соотношение между 1Х и 12 также определяется
=
токов
Из условия равенства
7г и 12 в обмотках I и II.
коэффициентом
транс¬
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
146
формации
я, но только этот
коэффициент действует «в обратную сторо¬
раз трансформатор повышает напряжение, во столько же
ну»:
раз он понижает ток. Если, например, U2 в десять раз больше, чем Ц, то в
те же десять
раз 12 меньше, чем 1г (рис. 6.21; 5). Согласитесь, что только при
этом условии мощности
Pj и Р2 в обеих обмотках могут быть одинаковыми.
Важная особенность трансформатора напряжение U2 на вторичной об¬
мотке определяется самим устройством трансформатора, его коэффици¬
ентом трансформации. А вот что касается токов
7, и 12, то они зависят еще
и от
чем меньше
тем больше ток
сопротивления нагрузки:
RH,
12 (и вместе
с ним
Р2) и соответственно больше ток /, (и вместе с ним Рг). Что же касается
коэффициента трансформации, то он лишь показывает, во сколько раз 1{
больше или меньше, чем 12.
Знакомством с трансформатором мы завершаем путешествие по тер¬
риториям Основ Электротехники, занимающим первые этажи огромно¬
го здания Электроники. Мы поднимаемся выше, на следующие этажи, от
во сколько
-
которых уже
аппаратов.
совсем недалеко до
действующих электронных приборов
и
ГЛАВА 7
Сырье
и
продукция
электроники
1.
Информация играет исключительно важную роль в природных про¬
в работе машин, в человеческом обществе. До середины XX века
свойство исключительно человеческое.
считалось, что информация
В энциклопедическом словаре того времени написано: «Информация
со¬
общение, осведомление о чем-либо, например информация через печать, радио,
документальное кино и т. п.». У нынешнего специалиста в области вычис¬
лительной техники, языкознания, космической связи или физиологии по¬
добное определение, скорее всего, вызовет улыбку: оно затрагивает лишь
небольшую часть того, что сейчас принято называть информацией.
цессах,
-
-
Примечание редактора.
В энциклопедическом словаре 2000 года издания узкое
определение информации гласит: «...сведения, передаваемые людьми устным, пись¬
менным или другим способом (с помощью условных сигналов, технических средств
и т.
д.).
К этому узкому определению добавляется довольно
тий далеко за рамками человеческого
щее обмен сведениями
обширный круг поня¬
общения: «...общенаучное понятие, включаю¬
между людьми, человеком и автоматом, автоматом и авто¬
передачу признаков от
матом; обмен сигналами в животном и растительном мире;
клетки к клетке, от организма к организму...».
Информация
одной
на
ного множества
области знаний
ект
-
очень
широкое
понятие.
И
очень
глубокое.
Она призна¬
из самых важных, самых
объектов
и
универсальных характеристик огром¬
процессов. Появились даже самостоятельные
кибернетика и информатика, для которых главный объ¬
исследований информация, но уже, конечно, в современном, широ¬
-
-
ком смысле этого слова.
Не
тия
будем разбираться
«информация». Для
мого
в нынешних
наших
общего представления
официальных
практических целей
определениях
поня¬
пока достаточно са¬
о ней.
Можно было бы сказать, что информация
это некоторые сведения,
записанные о каких-либо объектах или процессах.
-
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
148
Информация содержится в структуре молекул, и чем сложнее молеку¬
ла, чем разнообразнее ее структура, тем больше в ней информации. Ин¬
формация содержится в телевизионной картинке, в музыкальном аккор¬
де, в чертеже, рукописи, зубчатом колесе часов, в шестиграннике гайки, в
серии радиосигналов, посланных на космический корабль. А вот чистый
лист бумаги не несет никакой
информации. И постоянный ток тоже. И в
потоке
ничего
не записано. Информация
это всег¬
равномерном
воздуха
да какие-то изменения: интенсивности, формы, яркости, частоты, ассорти¬
мента, конфигурации.
Соединяясь в сложные агрегаты, молекулы узнают друг друга по той ин¬
формации, которая содержится в их структуре. Информация, записанная
в
рельефе берегов реки, ворочает огромными массами воды, заставляет ее
поворачивать то влево, то вправо. Возвращаясь из школы, вы открываете
-
-
дверь квартиры
го ключа
своим ключом только
содержится
информация
об
потому,
что в сложном
узоре данно¬
данного замка.
устройстве
Можно привести бессчетное множество примеров, подтверждающих,
что
ют
информационные процессы, информационные взаимодействия игра¬
исключительную роль
в
отчетливее понимается, что
тальных
характеристик
скажем, вещество и
2. В
природе,
в технике.
информация
нашего
мира,
И
в последнее
относится
к понятиям
к
такой
числу
время
все
фундамен¬
же важности, как,
энергия.
информационные биологические системы осу¬
ществляют сбор, переработку и хранение информации. Когда вы нажи¬
маете
живых
организмах
кнопку электрического звонка,
то
передаете звонку некоторую
ин¬
формацию, посылаете сообщение «нужно звонить». В звонке простейшей
электромеханической конструкции информацию переносит переменный
который при нажатии кнопки поступает в катушки электромагнита
ток,
и
приводит
лает на
в движение молоточек звонка.
А
вот когда
спутник радиосигнал, который должен
оператор
посы¬
включить двигатель
кор¬
работать не нужно. Он должен только
перенести на спутник определенную информацию, передать соответству¬
рекции,
то
этому сигналу самому
ющую команду,
соответствии с
выключат1. В
а там
уже найдутся другие
полученной информацией
этом
втором примере
мы
источники
энергии, которые
сами включат, что
встречаемся
со
нужно,
в
или
специализирован¬
ной
информационной системой; вся работа таких систем только в том и
состоит, чтобы собирать, хранить, передавать или перерабатывать инфор¬
мацию.
первых специализированных информационных систем
природа. Уже у простейших микроорганизмов есть молекулярные
Изобретатель
живая
1
-
Уместно напомнить определение, данное известным кибернетиком И. А. Полетаевым
«Сигнал» (1958): «Сигнал физический процесс, несущий информацию».
-
в его книге
ГЛАВА 7. Сырье и
149
продукция электроники
об
окружающей среде, и, в зави¬
симости от химических веществ, действующих на эти «приборы», микро¬
организмы либо движутся в сторону пищи, либо бегут из вредной для них
среды. А еще у всех представителей живого, от одноклеточной водоросли
«приборы», собирающие информацию
до кашалота, есть специализированные хранилища
ные
молекулы нуклеиновых кислот,
на
которых
информации
-
слож¬
языком химических соеди¬
подробнейшая информация об устройстве данного вида
организмов. Только благодаря этим подробным чертежам живые
нений записана
живых
организмы
точно
ется кошка, а не
дельфин,
За миллиарды
нялись и
информационные
животного
целая
лет
мира
получа¬
и не
и
этом
при
усложнялись
и
совершенство¬
На какой-то стадии у представите¬
особый информационный орган, точнее,
системы.
появился
органов
нервная система. Сначала довольно простая, из
а затем все более сложная, способная выпол¬
клеток,
нервных
система
нескольких
и из кошки
стрекоза
табуретка.
биологической эволюции живые организмы услож¬
не
совершенствовались,
вались их
лей
воспроизводятся при размножении,
-
нять много самых
разных задач
по
сбору, хранению и переработке инфор¬
мации.
Наибольшего совершенства достигла эта система у человека. В нашем
организме
миллиарды
клеток-рецепторов
(собирателей информации)
измеряют освещенность, температуру, химический
среды, собирают
его пределами.
окружающей
состав
сведения о том, что происходит внутри организма и за
Скажем,
о том, в
какой
степени насыщен
кислородом
воз¬
дух, достаточно
быстро движется кровь в сосудах, холодно ли на улице
или насколько много сахара в чае. Вся эта
по
внутренним
ли
информация
линиям связи
мости к ней
волокнам
-
нервным
добавляются
-
поступает
в мозг, там
при необходи¬
кое-какие сведения из памяти, и все это вместе
перерабатывается, превращается в итоге в команды управления.
Некоторые из этих команд, например «увеличить глубину дыхания» или
как-то
«добавить
кровь адреналин», выполняются автоматически, а некоторые,
например «добавить в чай ложку сахара» или «надеть теплую куртку», мы
в
выполним сознательно.
3. В процессе свободных колебаний струна
правление, движется
то
туда,
то
меняет
скорость
обратно. Физические,
и
на¬
химические,
биологические и всякие иные процессы могут протекать по-разному.
В одних случаях мы видим нарастание какой-либо величины
нарастает
-
скорость падающего камня, температура
ника с
водой,
вес
зреющего
на поле
поставленного на
арбуза...
В других
наблюдаем уменьшение чего-либо, убывание
ведре, напряжение пружины часов, скорость
ровной дороге
заглох двигатель...
рых происходит непрерывная
А
смена
-
же
убывает
плиту чай¬
процессах
мы
вода в дырявом
автомобиля, у которого
есть еще и такие
нарастаний
и
процессы,
убываний,
на
в кото¬
процессы,
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
150
которые без всякого вмешательства извне меняют свое направление,
сами по себе идут то «туда», то «обратно». Это так называемые свобод¬
колебания, примером которых могут служить колебания гитарной
струны (рис. 7.1).
Вы слегка оттянули гитарную струну и передали ей некоторую порцию
ные
энергии. Мы часто производим подобную передачу энергии, например
когда двигаем по столу книгу, ударяем спичкой по коробке или ногой по
футбольному мячу. И всякий раз отданная нами энергия сразу находит
потребителя, расходуется на какое-нибудь полезное дело
на
на
тепла,
получение
борьбу с трением или сопротивлением воздуха.
Иначе обстоит дело с оттянутой струной. Здесь мы встречаемся сра¬
зу с несколькими потребителями энергии, причем два из них, взаимо¬
действуя друг с другом, как раз и заставляют струну совершать коле¬
своего главного
-
бательные движения. Когда
ее от
условной средней
энергию сразу
деформация
мы оттягиваем
линии
же захватывает
(рис. 7.1),
первый из
то
стальную струну, отводим
затраченную
двух
потребителей
стали.
Рис. 7.1.
нами на это
Свободные колебания
-
упругая
ГЛАВА 7. Сырье и продукция электроники
151
явление сложное, оно связано с изменением
Упругая деформация
с его упругостью. Когда мы сгибаем, то
вещества,
внутренней структуры
есть
деформируем (меняем форму), стальную пружину или сжимаем, де¬
формируем резиновый мяч, то затрачиваем энергию именно на то, что¬
-
бы преодолеть силы
внутренней упругости.
безвозвратно. Деформированное
возможность,
тью
вернется
в свое
(обратите внимание на
Но энергия
упругое тело,
первоначальное
у
пропадает
него появится
состояние и почти полнос¬
это слово «почти», о нем
особо) вернет полученную энергию.
Это хорошо видно на примере часов:
эта не
как только
придется поговорить
когда вы заводите их, то
пружина
определенную энергию, а затем в течение суток
почти полностью отдает ее,
вращая шестеренки часового механизма. И так
же ведет себя оттянутая стальная струна. Она не потребляет, а лишь накап¬
ливает
энергию и при первой возможности отдает ее.
деформируется
Отдает,
и запасает
кому?
Спортсмен, который обычно прыгает в длину на семь-восемь метров, не
преодолеет и четырех, если лишить его возможности разбега, заставить
прыгать с места. Дело в том, что при разбеге спортсмен создает некоторый
запас
лов.
но
энергии, который
Физика
в момент
прыжка добавляет
очень точно
этот запас
-
к силе своих
муску¬
это не что иное, как ки¬
определяет
энергия, которой обладает любое движущееся тело, в нашем
примере бегущий человек. Чем больше масса тела и его скорость, тем
больше этот запас, больше кинетическая энергия. Это легко поймет тот,
нетическая
кому приходилось, разогнав велосипед, долгое время катиться по инер¬
ции. Шоферы хорошо знают, что чем больше скорость автомобиля и чем
труднее машину остановить, то есть погасить в
тормозах
кинетическую энергию.
Кинетическая энергия у какого-либо тела, конечно, не появляется сама
сильнее он
нагружен,
тем
ее
собой. Ее
накапливают с помощью
мускулов,
сожженного
бензина, взор¬
пороха словом, с помощью любых источников энергии, способ¬
ных толкать, двигать, вращать, способных «создавать скорость».
ванного
-
Теперь
вующий
можно сказать, кто же этот
в
ее на
пустите
же
вернуть
струна
свободу,
то силы
вы от¬
упругой деформации постараются сразу
условной средней линии. При этом
ее в исходное положение, к
начнет двигаться и
кинетической
набирать скорость, а значит, увеличивать запасы
энергии. Но
пенно отдает их.
В
второй потребитель энергии, участ¬
колебаниях струны. Это движение. Если, оттянув струну,
И
и эти запасы
опять тот же
поисках ответа мы сейчас
небольшой
вопрос
струна
-
не
хранит у себя,
а посте¬
кому?
-
прокрутим
разумеется, условно,
мыслен¬
учебный кинофильм.
гаснет свет. Звучит музыкальное вступление, и на
экране появляются пляшущие буквы. Буквы постепенно вытягиваются в
три ровные линии, мы читаем название фильма: «Свободные колебания
но
-
...В
зале медленно
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
152
струны». И тут
диктора: «Замечательная техника совре¬
увидеть колебания гитарной струны, замед¬
же слышим голос
менного кино позволяет нам
ленные в несколько тысяч
раз».
На экране струна, натянутая между двумя массивными стойками. От¬
куда-то со стороны выплывает рука, указательным пальцем цепляет стру¬
ну и оттягивает в сторону. На том месте, где только что была струна, оста¬
пунктирная линия, и тут же возле нее появляется надпись: «Линия
покоя». Снова голос
диктора: «Оттянув струну, мы затратили некоторую
энергию».
Палец отпускает струну. Она начинает двигаться, сначала медленно,
затем все
быстрее. Двигаясь, струна в какой-то момент сливается с пунк¬
ется
тирной
«линией покоя». Голос поясняет: «Под действием сил упругости
в положение покоя.
струна вернулась
Но
остановиться здесь она не может:
передали струне, оттянув ее, теперь пере¬
только
и,
кинетическую энергию,
потеряв ее, струна сможет вновь
почти вся
шла в
мы
энергия, которую
обрести покой. А пока она продолжает двигаться».
Проскочив пунктирную «линию покоя», струна продолжает двигаться и
вновь
изгибается,
оттягивается, но теперь уже сама. И конечно, изгибается
формирована, и силы упругости снова начинают двигать ее, вновь прибли¬
жая
струну
к
"линии покоя"».
Диктор сказал правду: мы действительно видим, как струна движется к
пунктирной линии, вновь сливается с ней на какое-то неуловимое мгно¬
вение и, проскочив эту линию, продолжает двигаться... Вот она уже поч¬
ти на том же месте, куда когда-то оттянул ее палец...
оста¬
Неуловимая
новка, и, изменив
направление
на
обратное,
снова в
путь,
снова к «линии
покоя»...
Однако
кинем на
не
будем
время
утомлять себя
кинозал и
зрелищем. По¬
устроить небольшое обсуждение
однообразным
этим
попробуем
фильма.
4. Свободные колебания
-
чрезвычайно широкий
класс
процессов,
в ко¬
торых происходит обмен энергией между двумя ее накопителями. Мы
видели, что струна сама по себе двигалась то туда, то обратно, то есть со¬
вершала свободные колебания. Струна двигалась относительно некоторо¬
го
состояния, относительно «линии покоя». В процессе коле¬
баний по синусоиде менялась скорость струны, по синусоиде менялось ее
устойчивого
отклонение от
средней
линии.
Первопричина
гией между двумя накопителями, между
ем. Оба накопителя энергии
существуют
сам по
себе,
они взаимосвязаны
-
упругая
всего этого
силами
в
-
обмен энер¬
упругости
натянутой струне
и движени¬
не
каждый
деформация стремится двинуть
ГЛАВА 7. Сырье и
153
продукция электроники
кинетической энергии, а кинетическая энергия
стремится изогнуть струну, запасти в ней энергию в виде упругой дефор¬
струну, создать у
мации.
нее запас
Поэтому,
пители
как только мы
передали струне порцию энергии, нако¬
перебрасывать ее друг другу. Начались свободные
же начали
сразу
колебания.
Все эти особенности характерны
(рис. 7.1; 6, 7).
колебаний
любых других видов свободных
В колебаниях зажатой в тиски линейки участву¬
и для
ют уже знакомые нам накопители
упругость и движение, в колебаниях
маятника или качелей один из накопителей тот же
движение, а вместо
-
-
упругой деформации работает
поднятие маятника
чем выше поднято тело, тем
рую высоту:
(качелей)
больше энергии
на некото¬
оно запасает и
затем может отдать, двигаясь вниз.
Свободные колебания
природе,
и
в технике.
-
вид
движений,
Можно наблюдать
очень
распространенный
химические
колебания,
и
в
когда
меняются концентрации определенных веществ. Элект¬
обмен энергией между конденсатором и катуш¬
колебания
ромагнитные
кой. Даже в поведении человека нередки колебания, когда есть два накопи¬
«туда-обратно»
-
теля, два
решения, между которыми приходится
выбирать.
Примечание
редактора. Кроме свободных колебаний (их еще называют гармо¬
в
ническими), технике (и в электронике, в частности) огромное значение имеют
колебания другого вида
релаксационные. Если для свободных колебаний про¬
цессы рассеяния (диссипации) энергии ведутлишь к постепенному их затуханию,то
-
для релаксационных это основной механизм поддержки колебательного режима:
вместо перехода из одного вида в другой (из потенциальной в кинетическую и
обратно) здесь энергия в каждом цикле полностью теряется, переходит в тепло.
Для поддержки релаксационных колебаний необходим постоянно подключенный
энергии, восполняющий ее потери, при отключении источни¬
ка колебания прекратятся немедленно. Форма релаксационных колебаний обыч¬
но принципиально отличается от синусоиды, они имеют импульсный характер, но
к системе источник
-
специальной подгонкой параметров системы можно получить и релаксационные
колебания, близкие к синусоидальным. Примеры релаксационных колебаний:
в природе дрожание листьев на ветру; в технике и быту колебания тормозной
системы автомобиля («визгтормозов»),звучание смычковых инструментов; в элект¬
-
-
ронике
-
а также
Практикум
Есть у всех
различные
мультивибраторы и импульсные генераторы
11), излучение импульсного лазера.
(см.
гл.
11; 12,
в гл.
и всяких систем, в
еще одна общая черта
-
которых происходят свободные колебания,
частота
колебаний/зависит
от
параметров
нако¬
пителей энергии.
5. Чем медленнее накопители принимают и отдают энергию, тем ниже
частота собственных колебаний. Для свободных колебаний понятие час¬
тота имеет тот же смысл, что и для
ного цикла
свободных колебаний
(гл. 6; 6), время пол¬
периодом, а число периодов в
переменного
называется
тока
-
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
154
секунду -частотой. И единицы
измерений те же: для периода секунды (с),
герцы (Гц). Каким
будет период свободных колебаний, какой
быстро обмениваются энергией
для частоты
будет
-
-
частота, зависит от того, насколько
ее накопители.
Так, например,
чем
больше
масса
струны,
тем медленнее
набирает скорость и медленнее останавливается, двигаясь по инерции.
с увеличением массы струны частота / свободных колебаний
она
И поэтому
уменьшается. Вот почему более толстые, более
лются медленнее, чем тонкие
массивные
струны колеб¬
(рис. 7.1; 8).
Частота колебаний струны зависит также от ее гибкости: чем меньше на¬
тянута струна, тем более вяло протекает и поэтому дольше тянется процесс
деформации и тем медленнее деформированная струна возвращается в
исходное состояние. Поэтому с уменьшением силы натяжения струны, то
ее
есть с
ростом
уменьшается.
ее
гибкости,
Сущность
свободных колебаний
податливости, частота собственных колебаний
этих зависимостей всегда одна и та же
-
частота
параметров колеблющейся систе¬
меняя эти
(часто говорят,
параметры, мож¬
но менять
собственных
колебаний.
частоту
А теперь вернемся на несколько минут в наш кинозал, где колеблющая¬
ся на экране гитарная струна поможет сделать еще один важный общий
зависит только от
колебательной системы), и,
мы
вывод.
6. Чем меньше потери энергии в колебательной системе, тем выше
ее
добротность,
возвращаемся
комые
тем
дольше
кадры: струна по-прежнему движется
голос произносит все те же
«...струну
«...она
уже
вать
свободные колебания. Мы
туда-обратно,
экране
и
зна¬
знакомый
фразы:
заставляет двигаться
энергия упругой
деформации...»;
не может остановиться...»;
«...кинетическая
И
продолжаются
в кинозал и, как и следовало ожидать, видим на
энергия израсходована
на то,
чтобы
вновь
деформиро¬
струну...».
все-таки что-то изменилось в движениях
струны.
Теперь она чуть мед¬
этой линии чуть
проходит
и
чем
в
начале.
несколько
самом
меньше,
Еще
минут наблюдений
уве¬
ренный вывод: колебания постепенно затухают. Ну что ж, это естественно,
леннее
мимо «линии покоя» и отклоняется от
-
струна
можно
не может
понять
энергии
из
-
затухания колебаний тоже
потери энергии. Каждый раз при перекачивании
колебаться
это
вечно.
одного накопителя
в
Причину
другой
часть ее
теряется
в
на то,
преодолеть трение воздуха, преодолеть внутреннее трение
В итоге запасы энергии, которые когда-то струна получила,
иссякают,
уходит
в
энергия превращается
просторы воздушного
в тепло,
океана.
которое,
как в
чтобы
самой струне.
постепенно
бездонную бочку,
ГЛАВА 7. Сырье
и
Чтобы оценить, насколько
сы
155
продукция электроники
же
бережно
струна расходует
энергии, вводится специальная характеристика
больше энергии струна
каждом перекачивании,
запасает по
тем выше
леннее затухают и дольше длятся
сравнению
-
запа¬
добротность Q.
с тем, что она
добротность,
свои
Чем
теряет при
тем, следовательно, мед¬
свободные колебания (рис. 7.1; 10,11).
потерь энергии у струны есть, если можно так
Во
всяком случае, эти потери, точнее говоря, за¬
потери.
необходимы
настоящей гитарной струне, которая
траты энергии, просто
должна создавать звук.
Среди
нескольких видов
сказать, полезные
7. В процессе колебаний струна излучает звуковые волны. Вы тронули
гитарную струну, она пришла в движение, увлекла за собой окружающий
стороны от струны пошли звуковые волны. Их рождение
упрощенном виде можно представить себе так. Двигаясь впе¬
ред, струна сжимает впереди себя воздух, создает повышенное давление.
воздух,
в
и во все
самом
Разумеется, область с повышенным давлением не может оставаться изоли¬
давление передается соседним участкам, и от струны катится
вал сжатого воздуха (рис. 7.2).
рованной,
Рис.7.2. Звуковые
Через
какое-то
время струна пойдет
волны
обратно,
начнет
«линии покоя», и в том месте, где она только что сжимала
область разрежения, область
воздух,
пространство уходит
вал
изолированной,
к
появится
несколько пониженного давления.
пониженного давления также не остается
лом сжатия в
возвращаться
Область
и вслед за ва¬
разрежения. А поскольку струна
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
156
совершает колебания, непрерывно меняет свое направление, движется ту-
да-обратно, то волны сжатия и разрежения будут уходить от струны одна
за
другой. Такие волны сжатия и разрежения в воздухе или в другой сре¬
-
де
это как
раз
и есть
звук.
8. Основные характеристики звука:
период, частота, скорость, звуко¬
Попробуем поставить на пути звуковой волны из¬
меритель давления манометр. Причем отрегулируем его так, чтобы при¬
бор показывал только изменение давления по сравнению с атмосферным.
Это значит, что при нормальном атмосферном давлении манометр будет
показывать ноль, при некотором сжатии воздуха стрелка прибора пойдет
влево
вправо, при разрежении
(рис. 7.2; 1). А под действием звуковой
волны
все
отклоняться
от нуля то влево, то вправо.
время
стрелка будет
вое
давление,
сила
звука.
-
-
Если бы
успевали следить за всеми движениями стрелки и построили
звукового давления, то он оказался бы точной копией графика
колебаний струны. А разве могло быть иначе? Звуковая волна
мы
бы
график
свободных
рождена колеблющейся струной, поэтому
точке, куда приходит звук,
сжатию и
Это
тота
любой
изменение давления в
повторяет
все
действия струны
по
разрежению воздуха.
позволяет
-
в точности
прежде
всего ввести
такую характеристику звука, как час¬
(периодов) изменения звукового давления в
число полных циклов
единицу времени.
Частота звука, естественно, равна
частоте
свободных колебаний
создав¬
шей его струны. Если струна каждую секунду посылает в пространство
10 «сгустков» сжатия, то через любую точку пространства каждую секунду
пройдет
именно
10
таких
«сгустков».
Другая характеристика звука скорость распространения не требует,
по-видимому, особых пояснений. Нужно лишь отметить, что в воздухе ско¬
-
рость звука при 0 °С
-
330 м/с,
около
несколько повышается и что в
раз больше или
Зная скорость звука
много
-
тику
волна
длину звуковой
-
что с повышением
других средах скорость звука
воздухе
и его
частоту,
можно найти еще
волны.
Длина
за
волны
-
м.
С увеличением
период,
одну характерис¬
полного
-
5 км,
частоты длина волны, конечно,
тем
во
расстояние, которое
периода колебаний. Так,
при периоде 1 с, длина волны соста¬
время одного
-
меньше длится
быть
это то
например, при частоте 1 Гц, то есть
вит в
воздухе 330 м, в воде около 1,5 км, в стали
50
может
она
(рис. 7.2; 6).
меньше, чем в
успевает пройти
температуры
меньшее
в
-
резине
всего
уменьшается:
расстояние успеет пройти
(рис. 7.2; 3, 4).
Звуковые волны иногда сравнивают с волнами на поверхности
гребень морской волны чем-то похож на область сжатого воздуха,
чем
волна
воды
-
впади¬
ГЛАВА 7. Сырье
на
-
на
и
область
157
продукция электроники
разрежения2. Когда говорят
о длине
морской волны, то
гребнями, и
обычно имеют в виду расстояние между двумя ее соседними
по аналогии можно сказать, что длина
ду двумя соседними
точками
нет никакого
противоречия
чаще одна за
другой следуют
расстояние между двумя
с
звуковой
наибольшего
У
сжатия.
предыдущим:
области
волны
-
расстояние
этого
меж¬
определения
чем выше частота
звука,
тем
сжатия и тем, естественно, меньше
такими соседними
областями.
Работоспособность
звуковой волны, ее энергетические запасы принято
характеризовать двумя показателями: звуковым давлением и силой звука.
давление, так же, скажем, как и переменная ЭДС, непрерывно
меняется, и поэтому следовало бы говорить о его амплитуде, мгновенном
Звуковое
и
эффективном
Этой последней
знамениях.
характеристикой пользуются
чаще всего, и если нет никаких оговорок, то нужно считать, что речь идет об
эффективном звуковом давлении, которое составляет 70 % от амплитуды.
Единица давления получается как единица силы, отнесенная к единице
площади, в системе СИ это паскаль (Па), соответствующий одному ньюто¬
квадратный метр (Н/м2). Оценить реальное значение этой единицы
сравнение: если на стандартный лист фанеры (площадь
около 2 м2) вылить стакан воды (масса
около 200 г, вес
примерно 2 Н),
ну
на
позволит такое
-
-
то, равномерно распределившись по листу слоем толщиной примерно
0,1 мм, вода создаст давление как раз 1 Па 1 Н/м2. Как видите, 1 паскаль
=
(1 Па)
масштабах
в наших житейских
всего лишь давление слоя воды,
-
очень
более тонкого,
небольшая величина, это
чем лист
бумаги. В то же
время звуковое давление 1 Па создает ощущение невыносимо громкого
звука (см. табл. 7.1 далее). В литературе недалекого прошлого можно еще
встретить другую единицу бар. Она в десять раз меньше, чем Н/м2, то есть
-
1
бар ОД Па ОД Н/м2 или 1 Па 1 Н/м2 10 бар.
Другая характеристика работоспособности сила
=
=
=
=
-
-
указывает ту
мощность, которую проносит звуковая волна через единичную поверх¬
ность, и поэтому измеряется в ваттах на квадратный метр, Вт/м2. Спра¬
вочная
табл. 7.1 иллюстрирует обе единицы Н/м2
и
звука
Вт/м2,
помощью некоторые реальные источники звуковых волн.
мание, что
звуковое давление
и сила
звука
связаны
оценивая с их
Обратите
квадратичной
вни¬
зависи¬
(гл. 4; 2): увеличьте
давление в десять раз, и сила звука возрастет в
сто раз. Точно такой же зависимостью связаны напряжение и мощность
мостью
или ток и мощность в
И еще
обратите
электрической
внимание на
дены уже знакомые нам
2
цепи
(гл. 4; 11).
третью колонку табл. 7.1,
в
которой приве¬
децибелы (гл. 6; 20).
Колебания, подобные волнам на поверхности воды, еще называют поперечными, а колебания, подобные звуковым волнам, продольными, соответственно основному направлению движения час¬
-
тиц
среды
в
процессе колебания
-
поперек
или вдоль
направления распространения
волны.
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
158
Таблица 7.1. Динамический диапазон
слышимых звуков
Сила звука,
Звуковое
Звуковое
Вт/м2
давление, Н/м2
давление, дБ
Примеры
1012
2105
1011
6,5-105
10
Шепот,тиканье ручных
2-10'4
20
Тихий сад
о
Т1О
0
Порог слышимости
часов
ю-9
6,5-Ю4
30
Тихая комната,
ю-8
2-10'5
40
Тихий разговор, шум кондиционера
настенные часы
ю-7
6,5-10'5
50
Шум
ю-6
0,02
60
Громкий разговор вблизи
10-5
в помещении с открытыми окнами
0,065
70
Шумная улица,
10-4
0,2
80
Шумная трасса, крик, мотоцикл
90
Пневматический отбойный
пылесос на расстоянии 3 м
с глушителем
10-3
0,65
0,01
2
100
од
6,5
110
Трактор
1
20
120
10
65
130
Гром, мощный автомобильный сабвуфер
Болевой порог
В первой
колонке
Кузнечный цех,
таблицы приведено
звука (в Вт/м2),
второй
(интенсивность звука, Н/м2).
очень
молоток
шумный
завод
на расстоянии 1 м, громкая музыка
несколько
конкретных значений
соответствующее звуковое давле¬
колонке
указано (в децибелах),
на сколько то или иное
выше
давление
звуковое
порога слышимости (ну¬
левой уровень звука, 20 мкПа). В последней колонке приведены примеры
реальных звуков, соответствующих тому или иному звуковому давлению.
силы
ние
9.
во
Звуковое
колонке
давление
и
В
третьей
силу звука
часто
ки, создающие давление меньше, чем
не слышим.
Такое звуковое давление
10'12 Вт/м2 называют порогом
слышимые
оценить
звуки
раз
по
измеряют
и
звука
децибелах. Зву¬
мы
просто
соответствующую ему силу звука
выше
Естественно, что все остальные
порога слышимости, и, чтобы
можно пользоваться
раз»,
акустике иногда вообще забывают
вого давления и силы
в
0,00002 Н/м2 (20 мкПа),
слышимости.
во сколько-то
это «во сколько-то
Специалисты
-
децибелами (дБ).
о единицах
и оценивают эти величины
сразу
в
звуко¬
децибе¬
лах, начиная отсчет от порога слышимости. Так и говорят: «сила звука
90 децибел...»
(вместо 0,001 Вт/м2)
(вместо 0,02 Па
=
или
0,02 Н/м2). Пользоваться децибелами особенно удобно,
когда приходится оценивать усиление или ослабление звука.
вестно, что
вперед
она
вблизи струны
уменьшается
подсчитать, что на
50 дБ
и составит
(табл. 7.1).
-
«звуковое давление 60 децибел...»
на
сила
звука 60 дБ
ОД дБ на
расстоянии 500
уже
всего
10 дБ,
каждом
м от
что
и что по
струны
близко
к
из¬
мере продвижения
метре пути.
сила
Скажем,
Сразу же можно
звука уменьшится
громкости звучания
на
шепота
ГЛАВА 7. Сырье
10.
нию
на
и
159
продукция электроники
Струна-излучатель и струна-приемник образуют простейшую ли¬
звуковой
связи.
Двигаясь
разные предметы,
в
пространстве, звуковая
частично
волна натыкается
от них, а частично отдает им
отражается
энергию. Давайте для определенности предположим, что звуковая
волна наткнулась на какую-нибудь струну. Сначала область повышенного
свою
давления волны двинет
струну вперед,
затем
область
пониженного давле¬
ния потянет ее назад, затем опять повышенное давление, опять
снова пониженное давление, снова
вперед,
и
Одним
словом, звуковая волна,
такой
часть
своей
отдавая
струне-приемнику
энергии, заставит ее совер¬
шать колебания (рис. 7.2; 5). С какой частотой? Конечно, с частотой самого
звука,
то есть с
частотой струны-передатчика.
разрежения
в
венных, свободных колебаний,
вынуждена двигаться
звуковая
11.
что именно
друг друга
волне, насколько часто эта волна
звуковой
вперед-назад нашу струну-приемник. И ее
ник
Потому
насколько часто сменяют
на-передатчик определяет,
и
назад...
колебания,
двигать
в отличие от
называют
именно с той
будет
стру¬
сжатия
собст¬
-
вынужденными струна-приемчастотой, которую навязывает ей
волна.
Используя
высить ее
струне-приемнике явление резонанса, можно резко по¬
чувствительность. Слово «резонанс» в популярных книгах
в
иллюстрируют очень старинным и не очень веселым примером. Шла рота
солдат по мосту, шла в ногу, четко отбивая шаг. И вдруг мост рухнул. Рух¬
нул именно из-за этого вышагивания в ногу. Дело в том, что мост, подобно
гитарной струне, совершает колебания, причем
небольшой частотой.
дой
и очень
том
трагического совпадения
той
собственных колебаний
-
Разрушение
качели, желая
ний,
раскачать
моста.
раскачивание
как
результа¬
роты
Солдаты раскачивали
частотой, равной
совпала с часто¬
мост в такт с его
как мы в такт подталкиваем
их как можно сильнее.
с
амплиту¬
частота вышагивания
собственными колебаниями, подобно тому,
ние в такт,
с очень малой
моста оказалось
Вот
это самое подталкива¬
частоте
собственных колеба¬
и называют
раз
резонансом.
Можно настроить струну-приемник в резонанс с частотой звука, и в этом
случае амплитуда колебаний струны резко увеличится. Первая же порция
звуковой энергии заставит струну совершать свободные колебания, и все
действия звуковой волны будут поддерживать эти собственные
остальные
колебания.
Теперь достаточно будет даже очень слабого звука, чтобы силь¬
но раскачать струну (рис. 7.2; 5).
Чувствительность струны-приемника, ее способность приходить в дви¬
жение под
действием слабых звуков
-
теристики
добротности.
зависит от
Чем больше
уже знакомой
добротность,
собственные, внутренние потери энергии
в
струне,
нам
харак¬
то есть чем меньше
тем
более слабый звук
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗАШАГОМ
160
сумеет раскачать ее, тем, следовательно, лучше струна
функции
свои
приемника звуковых
12. У реальных звуковых
сигналов
будет
выполнять
волн.
звуковое давление меняется
одни
сложным
образом,
формой графика
других.
До сих пор график звукового давления мы рисовали в виде синусоиды, что
было некоторым искажением истины. График колебаний реальной стру¬
ны, а значит, график излучаемого ею звука, похож на синусоиду, однако
и именно
все же отличается от нее.
ности
А
графики
сигналы отличаются от
реальных природных звуков,
звучание музыкальных инструментов
Именно
в част¬
и человеческого голоса, всегда
звуко¬
форму.
форме графика, записана информация, которую
переносит звук. Только характером изменения, формой кривой графика
отличается
чаще всего для краткости говорят просто «форма кривой»
от
только
«а»
изменения,
звук
звука «о»,
характер
форма кривой отличает
имеют очень
сложную
в этой сложности изменений
вого давления, а значит, в
-
-
звуки одинаковой
ных
частоты
(одна
и та же
нота),
взятые на
разных музыкаль¬
инструментах.
Придется
признать, что, путешествуя по зоопарку, мы не заметили сло¬
изучая звук, не научились оценивать форму кривой, самую важную его
характеристику. Но как только мы захотим исправить эту ошибку, то сра¬
на:
зу
же столкнемся с
непреодолимыми,
казалось
бы, трудностями. Действи¬
форму кривой графика? В каких едини¬
цах ее измерять? Как сравнивать и различать разные по форме кривые,
отмечать их сходство или
различие?
тельно, как можно точно оценить
13.
Спектр
сигнала
-
эквивалентный ему
набор синусоидальных со¬
подобную задачу из другой
ставляющих. Для начала попробуем решить
области. Предположим, что нам нужно, пользуясь картой, измерить
щадь
Черного моря (рис. 7.3; 1). Проще
пло¬
всего, наверное, это можно сделать
так: заполнить очертания моря квадратами, подсчитать площадь каждого
из них, а затем все полученные результаты сложить. На карте разместят¬
ся два-три больших квадрата, несколько квадратов поменьше и, наконец,
множество мелких и мельчайших квадратиков, которые точно воспроизве¬
дут сложные очертания морских берегов. С помощью набора стандартных
можно
составляющих квадратов
измерить площадь любой геометри¬
ческой фигуры, имеющей сложные очертания.
Подобным же образом, чтобы оценить характер изменения, то есть фор¬
му кривой графика, какого-либо сложного звука, можно представить этот
-
звук
как
сумму некоторых стандартных составляющих
амплитудами,
частотами и
кривой. Чтобы
будет
-
фазами,
но с
-
звуков
разными
одинаковой стандартной формой
дать точное описание любого сложного звука, достаточно
набор стандартных составляющих, которые
сложный
данный
звук.
назвать
с
в
сумме дадут
ГЛАВА 7. Сырье
и
161
продукция электроники
Рис. 7.3. К
понятию спектра сигналов
различной формы
То, что сложную геометрическую фигуру можно
тых
более прос¬
рассуждений. А вот
сложить из
без особых
фигур,
квадратов,
подобную операцию суммирования производить со звуковыми
ясно и
в частности
можно ли
волнами? Можно
ли считать, что
сложный звук состоит из определенного
набора простых?
Оказывается, можно.
Если
точку, где расположен измеритель звукового давления, напра¬
звуковые волны, то прибор не будет в отдельности реагировать на
каждую из них, а покажет суммарное давление. Потому что в какой-либо
в
вить две
точке
было
но
пространства звук
этих сил.
Важен
не помнит, какие силы его создавали и сколько
лишь
конечный результат, важна сумма сил, подоб¬
суммарный вес гирь, которые стоят на
чаше весов. В качестве стандартной составляющей для
измерения площа¬
ди сложных геометрических фигур мы выбрали квадрат, потому что очень
просто определить его площадь. В качестве стандартной составляющей
для описания сложного звука выбрана синусоида. Причин несколько, вот
тому,
как для
покупателя
важен
две из них, достаточно веские.
В начале прошлого века
Фурье
нашел
способ
французский математик Жан Батист Жозеф
набор синусоидальных составляющих
вычислять
-
синусоидальных! сумма которых может дать сложный звук опре¬
формы. Такой набор составляющих получил название спектр.
Если известно математическое описание сложного звука, то по формулам
Фурье можно найти его спектр найти частоты, амплитуды и фазы стан¬
именно
-
деленной
-
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
162
дартных синусоидальных звуков, которые, сложившись, воспроизведут
сложный звук во всей его сложности и неповторимости (рис. 7.3; 3).
Разработанные Фурье удобные
спектра
дартной
математические
приемы определения
первое
выбора синусоиды на роль стан¬
составляющей сложных звуков. А вот и второе «за» существуют
это есть
-
«за» в части
-
устройства, которые могут уже не на бумаге, не с помощью математиче¬
ских
формул, а реально, в натуре разделить сложный звук на сумму сину¬
соидальных составляющих и выделить любую из них из сложного звука.
Одно из таких устройств наше ухо.
Кстати, Фурье установил, что если сложный звук периодически повторя¬
ется, то его спектр состоит из синусоидальных составляющих с кратными
-
Музыканты
частотами.
ты
-
гармониками,
зависимость».
обертонами,
называют эти составляющие
имея в
виду второе
Так, например,
имя
синусоиды
радис¬
-
«гармоническая
звука/= 30 Гц, то в
(первая гармоника),
если частота сложного
частотами/= 30 Гц
2/=
(вторая гармоника), 3/= 90 Гц (третья гармоника), 4/= 120 Гц (чет¬
вертая гармоника) и т. д. Амплитуды гармоник могут быть самые разные,
это-то как
раз и зависит от формы кривой сложного звука (рис. 7.3; 3).
спектр войдут составляющие
с
60 Гц
14.
ных
Орган слуха высокочувствительный приемник и анализатор слож¬
-
сигналов. Наземная станция
звуковых
-
метро
это лишь
небольшая
главные же его
часть того, что мы называем словом
-
«метро»,
сооружения
прекрасные дворцы-станции, бесконечные туннели, эскалаторы, поезда,
все это
системы электроснабжения и связи
скрыто под землей. Вот так и
-
привыкли называть ухом,
станция метро. Главные же части
то, что мы
ная
-
внутреннее ухо
ми
черепа
Попав
в
нашего
спрятаны
чем своего
рода
-
звукоприемника
глубоко
назем¬
среднее
и
и защищены костя¬
(рис. 7.4).
волны
ушную раковину, звуковые
ховой проход
приводят
нам не видны, они
более
это не
-
(его
длина около
2,5 см)
пробегают извилистый слу¬
барабанную перепонку,
и, попав на
(так же, как звук заставлял двигаться струну-при¬
7.2). Движение барабанной перепонки через систему косточек
ее в движение
емник; рис.
(молоточек,
наковальня, стремечко,
общая
масса около
0,05 г) передается
улитку. Такое название эта «де¬
таль»
что
получила потому,
у млекопитающих она похожа на спиралевид¬
ный домик улитки (постепенно сужающаяся трубка длиной около 3 см,
в
самый главный отдел внутреннего уха
-
в
закрученная на 2,7 оборота). У животных, которые стоят на низших ступе¬
нях развития, улитки еще нет, ее место занимает более простая «деталь»,
похожая на изогнутую луковицу.
Улитка
ния от
в
-
это конечная станция,
слуховых
косточек.
Здесь,
в
куда поступают
улитке,
серии нервных импульсов, которые
слуховой нерв,
а по
нему уже прямо
по
в
эти
механические
колебания
колеба¬
преобразуются
нервным волокнам поступают в
слуховые отделы головного мозга.
ГЛАВА 7. Сырье
где происходят эти
«Деталь» внутреннего уха,
одного из
орган
первых
Корти,
или
ее
исследователей
Кортиев
орган находится
спиралевидный
вание «пирога»,
тысяч тонких
рояля
или
-
лента основной
арфы.
По мере
лабиринте
мембраны,
улитки
и чем-то на¬
сотканная из двадцати пяти
часто
того как основная
становятся длиннее:
сравнивают
мембрана
со
струнами
расширяется,
ни-
у
основания
-
-
Изучение
около
0,5
мм.
началось давно, но и сегодня в этой
органов слуха
очень много неясного.
Так,
в частности, пока не
звуковых колебаний
преобразования
образом
ясно, каким именно
сложного
ковой
спиральном
плоский слоеный пирог. Нижний слой, осно¬
поперечных нитей, которые
вершины улитки
стадии
в
и
восприятие звука человеком
и
улитки, в районе овального
нитей
около 0,1 мм, а
длина
которому примыкает стремечко,
у
ти-струны
окна, к
преобразования, по имени
Альфонсо Корти получила название
кортиев орган.
Рис. 7.4. Строение уха
поминает
163
продукция электроники
и
звука,
сигнал на
признанием
в
области
удалось проследить
нервный импульс.
кортиев орган анализирует
Не
все
очень
форму кривой
установлено,
разделяет сложный зву¬
составляющие.
Долгое время широким
синусоидальные
хотя
пользовалась
что именно он
резонансная теория слуха, которую
около ста
разработал блестящий физик и физиолог Герман Гельмгольц.
Основную идею этой теории можно проиллюстрировать простым опы¬
том. Откройте крышку рояля, нажмите правую педаль и с большими
лет назад
пропойте над струнами несколько нот. Вы услышите, как рояль
пению,
вторит
причем после разных нот звучат разные струны.
это
дит
потому, что каждая струна резонирует в основном лишь на одной
паузами
Происхо¬
синусоидальной составляющей
сложного
звука. И поэтому для разных
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
164
звуков, то есть для разных спектров,
различным.
Гельмгольц считал,
ким же
способом,
мембраны:
тоты
а
что наше
набор
откликающихся струн
ухо определяет спектр
роль резонирующих струн
они имеют
разную длину,
(гл. 7; 5). Эксперименты,
бы,
звуков
та¬
он отводил нитям основной
а значит,
казалось
сложных
будет
разные резонансные
полностью
подтверждали
час¬
это
предположение. Так, например, было установлено, что при повреждении
вершины улитки, где находятся более длинные, то есть более низкочастот¬
ные, волокна, подопытные животные
перестают слышать только низкочас¬
А
основания
звуки.
повреждение
улитки приводит к потере слуха
области высших частот. В пользу резонансной теории говорили и неко¬
тотные
в
торые другие эксперименты.
И все же под давлением фактов, особенно полученных в последнее вре¬
мя, от простой и удобной модели уха-рояля пришлось отказаться. Вот
лишь одно из непреодолимых затруднений резонансной теории: для того
чтобы перекрыть весь диапазон слышимых частот, натяжение самых длин¬
ных и самых коротких нитей основной мембраны должно различаться в
десять тысяч раз, а на практике такой огромной разницы не обнаружено.
факт, что кортиев орган разделяет сложный звук на синусоидальные
составляющие, не вызывает сомнений, но как именно это происходит, еще
предстоит выяснить3.
Тот
Самые низкие и самые высокие слышимые частоты у разных людей раз¬
ные, но в среднем можно считать, что нижняя граница слышимых звуков
это 16-20 Гц, а
верхняя -18-22 кГц (18 000-22 ООО Гц). Кстати, верхняя грани¬
ца сильно смещается с возрастом, и нередко пожилые люди слышат звуки
-
лишь до
10-12 кГц. В
-
кордсмены
время встречаются,
слышимых
звуков,
низкочастотные неслышимые
частотные
-
хотя и очень
люди, которые слышат частоты вплоть до 28-30
альной границей
Более
то же
ультразвук. То,
как
20 Гц
20 кГц.
более
высоко¬
инфразвук,
правило,
-
звуки
это
что мы не слышим
редко, ре¬
кГц. Офици¬
считают
ультразвуки
-
и
инфразву¬
ки, разумеется, никак не влияет на их природу. Это точно такие же, как и
слышимый звук, чередующиеся волны сжатий и разрежений воздуха или
какой-либо иной среды.
Одна из самых замечательных особенностей
нашего
-
слуха
огромный
диапазон улавливаемых звуковых давлений. Самый слабый звук, кото¬
мы слышим, тот, что находится на
пороге слышимости, несет всего
10'12 Вт/м2 (см. табл. 7.1). Самый сильный звук несет 10 Вт/м2, он находится
уже на пороге нестерпимой боли или даже повреждения тонких механиз¬
мов
слуха. Таким образом, наш слух воспринимает звуки, мощность кото¬
рый
3
В настоящее время считается, что ухо имеет механизмы усиления звуковых сигналов и является, по
сути, механическим измерителем амплитудно-частотной характеристики (АЧХ), т. е. зависимости
амплитуды отдельных гармоник от частоты (см. также
щие передаются в мозг, где подвергаются анализу.
гл.
8; 14). Отдельные
частотные составляю¬
ГЛАВА 7. Сырье
и
рых различается
таким
продукция электроники
165
10 ООО ООО ООО ООО раз. Если бы удалось построить
в
весы с
рабочим диапазоном, то они одинаково хорошо взвешивали бы и
огромный океанский корабль массой в десятки тысяч тонн.
каплю воды, и
Особенно поражает высокая чувствительность нашего слуха, его способ¬
ность улавливать очень слабые звуки. Судите сами: на пороге слышимости
общее давление на барабанную перепонку не превышает 0,2 микрограмма
(0,000 0002 г); амплитуда
ее
колебаний измеряется
миллионными долями
сантиметра.
15. Закон Вебера-Фехнера: ощущение громкости пропорционально лога¬
рифму силы звука. Наше ухо улавливает звуки, столь сильно отличающиеся
по мощности,
благодаря некоторой системе автоматической регулировки
по
мере того как сила звука нарастает, чувствительность
Иными
словами, улавливая слабые звуки, наш слух в
слуха уменьшается.
состоянии
почувствовать разницу звуковой мощности на какие-то трили-
чувствительности:
онные доли ватта, а
чие в
очень
улавливая
громкие звуки, ухо
замечает
громкости,
речь идет не о ваттах вообще,
Экспериментальные
а о силе
звука,
о ваттах на
разли¬
(во
случаях
квадратный метр).
если она изменилась на несколько ватт
всех
исследования показали, что зависимость ощущения
громкости от силы звука подчиняется
Напомним,
логарифмическому закону.
логарифм (десятичный) какого-либо числа это есть показа¬
-
тель степени, в
Сокращенно
то как
раз
=
6; lg 2
забравшаяся
результат.
100
=
=
0,3
если возвести
так же
Логарифм,
и т. д.
если
то само число
2; lg 10 000
=
4).
увеличить
увеличится
Можно
сказать
10
нетрудно
квадрат (в
логарифм
этом и
степень
2),
другие записи:
попросту говоря, циф¬
огромной
100 раз,
в
об
в
понять и
то есть,
на место показателя степени, с
Так, например,
2 до 4,
жем с
(lg
получится 100. Точно
и
1000 000
ра,
=
100 равен 2. Действительно,
числа
lg
10, чтобы получить данное число.
например, так: lg 100 2, то есть логарифм
возвести
которую нужно
это записывается,
силой влияет на
всего в два
а именно со
раза,
ска¬
100 до 10000
словами:
другими
резкое
сравнительно небольшому из¬
менению его
логарифма. И опять тот же пример, но уже прочитанный в
обратном направлении: если увеличить какое-либо число в 100 раз, то его
логарифм увеличится всего в два раза (10 000 больше, чем 100, в 100 раз, а
изменение
какого-либо
числа
приводит
lg 10 000 больше, чем lg 100, всего в 2 раза).
го числа, к
стью.
которому он
Именно
к
Зависимость логарифма
относится, называется
на нее и похожа зависимость
от само¬
логарифмической зависимо¬
ощущения громкости
от силы
форме (рис. 7.4; 2),
существу:
звука приводит к сравнительно небольшому изменению ощущения
громкости. Эта зависимость, характерная, кстати, не только для слуха, но
и для
других «приемников» живой природы4, получила название закона
Вебера-Фехнера, по имени открывших ее ученых, математика и физиолога.
звука,
похожа и по
и по
силы
4
Например, для восприятия глазом
освещенности поля зрения.
сильное изменение
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
166
В нашей
практической
деятельности наступит такой момент, когда мы
неотвратимо должны будем вспомнить закон Вебера-Фехнера, чтобы пра¬
вильно
выбрать важный элемент в одной из распространенных электрон¬
ных
схем.
А
многие
музыканты каждодневно собственными мускулами
чувствуют справедливость
очень легко
хих
уже
звуков,
этого закона.
Например,
скрипачи
увеличивают громкость звучания инструмента
а вот повышение
значительных
усилий,
громкости
большой
в
в
и пианисты
области
области громких звуков
физической работы,
в самом
ти¬
требует
прямом
смысле этих слов.
16.
Бинауральный эффект
позволяет
определить распределение
звука пространстве. Для чего человеку два уха? Для резер¬
ва? Возможно... Однако же в сложной системе нашего слуха оба уха ра¬
ботают одновременно, и именно поэтому мы можем определить место¬
источников
в
нахождение источника
звука.
Правильнее
было бы
сказать «вычислить»,
хотя, конечно, сознательно никаких вычислений мы не
что
нужно,
зультат.
производим, все,
автоматически подсчитывает мозг и выдает нам готовый
ре¬
ощущения, что гитарист в оркестре сидит сле¬
справа. Или что автомобиль приближается к нам сзади
Например,
ва, а пианист
-
в виде
(рис. 7.5).
Рис. 7.5. Бинауральный эффект
Информация, необходимая
для таких вычислений, появляется именно
потому, что мы слушаем одновременно двумя ушами. На низших звуко¬
вых частотах регистрируется разность
с которой звуковая волна при¬
фаз,
правому и левому уху, на высших частотах время запаздывания
звука. Если, например, источник звука находится справа от нас, то к лево¬
му уху звуковая волна придет на несколько десятитысячных долей секун¬
ходит
к
-
ды позже, чем к правому. Так способность определять местонахождение
источника звука получила название
слушания двумя ушами.
бинауральный эффект, то есть эффект
ГЛАВА 7. Сырье
17.
и
продукция электроники
Органы слуха развивались
средство сбора информации,
а затем
связи людей. Из каждого уха по слуховому
особые
электрохимические сигналы, нервные
поступают
каким-то
которых
образом записана информация об услы¬
для
стали основой
нерву
как
167
в
звуковой
мозг
импульсы, в
шанном
звуке,
многих тысяч
в частности о его силе и
нервных волокон,
спектре.
Слуховой
нерв
состоит из
имеется несколько
в нем самом
«узлов
уже
связи», где происходит предварительная обработка нервных импульсов.
Однако основная их обработка и расшифровка осуществляются в специ¬
альных
участках коры
обоих больших
Очень
щие
головного мозга,
в височных частях
расположенных
полушарий.
немного известно о том, как именно мозг
в частности те, что
в него
анализирует поступаю¬
приходят по слуховому
нервные импульсы,
нерву. Можно лишь сказать, что обработку нервных импульсов произво¬
дят сложные клеточные и молекулярные машины, которые работают по
сложным и
совершенным программам. Их совершенством, поразитель¬
ным и пока непостижимым,
объясняется то,
голос человека,
что мы по
неуловимым зву¬
не слышали много лет.
ковым оттенкам
узнаем
Или распознаем
слова независимо от того, каким голосом, в каком темпе,
с какой
громкостью
и даже с каким акцентом они
Органы слуха
у
информации. Специалисты говорят,
появились
недавно,
всего
сто-двести
в
исключительно
приносят
что
стали
животных.
ценную
В
других
это
произошло
миллионов лет назад,
сухопутных
произнесены.
животных позже всех
представители подводного мира
превращаясь
которого
выбираться
земных
информацию
берег,
смелые
постепенно
условиях звуковые
-
сбора
сравнительно
наиболее
когда
на
систем
волны
журчание ручья, рыча¬
приближающегося хищника, различные шорохи.
Развились органы слуха из боковой линии рыб, своеобразного органа
ние
давления,
нам
целой цепочки органов, вытянувшихся
точнее
рыбьего
тела от головы до хвоста.
Боковая
рыбам
рыб и даже
ные изменения давления, помогает
чувствовать
У
рыб
приближение
в основном
просто
6eiyr
земноводные
сигналы.
в темноте
по
обеим сторо¬
реагирует
на медлен¬
огибать препятствия,
слышать
наблюдаются простейшие реакции
на
некоторые звуки.
звук: обычно они
звука. Более поздние творения эволюции
умеют уже выделять наиболее важные для них звуковые
от
-
других
линия
-
источника
Еще лучше развит слух у
птиц. И наконец, у млекопитающих, к
классу которых относимся и мы с вами, прием звуковых сигналов и особен¬
но их
обработка достигают высочайшего
из главных средств
совершенства, становятся одним
добывания информации об окружающем мире.
уже недавно, может быть, миллион лет назад, а может
Наконец, совсем
быть, и того меньше, произошли события исключительной
вершенный орган слуха
стал основой для появления и
речи. Появились принципиально
новые возможности
важности: со¬
развития устной
общения людей,
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
168
возможности человеческого
взаимодействия. И главное,
связи, появление звуковых сигналов
из наших систем
ступень одну
мышление.
Человек
щей
со скал воды
льва
-
короткое
Можно
слов подняло на
развитие
короткими,
предметов:
вместо
человеческое
-
экономными описаниями
подробной
картины падаю¬
слово «водопад», вместо детального
-
короткое
звуковой
совершенно новую
переработки информации
стал мыслить
самых сложных явлений и
-
портрета
слово «лев».
смело сказать, что человек стал человеком в значительной
мере
благодаря именно этому умению передавать свои мысли словами, которое
появилось
18.
а
у
наших далеких
предков
Природные информационные
научившись мыслить,
ственные
помогло
темной,
путь
для себя искус¬
великаном? Что
от вечно голодного
обитателя
городов и сел? От
могущества науки, до антибио¬
благоустроенных
дикости, страха
суеверия до
тиков, операций на сердце, полетов
нынешнего
и
образования?
Среди многих
придумывать
системы. Как человек стал
до жителя
связи.
системы стали основой мышления,
этот гигантский
сырой пещеры
развитием звуковой
человек стал
информационные
ему пройти
с
Венеру,
на
всеобщего среднего
до
важных и важнейших слагаемых человеческого
са едва ли не самое важное
-
прогрес¬
В процессе труда, в процессе
собственные природные инфор¬
информация.
общения людей совершенствовались
их
мационные системы. А потом человек научился помогать этим творениям
систе¬
природы, научился сам создавать искусственные
информационные
приборы, приспособления,
мы, машины,
свою
силу
силу
К числу первых искусственных
но, наверное,
ние
отнести
человеческой
письмо
ний,
увеличивая
тем самым
главную
мышления.
-
памяти.
буквенное,
информационных приспособлений нуж¬
древнейшее наскальные рисунки, первое продолже¬
От них
пошло
иероглифическое письмо, а затем
изобрете¬
слоговое, это величайшее из человеческих
позволившее в итоге создавать
хранилища неограниченных объемов
информации.
Появлялись
устройства, помогающие человеку перерабатывать инфор¬
мацию. Типичный представитель таких устройств
электронный каль¬
-
он
кулятор,
умеет
выполнять
арифметические
-
операции
складывать,
вычитать, умножать и делить, то есть умеет делать то, что, казалось
бы,
относится к монополии нашего мозга.
В
числе
бессчетного
многообразия явлений, с которыми встречается че¬
лавинообразные процессы. Их главная особен¬
ловек, есть так называемые
ность в том, что,
развиваясь,
себя ускоряют. Типичный
ления урана.
его.
При
эти
процессы
лавинообразный
Свободный нейтрон,
этом из
ядра
сами
попав в
выбрасываются
три
себя поддерживают,
-
процесс
ядро
новых
сами
цепная реакция де¬
атома
урана, разрушает
свободных нейтрона,
ко¬
ГЛАВА 7.
169
Сырье и продукция электроники
торые могут разрушить
еще три соседних ядра.
Каждое
из них
выбросит
свои
три нейтрона и т. д.
Число распавшихся атомных ядер будет лавинообразно нарастать: в
уране пойдет цепная реакция деления, лавинообразный процесс.
К числу лавинообразных процессов наверняка следует отнести и чело¬
веческий
прогресс
вает свое
информации. Совершенствуя методы
информационные системы, человек увеличи¬
в использовании
мышления и создавая новые
информационное
могущество,
дальнейшему прогрессу в части
ционных систем.
тика.
а это, в свою
создания и
совершенствования
Рождением
к
информа¬
матема¬
один лишь только пример
по
было
появление
математики,
сути дела,
некоторых
Для иллюстрации
-
новых приемов мышления, новых приемов
Лавинообразно
очередь, приводит
развиваясь
и
множества новых мощных и
переработки информации.
совершенствуясь,
разнообразных
они
привели
к появлению
математических методов и в
решить большое число научных и технических задач, ко¬
без
математики
торые
решить было бы просто невозможно.
Исключительно важную роль в лавинообразном прогрессе нашего ин¬
формационного могущества сыграла цепочка событий, которые привели
к
рождению современной радиоэлектроники.
итоге позволили
19. Основная
профессия радиоэлектроники сбор, передача, переработ¬
ка и хранение информации. Если внимательно
присмотреться к окружаю¬
и
нас
щим
электронным приборам
аппаратам, то можно легко увидеть,
что все они выполняют в
помогают че¬
принципе одну и ту же работу
его
способности
в части
ловеку, усиливают
природные
сбора, передачи,
хранения и переработки информации.
Что делает радиолокатор? Он позволяет капитану в густом тумане ви¬
деть встречные корабли и очертания берегов, позволяет видеть невиди¬
мое. А что делает мобильный
телефон? Он дает нам возможность пере¬
говариваться на таких расстояниях, которые никак не смогла бы пройти
звуковая волна. Компьютер? Он считает, сравнивает, сопоставляет новую
информацию со старой, хранящейся в его памяти, выполняет логические
рассуждения, хранит тексты, изображения и звук, помогает нашему мозгу
-
-
и памяти.
Одним
словом, основное сырье, которое поступает в электронные при¬
боры
и
ют,
это не что иное, как
-
аппараты,
Менее,
так же как и основная
продукция, которую
они
выпуска¬
информация.
существования электроника научилась де¬
разных дел, освоила много профессий. Без элект¬
роники сегодня немыслима ни одна отрасль человеческой деятельности:
медицина, космонавтика, геофизика, авиация, биотехнологии, промыш¬
чем за сто лет своего
лать множество самых
ленность, сельское хозяйство... И во всех этих областях электронные при¬
боры доведены до очень высокого совершенства. Они измеряют микро¬
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
170
скопические перемещения, вплоть до миллиардных долей
миллиардной
изображение
прямо с поверхности планет,
поддерживают ритм сокращения сердечной мышцы, находят в земле по¬
доли миллиметра, передают
ведут самолеты на посадку при нуле¬
вой видимости, регистрируют нервные импульсы, возникающие в одиноч¬
лезные ископаемые, автоматически
ной живой клетке.
Основная особенность всех электронных
тельной мере определившая
популярность,
их
удивительные
состоит в том, что
любая
борах аппаратах
электрических
информацией: ее передача, переработка,
в виде
и
ние из памяти
операциям
с
-
в итоге сводятся к
электрическими
приборов и аппаратов, в значи¬
возможности и
информация
сигналов.
И
главные
при¬
операции
с
записывание в память, извлече¬
некоторым прекрасно
сигналами.
огромную
живет в этих
отработанным
ГЛАВА 8
В переводе
электрический
на
1.
Электрический телеграф: буквы
Одно
циями импульсов
ний марафонский бег: состязание
тока.
-
необычная дистанция,
легендой
о
беге
который
спортивных соревнова¬
42 км 195 м. Столь
на дистанцию
как и само название
греческом воине,
пробежал
в
комбина¬
цифры представлены
и
из самых сложных
«марафонский бег»,
связана с
почти две с половиной тысячи лет
Марафон в Афины с
вестью о победе полководца Мильтиада над
персами. Напрягая последние
силы, добежал гонец до окраины Афин, сообщил радостную весть и упал
назад
именно такое
расстояние
из селения
бездыханным.
Еще
каких-нибудь двести лет назад,
ходы, всадники,
мчавшиеся на
были
переносчиками
главными
Иногда проходило
во времена
Пушкина,
взмыленных лошадях,
тройки
большие расстояния.
сообщение о событиях в Пе¬
информации
несколько месяцев, пока
гонцы-скоро¬
почтовые
на
тербурге добиралось до отдаленных районов Сибири или Дальнего Вос¬
тока. Лучшие столичные газеты
публиковали свежие зарубежные новости
недельной давности.
Уже во второй половине XX
града, через
час могла
века
телеграмма, отправленная
быть вручена адресату
во
из
Ленин¬
Владивостоке. Редакторы
любую минуту могли связаться со своими корреспон¬
Париже, Тамбове или Лос-Анджелесе. Сидя у своих телевизо¬
московских газет в
дентами
ров,
в
миллионы
людей видели
и слышали в
прямой трансляции
то, что в
данный момент происходит за тысячи километров от их дома.
Все это стало возможно потому, что
научились
информацию
вать с помощью самого
сигналов.
лампочку
мире гонца
-
имели в своем
и достаточное количество
провода,
переда¬
электрических
распоряжении батарейку,
с помощью
то они могли
бы построить
электросвязи между Афинами
Марафоном, в виде
растянутого
километров карманного фонарика.
простейшую
этакого
быстрого
Если бы древние греки
в
линию
и
почти на пятьдесят
Лампочку нужно было бы установить в Афинах, а выключатель в Марафоне
(рис. 8.1; 1) и договориться об условном коде, например о таком: один сигнал,
-
одна вспышка лампочки, означает
«победа»,
две вспышки
-
«поражение».
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
172
Рис. 8.1. Телеграф
Правда,
почкой
закон
Ома напоминает,
что создать линию
электросвязи
с лам¬
просто. Для нормального свечения лампочки
большой
ток, а сопротивление многокилометровых
нужен сравнительно
и
из-за
на самой соединительной линии
этого
будет те¬
проводов велико,
ряться большое напряжение. Если даже применить сравнительно толстые
на конце не так-то
провода, скажем сечением 1 мм2 (как для сетевой проводки), то и
случае общее сопротивление двухпроводной линии протяженно¬
около 40 км
будет около 2 кОм. Даже при очень слабенькой лампочке
медные
в этом
стью
для
карманного
батарея
фонарика, которой
с
напряжением
создать этот небольшой
1
Конечно,
ток
расстояниях
ток всего
в цепи с
=
60
60 мА, понадобится
сопротивлением 2 кОм
мА)1.
современных суперъярких светодиодов, которым для свечения достаточно
миллиампера, решило бы данную проблему, но не принципиально: а как быть при
использование
тока в доли
нужен
120 В, чтобы
(120 В / 2 кОм
около
в сотни и тысячи
километров?
ГЛАВА 8. В переводе на электрический
Но оставим пока
к
существу дела
рических
-
подробности и вернемся
информации с помощью элект¬
стороне электротехнические
принципам передачи
сигналов.
Хотя настоящий
телеграф и
линию
похож на
нашу
конце,
однако
приемном
устроен и
почкой на
му.
в
к
173
Во-первых, сообщения
событию
и не
передаются
электросвязи
работает
с помощью
условного кода,
каждой букве
а
с лам¬
он совсем по-инов кото¬
алфавита, цифре
ром
не
или
знаку препинания соответствует определенная комбинация электри¬
отдельному слову,
Существуют два основных телеграфных кода код Мор¬
зе (иногда
говорят азбука Морзе), в котором используются комбинации
«точек» и
«тире», то есть коротких и длинных импульсов тока (рис. 8.1; 2),
ческих сигналов.
-
-
и код
Бодо (Международный телеграфный
пульсы одинаковы,
а
нациями импульсов
шифр
той
и
(рис. 8.1; 6).
пауз
или
иной
CCITT-2), в котором все им¬
буквы отличается только комби¬
код
аппаратура, работающая по коду Морзе, запи¬
принятые сообщения в виде точек и тире. Аппаратура, работаю¬
Приемная телеграфная
сывает
щая по коду
всем слово
тайп
-
Бодо (телетайп), сразу
телеграф
«печатает на
можно
печатает
перевести
буквенный
как «пишет на
Знакомое
текст.
расстоянии»,
а теле¬
расстоянии».
2. Замечательные достоинства электрического сигнала: высокая ско¬
рость и широкие возможности обработки. Мировой рекорд в марафон¬
ском
беге чуть
фонскую
как и
меньше 2 ч
дистанцию за
скорость света,
гантской
~
18
0,00015
мин.
с
Электрический
гонец проходит мара¬
-
скорость электрического
сигнала такая же,
300 000 км/с. Не нужно, однако, думать,
скоростью движутся электроны
в
что с такой ги¬
электрической цепи,
-
движение
свободных зарядов происходит довольно медленно,
за секунду они проходят
какие-то миллиметры. Со скоростью света вдоль проводов движется элект¬
рическое поле, оно-то и заставляет двигаться заряды сразу по всей цепи. Это
несколько напоминает картину трогания с места длинного железнодорож¬
ного состава. Первый рывок электровоза довольно быстро достигает послед¬
него вагона
(подобно электрическому полю)
с места, хотя
сдвинуться
рости свободных
Другое
скорость
и заставляет
сразу
вагонов вначале очень мала
все вагоны
(подобно
ско¬
электронов).
важное достоинство
электрического
сигнала
-
его, если можно
так сказать, исключительная пластичность, податливость самым разным
видам
обработки. Делитель или шунт может уменьшить напряжение
трансформатор может их увеличить. Направив два тока в общий
или ток,
получить суммарный ток, сложить сигналы; изменив на¬
из токов, вы получите разностный сигнал. С помощью
одного
правление
провод,
можно
фильтров можно разделять сигналы
разных
частот или отделять постоян¬
переменных. И это лишь небольшая
производят с электрическими сигналами.
ные токи от
часть
операций, которые
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
174
И еще одно достоинство
-
самые
разные
физические,
биологические и иные показатели легко перевести на
отобразить
термопара
в виде
-
электрических
два определенным
3.7
электрический язык,
8.2). Так, например,
(рис.
образом подобранных
сигналов
химические,
и
металлических
проводника (медь висмут, железо константан, медь константан) при
нагревании создает ЭДС, и она тем больше, чем сильнее нагрета термопа¬
ра. Поэтому любые изменения температуры с помощью термопары ото¬
-
бражаются
в
-
электрическом
Рис. 8.2.
-
-
сигнале.
Датчики различных
величин
ЭДС в термопаре объясняется тем, что при нагревании энер¬
свободных электронов в одном из металлов повышается сильнее, чем
втором, электроны переходят из одного металла в другой, и один из
Появление
гия
во
заряженным положительно, второй отрицательно. Дру¬
гой датчик температуры
терморезистор. Его сопротивление меняется с
них оказывается
-
-
сильнее, чем у рядовых проводников, и поэтому ток в цепи
достаточно хорошо повторяет все изменения температуры терморезисто¬
фото¬
ра, включенного в эту цепь. Подобным же образом датчики света
температурой
-
элемент и фоторезистор
переводят на электрический язык информацию
об освещенности. Фотоэлемент это генератор, в нем под действием света
происходит обычная электризация электродов: попадая на один из них,
-
-
порции световой энергии просто вырывают электроны
мов,
батарей. В настоящее время в
фотоэлементы практически не используются; их
место заняли полупроводниковые фотодиоды и фототранзисторы. Фоторезисторы
почти не изменились с тех времен (за исключением материала светочувствитель¬
ного слоя) и применяются в качестве датчиков освещенности и поныне, особенно в
тех приложениях, где требуется линейная зависимость тока от освещенности.
которых затем развилось производство
солнечных
качестве датчиков освещенности
А
вот еще один тип датчика
талл,
то на его
явятся
пьезокристалл. Если
сложных
результате
избыточные электрические заряды,
больше,
ние,
гранях
в
-
сжать такой
крис¬
внутренних процессов
появится
ЭДС.
Она
будет
по¬
тем
чем сильнее сжат
то изменится и
электрический
кристалл, если заменить сжатие на растягива¬
полярность ЭДС. Такой пьезокристалл переводит на
язык самые сложные движения,
перемещения,
если они
как-то
передаются кристаллу.
С одной разновидностью датчиков движения
несколько более
подробно.
Это
мы
сейчас познакомимся
микрофоны собиратели информации об
-
звукового давления, переводчики звуковых
изменениях
сигналов на элект¬
рический язык.
3.
создает электрическую копию звукового сигнала. Самый
распространенный способ перевода звука на элект¬
Микрофон
простой
рический
самый
и
язык
-
это создание точной
нала, создание такого
электрической
тока или такого
переменного
жения, которые следовали бы за всеми
копии
звукового
сиг¬
переменного напря¬
звукового давления
изменениями
(рис. 8.3). Такое преобразование как раз и осуществляет микрофон.
Существует несколько разных типов микрофонов, все они решают одну
ту же задачу, но используют при этом разные физические процессы.
Основа угольного микрофона (рис. 8.3;1)
мелкий угольный порошок.
и
-
Под действием звуковых волн частички порошка то сближаются, то, на¬
оборот, несколько отходят друг от друга. При этом меняется сопротивле¬
ние
порошка
угольного
элемент,
микрофона
который
явившегося под
прекрасно
которую включен микрофон. Для включения
могут понадобиться источник постоянного тока и
и ток в цепи, в
сможет отделить постоянный ток от
действием звуковых колебаний. Роль
выполняет
трансформатор (постоянная
не создает напряжения во
если
нужно,
переменного,
такого
по¬
разделителя
составляющая просто
вторичной обмотке), который одновременно,
может повысить
переменное напряжение.
В пьезоэлектрическом микрофоне под действием звуковых волн несколь¬
деформируется пьезокристалл и создает при этом электрическую ко¬
пию
звука (рис. 8.3; 2). В динамическом микрофоне напряжение наводится
ко
на
легкой подвижной катушке, которую звуковые
нитном поле
ки
(рис. 8.3; 3,
гл.
5; 10). В
ленточном
одиночный проводник, тончайшая
волны двигают в маг¬
микрофоне
вместо
алюминиевая ленточка
катуш¬
(рис. 8.3; 4).
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
176
Основа электромагнитного
(индукционного) микрофона магнитная цепь
из стали, в
имеется небольшой
которой
воздушный зазор (рис. 8.3; 5). Под
волн
стальная
действием звуковых
мембрана колеблется, воздушный зазор
меняется,
цепи,
вместе с ним меняется магнитное
а значит, и
зывает витки
общий
магнитный поток
неподвижной катушки,
в ней наводится
ном
-
и
при
сопротивление всей магнитной
(гл. 5; 8,10).
Этот
поток
прони¬
изменении магнитного потока
создается электрическая копия звука. В конденсатор¬
одна из обкладок подвижна, и под действием звуковых
ЭДС,
микрофоне
волн она колеблется.
При
этом и емкость
конденсатора несколько меня¬
ется, повторяя
звукового давления. Конденсатор включен в
цепь постоянного тока, и при изменении емкости происходит заряд или
разряд конденсатора: если пластины сближаются и емкость растет, то к
пластинам
движутся дополнительные заряды; если пластины удаляются,
то некоторое количество зарядов уходит с них.
все изменения
на заре существо¬
вания электроники в простых устройствах, не требовательных к качеству звука
(например, в телефонных аппаратах), и давно уже не используются. Современные
ГЛАВА 8. В переводе на электрический
микрофоны
-
177
обычно либо динамические, либо конденсаторные
ют более высокие характеристики, но дороже и обязательно
(последние име¬
требуют отдельно¬
питания). Для специальных целей (в ультразвуковых датчиках, сейсмографах
п.) применяются также микрофоны оптоэлектрического типа (на основе лазе¬
ра, по принципу, аналогичному работе компьютерной мыши). Иногда встречают¬
ся пьезоэлектрические микрофоны
такие устройства, подобно динамическим
головкам, являются обратимыми и могут как воспринимать, так и излучать звук
(см. гл. 8; 4).
го
и т.
-
О
достоинствах или недостатках того или иного
микрофона
рассказы¬
она
характеристики. Такие, например, как чувствительность
показывает, какое напряжение появляется на выходе микрофона при из¬
менении
звукового давления на 1 Н/м2. В корпусе некоторых микрофонов
вают его
-
находится дополнительное
усилитель),
лекса в целом
Еще
ности
оборудование (трансформатор, микрофонный
случае чувствительность указывают для
и в этом
трансформатор).
микрофона диаграмма
направлен¬
В некоторых случаях, например когда
микрофон
(например, микрофон
одна важная характеристика
(рис. 8.3; 6, 7).
всего комп¬
+
-
«реакцию публики», он должен
со
всех
одинаково хорошо принимать звуки
сторон, то есть здесь нужен
ненаправленный микрофон. А бывает, что нужно передать только голос
певца или оратора, и тогда лучше будет работать однонаправленный
микрофон, он, по крайней мере, не будет собирать лишние шумы, кото¬
рые приходят к нему с разных сторон.
Другие важные характеристики микрофона удобнее будет представить
после того, как мы познакомимся с громкоговорителями.
установлен
4.
в
зрительном
Громкоговоритель
Многие
мыми
-
типы
они
зале и
собирает
создает звуковую
электрических генераторов
могут
работать
сигнала.
являются машинами
обрати¬
двигателями, если подать на них напряжение
(см. далее рис. 8.6; 1,2). Точно так же
изводить
электрического
копию
обратное преобразование
многие типы
микрофонов могут про¬
-
создавать звуковые волны, используя
энергию электрического сигнала. Если к определенным граням пьезокри¬
сталла подвести напряжение, то в результате все того же
пьезоэффекта
произойдет некоторая деформация кристалла. А если подвести к нему пе¬
ременное напряжение, то деформация будет идти непрерывно, кристалл
будет двигаться и излучать звуковые волны.
Будет двигаться и создавать звук также мембрана электромагнитного
(индукционного) микрофона, если по его катушке пропустить низкочас¬
тотный
переменный
ток.
При
изменении тока меняется магнитный поток
катушки, и мембрана то сильнее, то слабее притягивается к сердечнику
электромагнита, совершает колебания (рис. 8.3; 5). Точно так же двигается
в поле магнита
она сама, по сути,
катушка динамического микрофона
Магнитное
поле катушки, а значит, и
собой
представляет
электромагнит.
-
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
178
сила ее взаимодействия
с внешним постоянным магнитным полем меняе¬
изменении тока в
тся
при
электродинамическая
движение)
значит
заставляя
цепи,
(«электро»
система
постоянный магнит
динамического громкоговорителя
преобразователя
электрических
-
катушку двигаться. Именно
это ясно, что такое, «динамо»
-
-
подвижная катушка есть основа
(динамика),
сигналов в
самого
звук
распространенного
(рис. 8.3; 4).
Телефонная связь: микрофон создает электрическую копию звука,
а на другом конце линии громкоговоритель превращает электрический
сигнал в
звуковой. Микрофон создает электрическую копию звука. Гром¬
микрофон
коговоритель создает звуковую копию тока. Оба они вместе
и
позволяют построить линию телефонной связи, в
громкоговоритель
которой происходит преобразование звук ток звук, и информация со
5.
-
-
-
света
скоростью
переносится
по
проводам
на
-
огромные расстояния, прак¬
Телефон имеет много общего с теле¬
графом (гл. 8; 1). И здесь, и там есть передающее устройство микрофон и
телеграфный ключ. Есть приемники информации мигающая лампочка
(самопишущий аппарат) или громкоговоритель. И здесь, и там информа¬
тически
недоступные звуковой
волне.
-
-
ция путешествует по проводам в виде электрического сигнала. Но только в
телеграфе мы нагружаем электрический сигнал информацией с помощью
условного кода, придуманного Самюэлем Морзе или Эмилем Бодо, а в
телефоне используем код, придуманный самой природой.
Что такое звуковые волны, которые мы выбрасываем в пространство,
когда произносим
изменения
вая
те или иные
которых
как
раз
слова? Это звуковые сигналы,
и записана,
закодирована
информация (гл. 7; 12). Телеграфисты
в
характере
та или иная смысло¬
должны знать код, с помощью
сообщения, а вот телефонисты и знать не знают,
способом, в каких именно изменениях звука скрывается
которого они передают
каким
именно
«люблю»,
а в каких
«ненавижу». У
телефонистов
лишь одна задача
-
ко¬
создавать меняющийся ток, точную копию звука,
пировать,
а в громкоговорителе создавать звук, точную копию тока. И если произ¬
водить копирование точно, не изменяя, не искажая спектр звукового или
в
микрофоне
электрического сигнала, то этот сигнал в итоге создаст точно такой же звук,
какой на передающей стороне попал в
8.4; 1). И что чело¬
микрофон (рис.
веческий голос
Несколько
зашифровал в
слов о том, как
этом
звуке,
работает
то и
получит
человеческое
-
«первоисточник»
как
ухо.
рождают¬
звучащие слова. Все начинается с голосовых связок, они находятся в
глубине гортани, на пути постоянного воздушного потока, идущего из
легких. Подобно двустворчатой двери, связки расходятся при дыхании,
ся
а для
образования
потоке
ка.
-
их
размеры
Так, у детей
и голос
звука
смыкаются и начинают
колебаться
в
воздушном
и натяжение
и женщин связки
определяют частоту родившегося зву¬
короче (18-20 мм; у мужчин 20-24 мм)
более высокий. Но рождение звука
-
связками
-
это лишь полдела.
ГЛАВА 8. В
Дальше
в
переводе
на
действие вступают
язык,
волокнам
ки, по
179
электрический
небо, зубы, губы. Они,
как и сами связ¬
сигналы
нервным
получают
управления, перемещаются
мышцами и, воздействуя на спектр начального звука, формируют произ¬
носимое слово.
Рис. 8.4. Телефонная
Формально телефон
ему некоторое
иметь
не относится к
связь
электронике,
но мы все же
Хотя бы потому, что каждый человек
своем
верном помощнике телефоне.
внимание.
представление
о
Примечание редактора.
уделим
должен
-
В
этом разделе автор достаточно
подробно рассказывает
об устройстве
с
и
классической телефонной связи, такой, какой она была примерно
1920-х по 1990-е годы. Современная телефонная связь, как стационарная, так
мобильная, разумеется, базируется на принципиально другой элементной базе:
большую часть работы по коммутации и передаче звука выполняют компьютеры;
сама по себе передача выполняется в цифровом виде по цифровым каналам (тем
же, что лежат в основе
интернета), причем чаще всего звук преобразуется в циф¬
ровую форму обратно непосредственно в телефонном аппарате (для мобиль¬
ной связи это непременное условие). Переход на цифровые технологии позволил
резко повысить качество телефонной связи, сделать ее качество независимым от
и
расстояния. Однако сам принцип автоматического коммутируемого соединения в
соответствии с цифровым номером, о котором рассказывает автор далее, пока не
изменился
-
он одинаков для всех
зически выполняется теперь иначе.
разновидностей телефонной
Дело,
связи, только
фи¬
однако, идет к тому, что и этот принцип
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
180
в недалеком времени уйдет в прошлое окончательно: столь популярные ныне интернет-мессенджеры устроены принципиально иначе, причем имеют много больше
возможностей, чем обычная голосовая телефонная связь.
рис. 8.4; 2. Одно из
абонентов
соединяют четыре
упрощений
рисунке
а в действительности
обойтись
провода,
удается
двумя проводами. В те¬
лефонных аппаратах имеется устройство, благодаря которому свой собст¬
венный сигнал резко ослабляется и не заглушает голос далекого абонен¬
та.
Поэтому-то свой собственный микрофон и можно подключать к тому
же
проводу, по которому к тебе издалека приходит сравнительно слабый
Линия
телефонной
связи
упрощенно
показана на
состоит в том, что на
«чужой»
сигнал.
Кроме
того, в современных системах
правило, находится
источник постоянного тока, как
телефонной связи
телефонном ап¬
не в
станции, и постоянное напряжение подается к
абонентам по тем же проводам, по которым идут электрические сигналы
парате,
а на
центральной
(рис. 8.4; 3).
На центральной станции находится и коммутатор, он позволяет любо¬
му абоненту большой телефонной сети соединиться с любым другим або¬
нентом (рис. 8.4; 4). Когда-то на станциях стояли ручные коммутаторы
абонент просил телефонистку: «Соедините меня, пожалуйста, с таким-то
-
номером...»,
и
вручную производила необходимые для этого переклю¬
Сейчас соединения абонентов производятся автоматически,
и она
чения линий.
телефонные станции поэтому называют автоматическими, АТС.
Рисунок 85; 1 поясняет, как работает один из самых первых типов
матических коммутаторов
С
-
авто¬
декадный (на десять абонентов) шаговый
ис¬
нему поступает цифра, закодированная
электрических импульсов от одного до десяти. Каждый та¬
кой импульс быстро втягивает сердечник электромагнита, заставляет по¬
движный контакт искателя сдвинуться на один шаг вперед. Сразу же после
этого пружина возвращает сердечник в исходное положение, а подвиж¬
ный контакт остается на месте в ожидании
следующего импульса. (По¬
движный контакт вернется в начальное положение только по окончании
разговора, после того как в линию пойдет сигнал «отбой».) Подвижный
катель.
телефонного аппарата
к
количеством
-
придет к
заданному числу импульсов осуществит
контакт искателя сделает столько шагов, сколько
а значит, он по
импульсов
тока
электромагниту,
соединение с нужным абонентом.
В больших городах
сотни тысяч, миллионы
абонентов,
и, конечно, даже
и думать нельзя о шаговых искателях с таким гигантским количеством не¬
подвижных контактов (не говоря уже о том, что невозможно было бы по¬
электрических импульсов). Поэтому
принцип соединения по разрядам, напомина¬
сылать «заказ» из нескольких тысяч
используется
ступенчатый
ющий нашу систему десятичного счета,
другому
(рис. 8.5; 2). Первая цифра,
разряда
к
первая серия импульсов приводит
в
с
переходом
от одного
ГЛАВА 8. В переводе на электрический
181
шаговый искатель, первую декаду этой многоступенча¬
той системы. Этот искатель выбирает один из десяти искателей следую¬
действие
первый
щей «ступени», тот
выбирает один искатель из следующего десятка
-
и так
последнему искателю, который
пор,
раз и производит окончательное соединение с нужным абонентом.
Сигналом для перехода к следующему разряду, для отключения электро¬
пока линия не подключается к
до тех
как
магнита
работавшего декадного счетчика и включения электромагнита де¬
кадного счетчика следующего разряда служит сравнительно длинная пау¬
за между набором соседних цифр (длинная в сравнении с паузами между
импульсами одной
цифры)2.
Рис. 8.5. Автоматическая коммутация
Во
многих
большим
городах
имеется несколько
АТС,
связанных
друг
с
другом
Первые цифры номера, первые
АТС того района, где находится вызывае¬
числом соединительных линий.
серии импульсов выводят
мый абонент
лучило
традиционной телефонии
в
вас на
(рис. 8.5; 3). В последнее время широкое распространение по¬
и автоматическое соединение с
другими городами. В
этом
случае
набираемые цифры код города выводят на линию междугород¬
ной связи, по которой вы соединяетесь прямо с АТС вызываемого города,
а затем
уже приводите в действие именно ее коммутаторы, набирая номер
-
-
первые
своего далекого
На рис. 8.5; 5
абонента.
телефонного аппарата.
диска
номеронабиратель при вращении
разрывает контакты, и в ли¬
и
нию
как
раз приводят в движение шаговые
идут импульсы тока, которые
искатели на АТС. Когда на
телефонном аппарате лежит трубка, то к соеди¬
очень
упрощенно
показана схема
Его
нительной линии подключена его вызывная цепь,
ческий
2
звонок
-
именно на него
поступает
с
проще говоря, электри¬
центральной
станции сигнал
Согласно ГОСТ 23595-79, частота импульсов замыкания-размыкания линии при наборе
мера должна лежать в пределах 8-14,5 Гц; пауза до следующей цифры не менее 0,2 с.
-
цифры но¬
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
182
А
вызова.
после того как
к линии присоединяется
трубка снята, звонок автоматически отключается,
микрофон и телефон (громкоговоритель), и мож¬
но вести
разговор.
Рассказывая о телефонной связи, мы допустили некоторую термино¬
логическую неточность, назвав
прибор, превращающий
коговорителем. В действительности
ток в
звук, гром¬
же его так называть не следовало
бы,
создает сравнительно слабый
и
бы
название
здесь
подошло
звук,
скорее
«тихоговоритель» или, в край¬
так как,
нем
вать
случае,
телефоне
в
во-первых,
без оценок
название
громкоговорителем еще
и
прибор
этот
-
«говоритель».
потому,
что
у
Прибор этот нельзя назы¬
него есть
капсюль, или головной
узаконенное
назва¬
телефонный
телефон,
одним и тем же словом
телефон. Это, конечно, большое неудобство
«телефон» называть несколько совершенно разных вещей: и всю систему
ние
-
или, наконец, просто
-
для передачи звука
только
одну
на
его часть
делать лишних
расстоянии,
-
и
отдельный аппарат для этой цели,
преобразователь
пояснений, пришлось
воритель», временно применив
вость можно восстановить
-
тока в
звук. Чтобы каждый раз
воспользоваться словом
«громкого¬
Сейчас справедли¬
его не по назначению.
отныне
громкоговорителями,
будем
устройства, которые
в
электронной аппаратуре, хотя и здесь мы допустим
ность в
терминологии (см. следующий раздел).
называть
и
не
как и
создают действительно
принято,
громкий звук
некоторую
неточ¬
6. Основные детали динамического громкоговорителя: корпус, магнит¬
ная система, звуковая катушка, система подвеса катушки, диффузор.
электродинамического громкоговорителя, или, короче, дина¬
громкоговорителя, или, еще короче, динамика, показано на
рис. 8.6; 4. Недавно громкоговоритель стали называть динамической го¬
Устройство
мического
ловкой
прямого излучения, а название «громкоговоритель» передали
мощным акустическим системам, в них обычно входит несколько таких
головок,
которые
мы по
старинке
будем
все же называть
громкоговори¬
десятки лет существовало такое название, оно навсегда осело в
миллионах радиолюбительских книжек и статей.
телями
-
Примечание редактора. Слово «громкоговоритель»
в
настоящее
время
чаще
устройств, выдающих действительно громкий звук, например для
уличных рупорных громкоговорителей или ручных мегафонов. Излучатели зву¬
кового диапазона на основе электродинамического эффекта, которые описыва¬
применяют для
ет автор, чаще принято называть термином «динамическая головка» или просто
«динамик», а сделанные на их основе акустические системы
-
«акустическими
колонками», «звуковыми колонками» или просто «колонками». Общая конструк¬
ция динамических головок мало изменилась за десятилетия существования, разве
что для отдельных деталей (например, постоянных магнитов) стали применяться
новые материалы.
ГЛАВА 8. В переводе на электрический
183
Рис. 8.6. Громкоговоритель (динамик)
С тыльной стороны корпуса
цеобразный
-
и его
свойства
магнитная система.
В
нее входит коль¬
магнит из магнитных сплавов или из магнитной
-
керамики
порошков, которые
определенным образом спрессованных и «спеченных»
содержат ферромагнитные вещества ферриты. В магнитную цепь входят
также стальные
фланцы и стальной цилиндр керн. Только в одном месте
-
-
стальная
зазор;
разорвана, имеет кольцеобразный воздушный
зазоре находится подвижная катушка, ее обычно
магнитная цепь
именно в этом
звуковой катушкой. Чтобы не ослаблять магнитное поле, охва¬
тывающее витки звуковой катушки, зазор для нее делают очень неболь¬
шим, расстояние между катушкой и стенками «туннеля», в котором она
называют
ходит,
измеряется долями миллиметра,
Катушка подвешивается
на эластичной
в
худшем случае миллиметрами.
центрирующей шайбе,
и даже не¬
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
184
большое ее
случайное смешение приводит к одному из самых тяжелых
повреждений громкоговорителя катушка начинает задевать за фланец,
-
начинает
затирать.
К катушке прикреплен конический
отлитый из особой
бумажной
тушкой, подобно поршню насоса,
воздуха. На самом
массы.
диффузоре
ним подпаяны выводы
гибких медных
ся с внешним
или
вместе с ка¬
увлекает за собой основную массу
закреплены две луженые
звуковой катушки.
многожильных
От
заклепки
-
к
этих заклепок отходят два
провода, которыми катушка соединяет¬
Распространенное и устранимое повреждение
легко обнаружить, внимательно
выводов
осмотрев
-
миром.
одного из
обрыв
диффузор, спрессованный
Именно он, двигаясь
-
громкоговоритель.
7. Две важные характеристики громкоговорителя сопротивление зву¬
ковой катушки и электрическая мощность. Чтобы громкоговоритель
-
излучал звуковые волны,
к его
частотный
сигнал
этого
звуковой катушке нужно
подвести низко¬
электрический
переменное напряжение. Под действием
по
напряжения
звуковой катушке пойдет низкочастотный перемен¬
-
ный ток, он создаст магнитное поле катушки, оно начнет взаимодейство¬
вать с полем постоянного магнита, и катушка придет в движение. Каким
будет
этот ток, а значит, и интенсивность движения
диффузора,
зависит
напряжения. В соответствии с законом Ома это еще зависит
от
сопротивления звуковой катушки. Сопротивление это характеристи¬
ка сложная, его величину определяют несколько физических процессов.
Здесь и обычное активное сопротивление проводов, и те затраты энергии,
которые связаны с излучением звуковых волн, и, наконец, индуктивное со¬
она, правда, содержит лишь несколько десятков
противление катушки
витков, имеет небольшую индуктивность Ьзв, однако на самых высших зву¬
не только от
-
-
ковых частотах и эта индуктивность создает заметное индуктивное сопро¬
тивление
(гл. 6; 16, рис. 8.6; 6), которое прибавляется к чисто активному,
одновременно), называют комплексным сопротивлением и обозначают
буквой z. Поскольку индуктивная составляющая комплексного сопротив¬
ления
катушки гзв,
ется с частотой
(гл. 6; 16),
то и
тоже меняется с частотой.
катушки гзв указывают
больше
с
В справочных данных сопротивление
для частоты 1000
чисто активного
некоторой
тушки
другая индуктивная составляющая, меня¬
общее комплексное сопротивление катушки
как и всякая
Гц. Обычно
звуковой
оно всего на
10-20 %
и
сопротивления катушки, поэтому, смирившись
погрешностью, можно считать сопротивлением звуковой ка¬
именно
величину R3b. Это
измерить омметром
(рис. 8.6; 7).
очень
удобно, потому что R3b можно легко
ГЛАВА 8. В переводе на электрический
Другая
важная
185
-
характеристика громкоговорителя
его мощность
В данном случае понятие мощность имеет тот же смысл, что и для
бого другого потребителя энергии: указанная на громкоговорителе
в
справочной таблице
нельзя
переходить,
добно тому
величина мощности
то есть та мощность,
как нельзя подводить к
Р
-
это та
электрической
или электронагревателю мощность
большую,
или
граница, которую
нельзя
которую
Р.
лю¬
по¬
превышать,
лампочке, двигателю
чем
та,
на
они
которую
рассчитаны.
В справочных данных мощность громкоговорителя иногда указывают в
непривычных для нас единицах измерения вольт-амперах (В-А). Произ¬
-
ведение тока 1 А на напряжение 1 В дает единицу мощности 1
можно сказать, что
вольт-ампер
добилось иметь две
и ватт
-
это одно и то же.
одинаковые единицы
то есть
мощности? Только для того, что¬
бы подчеркнуть, что бывает мощность двух видов
Активная
Для
Вт,
чего же пона¬
активная и
-
реактивная.
потребляется нагрузкой и тут же преоб¬
в тепло, свет,
разуется
механическую работу. А реактивная мощность это
та, которую потребляют от генератора реактивные элементы, катушка и
-
это та,
которая тут
же
-
конденсатор, и через какое-то время возвращают ее генератору (гл. 6; 14).
Так вот, когда речь идет о реактивной мощности или о комплексной (в
нее входит и активная, и
пер
-
реактивная),
В-А. А когда мощность
то
пользуются единицей
чисто активная, то ее
Мощность, потребляемая громкоговорителем,
ность
(опять-таки
тушки),
в
в
основном
за
справочных таблицах
отмеряют
-
вольт-ам-
в ваттах.
это комплексная мощ¬
счет
она
индуктивного сопротивления ка¬
приводится для частоты 1000 Гц и,
естественно, нередко указывается в вольт-амперах
мощность на частоте 1000 Гц весьма близка к чисто
-
ВА. Но
комплексная
активной мощности
Р.
Поэтому можно смело считать, что громкоговоритель потребляет именно
столько, сколько потребляет активное сопротивление R3B его звуковой ка¬
тушки.
В заключение
коговоритель
звуковые
ности
2-3
-
-
горькой правды. Динамический гром¬
преобразователь энергии, он превращает в
несколько слов
очень плохой
волны лишь
(коэффициент
два-три процента подводимой электрической мощ¬
полезного действия громкоговорителя составляет
Это значит, что, получая электрическую мощность 10 Вт, громко¬
говоритель создает звуковые волны мощностью 0,2-0,3 Вт. Правда, к этому
%).
ужасающему факту разбазаривания энергии нужно сделать два примеча¬
ния, в какой-то мере утешительных. Во-первых, на расстоянии в несколько
метров мы удовлетворительно слышим звук, если его излучатель создает
акустическую мощность около 1-3 мВт (то есть в тысячу раз меньше ука¬
занной). Иными словами, мы услышим звучание громкоговорителя, к ко¬
торому подведена электрическая мощность 50-100 мВт. А это величины
такие мощности подводятся к динамику кар¬
сравнительно небольшие
манного приемника, мощность, потребляемая лампочкой накаливания
-
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
186
фонаря3,
для карманного
громкий звук
раз больше. Для
в несколько
в достаточно
большой комнате,
того
чтобы создать
вполне хватает
электриче¬
ской мощности 5-10 Вт.
дело обстоит в установках для озвучивания больших помещений,
концертных залов, кинотеатров. Здесь уже нужны звуковые мощности в де¬
Хуже
сятые доли ватта и даже в несколько ватт. А поэтому к громкоговорителям
приходится подводить электрическую мощность в десятки и сотни ватт.
И второе утешительное примечание
бами
коэффициент
-
можно
было бы разными
спосо¬
действия громкоговорителя, но
при этом ухудшилась бы способность точно, без искажений, изготавли¬
вать
звуковую копию электрического сигнала. А именно это качество
воспроизведение звука без искажений, а не коэффициент полезного дей¬
ствия
важнее всего для громкоговорителя. И действительно, какой толк
в том, что
громкоговоритель дает более мощный звук, если вместо «А» он
воспроизводит «У» или вместо мелодичного вальса рев мотоциклетного
повысить
полезного
-
-
-
мотора.
8.
График «причина
Начнем
теля.
с
-
следствие» рассказывает
примера,
не имеющего
прямого
работе громкоговори¬
о
отношения к
громкогово¬
рителю.
Шофер
нажимает на педаль
педаль газа, и
автомобиль
цессов (нажимание
автомобиля)
или
-
на
акселератора, или,
набирает
педаль)
есть
как ее часто называют,
Первый из этих двух про¬
второй (увеличение скорости
скорость.
причина,
следствие. Об их взаимосвязи можно рассказать словами
формулой,
но
всего с помощью
проще
графика. График (рис. 8.6; 8)
покажет, что чем больше угол а отклонения педали, тем выше скорость
автомобиля
водитель сильнее нажимает на педаль, в цилиндры дви¬
-
гателя поступает больше
смеси.
горючей
скорость увеличивается довольно резко,
Вначале
с
увеличением угла
график
но затем
а
идет все более
полого. В значительной мере это объясняется тем, что с ростом скорости
автомобиля возрастают разного рода потери энергии, например потери,
связанные с завихрениями встречного воздуха. Да и мощность двигателя
приближается
к
своему пределу.
график (рис. 8.6; 9) «причина следствие» хорошо иллюст¬
работу громкоговорителя. Причиной здесь будем считать ток в
Аналогичный
рирует и
-
звуковой катушке,
создает
следствием
-
то
избыточное давление воздуха, которое
рассмотрим крайне упрощенную
диффузор (гл. 8; 6). Для
диффузор помещен в небольшую замкнутую камеру и совсем
начала
-
картину
уже
напоминает
поршень
насоса.
Чем больше
ток в
звуковой катушке, тем
сильнее она втягивается в магнитное поле постоянного магнита, тем даль¬
ше выдвигается
ним.
3
А
диффузор
если поменять
и тем, следовательно,
направление
тока
И даже, добавим, современными светодиодными
больше давление перед
(это обратное направление
фонарями достаточной мощности.
тока
ГЛАВА 8. В переводе
условно
на
187
электрический
отрицательным), то катушка будет выталкиваться из маг¬
поля, диффузор уйдет назад, и перед ним уже появится разреже¬
считаем
нитного
ние, то есть отрицательное давление.
9. На характеристике «причина
коговорителя
в
звуковой катушке диффузор
цательном
-
следствие» («ток
-
давление») гром¬
участки. С увеличением тока
выдвигается вперед (или при отри¬
есть линейные и нелинейные
токе
уходит назад)
вначале
и
(уменьшает) давление,
увеличивает
как го¬
давление прямо пропорционально току.
ворится, по линейному закону
Но затем давление начинает увеличиваться все медленнее и медленнее,
-
график загибается,
идет все более и более полого.
до того, что с увеличением тока
и давление
перед
деформирующей
ется
эластичности,
тить
-
перестает смещаться,
Вот одна
центрирующая шайба
дело доходит
из
силе и, наконец, полностью
вообще перестает изгибаться. Здесь
может
слишком
просто-напросто вырвать
большого
Самое важное,
менты с
тока она может
сопротивля¬
исчерпав
о чем
рассказали
-
громкоговорителем,
линейные
и
нашем
перегреться
наши
конкретном примере
тока.
Иначе
Или
из-за
перегореть.
простейшие мысленные экспери¬
так это то, что на его
нелинейные участки
свои запасы
самый момент прекра¬
из системы подвеса.
и
этого
причин
все сильнее
эксперименты, приостановить дальнейшее увеличение
катушку
В
диффузор вообще
ним остается неизменным.
загиба характеристики
Наконец,
(изгибы).
(рис. 8.6; 9)
характеристике
есть
линейный участок соответст¬
2 А. За этими пределами, то есть при токах более
+
2
А
и
чем
-2
сильных,
А, характеристика загибается, становится нели¬
нейной. Протяженность линейного участка практически и определяет ту
вует токам от
-
2 А до
+
электрическую мощность, которую можно подводить
лю, а значит, и мощность излучаемого звука.
10. Совместив
«ток
давление»,
график
сигнала
электрического
можно
график звука.
с
к
громкоговорите¬
характеристикой
Сейчас
нам
предстоит
довольно
совмещение
произвести
простую операцию
графиков, расска¬
зывающих о том, что происходит в громкоговорителе. В дальнейшем мы
-
получить
-
будем часто выполнять точно такие же операции применительно к другим
устройствам трансформаторам, транзисторам, электронным лампам, и
-
есть смысл на
это делается,
-
примере громкоговорителя
чтобы
потом
уже
не касаться
внимательно
посмотреть,
как
технической стороны дела.
считать, что в нашем распоряжении есть график электрического
сигнала, график, который показывает, как именно меняется ток в звуко¬
Будем
вой катушке с течением времени. А задача сводится к тому, чтобы узнать,
каким будет звуковой сигнал, который создаст громкоговоритель. То есть
задача сводится к тому, чтобы построить
описать его изменение во
времени.
график этого
звукового сигнала,
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
188
За основу
берем
«ток
характеристику
-
в
звуковой катушке,
каким
а значит, именно эта
будет звуковой
сигнал, как
будет
(рис. 8.6; 9, рис. 8.7; 1)
перед диффузором от тока
давление»
именно она показывает, как зависит давление
позволит
узнать,
звуковое давление, если
характеристика
меняться
меняется ток.
Рис. 8.7. Искажения
К
характеристике
«ток
(рис. 8.7; 2), повернув его,
-
в
громкоговорителе (динамике)
давление»
пристыковываем
положив его на
бок
с таким
график
тока
расчетом, чтобы
ось
графика совместилась с осью тока на характеристике «ток дав¬
(рис. 8.7; 1). Эта операция всего лишь стремление к удобству: те¬
мы сможем легко и
перь
быстро от одного графика переходить к другому,
тока этого
-
ление»
для
-
этого достаточно
Отметим, например,
тут
же
перейдем
к
провести между ними короткую пунктирную линию.
что в момент
характеристике
2
с ток в
«ток
-
звуковой катушке равен
2 А,
действием тока 2 А громкоговоритель создаст звуковое давление 0,2
И подведем итог в момент 2 с перед диффузором будет давление 0,2
-
Отсюда уже
остается
Пристыковав
к
буквально
характеристике
один шаг до
«ток
-
и
давление», определим, что под
графика
звукового
Н/м2.
Н/м2.
сигнала.
давление» две перпендикулярные
ГЛАВА 8. В
189
переводе на электрический
(рис. 8.7; 3), будем определять звуковое давление для разных моментов
времени и строить график звукового сигнала.
оси
11. Нелинейные искажения:
в
сигнала появляются
спектре
ление»,
график тока
звуковой
ется
и
посторон¬
графики характеристики «ток дав¬
график звука подробно рассказывают, как созда¬
составляющие. Совмещенные
ние
-
-
-
сигнал и каким он
получается.
Говорят
они, в частности, о
том, что частота звука равна частоте тока, что с увеличением амплитуды
тока растет и амплитуда звукового сигнала, что характер изменения звука,
форма его графика,
(рис. 8.7; 2, 3).
в точности
повторяет
график электрического
сигнала
Этот последний вывод, однако, справедлив
выходит за
только в
случае, если ток не
линейного
пределы
участка характеристики «ток давление».
-
Если же ток заходит в область загибов этой характеристики, то прямая
пропорциональная зависимость между током и давлением нарушается, и
график звука уже становится непохожим на график тока (рис. 8.7; 4, 5). Та¬
кое искажение сигнала называется нелинейным.
В результате нелинейных искажений
вые составляющие, в частности новые
тами,
кратными основной
линейные искажения
частоте
в
спектре
сигнала появляются но¬
гармоники, составляющие
(гл. 7; 13). Практически
с часто¬
мы слышим не¬
в виде
различных посторонних хрипов и скрежетов,
звук из-за них становится грязным, хрипловатым. Здесь, правда, все еще
зависит от того, насколько далеко ток зашел в
нелинейную область харак¬
теристики,
насколько велики нелинейные искажения.
12.
Коэффициент нелинейных искажений показывает, какой процент
общей мощности приходится на долю посторонних составляющих.
Чтобы оценить,
же сильно
искажается сигнал,
можно
про¬
появившуюся «грязь», просуммировать мощность всех
никому не нужных составляющих и посмотреть, каков удельный
суммировать
новых,
насколько
всю
вес этой мощности в выходном сигнале.
фициент
нелинейных искажений
-
Кни.
Именно об
этом и
говорит коэф¬
Чтобы определить его, на вход
устройства (в
данном случае речь идет о громкоговорителе, но, как мы
скоро увидим, нелинейные искажения могут возникать и в других эле¬
ментах электронной аппаратуры) подают чистую
синусоиду, а на выходе
раздельно измеряют мощность этой синусоиды и мощность гармоник,
которые появились в результате нелинейных искажений. Определенное
соотношение этих
есть
устройств (микрофон,
громкоговоритель), то нелинейные искажения суммируются. Это,
правда, не простая арифметическая сумма, суммирование производится
более сложным образом, но во всех случаях чем больше «слагаемые», чем
если сигнал
несколько
линия,
искажения на отдельных участках, тем больше и суммарные иска¬
Вот почему нелинейные искажения стараются свести к минимуму
любом участке тракта, по которому путешествует сигнал, и часто ведут
больше
жения.
в
борьбу не
каждый процент
только за
коэффициента нелинейных искаже¬
ний, но даже за каждую десятую долю процента.
Нелинейные искажения ограничивают и максимальную громкость зву¬
громкоговорителя. Он,
чания
ный звук,
но
при
может
Мощность была бы получена
шими.
быть,
бы создавать и более мощ¬
были бы недопустимо боль¬
дорогой ценой. Вот почему,
мог
этом нелинейные искажения
слишком
указывая мощность громкоговорителя, часто делают оговорку: «При нели¬
нейных искажениях не более стольких-то
процентов». К сожалению, ли¬
нейные участки характеристики «звук
-
давление» тоже не идеальны, они
также имеют некоторую кривизну. И поэтому нелинейные искажения,
правда
ля.
небольшие,
возникают во всех
Но конечно, наиболее
громкоговорителя, когда
ческий
к
которым
встретимся
искажения: в
спектре
в
мы
других
встречаемся
устройствах,
в
Другой
вид искажений
громкоговорителе,
-
Наш слух
очень сильно
тембр звука,
ощущает
формы
а затем еще не
это частотные искажения.
спектре не появляются, а
сигнала (рис.
составляющими
между «старыми»
няется
при перегрузке
сигнала меняются соотношения
кие новые составляющие в
ния
громкоговорите¬
нему подводится чрезмерно мощный электри¬
отдельными составляющими.
нала, с
работы
сигнал.
13. Частотные
между
режимах
сильные искажения появляются
Здесь
сиг¬
раз
ника¬
меняются соотноше¬
8.8).
частотные искажения.
Из-за
них ме¬
становятся голоса певцов, из
оркестра
Если
ослабляются
составляю¬
музыкальные инструменты.
частот, то едва слышен барабан, куда-то далеко уходит конт¬
неузнаваемыми
исчезают целые
щие низших
рабас,
звук
сухим, резким. А если ослабляются составляющие
слабо звучат флейты, скрипки, звук становится глухим,
становится
высшихчастот, то
бубнящим, пропадает его чистота и прозрачность.
Откуда появляются частотные искажения? Кто виноват в нарушении
пропорций между составляющими спектра? Конечно же, эти искажения
могут
появиться в
некоторых цепях переменного тока,
шествует электрический
тушка
и
конденсатор
сигнал.
имеют
Вспомните,
что
по
которым путе¬
реактивные
различное сопротивление
на
элементы ка¬
разных частотах
ГЛАВА 8. В переводе на электрический
(гл. 6; 14,16),
191
а значит, эти элементы по самой своей
природе
будут созда¬
вать частотные искажения. И только некоторые особые меры помогают
уменьшить эти вредные действия реактивных элементов или даже полно¬
стью их компенсировать.
Рис. 8.8. Частотные свойства громкоговорителей
В
этом отношении частотные искажения в
нелинейных.
Если
в сигнале появились новые
ляющие, то полностью
избавиться
какой-либо участок тракта создает
от них
(динамиков)
принципе
отличаются от
гармоники,
уже
новые состав¬
невозможно.
А
вот если
частотные искажения, то на
другом
участке их можно искусственно скомпенсировать, поднять чрезмерно
ослабленные составляющие. Это, кстати, делают с помощью все тех же
реактивных элементов, чаще
подобранных
определенным
образом
что в одном месте
реактив¬
всего с помощью
конденсаторов. И получается,
ные элементы создают частотные искажения, а в
но введенные иные
шают
эти
замечания.
реактивные
искажения.
Таковы
элементы
самые
другом
месте специаль¬
(элементы коррекции) умень¬
общие,
самые
предварительные
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
192
14. Частотная характеристика громкоговорителя показывает, на¬
сколько хорошо он преобразует ток в звук на разных частотах. С час¬
характеристиками мы уже встречались, когда пытались выяснить,
ведут себя те или иные элементы электрической цепи при изменении
тотными
как
чтобы получить частотную
характеристику громкоговорителя, нужно подвести к нему переменное
(гл. 6; 18). Для
частоты переменного тока
того
напряжение, менять частоту этого напряжения (поддерживая все время
одинаковой его амплитуду, число вольт) и одновременно измерять звуко¬
вое давление
ворителя
(рис. 8.8; 1).
одинаково хорошо
не на всех. На всех,
бы
назвать
в
пожалуй,
и не
нужно, идеальным
бы
если
громкоговоритель,
примерно
от
его частотная
20 Гц до 20 кГц,
ковая
причин
катушка. С частотой
тушке падает,
а значит, она
Но это далеко
полем.
ее
вполне можно
характеристика была
бывает.
-
громкоговорителе
сама
слабее
взаимодействует с внешним
зву¬
ток в ка¬
индуктивное сопротивление растет,
магнитным
страшное. В громкоговорителе
не самое
было
то есть в том диапазоне,
к сожалению, не
частотных искажений в
из
характеристика громкого¬
о том, что
она
котором слышит человеческое ухо.
Однако же таких громкоговорителей,
Одна
есть меха¬
колебательные системы, напоминающие гитарную струну. Это
нические
диффузор, который,
как и струна, обладает определен¬
Колебательные
системы громкоговорителя, как
упругостью.
любые колебательные системы, на определенных частотах резонируют,
всего сам
прежде
ной массой
и
частотная
говорит
громкоговоритель будет
преобразовывать ток в звук на всех частотах. Пусть даже
в диапазоне
прямой
Желаемая
прямая линия,
-
и
и из-за этого на
«пиков».
Но
частотной характеристике появляются острые
Частотные характеристики громкоговорителя
имеют понижение, или, как
частот
-
выбросы
и это еще не все.
за счет
с
большим
принято говорить, завал,
большой инерции
в
диффузором
области
большому диффузору,
высших
захватывающе¬
му большие объемы воздуха, с увеличением частоты все труднее следовать
за изменениями тока. Но зато громкоговорители с большим диаметром
диффузора
хорошо воспроизводят
называют
низкочастотными.
-
А
низшие
маленькие
двигаются на высших частотах, но плохо
называют высокочастотными.
звуковые частоты,
и их так и
диффузоры, наоборот,
излучают
легко
на низших, за что их и
Есть громкоговорители универсальные,
они
удовлетворительно воспроизводят и весьма высокие частоты, и довольно
низкие. Однако же если хотят воспроизвести очень широкую полосу зву¬
ковых частот, то создают акустические агрегаты, куда входят и низкочас¬
тотные
громкоговорители,
и высокочастотные
(рис. 8.8; 8).
Частотная характеристика громкоговорителя должна представлять со¬
бой график зависимости звукового давления (или силы звука) от частоты
переменного напряжения, которое подводится к звуковой катушке. Но час¬
ГЛАВА 8. В
то
193
переводе на электрический
характеристику эту изображают иначе.
частоте, обычно на частоте 1000
Звуковое давление на некоторой
единицу и на частотной
силы
звука (звукового дав¬
Гц, принимают
за
характеристике показывают лишь изменения
ления) по отношению к этой средней величине. Возле
вертикальной оси
букву
образом коэффициент частотных
Кчи,
искажений
на
он показывает,
сколько децибел (во сколько раз) звуковое
давление на данной частоте больше (положительный Кчи) или меньше (от¬
рицательный Кчи), чем на средней частоте 1000 Гц (рис. 8.8; 3). У идеального
К
ставят
обозначая
или
таким
-
громкоговорителя звуковое давление
на всех частотах одинаково, а значит,
Кчи всегда равен нулю, частотных искажений нет.
15.
Акустический
сжатия, а позади
диффузора
-
низших
экран препятствует завалу
Когда диффузор
тот.
область разрежения. Во время
область
час¬
звуковых
движется вперед, он создает перед собой область
обратного
сжатия появляется с тыльной
движения
стороны громкогово¬
область разрежения. Иными словами, громко¬
говоритель одновременно излучает две звуковые волны (рис. 8.9; 1), при¬
чем
сдвинутые по фазе на полпериода, на 180°. И если обе эти волны
рителя,
а
впереди
него
одновременно придут
противофазные
-
к
волны
то мы
нашему уху,
вообще
ничего не
-
услышим
просто скомпенсируют друг друга. В реальном
случае полного взаимного «пожирания» звуковых волн не происходит
(хотя бы потому, что диффузор вперед излучает эффективнее, чем на¬
зад),
ным
ослабить друг друга они могут весьма заметно. Причем глав¬
образом в области низших частот. Дело в том, что звуковая волна,
но
которую создает тыльная, задняя поверхность
к
слушателю путем несколько более длинным,
появляется
некоторый дополнительный
На
сдвиг
диффузора,
приходит
чем основная волна, и
фаз
между
этими
звуко¬
звуковых частотах, которым соответствуют
более короткие волны, даже небольшой разницы в путях от диффузора
выми волнами.
высших
до уха достаточно, чтобы в прошлом
станции своего назначения
-
к
уху
-
на самых низших частотах и даже на
противофазные
волны
в полном согласии, в
средних
частотах
пришли
фазе.
А
к
вот
дополнительный
фаз получается небольшим, и звук заметно ослабляется. Способ
борьбы с этой довольно-таки серьезной неприятностью напрашивается
сдвиг
сам
собой: нужно просто удлинить путь,
волна идет к
(рис. 8.9; 2)
-
уху. Иногда
достаточно толстой
древесно-стружечной
16.
будь
Корпус
вам
-
которому «задняя» звуковая
(10-20 мм) доски
акустического экрана
фанеры, дерева или
из
плиты.
важный элемент акустических установок. Если когда-ни-
придется конструировать акустическую систему,
простой эксперимент:
его в
по
это делают с помощью
корпус,
на
весу,
сначала
то
послушайте громкоговоритель,
а затем вставьте
громкоговоритель
в
проделайте
не вставляя
корпус
и
послу¬
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
194
шайте его еще раз. Вы наверняка отметите огромную разницу
в
звучании:
«голый» громкоговоритель звучит
и
особенно
значительно тише,
средние
низшие частоты сильно завалены, их почти не слышно.
Рис. 8.9.
Деревянный
деталь,
системы
пластиковый корпус
или
он сильно
Акустические
влияет на
качество
-
(колонки)
это
не
просто декоративная
звучания, причем сразу
несколь¬
«рычагами». Во-первых,
(рис. 8.9; 3). Во-вторых, корпусу
кими
сам
он выполняет
превращается
увеличивающий звуковую
значит,
области
са для
в
роль акустического экрана
передаются колебания диффузора, и он
излучатель звука. Излучатель довольно большой, а
-
на низших
звуковых
мощность, особенно в самой
частотах.
акустических агрегатов, думают
внешней отделке. Главное
внимание
трудной
Вот почему, конструируя корпу¬
не только о
обращается
красоте
форм
или о
на то, как использовать
корпус для улучшения качества звучания, в частности для выравнивания
частотной характеристики. Есть несколько приемов формирования необ¬
ходимых акустических характеристик корпуса. Один из них размещение
громкоговорителей не только на передней стенке, но и на боковых. Это
-
улучшает диаграмму направленности акустического агрегата, он более
равномерно излучает звук во всех направлениях, создает ощущение объ¬
ГЛАВА 8. В переводе на электрический
195
емного звучания. В некоторых случаях корпус заполняют звукопоглотителем, например ватой или стеклянной ватой, и этим несколько ослабляют
явления в системе
громкоговоритель
-
корпус.
Для подъема частотной характеристики в области низших частот в кор¬
пусе делают специально рассчитанные акустические лабиринты и фазо-
неприятные резонансные
(рис. 8.9; 5)
устройства, которые определенным образом
поворачивают фазу звуковой волны, создают условия для складывания,
-
инверторы
суммирования звуков, излучаемых разными участками акустического
агрегата. На рис. 8.9; 6,10 приведены типичные схемы акустических систем.
при подаче тока (рис. 8.8; 7, 8).
рис. 8.8; 9,10, дают нам повод (таких поводов,
диффузор
на
правда, и раньше было довольно
много) задуматься над проблемой, кото¬
следующей главе. Для создания достаточно громко¬
го звука нужен электрический сигнал мощностью в несколько ватт, а то и
в несколько десятков ватт. Даже в
карманном приемнике, от которого осо¬
рая неизбежно ведет
бой громкости
к
никто не
требует,
и то
нужен электрический
сигнал мощ¬
ностью в десятые доли ватта.
А теперь
попробуем
подсчитать мощность, которую могут обеспечить
наши главные поставщики
электрической
копии
-
звука
микрофоны.
Даже
сравнительно громким звукам, уровню громкости 60 дБ, соответ¬
ствует сила звука, то есть мощность, переносимая звуковой волной, всего
0,000001 Вт/м2. Если предположить,
микрофона
лучает
Это
-
от
составляет
звуковой
10 см2
(0,001 м2),
волны всего
мощность звука,
что площадь
который
10'9 Вт,
воспринимающей части
микрофон по¬
то окажется, что
то есть
поступает
в
одну миллиардную
микрофон,
ватта.
а мощность элект¬
коэффициент
микрофона также составляет всего несколько процен¬
рического
сигнала на его выходе еще во много
полезного
действия
раз
меньше
-
тов.
Из этого
можно сделать только один вывод.
рождается электрическая копия звука, до
сигнал создает
рителя,
звук, проще говоря,
необходим
на
еще один элемент
На пути
устройства,
пути
от
от
где
устройства, где
электрический
микрофона до
-
усилитель.
громкогово¬
ГЛАВА 9
Создание
мощной
1. Одна
налами
-
из самых
распространенных операций с электрическими сиг¬
усиление. Всякое электронное устройство это своеобразный
их
-
мир электрических
сигналы
чтобы,
приходят
пробежав
множество
сигналов.
из
других
Здесь
самых
устройств,
зарождаются
других электронных миров,
электрическим цепям, претерпев
на телевизионном
на космическом
из-за того, что тем или иным
нормальной работы нужны
умирают, сюда
и
из
превращений, обернуться прекрасной
удивительных
тормозного двигателя
усиливать
они
по многочисленным
мелодией, красочной картинкой
ем
копии
корабле.
экране
или включени¬
Сигналы приходится
электронным устройствам для
сигналы значительно
более мощные,
их
чем име¬
ются в наличии.
Один пример
мы
уже упоминали (гл. 8; 16)
-
мощность электрических
сигналов на выходе
а
микрофона измеряется миллиардными долями ватта,
громкоговорителю требуются целые ватты. Такие же примеры можно
найти в любом звуковом
кальной
но
устройстве
-
записи с компакт-диска или
слабые электрические
сигналы.
например,
флеш-карты
Еще пример:
приемника радиоволны приносят
после считывания
появляются
к антенне
электрический
музы¬
чрезвычай¬
автомобильного
сигнал в тысячные доли
И в телевизоре мощность
чтобы
можно было
нужно увеличить миллиарды раз,
нарисовать
на
Усиление
во
многих
необходимо
экране.
устройствах автома¬
картинку
микроватта,
а динамикам
сигнала
тики и
в
все те же ватты.
в
телеуправления,
метро,
нужны
который
выталкивает
по
в таких,
например,
слабенькому сигналу
заградительные рычаги,
проездной.
Коротко говоря, электрический
как
автоматический турникет
силой
от оптического датчика с
если вы,
задумавшись, забыли под¬
нести
случаях, когда
сигнал
появляется несоответствие
несоответствие в
электронных
системах
работки информации наблюдается
приходится усиливать
между «нужно»
сбора,
во всех
и «есть».
передачи, хранения
А
и
очень часто.
Примечание редактора. В большинстве приведенных здесь примеров, строго го¬
воря, речь идет не столько об усилении, сколько о преобразовании сигнала (это
стало очевидно, когда они были несколько модернизированы в соответствии с со¬
это
пере¬
ГЛАВА 9. Создание мощной
копии
197
реалиями). Понятно, что на современных носителях звук не хранится
непосредственно в виде кривой, описывающей его изменения, как это было на
магнитной ленте или виниловой пластинке ранее. На флеш-карте или компакт-диске звук хранят в виде цифрового описания этой кривой в отдельных точках, и для
временными
того
чтобы
его воспроизвести, описание это сначала придется раскодировать и
обратному преобразованию в непрерывную кривую (цифроаналого¬
вому преобразованию). Однако после такого преобразования обычно все равно
требуется усиление в смысле, который подразумевал автор, т. е. создание более
мощной копии сигнала (см. далее), хотя оно и может выполняться не всегда так, как
подвергнуть
-
описывается далее.
пример с турникетами в метро не полностью соответствовал этой формули¬
и во времена автора: здесь речь идет о подаче нужного управляющего им¬
пульса на электромагнитные приводы рычагов, и такой импульс, конечно, не яв¬
ляется «мощной копией» сигнала оптического датчика. В устройствах автоматики
уместнее говорить о том, что управляющий сигнал является причиной срабатывания
(или командой на срабатывание) подобно тому, как нажатие на курок является при¬
А вот
ровке
-
чиной выстрела из ружья, а сам выстрел какой-то «копией» нажатия назвать нельзя.
2. Усилить
электрический
же по
сигнал
-
это значит
создать
точно такой
большей мощности. Начнем с при¬
отношения к электронным схемам, но
изменения сигнал, но
характеру
мера, который не
имеет никакого
зато помогает легко понять, в каком именно смысле
применяется слово
об
сигналах.
«усиление», когда речь идет
электрических
С некоторого времени знаменитая футбольная команда «Гювейч» из го¬
рода N неожиданно для всей
вать в
том и
турнирную
говорят,
таблицу
один ноль за другим. И
начала вписы¬
болельщики
любимую команду, как улучшить
предложений остановимся на двух.
как
всех высказанных
спортивной общественности
усилить
ее
только о
игру. Из
Первое предложение. Резко увеличить время тренировок и занятий по
футбола. Улучшить питание футболистов, условия их отдыха. Ре¬
тактике
-
зультат
команда играет лучше, сильнее, происходит усиление команды.
Второе предложение. Тренера сменить. Команду расформировать, при¬
более сильных игроков. Результат команда играет лучше,
гласить новых,
-
сильнее, произошло усиление команды.
правильнее было бы говорить
отвечают
таль.
не
болельщики. Замена игроков
Главное
Но,
об усилении,
-
может
а о
быть,
в
этом
замене? Нет,
это мелочь,
в том, что команда с тем же названием
случае
нет и нет
-
второстепенная де¬
«Гювейч», выступаю¬
щая в той же
форме (оранжевые майки, фиолетовые трусы), защищающая
футбольную
честь того же
турнирной таблице
чит,
произошло
прекрасного города N
и пока занимающая в
все то же последнее место, стала
не что иное, как
ных
зна¬
усиление команды.
такой смысл имеет слово «усиление»
Примерно
При усилении
играть лучше. А
в
радиоэлектронике.
слабого электрического сигнала с помощью дополнитель¬
источников
энергии создается новый мощный сигнал, который, одна¬
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
198
ко, сохраняет главную особенность слабого
-
характер изменения,
графика.
Иными словами, усиление слабого электрического
создание его
мощной
форму
сигнала
-
это
копии.
большой класс систем, в которых слабое, маломощное
воздействие управляет мощньгми потоками энергии. Давайте просвер¬
3. Усилители
лим в
-
(это вполне может быть
произойти, легко увидеть
нижней части ведра небольшое отверстие
мысленный эксперимент, то,
что в нем должно
силой
воображения, и наносить ущерб хозяйству, делая дырку в ведре, со¬
обязательно), наполним ведро водой и подставим под струю не¬
большую вертушку с лопастями, некоторое подобие рабочего колеса водя¬
ной мельницы (рис. 9.1; 1). Вначале, когда воды в
ведре много, из отверстия
сильная
колесо
довольно
вырывается
струя,
вращается быстро. По мере
всем не
того как
уровень воды падает, струя
ние колеса замедляется.
Это
становится все
более вялой,
и
враще¬
нормальный процесс передачи энергии:
по¬
энергия поднятой на высоту воды переходит в кинетическую
энергию струн, а она, в свою очередь, передается колесу-вертушке. Если
не
думать о потерях, то можно сказать, что сколько дает источник энергии
(вода в ведре), столько и получает потребитель (вертушка). И на сколько
уменьшится или увеличится энергия, которую поставляет источник, на
столько же
уменьшится или увеличится и энергия, получаемая потреби¬
тенциальная
телем.
Рис. 9.1. Усиление сигнала
А теперь
на
заслонку и, двигая ее вперед-назад, бу¬
в самом
процессе передачи энергии
изменений: кто давал энергию, тот и дает, кто по-
пути воды
поставим
дем менять поток воды. Казалось
не
произошло
никаких
бы,
ГЛАВА 9. Создание мощной копии
199
получено. Но
принципиально
лучал, тот получает, сколько энергии было отдано, столько
в
действительности
заслонка внесла в
и
эту систему нечто
руки перемещая заслонку, можно значительно
потока воды. Образно говоря, затрачивая микроват¬
новое: легким движением
менять интенсивность
ты,
можно менять мощность потока на целые ватты.
заслонки мы и создали
усилитель, создали систему,
И вывод:
в
которой
действие управляет мощными потоками энергии.
Усилительные системы чрезвычайно распространены
нике их
роль
тоже очень велика и, может
быть,
с помощью
в
слабое
воз¬
в тех¬
природе,
даже еще до конца не осо¬
знана. Вот лишь несколько примеров, показывающих, что могут механи¬
ческие, гидравлические, химические,
биологические,
экономические
и
разные прочие усилители.
Легкое дуновение ветра лишь
слегка
подтолкнуло огромную скальную
над
краем пропасти, глыба пошла под откос, перего¬
глыбу, нависшую
заставила его изменить
поток,
родила горный
русло и постепенно смыть
огромную гору.
Небольшое количество катализатора, введенного в химический реактор,
резко изменило ход химических процессов, во много раз ускорило превра¬
щение одних веществ в другие.
Разумные указания консультанта-технолога позволили лучше использо¬
производственные мощности завода и увеличить выпуск продукции
сумму, во много раз превышающую зарплату консультанта.
Вирус, попав на командный пункт живой клетки, заставил ее так изме¬
вать
на
нить свою
работу,
что клетка начала сама
огромными тиражами выпус¬
кать
вирусы.
Все эти примеры
не
более
чем
информация к размышлению.
дующий пример, который представлен
го
в виде
эксперимента, открывает прямой путь
рических
привычного уже
к настоящим
А
вот сле¬
мысленно¬
усилителям
элект¬
сигналов.
События разворачиваются
переменный резистор
той проволоки
этот ходит по
-
простейшей электрической
в
рую входит источник энергии
-
-
цепи, в кото¬
лампочка и еще
аккумулятор, нагрузка
реостат, выполненный в виде вертикально натяну¬
со скользящим контактом
проволоке
(рис. 9.1; 2). Подвижный контакт
настолько легко, что если подвесить к
нему
сто¬
граммовую гирьку, то контакт буквально за секунду переместится сверху
вниз, изменив сопротивление реостата от 9 Ом до 1 Ом.
А сейчас
простейших арифметических опера¬
мы выполним несколько
выводу, важнейшему для всей электроники.
Для начала вспомним про две расчетные формулы: I=U/RuP P R
(рис. 4.7; 3 и рис. 4.11; 2). Согласно этим формулам, напишем два выраже¬
ций,
и они
приведут
нас к
=
ния
-
для тока в цепи лампочки
-
двух сопротивлений
которая выделяется в
лампочки
лампочке,
1л
=
Ё.л
11г/ (Ra + Rp) (он определяется суммой
=
3 Ом
и
реостата
Рл =1л2 Кл. Теперь,
Rp) и для мощности,
пользуясь
этими
выра¬
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
200
жениями, подсчитаем
-
для
двух случаев
равно 1
Ом,
после того как движок
В случае когда
(3
Ом
R
=
9
Ом)
=
в лампочке,
выделяемую
когда сопротивление реостата равно 9 Ом и когда оно
ты этих несложных
+
ток в цепи и мощность,
реостата опустился
вниз.
Вот результа¬
расчетов.
=
Rp
1 А
9 Ом
12 В /
(движок вверху), получим: ток 1л
мощность Рл
(1 А)2 3 Ом 3 Вт. В случае когда
=
И наконец, последняя арифметическая операция. Теперь нетрудно подсчи¬
тать, что мощность 1 Вт, затраченная на перемещение подвижного контак¬
та
(100 г
1
мощности,
1 Дж; 1 Дж /1
=
это можно назвать
изменение на
ко от
не
с
1
эффектом усиления: за изменение на 1 Вт мы получили
24 Вт.
Управляющий
нагрузке
=
Вт), приводит к изменению электрической
которую получает нагрузка (лампочка) на 24 Вт (от 3 до 27 Вт), и
м
сигнал
-
перемещение движка реостата
-
сам
ничего
убавил. Всю энергию лампочка получает толь¬
эффект усиления появился только потому, что на
встретились, сошлись в одном физическом процессе
добавил
и не
аккумулятора. А
одном перекрестке
два совершенно разных явления, две различные зависимости, до
знавшие
симость
друг друга, не имевшие друг
сопротивления реостата от
к
другу
этого не
никакого отношения,
положения
движка
и
сопротивления реостата. Такие пересечения
процессов, такие пары зависимостей в природе образуются
тока в цепи от
-
зави¬
зависимость
физических
как
бы
сами
собой, зачастую совершенно случайно. С одним примером мы уже зна¬
комы: каменная глыба, если незначительно сдвинуть ее, падает с обрыва,
совершая при
этом
огромную разрушительную
работу,
а даже
легкий по¬
рыв ветра может произвести небольшое начальное перемещение
столкнув
В
технике
ких
глыбы,
обрыва.
ее с
искусственно объединяют два разных
процесса,
подбирают
эти
независимых
физичес¬
пары «пересекающихся» процессов
образом,
чтобы один
получить
эффект усиления. Лучшим примером
из них сильно влиял на
рических сигналов, до которого
нам
теперь
другой,
чтобы
является
остался
усилитель
уже
таким
можно
было
элект¬
буквально
один
шаг.
4.
бый
Распространенный
усилителей электрических сигналов сла¬
цепи, в которой действует мощный источник
тип
сигнал меняет ток в
-
энергии. Чтобы усилить электрический сигнал, в разных типах усилите¬
лей объединяют парами самые разные физические процессы. В наиболее
транзисторах и электрон¬
распространенных усилительных приборах
ных лампах
используют такой принцип: слабый усиливаемый сигнал
тем или иным способом меняет сопротивление цепи, в которой внешний
-
-
источник энергии, например аккумулятор или гальванический элемент,
ГЛАВА 9. Создание мощной копии
201
создает постоянный
ток. Под действием меняющегося
сопротивления по¬
стоянный ток перестает быть постоянным, он меняется, следуя за всеми
изменениями слабого сигнала. Так за счет энергии внешнего источника
создается мощный сигнал, точная копия слабого.
Реализовать этот принцип можно даже в нашей установке с реостатом,
для этого нужно соорудить для подвижного контакта реостата систему
Скажем, приводить
электрического привода.
в
движение
подвижный
или
контакт
миниатюрным электромоторчиком
электромагнитом, энер¬
которым давал бы сам усиливаемый сигнал. В электронных усилите¬
лях этот
принцип реализуют так: сопротивление участка цепи меняют,
«впрыскивая» в него то или иное количество свободных электрических
зарядов (рис. 9.1; 3, 4). На само это «впрыскивание» тратится сравнитель¬
но небольшая мощность, а
сопротивление меняется так, что происходит
значительное изменение мощности, выделяемой на данном участке цепи.
Если вы помните, сама характеристика «сопротивление» говорит о том,
легко или
трудно генератору создавать ток в проводнике (гл. 3; 3). Чем
гию
больше
проводнике свободных зарядов, чем они подвижнее, тем более
будет упорядоченное движение зарядов под действием элект¬
родвижущей силы, тем больше будет ток. Иными словами, чем больше в
в
массовым
проводнике свободных зарядов, чем они подвижнее, тем меньше сопро¬
проводника. В электронных усилителях роль такого про¬
тивление этого
водника
с
меняющимся
сопротивлением
выполняет сам
электронная лампа или транзистор.
Слабый усиливаемый сигнал подводится к
прибор
управляет имеющейся
или
усилительный
-
уменьшает
ток, то есть
там своего
количество
фактически
начнем с того, что
слабый
лампе или
посмотрим,
сопротивление
как
и
рода «заслонкой», которая увеличивает
свободных зарядов,
меняет
транзистору
работает
создающих
электрический
приборов (рис. 9.1; 3,4). Мы
такая «заслонка» в
транзисто¬
усилительного прибо¬
ток в его цепи. Но до этого нам еще предстоит провести кое-каменяет
ра,
кую подготовительную работу. В частности, познакомиться с некоторыми
ре,
как
процессами
5.
ные
в
Германий
сигнал меняет
кремний
и
электроны
и
-
полупроводники,
свободные
сторона
в
положительные
материала
которых
имеются
свобод¬
заряды (дырки). Электриче¬
часто оценивают так:
вырезают
кубик со стороной 1 см и измеряют его электрическое
(рис. 9.2; 1). Эту величину называют удельным сопротив¬
материала
сопротивление
лением
этого
полупроводниках.
ские свойства того или иного
из этого
сопротивление
(гл. 4; 5),
кубика
1
единица его измерения
Ом/см (здесь отражено
см). Удельное сопротивление нихрома,
-
скверных проводников,
почти в сто
-
то, что
одного из самых
0,00011 Ом/см (отличного проводника серебра
-
раз меньше). А удельное сопротивление бумаги, одного из са¬
примерно 100 000 000 Ом/см (отличного изо¬
мых скверных изоляторов,
-
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
202
лятора
в
фарфора
-
в миллион
промежутке между
мыми
самыми
раз больше). Вещества, которые находятся
сопротивляющимися проводниками
называют
проводящими изоляторами,
успехом их можно было бы
таким же
полупроводниками,
называть и
полуизоляторами.
Рис. 9.2. Полупроводники
Примечание редактора. Существует
очень много полупроводников, как в виде
соединений (включая и ор¬
ганические). Собственно говоря, полупроводников среди химических соединений
гораздо больше, чем изоляторов и проводников. Однако различные особенности
кристаллической структуры и химических свойств позволяют использовать для по¬
чистых элементов, так и в виде различных сплавов и
строения полупроводниковых
приборов
лишь очень
небольшую
часть всего это¬
время практически не применяется, львиная
всех
доля
полупроводниковых приборов изготавливается из кремния. Третий по
важности полупроводниковый материал арсенид галлия (GaAs), он используется
го богатства.
Германий
в настоящее
-
для сверхвысокочастотных приборов и оптоэлектроники, а также для производства
радиационно стойкой электроники (в т. ч. солнечных батарей), могущей длительное
работать в открытом космосе. Кроме него, в оптоэлектронике к которой
относятся фотоизлучатели (светодиоды, полупроводниковые лазеры) и фотопри¬
емники (фотодиоды и фототранзисторы)
используются другие соединения галлия,
-
время
-
а также индия и
ряда
иных элементов, всего около
двух-трех десятков. В
техноло¬
гиях дисплеев применяются органические полупроводники. В некоторых специ¬
фических областях (например, в копировальных машинах, в различных датчиках)
используют и другие полупроводниковые материалы селен, оксиды и сульфиды
различных элементов, существуют даже применения в таком качестве для кристал¬
-
лического углерода
-
алмаза.
и са¬
хотя с
ГЛАВА 9. Создание мощной копии
203
Кристаллы элементов углеродной группы германия и
носятся к
кремния тоже от¬
Удельное
числу полупроводников.
сопротивление чистого гер¬
примерно 50 Ом/см, кремния
мания
1 ООО ООО
-
абсолютного нуля (-273,2 °С) германий
Ом/см. При температуре
кремний
и
-
идеальные изоляторы.
Но как только температура несколько повышается, тут же из-за тепловых
колебаний атомов с некоторых внешних орбит выскакивают электроны и
пространство. Атомов, не сумевших удержать на мес¬
электроны, относительно немного, иначе вместо полупроводника
уходят в
те свои
межатомное
мы имели
бы просто проводник. В германии, например, при комнатной
температуре
мов, в
появляется лишь один
свободный электрон на миллиард ато¬
кремнии свободных электронов
во много
раз
меньше.
Под действием электрического напряжения свободные электроны,
блуждающие в межатомном пространстве, сразу же включаются в элект¬
свободу, электрон превратил свой до этого нейтральный
(рис. 9.2; 2) раз в атоме не хватает элект¬
его
суммарный положительный заряд больше отрица¬
атом в положительный ион
рона, значит,
-
(гл. 2; 9). Такой атом сдвинуться с места
закреплен в кристаллической решетке. И долго,
тельного
не может, он
казалось
бы,
прочно
должен
стоять на месте этот одинокий положительный ион, дожидаясь, пока
какой-нибудь электрон-путешественник случайно наткнется на пустую¬
щее место во внешней орбите, вернет атом в состояние электрического
равновесия.
И вот здесь
на сцене появляется еще одно
действующее лицо, которое
электроном-перебежчиком. Это электрон из сосед¬
него атома. Он
быстро и легко перескакивает на пустующее рядом с ним
место, превращает положительный ион в нейтральный атом, а свой собст¬
так и хочется назвать
венный атом
-
в
подробностей,
положительный
ион.
то можно считать, что
И
если отвлечься от
второстепенных
произошло перемещение
положи¬
тельного иона, хотя все атомы и остались на месте.
Положительный заряд атома,
никах
который
появляется
из-за того, что на
электрона,
«дыркой». В полупровод¬
себя
подобно свободным электронам они хаотически
дырки ведут
внешней
орбите
не хватает
называют
-
перемещаются
по
кристаллу,
а под
действием приложенного напряжения
электрический ток, упорядоченно смещаются, но
(рис. 9.2; 2, 6). Как принято говорить,
в
первая буква слова
дырки создают полупроводнике р-проводимость (р
positivus, положительный; этим подчеркивается, что ток создают свобод¬
ные положительные заряды, дырки).
сразу
же включаются в
уже, конечно, от «плюса» к «минусу»
-
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
204
В чистом, натуральном
и
свободных дырок
существует электронная
деленных примесей
ники с сильным
полупроводнике1
свободных электронов
число
одинаково, в этих полупроводниках в
и
дырочная проводимость. Но
можно
нарушить
это
равенство
преобладанием электронной
или
равной мере
с помощью
и создать
опре¬
полупровод¬
дырочной проводимо¬
сти, полупроводники п-типа и р-типа.
Рис. 9.3. Механизм проводимости в
решетке кремния
и
кристаллической
германия
Донорная примесь резко увеличивает число свободных электронов,
создает п-проводимость. Алмазоподобные кристаллы элементов группы
углерода отличаются весьма устойчивой структурой, в них трудно нару¬
шить
красивую симметричную систему межатомных связей. Образно го¬
6.
воря,
в
алмазоподобных кристаллах действует правило «структура
важнее
всего».
Представьте себе,
мя их
займет
1
расплавленный германий
кристаллизации вводят небольшое
которого
при
что в
на внешней
место в
этом он
орбите
пять
кремний
количество мышьяка,
электронов
кристаллической решетке
вынужден будет выбросить со
Слово «чистый»
или
-
а
(рис. 9.3; 3).
Атом
у
во
мышьяка
куда ему еще деваться!
своей внешней
вре¬
атомов
орбиты
-
но
один
в отношении
полупроводников понимается более чем буквально: чистота крем¬
которого делают пластины-заготовки для производства полупроводниковых приборов, по¬
рядка 99,9999999 % (как говорят, «девять девяток»).
ния,
из
ГЛАВА 9. Создание мощной копии
электрон.
атом
Потому что алмазоподобная структура требует, чтобы каждый
установил
Таким
явится
связь только с
образом,
с
некоторое
структура важнее всего.
кристаллической решетке
является заметное количество
в
благодаря
по¬
пространстве
свободных
полупроводник
элект¬
и-типа.
полупроводнике по¬
свободных электронов, называют донорами
что они как
виду,
в нем
в
превратится
другие примеси,
(«дающими»), имея
электроны, создают
а в межатомном
электронами,
появится такое же количество
Германий (кремний)
и
мышьяка в
-
количество неподвижных положительных ионов атомов
при этом, естественно,
Мышьяк
четырьмя соседями
добавлением
мышьяка с недостающими
ронов.
205
которым
в
бы отдают полупроводнику
свои
электронную проводимость.
7.
Акцепторная примесь резко увеличивает количество дырок, создает
р-проводимость. А теперь добавим в германий или кремний некоторое
количество индия, в атомах которого на внешней орбите всего три элект¬
рона (рис. 78; 4). Индий, как и мышьяк, займет место в кристаллической
решетке, ему тоже больше некуда деваться. И индий тоже должен уста¬
новить связь с
четырьмя своими соседями. Поэтому при первой же воз¬
можности атом индия заберет у соседнего атома германия (кремния) один
электрон, добавит к своим трем и превратится при этом в отрицательный
ион.
А
атом
дыркой.
германия, у которого индий увел электрон,
Таким
образом, добавлением
с
индия в
станет
обычной
германий (кремний) в нем
отрицательных ионов и та¬
кое же количество свободных положительных зарядов
дырок. Германий
(кремний) станет полупроводником с р-проводимостью.
Индий и другие подобные примеси называют акцепторами (отбираю¬
щими), имея в виду, что они отбирают у атомов полупроводника электро¬
ны, превращают эти атомы в дырки, создают в полупроводнике дырочную
появится
некоторое
количество неподвижных
-
проводимость.
8.
Полупроводниковый
разной проводимости.
диод
-
На пути
прибор
к
с
двумя примыкающими
транзистору
зонами
мы познакомимся еще с
полупроводниковым прибором диодом. Это знакомство необхо¬
димое, даже неизбежное
транзистор, по сути дела, представляет собой
два полупроводниковых диода, соединенных в одном кристалле. И в то
-
одним
-
же
время
знакомство с диодом имеет и свое
Полупроводниковый
в
важное значение.
прибор
электронной аппаратуре.
диод
широкое применение
собственное
больших возможностей,
-
он находит
«ди» в слове «диод» означает «два», она указывает, что в при¬
Приставка
боре имеются
примыкающих один к
другому полупроводниковых кристалла (рис. 9.4; 1,2): один с р-проводимо¬
стью (это зона р), другой
с «-проводимостью (это зона п). Фактически же
две основные
«детали», два тесно
-
полупроводниковый диод
-
это один
кристалл,
в
одну
часть
которого
вве¬
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
206
дена донорная примесь
диода,
в
с помощью
в
другую акцепторная (зона р). К зоне р
способом присоединеныпроводники, выводы
(зона п),
и к зоне и тем или иным
-
он соединяется с внешним
которых
миром,
Рис. 9.4. Полупроводниковый
диод
9. Основной элемент всех
область
главы
и
включается
электрическую цепь.
полупроводниковых приборов р-п-переход,
соприкосновения зоны р и зоны п. Руководствуясь замечанием из
1; 8, забудем
будем
на
-
время обо всем,
представлять себе вещество
с
что
происходит
в
заполненный свободными электронами (на рисунках
значены
белыми
какими-то
как некий
они
объем,
условно обо¬
р-проводимостью как объем с
зарядами (на рисунках черные
обращаться лишь по мере необходимо¬
шариками),
свободными
полупроводниках,
«-проводимостью
а вещество с
положительными
шарики). К подробностям будем
сти.
Например, для того чтобы объяснить, почему свободные электроны и
свободные дырки
в диоде не
не
взаимной
происходит
Вспомните,
их
что, помимо
устремляются навстречу друг другу, почему
нейтрализации.
свободных зарядов,
месями имеются еще и неподвижные ионы
положительные ионы
-
в
полупроводниках
с
при¬
в зоне и это неподвижные
донора, например мышьяка,
в зоне
р
-
неподвиж¬
ные ионы акцептора, например индия. В нормальном состоянии полупро¬
водник
нейтрален,
число
свободных зарядов
в нем одинаково.
«плюсов» и
«минусов»
покинут зону п, она окажется
Но
и неподвижных ионов, число
как только
наэлектризованной,
в
первые электроны
ней начнет действо¬
суммарный положительный заряд лишних ионов. И эти ионы начнут
тянуть свободные электроны обратно, мешать их движению в сторону гра¬
вать
ницы. Точно
кам
уходить
так же
из зоны
отрицательные
р. В
итоге
будут мешать свободным дыр¬
зонами
будет существовать погра-
ионы
между
ГЛАВА 9. Создание мощной копии
207
личная линия, точнее, очень узкая пограничная зона, отделяющая область
свободных положительных зарядов от области свободных электронов. Эта
пограничная область называется р-и-переход
ход»). С событиями
вых
приборов,
в
р-и-переходе
связана
(звучит так «пэ-эн-переработа всех полупроводнико¬
-
в частности диодов.
10. Полупроводниковый диод пропускает
одну
ток в основном только в
сторону. Если от батареи подвести к диоду постоянное напряжение «плю¬
сом» к зоне р и «минусом» к зоне п
электроны
и
хлынут
дырки
будут нейтрализовать
они
к
-
(рис. 9.4; 3),
то
границе, устремятся
друг друга,
к
границе
свободные заряды
к
-
р-п-переходу. Здесь
будут
подходить новые
заряды, и в цепи диода установится постоянный ток. Это так называемое
прямое включение диода
заряды интенсивно движутся через него, в цепи
-
протекает сравнительно большой прямой
ток.
Теперь сменим полярность напряжения на диоде, осуществим, как при¬
«плюс» батареи подключим к
говорить, его обратное включение
нято
-
зоне п, «минус»
ницы
-
к зоне
(рис. 9.4; 4),
в итоге
р. Свободные заряды
электроны
отойдут
р-n-переход превратится
в
мгновенно
к
оттянутся
от
гра¬
«плюсу», дырки
«минусу», и
зону без свободных зарядов, в чистый
-
к
изолятор. А значит, произойдет разрыв цепи, ток в ней прекратится.
Правда, небольшой обратный ток через диод все же будет идти. Потому
что, кроме основных
зоне п и
дырок
зарядов
обратного
свободных зарядов (носителей заряда)
в зоне
р,
в
знака.
каждой
-
электронов,
в
из зон есть еще и ничтожное количество
Это собственные
неосновные носители
заряда,
существуют в любом полупроводнике, появляются в нем из-за тепло¬
вых движений атомов (гл. 9; 5), и именно они и создают
обратный ток через
этих
и
ток
во много
диод. Зарядов
сравнительно мало, обратный
раз мень¬
они
ше
Неприятно
прямого.
то, что ток этот зависит от температуры
нагревании полупроводника
и
число неосновных носителей
-
увеличивается,
обратный ток растет (рис. 9.4; 4).
Примечание
редактора. По аналогии с электронными лампами (см. гл. 10; 11
и
выводы диода часто называют анодом
рис. 10.6)
(положительный вывод, p-зона) и
катодом (отрицательный вывод, /7-зона). Следует запомнить, что диод пропускает
(от p-зоны к /7-зоне), в противоположном направлении он
Существуют разновидности диодов (стабилитроны, фотодиоды), у которых
рабочим является включение в противоположном направлении (плюсом к катоду),
ток от анода к катоду
заперт.
однако наименования выводов у них остаются теми же самыми.
Для кремниевого р-л-перехода
(следствие
дел 5 этой
прямым током
5 мкА
обратный
факта,
главы). Например, для
того
ток меньше прямого на много порядков
что собственная проводимость кремния ничтожна, см. раз¬
1,5 А обратный
(см.также раздел
выпрямительных диодов 1N5395 с допустимым
25 °С в 300 тыс. раз меньше и составляет
11 этой главы). Большой обратный ток основная причина
ток при
расставания с германием: у полупроводниковых
-
приборов на
при
его основе он в сотни
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
208
раз выше, чем у кремниевых. Например, у современного германиевого
выпрямительного диода 1N34A при допустимом прямом токе 0,5 А обратный ток
при тех же 25 °С может составить до 1 мА. Кроме того, притом что зависимость
обратного тока кремниевого р-л-перехода оттемпературы примерно на 20 % силь¬
нее, чем у германиевого, предельно допустимая температура кремниевого вдвое
больше (см. раздел И далее).
и тысячи
О событиях в полупроводниковом диоде рассказывает его основ¬
ная характеристика
зависимость тока
через диод от приложенного к
-
(рис. 9.5). На некоторые участки этой, как ее называ¬
ют, вольт-амперной характеристики следует обратить внимание. Преж¬
де всего мы видим, что на ее прямой ветви есть небольшой загиб, сту¬
в области малых
пенька
напряжений (у германия примерно до 0,2 В,
нему напряжения
-
у кремния
-
0,7 В) прямой
до
характеристики
в
р-и-переходе,
ла
появляется
ток
нарастает незначительно. Такой загиб
некоторых сложных процессов
вследствие
он может стать
причиной
нелинейных искажений
сигна¬
(гл. 8; 8,11).
Рис. 9.5. Вольт-амперная характеристика диода
В области
обратных напряжений ток почти не меняется: все собственные
сразу же включаются в движение, и обратный ток
неосновные носители
сразу достигает своей предельной
величины.
допустимое обратное напряжение, до¬
пустимый прямой ток, прямое
обратное сопротивление. Но вот при
некотором обратном напряжении, превышающем допустимую величиток
ну
резко нарастает. Это происходит быстрое лави¬
доп, обратный
нообразное разрушение структуры полупроводника, и диод выходит из
строя2. Кстати, возможны два разных, но одинаково трагичных поврежде¬
11. Важные параметры диода:
и
2
Не всегда именно разрушение: у некоторых
при превышении обратного напряжения
ния
напряжения
на заданном
уровне.
(стабилитронов, диодов Зенера) пробой
обратимым, и это используется для ограниче¬
типов диодов
является
ГЛАВА 9. Создание мощной копии
209
разрыв, отгорание контактов внутри прибора или короткое
превращение диода в обычный проводник. Допустимое
обратное напряжение входит в число основных параметров диода и всег¬
да указывается в справочниках. Напряжение это, естественно, ни в коем
ния диода
-
их замыкание,
случае нельзя превышать.
Другой ограничивающий параметр допустимый прямой ток 1доп. Про¬
ходя через диод, прямой ток выделяет в нем некоторую тепловую энергию,
нагревает прибор. А нагревание очень опасно для полупроводниковых ма¬
-
териалов, оно увеличивает количество неосновных носителей заряда. Вот
почему приходится ограничивать величину прямого тока и еще ограничи¬
вать
рабочую температуру полупроводниковых приборов. Для германие¬
вых диодов и
транзисторов предельная рабочая температура +70-80 °С, а
для кремниевых она значительно выше
стандартно до +125-150 °С, для
-
некоторых
силовых диодов и
транзисторов
даже до 200 °С.
-
Есть у полупроводникового диода еще два важных параметра
-
его
обратное сопротивление,
сопротивление при разной
полярности приложенного к диоду напряжения (рис. 9.4; 3, 4). У плос¬
костных диодов, в
которых площадь соприкосновения зон п ир сравни¬
тельно велика, прямое сопротивление обычно не более нескольких ом,
прямое
то есть
и
обратное
-
несколько килоом или несколько десятков килоом.
ных диодов, где площадь
сопротивление
-
р-и-перехода
(см. раздел
мала
несколько десятков ом,
обратное
-
13
У
точеч¬
далее), прямое
сотни килоом и даже
несколько мегаом.
Примечание редактора. Прямое и обратное сопротивление диода (и р-л-переховообще) параметр в значительной степени условный и в справочниках ни¬
-
да
указывается. Для того чтобы понять причину, достаточно посмотреть на
они носят экспоненциальный
вольт-амперные характеристики диода (рис. 9.5)
когда не
-
характер,
то есть принципиально
нелинейны,
и в
каждой
точке такой характе¬
на
ристики сопротивление (отношение напряжения
переходе к протекающему
току) будет иметь свое значение, к тому же меняющееся с температурой. Тем не
менее обычное (активное) сопротивление у диодов, конечно, имеется, как у всяких
проводников, просто не оно определяет свойства диодов. Активное прямое сопро¬
тивление диодов может выражаться, например, в том, что график вольт-амперной
характеристики не стремится к вертикальной прямой, а свыше некоторого значе¬
ния тока возрастает с небольшим наклоном. Вольт-амперные характеристики раз¬
личных реальных диодов исследуются в
Практикуме к
этой главе.
чтобы приводить ни о чем не говорящую величину сопротивления,
обычно указывают прямое падение напряжения при
рабочем и/или предельно допустимом токе, а также величину максимального
обратного тока при рабочем и/или предельно допустимом обратном напряже¬
нии и рабочей температуре перехода. С достаточной степенью точности для любых
кремниевых диодов (и р-л-переходов вообще, кроме составных, как в выпрями¬
тельных столбах или транзисторах Дарлингтона) прямое падение напряжения мож¬
Вместо того
в справочниках для диодов
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
210
но принимать равным 0,6-0,7 В при
0,9-1,1 В при
токе в единицы-десятки миллиампер и около
(напряжение при
справочнике).
токах в сотни миллиампер и более
допустимом токе обычно указывается в
Для других полупроводниковых материалов
и
максимально
технологий эта величина может от¬
личаться: например, для германиевого р-л-перехода (а также т. н. диодов Шоттки)
величина прямого падения составляет 0,2-0,4 В, а для светодиодов от 1,5 до 2,5 В
для красных, желтых и зеленых и возрастает до 3-4 В для синих и белых, а также
-
разновидностей. А вот обратный ток диодов
(у автора упоминаются их две плоскостная и точеч¬
мощных осветительных и суперъярких
сильно зависит от технологии
ная, но существуют и
другие)
-
и температуры, так что эту
четов она почти не
Во
всех
величину при нужде надо
(хотя для
смотреть в справочнике для каждого конкретного типа
практических рас¬
требуется).
во много
случаях прямое сопротивление
раз
меньше
обратно¬
го, и в этом, собственно говоря, отражена так называемая односторонняя
проводимость диода. Под действием напряжения диод пропускает ток, и
в электрическую цепь он входит как резистор.
ципиально
малым
конечно же, диод
прин¬
нормального резистора, сопротивление которо¬
при любых направлениях тока. И, рассматривая поведение
отличается от
го одинаково
диода в
Но,
электрической цепи, его приходится считать либо большим, либо
сопротивлением,
в зависимости от
в зависимости от
пряжения,
направления
полярности приложенного
12. Под действием переменного напряжения
пульсирующий
ток.
пряжения, теперь
изойдет,
легко
пристыковать
это делали,
До
сих
узнать,
график
двумя
тикой
и
цепи диода
диоду
появляется
постоянные на¬
подвести переменное. Что при этом про¬
вольт-амперной
9.5)
мы
работу громкоговорителя (рис. 8.7). Пользуясь
графиками вольт-амперной характерис¬
состыкованными
графиком
в
мы подводили к
характеристике (рис.
переменного напряжения, подобно тому, как
если к
рассматривая
этими
пор
попробуем
на¬
тока.
-
переменного напряжения,
график тока, который пойдет
в цепи диода
-
легко
построить третий,
(рис. 9.6). Без всяких пояснений
видно, что по
характеру изменения ток, а вместе с ним и выходное напря¬
жение, уже совершенно не похож на входное напряжение. В одну сторону
идут значительные импульсы прямого тока, в другую ничтожно малые
-
импульсы
речь
обратного
этими
тока.
небольшими
В большинстве случаев
всплесками
можно
обратного тока
вообще пренеб¬
и считать, что в цепи
импульсы одного направления.
Как видите, диод производит чрезвычайно сложную операцию
диода есть только токовые
-
иска¬
сигнала, резко меняет его спектр, создает сильные нелиней¬
ные искажения. Такие искажения сигнала в ряде случаев совершенно не¬
жает
форму
обходимы,
лицом.
и во многих схемах диод оказывается основным
действующим
ГЛАВА 9. Создание мощной копии
211
Рис. 9.6. Выпрямительные функции диода
13. Силовые
(выпрямительные)
пустимыми параметрами
вый диод
ривать
-
как
это своего
и
и
импульсные диоды различаются до¬
собственной
емкостью.
рода конденсатор: зону
п и
Полупроводнико¬
зону р
можно
обкладки конденсатора, область р-п-перехода
между обкладками
(рис. 9.7; 1).
бесплатное приложение
к его
носторонней проводимости.
жение весьма
вредное. Так,
нежелательный
как
рассмат¬
изолятор
Емкость полупроводникового диода
основному электрическому
И нужно сказать,
в частности,
обходной путь
править через диод
-
во многих
собственная
свойству,
-
это
к од¬
случаях прило¬
емкость диода создает
для переменного тока,
(рис. 9.7; 4).
Рис. 9.7. Различные функции диодов
который нужно
на¬
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
212
Чтобы поднять допустимую величину прямого тока, площадь р-п-пе¬
при этом уменьшится прямое со¬
нужно увеличивать
противление диода, уменьшится выделяемая на нем тепловая мощность
(Р Р R), а значит, и опасность перегрева. Но одновременно возрастает
рехода
в диоде
-
=
собственная
емкость диода
больше
-
чем
больше площадь
пластин
конденсатора,
где такая емкость недопустима, скажем в це¬
пях переменного тока высокой частоты, применяются точечные (импульс¬
тем
ные)
это
(рис. 9.7; 2).
диоды
щадь.
ток
его емкость.
Естественно,
что
(табл. 9.1), но, к
и не требуется.
Там,
В
р-и-переход имеет очень небольшую пло¬
импульсные диоды не могут пропускать большой
них
счастью, в подавляющем большинстве случаев от них
Таблица 9.1. Параметры некоторых типов
Наименование
кремниевых диодов
Максимальный
Максимально
постоянный
допустимое
обратное
напряжение,
или
средний прямой
(максимальный
импульсный ток), А
ток
Обратный
ток
обратного
Время
(ток утечки),
мкА
восстановления,
МКС
Чар. В
Импульсные
КД521А
0,05 (0,5)
75
1 (при 25°)
0,004
1N4448 (КД510А)
0,15 (0,45)
100
5 (при 25°)
0,004
1N4936
1(30)
400
5 (при 25°)
0.2
Выпрямительные
КД258АКД258Г
5 (7,5)
200 (КД258А)
1000 (КД258Г)
2 (при 25°)
150 (при 165°)
0,25
1N4001- 1N4007
1(30)
50 (1N4001)
1000 (1N4007)
5 (при 25°)
1,5
3 (200)
50 (1N5400)
1000 (1N5408)
5 (при 25°)
1,5
3000
8
-
-
1N5400
-
-
1N5408
Силовые
Д112-10-10
-
Д112-10-25
10 (250)
-
25 (340)
1000
Примечание редактора. В табл. 9.1 следует прежде
что у
всего
обратить внимание
большинства диодов допустимый импульсный прямой ток может
в
на то,
разы
или
допустимый средний ток. Это положение вызвано
тем, что выход из строя диода при превышении тока обусловлен в первую очередь
его нагреванием, а за время короткого импульса (миллисекунды) существенно на¬
даже в десятки раз превышать
греться диод не успевает. Иными словами, диоды могут
выдерживать значительные
продолжались слишком долго. Второе
рассчитан диод, тем медленнее он работает.
перегрузки по прямому току, лишь бы они не
обстоятельство:
чем на больший ток
ГЛАВА 9. Создание мощной копии
213
У силовых диодов время восстановления достигает 8 мкс,
которой
функции,
они еще выполняют свои
выпрямительных
и
рабочая
частота, на
1-1,5 кГц (у простых
килогерц). Кроме того, у
намного больше ток обратной утечки
не превышает
эта граница отодвигается до десятков
выпрямительных и особенно силовых диодов
(который еще и возрастает в десятки раз с повышением
температуры), и при ма¬
нагрузки они просто не будут выполнять свои выпрямительные функции.
Иными словами, выбирать диоды под конкретную задачу следует очень тщательно:
не существует универсальных диодов, одинаково пригодных для работы в любых
лых токах
условиях.
В то же время есть
полупроводниковых диодов, где
тип
главным
тающим параметром становится «бесплатное приложение»
к
рабо¬
односто¬
собственная емкость диода. Это варикапы, полу¬
диоды,
проводниковые
которые используются в качестве конденсаторов
емкости.
Много
лет назад, когда варикапов не было и в поми¬
переменной
ронней проводимости
не,
радиолюбители
-
применяли
плоскостные диоды
-
одновременно подавали
потенциометра
мощью
конденсатора настройки обычные
например, в колебательный контур,
обратное напряжение и меняли его с по¬
вместо
их включали,
на диод
(рис. 9.5). При
диода, так как менялось
этом менялась
собственная
емкость
чем больше
расстояние между «обкладками»
и и-области от
рпогра¬
-
обратное напряжение,
ничной линии (рис. 9.7; 5).
Достаточно велик список профессий
тем сильнее оттягиваются
диода, в которых используется не
его односторонняя проводимость, а прежде всего совсем иные свойства и
процессы. В этом списке, например, открывание диода и пропускание пря¬
мого тока лишь под действием света
определенным
(фотодиод)3, который
образом
меняет свойства того или иного
полупроводникового материала.
излучение света в светодиодах в излучение превращается
часть
энергии прямого тока. Такие светящиеся диоды давно повсеместно
заменили сигнальные лампочки и быстро проникают в область освеще¬
ния. Светоизлучающими диодами также высвечивают цифры в некоторых
приборах (например, электронных часах) для этого используют семи¬
В
этом списке и
-
-
сегментные индикаторы, то есть
семь
диодов-штрихов, разные
тикум
в гл.
приборы,
где конструктивно
их сочетания дают
цифры
от
объединены
0 до 9
(см. Прак¬
16).
Особого типа излучающие диоды
-
основа
полупроводниковых лазеров:
излучение
энергии прямого
тока и
излучателями становятся сами атомы полупроводникового крис¬
талла. Иной механизм
излучения у диодов Ганна, где под действием тока
здесь,
как и в светодиодах,
излучается уже не
рические домены
свет, а
-
3
своего
возникает за счет
радиоволны. Здесь главную роль играют элект¬
рода острова электрического поля в кристалле.
режиме протекания прямого тока (фотогальваническом режиме) фотодиоды включают
редко, это характерно для солнечных батарей; обычный способ использования фотодиода
В
очень
-
ратном включении, когда пропорционально освещенности изменяется ток утечки.
в
об¬
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
214
Уместно вспомнить еще
которого
тоже
диод, в числе основных
туннельный
и
генерирование
колебаний
высокочастотных
-
профессий
здесь благо¬
даря тонким
физическим
шее качество
диода-стабилитрона, позволяющего поддерживать неизмен¬
р-п-переходе (туннельный эффект)
у диода при определенном режиме появляется так называемое отрица¬
тельное сопротивление: диод не отбирает энергию, а как бы отдает ее в ту
цепь, куда включен. Сложные физические процессы определяют важней¬
процессам
ным режим
электрической
напряжения (см. главу 17).
в
цепи при
случайных
изменениях питающего
Односторонняя проводимость полупроводникового диода обнару¬
живается уже в простейших опытах. Нетрудно понять человека, который,
познакомившись со сложным
физическим процессом по его краткому и
14.
упрощенному
Откуда
описанию с
ление индия
действительно создает
проводимость? Что
ются от
И
картинками,
испытывает
некоторые
в
германии
или
а
вообще существует,
этот
устремляются
что есть зоны
р-п-переход,
димости в совершенно однородном по внешнему виду
Процессы,
в
которые происходят
транзисторов
глубоко проникли
к
нему?
разной прово¬
кристаллике?
приборах, конеч¬
полупроводниковых
но же, тщательно исследованы специалистами.
и
оттягива¬
-
при другой полярности
добав¬
кремнии дырочную
при одной полярности напряжения заряды
р-и-перехода,
что он
дов
сомнения.
известно, что все происходит именно так? Как доказать, что
стало возможным только
Более того, создание дио¬
благодаря тому, что физики
в самые тонкие механизмы
взаимодействия атомов,
из¬
структуры вещества, поведения
разных условиях. Сегодня
исследователи полупроводниковых кристаллов могут не только экспери¬
его в
менения
ментально доказать, что добавление индия создает в
германии или крем¬
нии дырочную проводимость. Они могут точно определить количество ды¬
рок или свободных электронов в единице объема, измерить время жизни
свободных зарядов, среднюю скорость
поле.
их
перемещения
в
электрическом
С помощью электронного микроскопа исследователи могут просто
за процессами, которые в нем происхо¬
дят при прямом и обратном включении.
У вас под руками нет, по-видимому, электронного микроскопа и дру¬
гих
приборов, которые помогли бы прямыми опытами и демонстрация¬
ми
проиллюстрировать рассказ о событиях в полупроводниковом диоде.
Но вы все же можете провести эксперимент, который, по крайней мере,
увидеть р-и-переход, проследить
правдоподобность выводов об односторонней проводимости р-пперехода. Причем не мысленный эксперимент, как часто бывало раньше,
а настоящий, «в металле». Для него
нужны батарейка, лампочка и любой
докажет
плоскостной диод. Весь ход эксперимента показан на рис. 9.4; 5. Он безо¬
говорочно подтверждает: диод пропускает ток в одну сторону, его прямое
сопротивление мало,
а
обратное
-
велико.
ГЛАВА 9. Создание мощной копии
15.
215
Транзистор полупроводниковый прибор с двумя р-п-переходами
и тремя зонами разной проводимости, со
структурой р-п-р или п-р-п.
Слово «транзистор» происходит от сокращения термина transresistance (от
слов
«трансфер», в переводе с английского «переносчик», и «резистор»).
-
-
В конце этой
главы мы поясним, с чем именно связано такое название, а
пока несколько слов
Можно сказать,
ковых диода с
об
что
устройстве прибора.
транзистор представляет собой два полупроводни¬
одной общей проводящей зоной (рис. 9.8). В
проводимости этой общей зоны могут быть и два
двумя разными последовательностями проводящих
от типа
ров,
с
(рис. 9.8; 1,2).
Такие транзисторы с разной
называть, транзисторы
пу действия,
типа
зон:
характеристикам
производства р-и-р-транзисторов
транзисто¬
р-п-р
и
п-р-п
или, как их принято
структурой,
разной проводимости, не отличаются
по своим основным
нако технология
зависимости
по
принци¬
и возможностям.
в какое-то
Од¬
время была
удобнее, и тогда они стали основным типом полупроводниковых
усилительных приборов. С того времени транзисторы со структурой р-п-р
проще,
иногда
называют
транзисторами прямой проводимости,
п-р-п-транзисторами обратной проводимости.
Рис. 9.8. Транзисторы
а со
структурой
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
216
Примечание редактора. Биполярные транзисторы типа р-п-р были доминирующим
типом в период господства германия (в 1950-1960-х годах) в нем действительно
такие структуры формировать проще. С приходом на ведущие позиции кремния
в качестве основного типа твердо установилась структура п-р-п. При этом крем¬
-
ниевых р-л-р-транзисторов выпускается меньше, и они в целом несколько хуже
по характеристикам как правило, у р-п-р меньший коэффициент усиления и не¬
-
сколько ниже
рабочие
частоты, чем у п-р-п. Связан этот эффект в кремнии с
подвижностью носителей заряда
меньшей у «дырок» в
разной
p-области
в сравнении с
более подвижными электронами в л-области. Это положение еще
больше упро¬
-
первой массовой
логической серии ТТЛ-логики 74 (отечественные 133 и К155) р-л-р-структуры дол¬
го не поддавались воспроизведению, и сначала все микросхемы базировались на
чилось с появлением микросхем: известно, что в исторически
структурах п-р-п.
Так как у л-р-л-транзисторов коллекторная
(нагрузочная)
цепь подключается к по¬
ложительному выводу источника питания, то доминирование л-р-л-структур при¬
вело к тому, что при однополярном питании стало окончательно принято общий
провод («корпус», «землю»)
на схемах подключать к
новного источника питания. Схемы
отрицательному выводу ос¬
в этом издании по возможности приведены в
соответствие с данным положением.
16.
транзистора эмиттер, коллектор и база; усиливаемый
сигнал подводят к эмиттерному р-п-переходу, усиленный получают в кол¬
Три
зоны
-
лекторной цепи. Средняя зона транзистора называется базой, сокращенное
обозначение «Б». Это название идет с давних времен, если, конечно, здесь
-
применимо
само это слово
транзистор изобретен в 1947 году.
транзисторы, у которых средняя зона
«давний»
-
Тогда существовали
была конструктивным основанием, базой
только точечные
прибора (рис. 9.8; 3).
Сейчас
ни
(рис. 9.8; 4) транзисторов уже не делают, их пол¬
совершенные сначала диффузи¬
а
затем
и
онные,
планарные4 приборы (рис. 9.8; 6), однако названия рабочих
точечных, ни плоскостных
ностью вытеснили
более
технологичные и
зон, в том числе и название
«база»,
остались
без изменений.
С двух сторон к базе примыкают две зоны иной проводимости
эмит¬
«Э»
и
«К»
тер
(собирающий заряды). По
(испускающий заряды) коллектор
-
своим
электрическим характеристикам коллектор и эмиттер в основном
некоторые транзисторы работают, если по ошибке включить
вместо
эмиттер
коллектора. Однако они различаются конструктивно
коллектор делают более массивным и в мощных транзисторах часто под¬
-
одинаковы
-
ключают к
вые
корпусу (он должен выдерживать
значительно
большие
тепло¬
нагрузки).
На рис. 9.8; 1,2
общем
виде показана схема включения транзис¬
тора в усилитель электрических сигналов. Транзистор позволяет практи¬
чески
4
в самом
осуществить систему усиления электрических сигналов,
в
которой
Планарная (эпитаксиально-планарная) технология в настоящее время основная технология
изводства как микросхем, так и отдельных (дискретных) полупроводниковых приборов.
-
про-
ГЛАВА 9. Создание мощной копии
слабый
сигнал меняет
217
(реостата),
этом эмит9.1).
При
(рис.
сопротивление переменного резистора
включенного в цепь источника постоянного тока
терный р-и-переход играет роль привода,
он легко
«перемещает движок
реостата», роль которого играет коллекторная цепь.
Знакомство с полупроводниковым диодом мы закончили эксперимен¬
том, доказывающим его одностороннюю проводимость. Знакомство с
что он может
экспериментов, которые должны подтвердить,
начинаем с
транзистором
быть
использован для
усиления электрических
сигналов.
17. Усилительные возможности транзистора
тейших опытах. Основное
обнаруживаются в прос¬
для этих опытов,
необходимое
оборудование,
-
3,5 В, батарейка на 4,5 В, любой гальванический элемент на
1,5 В, переменный резистор сопротивлением около 1 кОм, постоянный ре¬
лампочка на
зистор 100 Ом и любой транзистор. Как у него расположены выводы эмит¬
тера, базы и коллектора, можно узнать по справочным данным, которые
легко
разыскать
в
интернете.
Примечание редактора. Для
этого эксперимента подойдут отечественные тран¬
зисторы КТ3107 (р-п-р) или КТ3102 (п-р-п), а также импортные ВС-327 (р-п-р) или
ВС-337 (п-р-п). Много потребляющая лампочка накаливания на 3,5 В в этих экс¬
периментах может быть заменена на любой маломощный светодиод с ограничи¬
тельным резистором 220-620 Ом (лучше желтый, зеленый или синий). Не забудьте,
что для светодиода, в отличие от лампочки, нужно
чения. Чтобы не возиться с этим, в
цветный двухвыводной
подобных
тип светодиода,
соблюдать полярность подклю¬
опытах
который при
удобно
использовать двух¬
наличии тока в цепи
будет
светиться в любом подключении,только разным цветом в зависимости от направ¬
ления тока.
батарейке 1,5 В (рис. 9.8; 11)
красный
(в зависимости оттого, на¬
сколько батарейка новая), поэтому лучше выбирать других цветов
они гаранти¬
не
В
таком
светиться
на
рованно при
напряжении
будут. эксперименте
рис. 9.8; 12
для современных транзисторов с большим коэффициентом передачи тока
(Р, см. гл. 10; 3, рис. 10.1; 7) переменного резистора с максимальным сопротивлени¬
ем 1 кОм может не хватить
лампочка (светодиод) будет светиться одинаково при
любом положении потенциометра. Лучше взять заведомо большее переменное
сопротивление: 20-30 кОм и более (в зависимости от транзистора). Не забывайте
про ограничительный резистор Rorp (100 Ом) его отсутствие может привести к
выгоранию перехода эмиттер-база.
В опыте с подключением лампочки непосредственно к
светодиод может в принципе тускло светиться
-
-
-
Первая серия
омметра
опытов
(рис. 9.8; 7, 8;
вполне можно включить
ся лампочка, тем, значит,
ление)
ре
больше
-
предварительная,
есть два
зоной п.
р-и-перехода
в мысленном
лампочку
и
эксперименте
батарейку:
чем
ярче
ток и, следовательно, меньше
она лишь
и его можно
вместо
светит¬
сопротив¬
что в
р-и-р-транзистоподтверждает,
рассматривать как два диода с общей
Транзистор типа р-п-р мы выбрали для
определенности, но мож¬
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
218
но взять
опытов
и
транзистор п-р-п (сменив полярность
при
Вторая
батарей),
результат
этом не изменится.
опытов начинается с того, что
серия
источнику
напряжением 1,5 В
горит. Однако напряжение 1,5 В можно
ключаем к
не
всех
с
и
лампочку
3,5 В
на
убеждаемся,
мы под¬
что лампочка
использовать для зажигания
управлять этим процессом через транзистор (рис. 9.8; 11).
Здесь энергию для свечения лампочки дает коллекторная батарея 4,5 В, а на¬
лампочки, если
пряжение 1,5 В
от элемента лишь подает
ограничивает базовый ток;
от мысленных
напряжение
команду «Светить!»
(Rorp
=
100 Ом
резистор нужен во всех случаях, когда мы
экспериментов переходим к опытам «в металле» и при этом
базу подаем
на
Следующий
этот
от отдельной
шаг: плавное изменение
батареи).
управляющего напряжения
с по¬
ток в
переменного резистора (рис. 9.8; 12)
коллекторной цепи
можно судить по яркости свечения лампочки)
следует за всеми
-
мощью
(о
нем
напряжения. Значит, если подать на вход транзис¬
тора, то есть подвести к эмиттерному р-п-переходу, реальный электричес¬
кий сигнал, то в коллекторной цепи появится его мощная копия.
изменениями входного
О других опытах по усилению с помощью транзистора см.
главе
тях
10. Убедившись
транзистора,
на опыте в замечательных
шагнем дальше,
Практикум в
усилительных способнос¬
попробуем разобраться
в том, «как это
делается».
18.
Открытый эмиттерный р-п-переход «впрыскивает» заряды в кол¬
лекторный р-п-переход и тем самым меняет его сопротивление, управ¬
ляет коллекторным током. Прежде всего
обратите внимание на то, в
какой полярности поданы напряжения на эмиттерный и коллекторный
р-и-переходы в р-и-р-транзисторе. Коллекторная батарея подключена «ми¬
нусом» к коллектору и «плюсом» к базе (в наших схемах «плюс» соединен
базой через эмиттер, но бывают схемы, где они соединяются непосред¬
ственно), и поэтому коллекторный переход, по сути дела, представляет со¬
бой диод, включенный в обратном направлении, сопротивление его очень
с
велико
(см. рис. 10.1;
6
в главе
10).
А к эмиттерному р-и-переходу напряжение подведено в такой полярнос¬
ти,
что
переход открыт
и
участок
база-эмиттер ведет себя как диод, вклю¬
ченный в прямом направлении: сопротивление его мало, через переход
идет
прямой ток. Все то же самое будет и при подключении и-р-и-транзис-
тора с одновременным «переворотом» полярности питающих батареек.
Если бы коллекторный и эмиттерный р-п-переходы были изолирова¬
ны один от
другого,
то на этом описание
р-и-р-транзисторе у двух диодов общая
действие
новая сила
довольно
часто.
быстро
событий
зона и, и именно в
диффузия. Диффузию
Например, когда в стакан воды
окрашивает
-
всю
нам
бы. Но
в
ней вступает
в
и закончилось
приходится наблюдать
попадает капля чернил и
воду. Или когда случайно проливается
на землю
ГЛАВА 9. Создание мощной копии
несколько
граммов бензина
распространяется
ние вещества в
среде,
бензиновый
быстро
работает диффузия «распростране¬
обусловленное неодинаковостью его концентрации
и мы
воздухе. Все
в
219
чувствуем,
как
это
запах
-
за счет энергии теплового движения».
Диффузия
Свободные
играет
эмиттерный
важную роль в работе транзистора.
заряды
дырки, которые приносит в базу
исключительно
положительные
-
в
результате диффузии быстро распространяются по
этом,
естественно, попадают в область коллекторного
при
И
вот
р-и-перехода.
тут-то и происходит самое главное «минус» коллек¬
всей
базе
ток,
-
и
-
торной батареи
транзисторе
хватает положительные
появляется
заряды
себе,
и сильно тянет их к
в
коллекторный ток. Попавшие в закрытый коллек¬
торный переход свободные заряды резко уменьшают его сопротивление,
и
коллекторная цепь, до этого разорванная большим сопротивлением
закрытого р-и-перехода,
коллекторная
батарея,
начинает
проводить
ток: его всегда готова создать
были бы свободные заряды. И поэтому,
няется ток в
если ме¬
то меняется и ток в
эмиттерном переходе,
коллекторном пе¬
реходе, для которого эмиттерный переход просто-напросто дает сырье,
поставляет
Итак,
свободные заряды.
мы нашли
нужную пару
независимых и в то же
время «пере¬
физических процессов: ток в цепи эмиттер-база и кол¬
лекторный ток. Образно говоря, мы нашли «заслонку», которую искали
(гл. 9; 4), нашли способ менять сопротивление реостата (коллекторная
цепь) с помощью электрического сигнала (напряжение на участке базаэмиттер). Но сможет ли эта пара процессов, сможет ли наш реостат,
управляемый электрическим сигналом, давать усиление? Будет ли изме¬
секающихся»
нение мощности в
коллекторной
на создание тока в цепи
вопрос
-
усилитель
в нескольких
или
цепи
эмиттер-база?
ослабитель?
-
больше,
Ответ
чем
затраты мощности
на этот
был получен
принципиальный
нами еще «до того»,
простейших экспериментах (рис. 9.8; 11, 12),
доказавших:
с помощью транзистора можно усиливать электрические сигналы. И,
вдохновившись этим приятным «транзистор
да!», попробуем в деталях
-
конкретно делает транзистор
получает и отдает.
выяснить, что
ко чего
в
усилителе сигналов,
сколь¬
Практикум. Исследование
вольт-амперной характеристики
диодов
Для
этого
и
светодиодов
эксперимента понадобится:
выпрямительные диоды, например
по
1 шт.;
из
серии 1N4001...1N4007
и
др.,
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
220
несколько
-
-
-
-
резисторов,
в том числе мощные:
10-12 Ом, мощность не менее 10-15 Вт, 2 шт.;
82 Ом, 120 Ом, 180 Ом, мощность не менее 2 Вт,
по
1 шт.;
360, 560 Ом, мощность не менее 0,5 Вт, 1 шт.;
1, 5,6, 10, 18-20, 30, 51, 75, 100, 220, 430 кОм, 1 МОм
0,25 Вт,
по
-
обычные
1 шт.;
светодиоды разных типов: красный, белый яркий (наподобие тех,
что устанавливаются в карманные фонарики), синий, фиолетовый
или
ультрафиолетовый и пр.;
стабилизированный
источник питания
Источник
при
питания
меньшем
светодиоде
по
общей
не
менее,
чем
на
10-12 В,
напряжении прямое падение напряжения
будет
подключаем к
рекомендуется
12 В, 2 А.
слишком
источнику
сильно влиять
питания
через резистор
схеме, показанной на рис.
Диод
на ток.
в
так как
на диоде или
или
светодиод
прямом направлении,
9.9; 2. К минусу
источника питания
у
обычного диода подключается вывод со стороны кольца на корпусе (ка¬
более короткий; у круглых светодиодов катод часто
тод), у светодиода
обозначается также скосом на корпусе (см. рис. 9.9; 1).
-
Рис. 9.9. Исследование вольт-амперной характеристики
диодов и светодиодов
ГЛАВА 9. Создание мощной копии
221
Установив диод на макетную плату, параллельно ему подключаем
режиме измерения напряжения и, соединяя
в
мультиметр
положитель¬
(анод) диода с плюсом источника питания через различные
резисторы, каждый раз отмечаем значение прямого падения напряже¬
ния
Если источник питания нестабилизированный, то нужно также
ный вывод
Unp.
каждый раз
ся
при
по
напряжения 11ист оно может менять¬
нагрузки. Ток через диод 1пр при этом рассчитывается
отмечать значение его
изменении
=
формуле:
1пр (liHCr
резистора R
в каждом
максимально
Unp) / R.
-
Минимальное
выбирается
случае
допустимый
-
ток
1п
тах
значение
сопротивления
так, чтобы не был превышен
через диод
(до
1-2
А)
или светодиод
(до 30 мА).
Теоретическая вольт-амперная характеристика кремниевого диода (кри¬
вая зависимости
напряжения на диоде от тока) показана на рис. 9.9; 3. На
практике она может довольно сильно отличаться от теоретической, и, что
самое главное, прямое падение напряжения на диодах различных типов
будет существенно отличаться. В таблицах далее и на графиках рис. 9.9; 4,5
показаны
результаты измерений
Unp для некоторых типов диодов и свето¬
диодов.
Как мы видим из этих результатов, характеристика выпрямительных
диодов довольно круто загибается вверх, и напряжение
при обычных
Un
прямых
ных диодов эти
чуть левее,
А
примерно равным 0,7-0,8 В (для маломощ¬
токах можно считать
вот
и
Unp
для
будут аналогичны, только кривые будут лежать
примерно 0,6-0,7 Впроверьте!).
результаты
составит
-
светодиодов
сильнее меняется
при
напряжения существенно больше,
падение
изменении тока и
больше разнится
от типа к
типу
(рис. 9.9; 5). Для красных светодиодов (длина волны 700 нм) напряжение Unp
минимально и лежит в
длины
волны,
(длина
волны
тодиодов,
от
2,5
до
и
для
400-430
пределах 1,7-2,2 В;
оно повышается с понижением
синих-фиолетовых-ультрафиолетовых
нм)
используемых
может достигать
в источниках света,
3,3 В.
светодиодов
3,5-4 В. Для белых ярких
Unp
может лежать в
све¬
пределах
Причем здесь представлен результат для маломощного осветительно¬
го светодиода вроде тех, что используются для карманных
а
фонариков,
в светодиодных лампах стоят
до
куда более мощные
0,7-0,8 А. Этим объясняется
вынуждены рассеивать мощные
рез
с
допустимыми
значительное количество тепла,
осветительные диоды:
при
токами
которое
таких токах че¬
них выделяющаяся тепловая мощность составит не менее
2-3 В. Это
намного меньше, чем выделяет лампочка накаливания с такой же силой
света
(примерно
достаточно,
15-20
чтобы
Вт),
сильно
мощных сигнальных,
но для
мощных осветительных светодиодов
ограничить
которые
служить практически вечно).
в
их
срок
службы (в отличие от мало¬
правильном режиме эксплуатации могут
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
222
Выпрямительный диод 1N4005
Сопротивление
резистора R
Напряжение
на диоде
(Упр, В
Ток через диод
/ мА
,
пр
20 Ом
0,85
537
82 Ом
0,80
137
120 Ом
0,79
93
180 Ом
0,77
62
560 Ом
0,73
20,1
1 кОм
0,71
11,3
5,6 кОм
0,64
2,0
10 кОм
0,62
1,1
20 кОм
0,60
0,57
30 кОм
0,58
0,38
51 кОм
0,56
0,22
75 кОм
0,54
0,153
100 кОм
0,52
0,115
220 кОм
0,49
0,052
430 кОм
0,45
0,027
1 МОм
0,43
0,0116
Выпрямительный диод КД258Г
Напряжение на
В
диоде
Ток через диод
/ мА
Ом
0,89
1043
20 Ом
0,81
537
82 Ом
0,74
134
150 Ом
0,7
74
330 Ом
0,66
33,8
560 Ом
0,63
20,3
1 кОм
0,60
11,5
5,6 кОм
0,53
2,0
10 кОм
0,51
1,16
30 кОм
0,47
0,4
100 кОм
0,43
0,12
Сопротивление
резистора R
10
1/пр,
пр ,
ГЛАВА 9. Создание мощной копии
223
Светодиод красный GNL-5013HT
Сопротивление
резистора R
Напряжение
диоде
на
1/пр, В
Ток через диод
мА
/по,
пр
360 Ом
2,2
27
560 Ом
2,03
17,8
1 кОм
1,9
10
5,6 кОм
1,7
1,85
18 кОм
1,65
0,58
Светодиод белый яркий BL-L101UWC
Сопротивление
резистора R
Напряжение на
В
диоде
Ток через диод
/ мА
360 Ом
3,2
24,5
560 Ом
3,0
16
1 кОм
2,85
9,2
5,6 кОм
2,66
1,7
20 кОм
2,6
0,47
51 кОм
2,55
0,18
100 кОм
2,54
0,09
1/пр,
пр
,
Светодиод ультрафиолетовый BL-L522VC
Сопротивление
резистора R
Напряжение на
диоде 1/пр, В
Ток через диод
мА
/по,
пр
360 Ом
4,0
22
560 Ом
3,8
14,7
1 кОм
3,64
8,44
5,6 кОм
3,3
1,57
10 кОм
3,22
0,89
18 кОм
3,15
0,5
ГЛАВА 10
От усиления
к
усилителю
Мощность усиленного сигнала выделяется
щих представлений об усилителях, от усилителя
1.
вый
в
нагрузке. Чтобы от об¬
принципе, сделать пер¬
конкретным усилительным схемам, нужно
шаг к
проходит
в
коллекторный
включить в цепь, где
ток, нагрузку. Именно нагрузка
отбирает у меня¬
коллекторного тока мощность, отбирает мощность у «мощной
копии» сигнала, превращает ее в звук, в свет на экране, в какое-либо дейст¬
вие в системе автоматического управления или, наконец, просто в более
ющегося
мощный
электрический
ботке. Соответственно,
воритель, светодиод,
сигнал,
в качестве
который подвергается дальнейшей обра¬
быть
включен
громкого¬
устройство электронного
автомата.
нагрузки
исполнительное
Но для электрических цепей усилителя
может
все они не
более
чем
потребители
энергии, такие же, как резисторы. И, интересуясь пока только «электриче¬
скими событиями» в
транзисторном усилителе, будем считать его нагруз¬
кой обычный резистор Rh (рис. 10.1; 6). Тем более что очень часто, когда от
усилителя
но
требуется
резистор
просто более мощный электрический сигнал,
коллекторную цепь.
включен в
Рис. 10.1. Свойства транзистора
имен¬
ГЛАВА 10. От усиления
к
225
усилителю
2. Усиление по мощности складывается из усиления по току и усиления
по напряжению. Что должен сделать усилитель, усиливая слабый сигнал?
Увеличить ток? Увеличить
мощность
Если
сигнала.
или только током, то не
напряжение?
можно
Усилитель должен увеличить
было бы обойтись
только
нужен был бы никакой усилитель,
напряжением
все
прекрасно
сделал бы обычный
сиг¬
требуется
как,
нала
трансформатор. Усилитель применяют, когда от
большая мощность, когда у него просто не хватает сил,
примере с микрофоном и громкоговорителем (гл. 8; 16).
Мощность произведение тока на напряжение, P=U I (гл. 4; 11). А зна¬
чит, можно разными способами увеличивать мощность, менять один из
сомножителей
ток I или
напряжение U или оба вместе.
На рис. 10.1 показано несколько примеров того, что может произойти с
скажем, в
-
-
-
мощностью
вателе
-
он
электрического
изображен
сигнала в
в виде
некотором условном
квадрата.
Цифры
в
его
преобразо¬
примерах подобраны так,
чтобы без громоздких вычислений можно было уловить суть дела.
пример
трансформатору подтверждает,
сигнала1. Мощность могут повысить разные
относится к
вает мощность
и
что он не
схемы
Первый
увеличи¬
транзис¬
по-разному. Схема с общей базой
увеличивая напряжение сигнала (об этом при¬
нято
так: схема дает
говорить
усиление по напряжению), схема с общим
за
счет
коллектором (ОК)
увеличения тока (усиление по току), а схема
с общим
эмиттером (ОЭ) увеличивая и ток и напряжение, причем, как
правило, в различное число раз. Нужно, по-видимому, пояснить, что тер¬
торных
(ОБ)
усилителей,
но делают они это
повышает мощность,
-
-
«общая база» ОБ, «общий коллектор» ОК и «общий эмиттер» ОЭ
отражают особенности включения самого транзистора в схему усилителя.
Об этих особенностях речь впереди (см. гл. 12; 8-16), а пока знакомство
мины
транзисторным усилителем продолжим на примере самой распростра¬
ненной его схемы с общим эмиттером ОЭ, которая, кстати, рассматрива¬
с
лась и во всех предыдущих примерах
3. Усилительные
(рис. 9.8,
рис. 10.1; 6).
транзистора отражает его коэффи¬
циент усиления по току ((3). То, что транзистор дает усиление по току,
связано с процессами,
которые происходят в базе. Все попавшие сюда из
можно
эмиттера заряды
разделить на две части те, что проходят в кол¬
и в итоге включаются в
лекторный переход
коллекторный ток, и те заряды,
которые в коллекторный переход не попадают, а циркулируют во входной
цепи, поддавшись притягивающему действию напряжения на базе.
возможности
-
Не забывайте
«минус»,
и он
эмиттерный переход открыт: у р-я-р-транзистора на базе
старается забрать себе все свободные положительные заря¬
-
ды, все дырки, которые приходят из эмиттера. Это нормальное, законное
бы оторвать
цепи циркулировали бы вообще
действие базы;
1
Даже
несколько
если
уменьшает,
т. к.
транзистора коллектор, то в базовой
все заряды, вышедшие из
эмиттера. Одот
трансформаторов без потерь не существует.
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
226
нако же коллектор существует,
отклоняется от своего
зарядов
цепь, попадает
Введем
нормального,
обозначений. Все заряды, которые
10.2; 1),
эмиттерный
1э (рис.
коллекторный ток Jk,
ток
входной
Если распутать
ет
пути
во
часть
входную
вышли из эмитте¬
правами,
сумела
своим
коллекторный
захватить
«минусом»,
база,
вос¬
замыкают¬
цепи и создают базовый ток I
Рис. 10.2. Усилительные
она
тонкой базе
те, что попали в
а те, что
создают
пользовавшись своими законными
ся по
в
законного
коллекторный переход.
несколько
ра, создают
переход,
в
диффузии
и за счет
всю
функции транзистора
цепочку событий
будет выглядеть так: усиливаемый
между базой
и
эмиттером; слабый
эмиттерном переходе;
часть этого тока
во
входной цепи усилителя,
сигнал
сигнал
-
1к
-
U6
-
уходит
в
Ц.
действу¬
прямой ток 1э в
напряжение
создает
то
-
коллекторную цепь,
будет использована для создания мощной копии сигнала. Когда меня¬
ется
а вместе с ним
напряжение U& то меняется
1к, это и означает, что
слабый сигнал Ц. управляет мощным потоком энергии 7к. Часть общего
тока I замыкается во входной цепи
это базовый ток
16, он, по сути дела,
она
-
и определяет ту энергию, которую должен отдавать транзистору источник
слабого усиливаемого сигнала.
Отсюда
ig,
тем
предельно
простой и исключительно важный вывод: чем боль¬
1э приходится на долю 1к, то есть чем больше 1к, по сравнению
большее усиление по току дает транзистор. Или, иными словами,
шая часть
с
-
ГЛАВА 10. От усиления
более
несколько
торный
ток
цепи ток
ig,
жившихся
1к
к
глубоко
отражающими суть дела:
создается сигналом,
тем выше
227
усилителю
усиление
по
который
больший
чем
току. И наконец, третье
взаимоотношений между
коллек¬
создает при этом во входной
описание сло¬
транзистора: отношение 1к
току» (3, и чем выше этот коэф¬
токами
«коэффициент усиления
1б
фициент р, тем лучше транзистор усиливает ток (рис. 10.1; 7, 8).
по
называется
к
из
эмиттера, поровну делились бы между
был бы равен единице и никакого усиления по
Если бы заряды, вышедшие
7к
и
1&
току
то
не
коэффициент (3
было бы. Если бы
единицы, и
1б
оказался
вместо
больше,
транзистор
вался, нужно, чтобы (3 было больше единицы,
усиление
ров
тока.
лежит в
пределах
по названию
можно
Коэффициент усиления
от
чем
1к,
(3 был бы
то
меньше
усиления ослаблял бы ток. Чтобы ток усили¬
по
и чем оно
больше, тем
току для реальных транзисто¬
10-15 до 250-300. Узнать
коэффициент р
транзистора, пользуясь справочником (см. далее табл.
измерить
Примечание
его с помощью
можно
10.1),
а
простейших приборов.
редактора. Коэффициент усиления
фициент передачи
выше
по току
(полное
тока в режиме малого сигнала в схеме с
название
«коэф¬
общим эмиттером»)
иногда обозначают греческой буквой р, но в справочниках чаще всего используют
странно выглядящее для непосвященного обозначение hlu. При этом коэффици¬
ент передачи тока «в режиме большого сигнала» иногда обозначают большой бук¬
вой В, на практике он употребляется для мощных транзисторов и в справочниках
обозначается как hm (с большой буквой «Э» в конце). Разница между ними (см. [1])
для практических нужд несущественна, и ей можно
употребляем букву (В. Объяснение
пренебречь, поэтому мы
везде
этим странным обозначениям читатель может
требуется: достаточно обо¬
биполярных транзисторов малой
найти во множестве источников, но для практики оно не
значение просто запомнить. Для современных
мощности
р (Л21э) обычно
не менее
200; для старых моделей, находящих примене¬
КТ3102,- не менее 100; верхняя граница
ние и сегодня, таких как отечественные
Поэтому обычно измерять его не требуется: с достаточным
коэффициент равным 50-100, чего для практических
расчетов достаточно. Для транзисторов средней и большой мощности (В (/?21э) обыч¬
но гораздо меньше (см. табл. 10.1).
эмиттерном р-и-переходе от приложенного к нему напряже¬
вместе с ней зависимость базового тока
1б и коллекторного 1к от
в
(рис. 10.2; 2)
повторяют уже знакомую нам
вольт-амперную характеристику диода (рис. 9.5). Строго говоря, только
ток
1э можно считать истинным током через диод, а токи 16и1к- это лишь
этого
напряжения
в точности
Но части, которые
следуют за все¬
Поэтому вольт-амперные характеристики для
и
токов
почти в точности повторяют вольт-амперную характеристику
16 1к
для тока 1^ и если их построить в определенных масштабах (одинаковым
его ответвления, его части.
ми изменениями целого.
в точности
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
228
отрезкам на
все
вертикальной
три характеристики
На
основе последних
оси
будут
соответствуют разные
почти неотличимы
двух характеристик
она покажет, как зависит
коллекторный
значения
токов),
(рис. 10.2; 2).
построить еще одну
базового (рис. 10.2; 5), то
можно
ток от
то
-
котором отражен выходной сигнал, от тока 1& в котором от¬
ражен входной сигнал. Эта характеристика пойдет тем круче, чем больше
коэффициент усиления по току (В одному и тому же изменению базового
1к,
есть ток
в
-
(входного) тока при разных р будут соответствовать разные изменения кол¬
лекторного (выходного)
тока.
Нетрудно
построить вольт-амперную характеристику и для коллектор¬
р-и-перехода. Нужно только помнить, что на коллектор подается «ми¬
нус» (в р-и-р-транзисторе), что коллекторный переход работает в режиме
диода, включенного в обратном направлении, запертого. Вольт-амперная
ного
характеристика коллекторной цепи (рис. 10.2; 4) это есть обратная ветвь
вольт-амперной характеристики диода (рис. 9.5), для удобства лишь пере¬
-
вернутая «вверх
вых
-
ногами».
На этой характеристике целое семейство кри¬
они относятся к нескольким значениям тока в
ходе.
Вспомните:
чем
больше открыт транзистор,
эмиттерном р-н-пере¬
то есть чем
больше напря¬
и, следовательно, чем боль¬
участку эмиттер-база,
1б идет в этой цепи, тем больше и коллекторный ток 1к. На характе¬
ристиках коллекторной цепи это влияние 16 на 1э отражено именно в том,
жение, подведенное
к
ший ток
что
характеристик
этих много, каждая
более
высокая
кривая соответствует
большему входному току транзистора. Семейство коллекторных характе¬
ристик не только говорит о том, как ведет себя выходная цепь транзистора
сама по
себе
(как 1к
зависит от
liK), но и как влияет на ее поведение входная
цепь.
Примечание редактора. Во
избежание недоумений читателя необходимы поясне¬
ния по поводу часто и далее упоминаемого автором напряжения база-эмиттер как
управляющего током коллектора. В теоретических источниках [1-4] неоднократно
подчеркивается, что напряжение эмиттер-база не может выйти за пределы прямо¬
го падения напряжения на р-п-переходе (0,6-0,7 В),так как базовый переход пред¬
ставляет собой диод, включенный в прямом направлении. В этом легко убедиться и
на практике, просто померив напряжение база-эмиттер на правильно включенном
открытом транзисторе (например, по схеме на рис. 10.13; 1 при верхнем положе¬
нии переключателя К1). Если вы попытаетесь подать на базу в таком включении
напряжение, например, 2 В от достаточно мощного источника, то базовый переход
просто выгорит; если ток каким-то образом ограничить (например, резистором, как
на рис. 10.3; 5 или том же рис. 10.13; 1),то напряжение установится все равно на
уровне 0,6-0,7 В. О каком же управлении коллекторным током с помощью напря¬
жения на базе можно говорить?
В теории действительно утверждается, что напряжение между базой
ром
ибъ
задает
коллекторный
ток
/к (т.
н. модель
Эберса-Молла,
см.
и эмитте¬
[1, 3]). Только
ГЛАВА 10. От усиления к усилителю
величина
229
при этом измеряется милливольтами
(Убэ
и
при практически значимых
0,4-0,7 В (для сравнения см. вольт-ам/к
на
диода,
перную характеристику
рис. 9.9; 4). К тому же это напряжение
например,
зависит от температуры (падает примерно на 2 мВ на каждый градус повышения
токах
не выходит за пределы значений
температуры, соответственно, меняется и
но задать его
величину
/к), потому даже если
(см. также «Примечание редактора»
вы не получите
вы исхитритесь точ¬
стабильного усиления
разделу 21 этой главы). Ис¬
в таком узком диапазоне, никакого
к
тинной задающей величиной является ток базы /6, которым манипулировать гораз¬
до проще, и именно с его помощью задается режим усиления транзистора. С учетом
этих замечаний следует рассматривать примеры усилительных схем автора в этой
последующих главах. Подробнее вопрос правильного построения усилительного
каскада на транзисторе разбирается в Практикуме в конце данной главы.
и
Что же касается собственного поведения коллекторного перехода, то оно
всегда одинаково
ный
ток
-
с
увеличением напряжения
1к сначала быстро нарастает,
заряды, которые база впрыснула
в
коллекторный
в
на
коллекторе 1Г коллектор¬
а потом почти не меняется: почти все
коллекторный переход, уже включились
ток, и дальше он расти просто не может. Нет материала, нет
резерва в армии движущихся зарядов.
соб увеличить
на
ток
7к:
Теперь существует только один спо¬
базовый
ток
нужно увеличить
16 и тем самым перейти
следующую ступень
в
семействе коллекторных характеристик.
5. Во избежание искажений нужно создать в базовой цепи
некоторый на¬
Пристыковав к одной из входных вольт-амперных характеристик транзистора (рис. 10.2; 2) график переменного на¬
пряжения, которое нужно усилить, график слабого усиливаемого сигнала,
можно
получить график его мощной копии, график изменения коллек¬
торного тока. Первая же попытка выполнить такую операцию сталкива¬
чальный ток
-
ток
смещения.
ет нас с
чрезвычайно неприятным явлением, которого, между прочим,
следовало ожидать: под действием переменного напряжения во входной
цепи транзистора идет не переменный, а пульсирующий ток (рис. 10.3; 1),
так же, как шел
пульсирующий
ток в цепи
(рис. 9.6). И поэтому в процессе усиления
слабый сигнал, что, мягко говоря, весьма
анализа
сигналом
же
нужно подвести еще некоторое
ток смещения.
некоторый
расчетом, чтобы
неузнаваемости исказим
нежелательно. Без
подробного
предложим верный способ борьбы с такими
входной цепи транзистора вместе с усиливаемым
обстановки сразу
искажениями сигнала: к
полупроводникового диода
мы до
И
подобрать
сигнал на входе
постоянное
напряжение, создать
этот ток смещения
транзистора,
ходил опасную границу допустимого прямого
с
нужно
одной стороны,
тока
базы,
а с
с таким
не
пере¬
другой
-
не
область запирающих напряжений, в область «минуса» на базе
и-р-и-транзистора (рис. 10.3; 2). Устанавливая начальное смещение, очень
попадал в
часто
приходится поглядывать
тоже нельзя превышать.
и на
допустимый коллекторный
ток, его
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
230
Рис. 10.3. Смещение рабочей
точки
транзистора
Смещение на базу легко подать от коллекторной батареи. Сущест¬
вуют разные способы введения в базовую цепь постоянного тока смеще¬
ния
1см. Можно для этого использовать отдельную батарею (рис. 10.3; 3),
6.
а можно подать на
базу необходимое
постоянное
напряжение
торной батареи. Чтобы открыть эмиттерный переход,
но
эмиттера
постоянный
ное
базе
от коллек¬
относитель¬
п-р-и-транзисторах должен быть «плюс» (чтобы появился
ток
1сы между базой и эмиттером, должно появиться постоян¬
в
напряжение
тельно
на
эмиттера
UcJ.
-
Но коллекторная
этот «плюс» как
раз
батарея тоже дает «плюс» относи¬
и подается на
если можно так сказать, имеет
торное напряжение,
чтобы по совместительству
смещения на
базу.
коллектор. Коллек¬
удачную полярность,
использовать его для подачи положительного
ГЛАВА 10. От усиления
Можно
торый
в
к
попробовать
нужное
231
усилителю
число
(рис. 10.3; 4),
сделать это с помощью делителя
раз уменьшает напряжение
ется несколько вольт, а смещение на
базе
-
на
коллектор пода¬
составляет доли вольта.
надежный способ
ко¬
Более
подачи смещения
простой
«минус» попадает
базу
через гасящий резистор R6 (рис. 10.3; 5). Ток базы, проходя по этому резис¬
тору, создает на нем значительное падение напряжения, и на базе остает¬
ся малая часть
коллекторного напряжения. Чем меньше сопротивление
и
гасящего резистора
теряется
на нем, тем
R^
тем
(транзистор открыт),
меньшая часть
больше
но сказать и иначе: входное
на
-
отпирающий
коллекторного напряжения
базе. Об этом мож¬
«плюс» на
сопротивление эмиттерного перехода
а последовательно с ним включено
R6
со
мало
сравнитель¬
большим сопротивлением. И поэтому именно R6 определяет ток в цепи
(рис. 4.5): чем меньше R& тем больше этот ток, который для транзистора
но
служит начальным током смещения.
Точно
величину начального смещения, можно
подобрав
установить такой режим транзистора, при котором,
по
будут
«отрезаться» куски сигнала и не будет связанных
нелинейных искажений. Однако же неизбежной платой
сигнал станет
начальный
ной цепи
когда
-
попробовать
крайней мере, не
с этим
за
некоторый напрасный расход энергии батареи,
ток смещения
ток покоя
сигнала нет
1пок
постоянный ток
1^,
будут потреблять
а вместе с ним
-
энергию даже
Меняющийся коллекторный
напряжение.
ставляющей
току
покоя
Коллекторный
ток
создает
на
в частности
коллектор¬
в том
случае,
Ток
jГк,
переменной
которая при отсутствии
покоя появился в
действием постоянного смещения на базе
Ucu,
а
сигнала
нагрузке меняющееся
ток, по сути дела, есть сумма
постоянной
1к_
1пок (рис. 10.4).
и
в
(«молчание перед микрофоном»; рис. 10.4).
Рис. 10.4. Включение транзистора для усиления переменного
7.
огромных
неискаженный
сигнала
коллекторной
переменная
со¬
равна
цепи под
составляю¬
щая
Ц^.. В случае необхо¬
димости переменную составляющую коллекторного тока, точнее часть ее,
-
под действием орудующего на базе сигнала
можно отделить, ответвить в
(гл. 6; 17)
и
получить
таким
сторону с помощью простейшего RC-фильтра
образом усиленный
сигнал
Ивых в чистом виде.
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
232
Но это все
торный
ток
7,
потом, а пока придется признать, что если коллек¬
сумма постоянной и переменной составляющих, то и
будет
есть
напряжение на нагрузке
янного и
UH тоже
можно
переменного напряжений:
UH
=
по пятам
как
сумму посто¬
liH_ UH_. Напряжение на нагрузке
коллекторного тока: ток увеличи¬
рассматривать
+
следует за всеми изменениями
вается
и оно
растет, ток уменьшается и оно падает. И одновременно с
изменением напряжения на нагрузке меняется и напряжение
UK на самом
и
точнее
эмиттером.
коллекторе,
между коллектором
-
8.
При
-
включенной нагрузке в момент наибольшего коллекторного то¬
напряжение на коллекторе минимально. Все напряжение питания Unm
распределяется между нагрузкой RH и самим транзистором. И чем боль¬
шая часть этого напряжения остается на нагрузке, тем меньше достается
коллектору. Поэтому при максимальном коллекторном токе, при кото¬
ка
ром напряжение на нагрузке самое большое, на коллекторе остается ми¬
нимальное
напряжение. Об этом можно сказать еще и так: сопротивление
нагрузки RH и сопротивление коллекторной цепи транзистора Ккэ (это в
основном
сопротивление коллекторного р-и-перехода) образуют делитель
напряжения (гл. 4; 10), на котором распределяется все напряжение пита¬
ния
Ипит. Усиливаемый сигнал, действуя с командного пункта, с базы, меня¬
сопротивление коллекторного р-и-перехода, а значит, меняет соотноше¬
ние сопротивлений в делителе
RH / RK3 меняет распределение напряжений
на нем. В сумме эти напряжения всегда равны
Ипит, поэтому если умень¬
и вместе с ним
то
шается сопротивление
одновременно на столько
iiK,
Rкэ
же вольт
возрастает UH.
ет
Напряжения UH и Ик меняются противофазно:
когда напряжение на на¬
грузке растет, напряжение на коллекторе падает, и
наименьшее
торному току соответствует
Вспомним (в который раз!),
наибольшему коллек¬
коллекторное напряжение.
что мощность
-
это
произведение
напряжение,
на
нагрузке транзистора
лителя
Рн_
=
UH_. Добиваясь
большой выходной мощности, мы,
влиять на
от
тока на
сигнала
и отсюда сделаем вывод, что мощность
усиленного
транзисторного уси¬
к сожалению, никак не можем
переменную составляющую коллекторного
тока
она зависит
раз базовый ток
А
вот второй сомножитель выходной мощ¬
усиливается в транзисторе (Р).
ности
переменное напряжение на нагрузке UH_ целиком в наших руках.
от того, что дает источник сигнала, и от того, во сколько
-
-
Человек, который всегда носит с собой закон Ома, пользуясь формулой
I R, сумеет повысить UH_ простейшим способом нужно лишь увели¬
чить сопротивление нагрузки
RH. Но, конечно, делать это, как и вообще
U
=
-
все на свете, можно лишь до
2
А именно
-
определенного
предела2.
Пытаясь выяснить,
до нарушения условия нахождения постоянного напряжения коллектора
(рабочей точ¬
напряжения смещения) в пределах линейного участка характеристик (см. рис. 10.3; 6
далее). Более подробные пояснения см. в разделе 22 этой главы.
ки,
и
рис. 10.5
ГЛАВА 10. От усиления к усилителю
233
что именно и в какой степени ограничивает сопротивление нагрузки, мы
область конструирования и налаживания практических схем
транзисторных усилителей. Но прежде, чем сделать первый шаг в эту
входим
в
огромную
зисторов
и
и
интересную область,
некоторых
их
несколько слов
об
основных типах
тран¬
параметрах.
9. Важные параметры транзисторов:
допустимые токи, напряжения,
мощности, усиление по току
(3, обратный ток коллектора 1кб03, гра¬
ничная частота /
Допустимые параметры для данного типа транзис¬
торов предельно допустимый постоянный коллекторный ток /доп, допус¬
.
-
эмиттером икэдоп между базой
эмиттером Цзэдоп4, допустимая рассеиваемая мощность на коллекторе
Рк доп приводятся в справочниках (см. табл. 10.1) и имеют тот же смысл,
тимые
и
напряжения между коллектором
и
-
что и
любые допустимые параметры,
-
их ни в коем
случае
нельзя
пре¬
вышать.
Все ограничения
напряжений в транзисторе чаще всего связа¬
режимом. Полупроводники очень чувствительны к по¬
температуры. Нагрев приводит к резкому увеличению числа
токов и
ны с их тепловым
вышению
собственных носителей заряда,
ми
ту
зарядами токи, которые
-
лавинообразно
в итоге и
нарастают созданные
эти¬
рабо¬
производят разрушительную
соединяют накоротко, сваривают зоны транзистора, превращают его в
простой проводник.
образуется
дений
Или
наоборот
разрыв цепи. Обе
эти
-
разрушают материал настолько,
разновидности неустранимых повреж¬
обнаружить омметром (рис. 9.8; 9,10).
повреждений этих не было совсем.
эксплуатировать полупроводниковые приборы в услови¬
ях, когда одновременно два и более параметров достигают предельных значений.
Это положение наглядно можно проиллюстрировать на примере йога, который хо¬
дит по горячим углям, выдерживает давление многотонного грузовика на грудную
клетку и не мерзнет голым на 30-градусном морозе. А теперь представьте, что его
заставили все это проделать одновременно, а?
Особенно велики опасности разрушительного перегрева в коллектор¬
ной цепи, где создается «мощная копия» сигнала, циркулируют довольно
большие токи и действуют немалые напряжения. Для коллекторной цепи
указывают предельные
3
4
токи
и
напряжения,
а также отдельно
предель¬
такой термин никогда не употреблялся, в
оригинале «неуправляемый коллекторный ток /ш»
справочниках вы его не встретите, поэтому он здесь, как и далее, заменен на официально приня¬
тый «обратный ток коллектора 7кбо». Полностью параметр называется «ток через переход коллек¬
тор-база при заданном обратном напряжении на коллекторе и при разомкнутой цепи эмиттера»
(ГОСТ 18604.4-74).
В
-
Имеется в виду
даче тока в
менее 1
В).
обратное напряжение база-эмиттер, при запертом эмиттерном переходе (при
прямом направлении переход открыт,
и
напряжение
на нем в соответствии с
по¬
рис. 9.5
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
234
ную мощность. Легко увидеть
ток
ре,
ЦзДОП,
табл.
10.1),
что
предельно допустимый
предельно допустимое напряжение на коллек¬
установленные одновременно, дадут мощность на коллекто¬
коллекторный
торе
(см.
значительно
7кдоп
и
превышающую
максимально
(например,
допустимую
на
для мощного транзистора BD809 произведение
даст мощ¬
ность 800 Вт, тогда как транзистор даже с теплоотводом допускает лишь
90 Вт). Поэтому придется рассчитать схему так, чтобы при предельно до¬
Uю
7кдоп
пустимом токе 10 А напряжение никогда не превышало 90 Вт
/ 10 А
наоборот при предельно допустимом напряжении 80 В
«
превысить 90 Вт / 80 В 1,1 А.
или
-
=
9 В,
ток не мог
Таблица 10.1. Основные параметры некоторых комплементарных5 пар биполярных
транзисторов
^.доп» ^
Название
Р,Д0П>ВТ
P№aJ
;кбо»МКА
/гр МГц
ОД (25°)
5 (85°)
150-200
Малой мощности
КТ3102* (п-р-п)
од
20-50
0,25
100-1000
КТ3107* (р-п-р)
од
25-50
0,25
70-800
ОД (25°)
200
4(125°)
ВСЗ37-40 (п-р-п)
ВС327-40 (р-п-р)
50
0,8
0,625
250-630
ОД (25°)
100
40-250
ОД (25°)
190
Средней мощности
BD139 (п-р-п)
BD140 (р-п-р)
1,25**
8***
80
1,5
Большой мощности
КТ818Б (р-п-р)
КТ819Б (п-р-п)
10-15
100
1,5**
60***
12
1 мА (25)
10 мА (100°)
3
10
80
90***
15-30
1 мА (25°)
1,5
BD809 (п-р-п)
BD810 (р-п-р)
Обобщенные данные для транзисторов
и
**
***
с разными
буквенными
индексами
(КТ3102Г-КТ3102К
КТ3107А-КТ3107Л).
Постоянная рассеиваемая мощность без дополнительного теплоотвода.
Максимальная постоянная рассеиваемая мощность (с теплоотводом).
В таблице приведены следующие параметры: предельно
постоянный
ток
коллектора
1кдоп, предельно допустимое напряжение кол¬
лектор-эмиттер 11кэдоп, предельно допустимая
мощность коллектора Ркдоп) усиление по току
5
7кбо,
частота/^ (пояснение
постоянная
рассеиваемая
(3(й21э), обратный
ток кол¬
этому параметру см. далее
тексте). Предельно допустимое напряжение между базой и эмиттером
лектора
в
допустимый
граничная
Комплементарными (дополнительными)
ми
(хотя
и
необязательно
полностью
называют
к
транзисторы разной полярности,
идентичными) характеристиками.
но с близки¬
ГЛАВА 10. От усиления
1Гбэ
доп
к
235
усилителю
Аля всех кремниевых
транзисторов,
за
редчайшим исключением, мо¬
жет быть принято равным 5 В.
В процессе производства большинство транзисторов подвергают квали¬
фикационным
тегории
по
испытаниям и в зависимости от
параметрам (см. далее
гл.
практике обозначаются дополнительной
КТ3102Е, КТ3102Ж
и т. д.;
(ВС337-40). Причем
результатов делят
10; 10). Категории
буквой
в
после названия:
у импортных транзисторов
на ка¬
отечественной
это может
КТ3102Г,
быть
чис¬
у
транзисторов одна категория мо¬
жет превышать другие по
одному параметру, но отставать по другому: так,
КТ3102Е имеет высокий коэффициент усиления по току (400...1000), но
ло
отечественных
ниже
других категорий по допустимому напряжению коллектор-эмит¬
тер (всего 20 В). У импортных деление на категории, как правило, означает
отличия только по
одному параметру (обычно допустимому напряжению
Цсэдоп или коэффициенту усиления й21э).
На
вольт-амперной характеристике коллекторной цепи (рис. 10.5) есть
дугообразная линия, граница допустимой мощности. Эта линия появи¬
лась как результат простых
арифметических операций: определялись та¬
пары
1к напряжения Ик, при которых Р =1 UK не превышает
допустимую мощность Рк доп- Точно такая же граница допустимых токов и
кие
тока
напряжений
и
может
быть построена для любого реального транзистора.
Рис. 10.5. Выходные характеристики транзистора
в
Допустимые параметры для мощных транзисторов (BD809/BD810
табл. 10.1) обычно приводятся в расчете на то, что они работают с внеш¬
ними
радиаторами, которые отводят тепло, предотвращают
повышение
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
236
без радиато¬
ров предельные параметры мощных транзисторов снижаются, как пра¬
вило, в десять-двадцать раз (см. характеристики для пары BD139/BD140).
температуры полупроводниковых материалов.
Если, скажем,
сигнала в
с
10 Вт,
При работе
радиатором транзистор может создать «мощную копию»
то без радиатора он едва вытерпит режим, при котором
выходная мощность один ватт, а то и полватта.
О важнейшем усилительном параметре транзистора, коэффициенте
усиления по току Р, мы уже говорили (гл. 10; 3). Стоит лишь добавить,
что
измерение р может производиться в разных схемах и режимах. Если
входить
в тонкости, то можно насчитать несколько
Мы
разных значений
Р
коэффициента.
ограничимся одним
статическим
коэффициентом усиления (й21э), который получают,
же
значением
-
этого
так называемым
измерив
прямолинейном участке вольт-амперной характеристики постоянный
ток
7б и соответствующий ему постоянный ток 1к. Многие мультиметры
на
имеют специальные гнезда для
измерения
коэффициента усиления тран¬
зисторов.
Параметр «предельная частота», или, иначе, «граничная частота»
требует особых пояснений. Разные типы транзисторов по-разному работают на разных частотах. Причем граница существует только со
стороны высоких частот: если транзистор работает на частоте/^ то он пре¬
красно работает и на более низких частотах. Граничной обычно считают ту
частоту, на которой усилительные способности транзистора ухудшаются
примерно на 30 %. При дальнейшем увеличении частоты коэффициент
усиления быстро падает, и вскоре транзистор вообще перестает усиливать.
И несколько слов о еще одном важном параметре обратном токе кол¬
тоже не
-
лектора
ных
Во
всяком
зарядов, которые
еще и
есть.
1кбо.
полупроводниковом материале, кроме
появились с введением
донора
или
тех
свобод¬
акцептора,
собственные свободные заряды. Их сравнительно немного,
есть
но они
Причем если примесь создает в полупроводнике лишь один тип про¬
собственных дырок и электронов
и собственные свободные электроны
собственные дырки так и живут особ¬
водимости только р или только п,
в любом
проводнике поровну. В зоне
-
смешиваются с
-
примесными,
а вот
то
няком, создают
небольшую дырочную проводимость. Точно так
же в зоне р собственные дырки
полупроводника теряются в общей массе
в зоне п
примесных
положительных
зарядов,
а
собственные свободные электроны
создают небольшую проводимость
Пользы от этих собственных свободных зарядов, собственных носителей
и-типа.
электрического заряда,
да
р-и-переход закрыт,
нет
никакой, сплошной вред. Они создают ток,
пускает ток не только в прямом, но и в
Неосновных носителей немного,
но все-таки он есть и
ког¬
полупроводниковый диод про¬
обратном направлении (гл. 9; 10).
обратный ток через р-п-переход невелик,
именно из-за них
нередко доставляет массу
хлопот.
ГЛАВА 10. От усиления
к
Особенно неприятен
рис. 10.5 отмечен некий
237
усилителю
обратный ток коллекторного р-п-перехода 1кбо. На
1ко, который течет через транзистор даже тогда,
ток
эмиттером, ток базы равен
нулю). Это следствие как раз наличия обратного тока коллектора, и самое
неприятное не то, что он есть, а то, что он сильно зависит от температуры
(см. табл. 10.1). Появление собственных носителей, собственных свободных
когда
он полностью
закрыт (база соединена
с
зарядов, связано только с тепловыми движениями атомов в кристалли¬
ческой решетке полупроводника (гл. 9; 5). И чем выше температура, тем
энергичнее эти движения, тем больше становится собственных носителей.
Изменяясь
боту
всего
с
температурой, обратный ток коллектора
усилителя,
поэтому стараются, чтобы
и
может влиять на
ток
1кбо
был
ра¬
как можно
меньше.
Примечание редактора. Обратный ток перехода коллектор-база /кбо в германиевых
транзисторах достигал десятков микроампер при комнатной температуре 20-25°.
примерно вдвое на каждые 10° повышения температуры,
потому при нагревании транзистора до 70° он мог, как легко подсчитать, вырасти
32 раза и составить уже единицы миллиампер, что сравнимо с
примерно в 25
рабочими токами маломощных каскадов усиления. Более того, наличие обратного
Ток этот увеличивается
=
тока в германиевых транзисторах приводило к
ния тока коллектора при
коллекторный
коллекторный ток. Из-за этого эффекта транзистор «с оборванной ба¬
зой» очень быстро сгорал. Поэтому в германиевых транзисторах с током /к6о прихо¬
ток нагреваеттранзистор,а нагревание, в свою очередь, еще больше
увеличивает
дилось серьезно бороться.
У маломощных кремниевых транзисторов температурная зависимость тока
даже немного выше, чем у германиевых
(увеличение примерно
/к6о
в 10 раз на каж¬
но сама абсолютная величина тока ничтожна
при комнатной темпера¬
и
составляет
повышенной
не превышает единиц
доли
даже
туре
микроампера
при
микроампер (см. табл. 10.1) (почему так, легко понять, если сравнить собственные
дые
30°),
-
проводимости германия и кремния, см. гл. 9;
транзисторами наличие
величина
обратного тока
/ко, показанная
изобразить
зисторов
в схемах с кремниевыми
спокойно игнорировать:
10.5, для них настолько мала, что ее невозможно
масштабе. Единственное, что осталось в практике с тех
на рис.
в нормальном
времен: рекомендация «на всякий
никуда не
5). Поэтому
коллектора можно
случай»
не включать питание транзисторов с
подключенной («оборванной») базой. Действительно, для мощных тран¬
величина
/к6о
может быть достаточно велика для того,
но «саморазогреть» транзистор (см. данные КТ818Б/КТ819Б
(/кбо при 100°) 100 В {UaaJ 1 Вт!).
чтобы основатель¬
табл. 10.1: 10 мА
в
=
10. Основные
типы
транзисторов: высокочастотные и низкочас¬
тотные, германиевые
кремниевые, р-п-р- и п-р-п-транзисторы малой,
средней и большой мощности. Заглянув в справочник по полупроводни¬
ковым приборам, можно увидеть там такое
огромное множество наиме¬
нований диодов и транзисторов, что даже страшно становится. К счастью,
и
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗАШАГОМ
238
многие
типы
приборов
полупроводниковых
близкие характеристики
и
вершенно безболезненная
очень похожи, они имеют
во многих
параметры,
случаях возможна со¬
другими. Да и вообще
приборов
разбить на несколько групп, внутри которых
разобраться, какой прибор от какого и чем отлича¬
замена одних
диоды и транзисторы можно
не так-то сложно
уже
ется.
В
свое
время
мы
разделили
все диоды на несколько
-
групп
импульс¬
ные, выпрямительные, силовые. Среди, например, выпрямительных дио¬
дов можно выделить сравнительно сильноточные приборы, допускающие
прямые токи в несколько ампер и более, и группу приборов, допускаю¬
щих прямой ток порядка 1 А и менее. В этой второй группе диоды разли¬
чаются в основном только допустимым
1N4001-1N4007, табл. 9.1),
тип диодов
в схеме, не
другим,
и можно
если следить за
обратным напряжением (диоды
совершенно спокойно заменять один
тем, чтобы напряжение, действующее
превысило допустимую для данного диода величину.
Нужно сказать, что многообразие типов полупроводниковых приборов
получается как бы само собой, как результат выбранного технологиче¬
ского
процесса. Действительно,
1N4001-1N4007, рассчитанных
все остальные
было бы делать семь типов диодов
напряжение от 50 до 1000 В, если у них
зачем
на
параметры одинаковы? Можно было,
ничиться одним типом
его во всех схемах с
казалось
1N4007, выдерживающим 1000 В,
более
низким
напряжением. Однако
бы, огра¬
и использовать
же технология
каждой партии получаются диоды,
которые могут выдержать сравнительно большое напряжение, и такие,
производства диодов такова,
что
терпят напряжение
что в
поменьше.
Все
на них с таким
и
устанавливают цену
применять высоковольтный
прибор
эти диоды делят на
категории
расчетом, чтобы было невыгодно
там, где можно обойтись более низ¬
ковольтным.
Вот так же нередко появляются разные типы транзисторов в пределах
одной группы или одного основного типа приборов. И бывает даже, сами
различаются не очень сильно, не больше, наверное,
разные модели «жигулей» (см. примечание к табл. 10.1).
эти основные типы
Все транзисторы
которые уже
также можно
разбить
групп,
сильно отличаются и по своим возможностям, и по исполь¬
зованию в схемах.
Когда-то
одним из главных признаков деления был сам
материал, из которого сделан транзистор:
ниевые
на несколько основных
чем
приборы работают
при более
кремний
или
германий. Крем¬
высоких
температурах, у кремние¬
вых
транзисторов при прочих равных условиях удается получить меньшие
значения обратного тока коллектора, и кремний в настоящее время остал¬
ся почти монополистом в производстве транзисторов6. Другой признак
деления
граничная частота, он делит все транзисторы на две большие
-
6
Некоторое
количество
дискретных (то
есть не входящих в
устройства) транзисторов производится
ских
применений.
из
микросхемы
арсенида галлия, в основном
или
другие интегральные
для военных или космиче¬
ГЛАВА 10. От усиления
-
группы
к
239
усилителю
низкочастотные и высокочастотные.
К первым
относят
транзис¬
торы
граничной частотой в десятки, в лучшем случае сотни килогерц.
А высокочастотные приборы добрались уже до частот в сотни и тысячи
с
мегагерц7.
Очень сильно отличаются транзисторы, рассчитанные на получение раз¬
личной выходной мощности. Их можно условно разбить на две группы
-
Ркдоп около 0,5 Вт и менее, и транзисторы средней
у них Ркдоп несколько ватт или несколько десятков
маломощные, у которых
и
большой мощности
ватт.
Эти
приборы
-
различаются
и по
электрическим параметрам, и чисто
друг друга. Здесь, наверное, уместно та¬
внешне, они никогда не заменяют
кое
чем
сравнение: маломощные транзисторы и мощные
юркие «запорожцы» на многотонные МАЗы.
И наконец,
и
мощные
все
-
транзисторы
мощные,
лить на две
похожи не
больше,
низкочастотные и высокочастотные, мало¬
германиевые
группы: транзисторы
и
-
кремниевые
структурой
со
можно четко
р-п-р
и
разде¬
транзисторы
со
структурой n-p-ns. В принципе, тип проводимости, структура транзистора
мало влияют на его свойства и возможности: высокочастотный мощный
кремниевый р-п-р-транзистор работает примерно так же, как и высокочас¬
кремниевый транзистор п-р-п. Так, может быть, стоит
ограничиться транзисторами одного какого-нибудь типа проводимости и
другие вообще не выпускать? Оказывается, совместное применение тран¬
тотный мощный
зисторов разной проводимости открывает новые возможности построе¬
электронных схем, делает их проще, надежнее.
ния
Напомним, к транзисторам разной проводимости нужно в противопо¬
ложной полярности подводить питающие напряжения, в них разное на¬
правление
на
базе,
имеют все токи, и если
а «плюсом»
отпирается
должно
запирается,
транзистор р-п-р отпирается «минусом»
то
транзистор п-р-п
совсем
наоборот
-
запирается «минусом» (рис. 9.8 и 10.3). Все так и
транзисторах разной проводимости одну и ту же работу
«плюсом» и
быть:
в
на одних и тех же
участках
работают свободные
выполняют
положительные
-
разные заряды
там, где у одного
заряды, дырки, у другого трудятся
свободные отрицательные заряды, электроны.
Привыканию
собствовать
было бы
к
транзисторов наверняка будет спо¬
конкретными схемами, к которым уже можно
конкретным
знакомство с
перейти. Однако
типам
сейчас
мы ненадолго
прерываем путешествие
чтобы
отдать дань уважения электронной
транзисторную электронику,
лампе:
изумительному прибору, с которого, по сути дела, началась элект¬
роника и который достойно и честно уступил транзистору огромные свои
в
завоевания.
7
Деление на низкочастотные, среднечастотные и высокочастотные почти потеряло актуальность
практически
современные маломощные транзисторы относятся
ные
как
минимум к среднечастотным (единицы мегагерц).
См. также «Примечание редактора» в гл. 9; 15.
все
-
8
к высокочастотным,
-
а мощ¬
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
240
Примечание редактора. Электронные лампы, о которых идет речь
11-18 этой главы, в настоящее время вышли из употребления почти
Некоторое
в разделах
полностью.
количество ламп производится специально для поклонников ретроуси¬
лителей, которых привлекает особое
«ламповое звучание»
-
следствие более вы¬
сокой линейности характеристик лампы в сравнении с транзисторами. Одна
10-15 назад даже выпустила компьютерную звуковую карту с
ма лет
усилителем на лампе.
фир¬
оконечным
Но, кроме подобных применений, электронные лампы
более
Пожалуй, дольше всего ламповая техника задержалась в
виде дисплеев с электровакуумным кинескопом (и до сих пор еще у многих дома
нигде не используются.
работают подобные старые
модели
телевизоров),
но и они исчезли с прилавков
примерно с конца 2000-х.
работы электронных ламп очень полезно для
работы современных транзисторных схем усиления сигналов. Лампы
имеют простое и наглядное устройство, взаимодействие токов и напряжений в них
гораздо легче разобрать «на пальцах», чем скрытые от глаза процессы в полу¬
проводниках. При этом следует учесть важнейшее отличие ламп от биполярных
Тем не менее изучение принципов
понимания
транзисторов (см. также раздел 12 далее): транзистор управляется током, а лам¬
па
напряжением. Последнее гораздо проще для понимания, так как именно на¬
пряжение сигнала обычно является входной величиной усилителя. А вот полевые
-
транзисторы куда более похожи на электронную лампу, у них входная величина
-
тоже напряжение, хотя могут быть и отличия в полярности и диапазоне сигналов.
11. В
ком
-
усиливаемый сигнал управляет анодным то¬
электронов в вакууме. Электронная лампа... Все события
электронной
потоком
лампе
здесь разворачиваются
торого
откачан
старинный
ных частиц
откачали
-
Поэтому
воздух.
класс так называемых
и
в стеклянном или металлическом
электронная
электровакуумных
телевизионный кинескоп,
синхрофазотрон.
потому,
приборов,
и
Из обычной
что иначе металл
баллоне,
лампа входит в
куда
из ко¬
огромный
можно отнести
целый ускоритель элементар¬
лампочки накаливания воздух
раскаленной
нити
будет
окисляться
сгорит (она действительно сгорает, и дей¬
ствительно мгновенно, если в лампочку попадает воздух). А в электронной
лампе
вакуум нужен для того, чтобы в ней можно было беспрепятственно
кислородом
и нить мгновенно
создать поток электронов, то есть создать
величиной
рического
этого тока,
сигнала.
-
различные
И управлять
копию»
потока
усиливаемого элект¬
электронов и управления
металлические детали с
общим
названи¬
электроды.
Электрод,
электроны
лях
«мощную
Для формирования
им в лампе имеются
ем
формируя
электрический ток.
с
для
которого
будущего
электронных ламп
ливания
-
электронного
-
в
-
поставляет
свободные
баллоне. В первых моде¬
катод мало чем отличался от «волоска» лампы нака¬
которую нагревают, пропуская
последующих моделях электронных ламп
металлическую трубочку, внутрь которой опять-таки
(рис. 10.6; 1).
превратился
катод
потока в
это тонкая металлическая нить,
по ней ток
катод
все начинается,
Но
в
ГЛАВА 10. От усиления к усилителю
вставлена нить-подогреватель
241
(рис. 10.6; 2). Подогреватель
называют еще
нитью накала.
Простейшая электронная
Рис. 10.6.
лампа
-
электровакуумный
диод
подводится небольшое напряже¬
ние; в самых распространенных типах ламп 6,3 В. Кстати, первая цифра
К этой
миниатюрной электроплитке
в названии лампы
примерно указывает необходимое ей напряжение
на¬
кала.
Нить
накала
ле, сильно
нагревает катод,
активизируется
Многие электроны
и в нем, как во всяком
хаотическое движение
до того
разбегаются
нагретом
метал¬
свободных электронов.
в металле, что по
инерции
вы¬
свободное пространство. Это называет¬
Правда, далеко свободные электроны не
скакивают из катода, вылетают в
термоэлектронной
ся
эмиссией.
улетают: у катода, который
жительный
они
(суммарный
покинули,
появляется
некоторый
поло¬
оставшихся в металле положитель¬
заряд
электронам далеко улететь, тянет их обратно к
катоду. Поэтому вокруг раскаленного катода существует этакое облачко
из
электронов, уже вылетевших, но еще не успевших упасть обратно на
ных
ионов),
катод.
ная
заряд
и он не дает
Всю эту картину
можно
вверх струя воды довольно
сравнить
быстро
с
фонтаном
в
парке:
выброшен¬
падает под действием своей тяже¬
фонтаном все время стоит столб воды, уже поднявшейся и еще
успевшей упасть.
Разогрев катода вспомогательная операция, и конструкторы ламп все¬
сти, но над
не
-
ми силами
старались уменьшить затраты энергии
пример, катод активировали
-
на нее.
Для
этого, на¬
его тончайшим одноатомным
покрывали
подтягивает
электроны к поверхности,
которое
катод.
покинуть
Благодаря этому активированные катоды
слоем вещества,
помогает
им
работали
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
242
при температурах около 1000 °С вместо 2500 °С в чисто металлических ка¬
сооружение довольно нежное, он,
терпит перегрева при превышении напряжения накала.
Правда, активированный
тодах.
в частности, не
катод
-
Кроме того, со временем (для многих
непрерывной работы) активный слой
принято говорить, теряет
вреждения
лампы
эмиссию.
ламп
несколько тысяч часов
через
перестает действовать, лампа,
В принципе,
возможны
перегорает
накоротко
роды внутри баллона, отгорают их выводы. Но чаще всего
из строя постепенно, из-за потери эмиссии.
Второй
лампы
электрод
-
мах
-
виде
на
которой
в
короб,
упрощенных рисунках анод
нависшей над катодом пластинки
в виде полоски, к
по¬
лампа выходит
анод. Это обычно цилиндр или
центре которого проходит катод:
изображают в
разные
замыкаются элект¬
нить накала,
-
как
(рис. 10.6; 3),
в
часто
на схе¬
центре подключен электрод для вывода
(рис. 10.6; 1, 2).
Давайте включим
между катодом и анодом анодную батарею Ба, источ¬
напряжения. Можно подать на анод постоян¬
только от
батареи, но и от любого другого генератора,
ник постоянного анодного
ное
напряжение
не
для простоты считать, что все по¬
стоянные напряжения, в том числе и анодное, подводятся к ней от хими¬
ческих источников тока. Для начала включим
так, чтобы «плюс»
но, рассказывая
о
работе
лампы,
будем
батарею
анодного напряжения был подан на анод, а «минус»
случае
да к
начнется движение
аноду,
и их
электронов
возвращение
в
вакууме,
на катод по
в
-
В
на катод.
баллоне
этом
лампы от като¬
внешней цепи, через
батарею Ба
(рис. 10.6; 4, 5).
Если увеличивать
положительное
напряжение
на
аноде,
то
растет
и
до определенного предела. После того как
полностью рассосется облачко вокруг катода и все вылетевшие из него
электроны включатся в анодный ток, ток этот уже не сможет увеличивать¬
ся
наступит так называемое насыщение
анодный ток, но, разумеется,
(рис. 10.6; 7).
-
Если повернуть
«минус», то никакого тока в
батарею
Как
элект¬
видите, двухэлектродная лампа
будет (рис. 10.6; 6).
ровакуумный диод обладает односторонней проводимостью, как и полу¬
проводниковый диод. Больше того, в вакуумном диоде нет никаких собст¬
венных свободных носителей зарядов (гл. 9; 5, 6), и обратного тока в лампе
и подать на анод
лампе не
-
-
нет
вообще.
Следующий
шаг
-
введем в лампу еще один,
ваемую управляющую сетку,
ние «сетка» идет с далеких
в
обычных лампах
нии от него
это
и поставим ее на
времен, когда
сетка
третий электрод,
пути анодного
так назы¬
тока.
Назва¬
действительно была сеткой;
спираль, окружающая катод на небольшом расстоя¬
(рис. 10.7; 1). Управляющая сетка превращает диод в трехэлект¬
родную усилительную лампу триод. Кстати, транзистор первоначально
называли полупроводниковым триодом, у него тоже три электрода, три
рабочие зоны эмиттер, база, коллектор.
-
-
ГЛАВА 10. От усиления
к
243
усилителю
Рис. 10.7. Электровакуумный триод
Сетка расположена близко
влияет на
анодный
вает число
и
ток
-
отправившихся
в далекое
наоборот,
(рис. 10.7; 3, 4, 5). Одним
7а,
и
напряжение
из
на ней очень сильно
электроны, увеличи¬
облачка вблизи катода
путешествие к аноду (рис. 10.7; 6). «Минус»
электроны к катоду, уменьшает анодный
отталкивает
командного
током
катоду,
свободных электронов, вырвавшихся
на сетке,
ток
к
«плюс» на сетке подтягивает
словом,
усиливаемый
пункта трехэлектродной лампы,
а тот,
проходя
по
нагрузке
RH,
сигнал
с сетки,
Ubx, действуя
с
управляет анодным
выделяет в ней мощную копию
(рис. 10.7; 7). Можно рассказать об этом и други¬
усиливаемый сигнал меняет число зарядов, которые реально
усиливаемого сигнала
ми словами:
могут двигаться
пы
к
аноду,
внутреннее сопротивление лам¬
какой стороны ни посмотришь на события
а значит, меняет
Ra (рис. 10.7; 8). Однако
с
лампе, одно остается
бесспорным
«мощной копии» дает анодная батарея.
в
усилительной
-
энергию
на создание
12. На управляющую сетку обычно подается отрицательное смеще¬
О событиях в лампе лучше всего могут рассказать ее характеристи¬
ние.
ки,
от
в частности анодно-сеточная, она показывает, как
напряжения
на сетке
(рис. 10.7; 2). Обратите
анодный
внимание:
ток зависит
при
положи¬
кроме анодного,
потому, что, несмотря на «прозрачность» сетки,
тельных
напряжениях
на сетке,
ный ток
Т.. Появляется
он
появляется еще и сеточ¬
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
244
в нее все же попадает часть электронов. Сеточный ток
неприятное:
создает
отбирает электроны у анодного
он
нелинейные искажения «мощной
ток
требует
его.
Вот почему режим
тала в
явление
-
крайне
и тем самым искажает его,
копии».
Кроме
того, сеточный
дополнительной мощности
левой
от источника сигнала,
нагружает
обычно устанавливают так, чтобы она рабо¬
характеристик, то есть чтобы на сетке никогда не
лампы
части своих
было
появлялся «плюс» и не
сеточного тока.
Этим,
биполярных тран¬
зисторов, у которых без тока базы обойтись невозможно. Потому что в
транзисторе материал для создания коллекторного тока свободные заря¬
кстати, лампы принципиально отличаются от
-
ды
-
дает ток в р-и-переходе
эмиттер-база,
и часть этого тока
обязательно
ответвляется в
базовую цепь. В лампе же материал для создания анодного
тока дает электронная эмиссия катода, и сетка может управлять анодным
током не «плюсом», а «минусом», не притягивающим напряжением, а от¬
талкивающим.
чтобы
Нужно один раз разобраться в
дальнейшем
в
в них не
этих «плюсах» и
путаться. Запомните: «минус»
«минусах»,
на сетке за¬
пирает лампу так же, как «минус» запирает транзистор структуры п-р-п.
А вот в транзисторе р-п-р «минус», наоборот, увеличивает коллекторный
ток.
И дальше
в лампе на анод подается
-
«плюс» так же, как и на
притягивающее напряжение
притягивающее напряжение
рис. 9.8,10.3 и 10.7.
на
-
коллекторе
а в
транзисторе р-п-р
Все
это
«минус».
отображе¬
коллектор транзистора п-р-п,
но на
Имея
опыт с
найдем,
как
выбором рабочей
избавить лампу
те с сигналом подать на
точки
транзистора
(рис. 10.3),
мы легко
от сеточных токов: для этого достаточно вмес¬
сетку (относительно катода) некоторое отрица¬
некоторый «минус» (рис. 10.7; 8).
тельное постоянное смещение,
триод, пентод и лучевой те¬
он был запатентован еще
лампой,
трод. Триод
первой усилительной
в 1906 году американцем Ли де Форестом. Но из-за двух серьезных недо¬
13. Основные
типы
усилительных
ламп:
был
статков его в
дальнейшем
сильно потеснили
другие разновидности
ламп.
Первый недостаток триода связан с тем, что электроды лампы, по сути,
представляют собой обкладки конденсаторов и в лампе существуют междуэлектродные емкости, никому
итными емкостями
анодом
и
обратно
управляющей
во
сеткой
Другой
-
Сас. Через нее усиленный
(рис. 10.8; 2),
входную цепь
неприятностям.
работы
(рис. 10.8; 1).
нужные, а поэтому названные параз¬
емкость между
Самая опасная из них
не
коллекторе транзистора)
слабее тянет к себе электроны.
собности
оно
лампы.
сигнал попадает
привести
к
серьезным
недостаток триода связан с самим принципом
усилителя: когда напряжение
на
а это может
на
нагрузке растет,
уменьшается
Результат
на аноде
(рис. 10.8; 4,
и
10.4)
(как
и
и анод
-
ухудшаются усилительные
спо¬
ГЛАВА 10. От усиления
к
усилителю
Рис. 10.8. Разновидности электронных
ламп
Оба недостатка триода были ликвидированы одним ударом: между
управляющей сеткой поместили еще один электрод экранную
(экранирующую) сетку, и таким образом получилась четырехэлектродная
лампа, тетрод (рис. 10.8; 5). Экранирующую сетку через конденсатор Сэ
анодом
и
-
соединяют с катодом, и она отводит, замыкает накоротко переменные
токи, которые могли бы попасть во входную цепь. Кроме того, на экрани¬
рующую сетку подают значительный «плюс»
на анод, а иногда поменьше. Теперь как бы ни
(UJ,
иногда такой же, как и
менялось
напряжение
на
анодный ток экранная сетка будет тянуть
к
с
электроны аноду всегда одинаковой силой.
К сожалению, и тетроду не пришлось стать идеальной усилительной
лампой, у него самого обнаружился серьезный недостаток. В те моменты,
аноде, это почти не повлияет на
-
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
246
когда напряжение на аноде падает, «плюс» на
двигать
электроны
Дело
ток.
не только
в том, что
«туда»,
электронный
сетке начинает
экранной
«обратно», уменьшая анодный
бомбардируя анод, выбивает из
но и
поток,
него так называемые вторичные электроны. Только что выскочив на белый
свет, они сразу попадают под влияние огромного притягивающего «плю¬
са» на
экранной
появляется ток
сетке и, естественно, начинают двигаться к ней.
обратного
-
направления
равносильно уменьшению анодного тока. Это
ния
-
когда
анодный
куум
расти,
эффекта перегревается
динатронного
в
ток должен
баллоне,
а за этим
лампе
экранной сетке,
динатронный эффект
что
-
яв¬
оно создает нелинейные искаже¬
крайне неприятное. Во-первых,
ление
В
от анода к
он
сама
уменьшается. Во-вторых, из-за
экранная сетка, ухудшается ва¬
следует уже целая цепочка
самых
разнообразных
неприятностей.
С динатронным эффектом тоже научились бороться, причем двумя
разными путями. Они и привели к созданию двух основных типов ламп:
пентодов и лучевых тетродов. В пентоде между
экранной
сеткой
и анодом
расположена
редкая пентодная, или, иначе, антидинатронная, сет¬
ка, которая соединена с катодом, чаще всего внутри лампы (рис. 10.8; 7).
очень
Первичные
электроны, те,
что летят от катода к
аноду, через редкую
В
пен-
тодную сетку
инерции проскакивают беспрепятственно.
время
пентодная сетка легко отталкивает обратно к аноду вторичные электроны,
которые еще не успели набрать скорость. Потому, что на этой сетке «ми¬
по
нус»
относительно анода
носительно анода всегда
-
то же
она-то ведь соединена с катодом, а на катоде от¬
«минус», поскольку
на аноде всегда «плюс» отно¬
сительно катода.
Лучевой
к
тетрод
аноду острыми
(рис. 10.8; 8) сконструирован так, что электроны идут
лучами. Благодаря высокой концентрации электронов
эти лучи ведут себя
пентодной
роны
как
проводники, протянутые
от катода, и,
подобно
сетке, они своим «минусом» отталкивают вторичные элект¬
обратно
на анод.
Диод, триод,
пентод,
лучевой
тетрод
-
основные
электронных ламп,
ассортимент
исчерпан.
Есть, например, лампа гептод, в ней две управляющие сетки, с которых
анодным током управляют одновременно два сигнала9 (рис. 10.8; 9). Или
но ими
типы
лампа
менты
-
оптический индикатор
телевизионной
электронного
потока в
трубки,
ламп далеко не
настройки,
то есть
пространстве
в
ней
есть
уже некоторые
светящийся экран
и
эле¬
перемещение
(рис. 10.8; 10). Наконец,
выпускались
лампы, то есть две-три лампы, размещенные в одном
два триода, триод и пентод, триод и гептод, два диода и триод
комбинированные
баллоне
-
(рис. 10.8; 11).
9
По аналогии с двухсеточной лампой существуют двухзатворные полевые транзисторы, которые
применяются
в тех же целях: в смесителях и
модуляторах различных
частот.
ГЛАВА 10. От усиления
14. В
к
247
усилителю
каскад входят транзистор (лампа), нагрузка,
цепи ввода и вывода сигнала. По мере того как мы
усилительный
менты питания,
комились с использованием
транзисторов
растали разными дополнениями
постоянного смещения на
базу
в
-
электронных ламп,
и
сначала появилась
транзисторе
и на
нагрузка,
зна¬
они
об¬
затем цепи
управляющую сетку
постоянного и
лампе, элементы
эле¬
в
на
разделения
переменного напряжений
усилителя. Сейчас настал момент нарисовать схему всего
усилительного блока, со всеми основными и вспомогательными элемента¬
ми, схему так называемого усилительного каскада.
входе и выходе
15.
Электронные схемы получаются такими, что многие элементы
присоединяются к общему проводу. Но сначала несколько слов об одном
графическом приеме: на схеме упрощенно показывают присоединение
многих элементов к
одному
и
же
тому
проводу, используя условное обо¬
корпусом, с шасси» (рис. 10.9; 1,2).
особенно
схемы,
ламповые, действительно собира¬
электронные
металлическом шасси, и оно
служило общим проводом для соеди¬
значение «соединение с металлическим
Когда-то
ли на
И
нения многих элементов.
редко,
хотя
металлическое шасси
теперь
знак этот все же остался, и понимать его
общим проводом». Такой
теж, избавиться
знак очень
удобен,
встретишь
так: «соединение с
нужно
он позволяет
упростить чер¬
от многих длинных соединительных линий.
Вместо «соединить
с
шасси»10
(«с общим проводом»)
довольно часто
говорят «заземлить». Это выражение тоже пришло из прошлого, когда
металлические шасси приемников и некоторых других приборов соеди¬
няли с
землей
электротехнической
заземленными все цепи,
смысле «соединить с
диться при
разборе
общим проводом»
же схем
первых
электронике чаще
И при этом
на шасси.
очень
Слово
удобно,
оказывались
«заземлить» в
и в этом легко
убе¬
усилительных каскадов, когда корот¬
длинную
Примечание редактора. Необходимо
«соединение с
заземляли.
которые «сидели»
кое слово «заземлено» заменяет
«земля» в
-
фразу.
четко понимать, что слова «заземление» и
всего не
более
общим проводом данной
чем
схемы».
метафора и
Потому что
означают именно
в электротехнике
существует совершенно определенное понятие земли и, соответственно, заземле¬
ния
-
вому потенциалу,
за
эта земля доступна
ковым
общему для всех электростанций мира нуле¬
который принимается потенциал массы земного шара. В быту
в третьем проводе сетевых розеток (расположенном по их бо¬
оно означает подключение к
сторонам),
и заземление означает подключение именно к
щему проводнику (он обозначается изоляцией желтого цвета
Общий провод
рован от
него.
этому заземляю¬
с зеленой
схемы может с этим проводом соединяться, а может и
Это далеко
не
безразличная операция, и
непонимание
полосой).
быть изоли¬
природы ис¬
угрозы
тинного заземления может привести к серьезным неприятностям вплоть до
10
В настоящее время вместо «соединение с шасси»
употребляют термин
что обычно равносильно «соединению с общим проводом»
«соединение с корпусом»,
(см. «Примечание редактора» далее).
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
248
жизни или, как минимум,
работоспособности прибора. Дело
что не во всех домах имеется истинное заземление, и
еще
усугубляется
третий провод
тем,
в розетках
(если он вообще подключен) в этом случае лишь объединяет заземления отдельных
приборов между собой, не обеспечивая истинного подключения к нулевому потен¬
циалу. По этой причине к терминам «земля» и «заземление» в электронике нужно
относиться со всей критичностью и всегда их переводить в уме на «подключение
к общему проводу схемы», если только речь не идет о подключении к настоящей
электротехнической земле (для
i ).
ный от «общего провода»
нее даже предусмотрен особый значок
Рис. 10.9. Усилительные
-i, отлич¬
каскады на электронных лампах
усилительный каскад на триоде. На рис. 10.9; 1,2 показана
схема типичного
усилительного каскада на трехэлектродной лампе. Катод
16. Типичный
лампы заземлен, то есть подключен к
общему
заземленная точка схемы соединена с катодом
Так, например, через
«минус» анодной
землю, через
проводу, и, значит, любая
через этот общий провод.
общий провод,
подключен к катоду
батареи и «плюс» батареи смещения. При этом на сетку
относительно земли, то есть относительно катода, подается
-
анод
«плюс».
Чтобы переменная составляющая анодного
«минус»,
а на
тока не попада¬
ГЛАВА 10. От усиления к усилителю
ла в анодную
249
батарею Ба, что может привести к серьезным неприятностям,
эту составляющую сразу же
после
ют на землю, а значит, и на катод.
рой провод источника
сигнала
-
нагрузки через конденсатор Сф замыка¬
Через землю подключен к катоду и вто¬
первый
подсоединен прямо к сетке через
Этот конденсатор нужен для того, чтобы, с одной стороны,
напряжение Ц.м не попадало к источнику сигнала, а с другой
Ср.
по
этот источник не соединял
Если бы
воритель
каскаде,
в
сетку
постоянному току
анодную цепь усилительного каскада был
постоянное
-
чтобы
сам
с землей.
включен
громкого¬
и «мощная копия» окончательно использовалась в самом этом
превращаясь
является, когда
в
звук,
то цепочки
R'HCa вообще не было бы. Она по¬
усиленный электрический сигнал передают дальше, чтобы
другом месте. Резистор R'H как раз и отображает
использовать его где-то в
это самое «где-то».
анода лампы, по
и именно в
К нему через
Са подводится переменное напряжение с
R'H идет часть переменной составляющей анодного тока,
выделяется истинная продукция усилительного каскада.
Можно считать, что для лампы нагрузкой служат оба резистора
R'H
RH
R'^ и от их соотношения зависит, какая часть «мощной копии» останется
в данном каскаде, а какая
будет передана дальше.
-
и
На рис. 10.9; 4, 5 показано, что роль анодной нагрузки могут выполнять
катушки индуктивности La и колебательный контур LaCa. Важное досто¬
инство этих схем: на нагрузке не теряется постоянное напряжение, как на
резисторе (рис. 10.9; 3), и в то же время катушка и контур могут представ¬
лять достаточно
большое сопротивление для
переменной составляющей
анодного тока. То же достоинство имеет включение нагрузки в анодную
цепь через
трансформатор (рис. 10.9; 6).
17. В самых разных схемах встречаются одинаковые схемотехнические
решения. Чтобы без страха и трепета разбираться в бесконечном многооб¬
некоторые типичные
приемы обработки электрических сиг¬
ослабление токов и напряжений с помощью
разии электронных схем, нужно прежде
приемы схемотехники,
налов.
всего знать
типичные
Такие, например,
как
шунтов, гасящих сопротивлений и делителей напряжения. Или разделе¬
ние постоянных и переменных составляющих сложного тока с помощью
фильтров. Или еще такой схемный фокус, как создание разного рода вспо¬
могательных
напряжений
на
резисторах,
включенных в цепь постоянного
тока.
Примеры двух последних операций можно увидеть на рис. 10.9; 7. Здесь
катодную цепь лампы включен резистор RK, зашунтированный конден¬
сатором Ск. Емкость этого конденсатора выбирается с таким расчетом,
чтобы для переменной составляющей анодного тока его емкостное со¬
противление хс (гл. 6; 14) было во много раз меньше, чем RK. В этом случае
для переменной составляющей анодного тока Ia_ катод просто заземлен.
А вот постоянная составляющая Ia_ через конденсатор, естественно, не
в
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
250
пойдет, у нее есть
только один
-
путь
через
RK. И,
проходя
по
этому резис¬
постоянная составляющая анодного тока создаст на нем постоянное
тору,
напряжение,
«плюс»
которого
-
вверху,
на катоде, а
«минус»
-
внизу,
на
земле.
Напряжение Ucm
-
отрицательное сме¬
напряжения (относительно катода) через
не что иное, как вспомогательное
щение на
этого
сетку: «минус»
R. подается на сетку и смещает влево рабочую точку на характеристике
лампы, избавляет каскад от сеточных токов (рис. 10.7). Удачная полярность
напряжения
Ucm получается потому, что анодный ток 1а течет от «плюса» к
«минусу», от анода к катоду.
Мы в свое время (гл. 4; 12) договорились во всех случаях пользоваться
одним условным направлением тока, при этом проще водить пальцем по
схеме, определять, куда идет тот или иной ток, в какой полярности дей¬
напряжение. Причем результат не изменится от того,
будем
условным направлением тока или следить, в
какую сторону движутся электроны. Электроны в лампе, конечно, идут
от
«минуса» к «плюсу», от катода к аноду. И поэтому электронный по¬
ток проходит по
резистору RK снизу вверх. А это может означать только
ствует
то или иное
ли мы пользоваться
одно: на этом
резисторе внизу
-
«минус», вверху
-
«плюс».
Как видите,
тока и истинное
направление движе¬
и тот же
один
электронов,
получили
результат на катоде «плюс»,
на сетке
Это
еще одно подтверждение: рассматривая электрон¬
«минус».
ные схемы, можно, как это и принято, без всяких сомнений пользоваться
рассматривая условное направление
мы
ния
-
-
И давайте
этому вопросу, который мы в
не
время разобрали подробно (рис. 4.13),
возвращаться.
на
Резистор
через который
сетку подается смещение, не нужен, если
источник сигнала пропускает постоянный ток, как, например, обмотка
условным направлением
тока.
к
больше
свое
микрофонного трансформатора.
Но
случае нельзя допустить,
постоянному току. Потому что
даже единичные электроны, попавшие на сетку, в этом случае будут накап¬
ливаться (им просто некуда уйти) и постепенно создадут на сетке такой
чтобы
ни в коем
сетка не соединялась с катодом по
большой «минус», что лампа сама по себе полностью запрется, анодный
прекратится (рис. 10.9; 9). Резистор Rc называют резистором утечки:
сетку электроны стекают с нее через Rc.
понижения питающих напряжений мы видим на рис. 10.8; 3
Пример
и 10.9; 10. Здесь на гасящем
резисторе R3 ток экранирующей сетки 1э соз¬
дает некоторое падение напряжения. Сопротивление R3 с учетом величи¬
ны
1э подобрано с таким расчетом, чтобы на экранирующую сетку попадал
меньший «плюс», чем на анод. Конденсатор Сэ заземляет экранную сетку
для переменного тока. Кстати, если этот конденсатор пробьется, то экран¬
ная сетка «сядет на землю», по
R3 пойдет большой ток, и резистор, скорее
всего, сгорит.
ток
попавшие на
ГЛАВА 10. От усиления
к
251
усилителю
А после этого экранная сетка окажется «висящей
из-за этого лампа
Схема
на
воздухе» (10.9; 9),
и
закроется.
18. На резисторе
ток.
в
теряться напряжение, если по нему не идет
рис. 10.9; 7 дает повод подумать об одной типичной ошибке
не может
при оценке напряжений в той или иной точке сложной электрической
цепи. Сопротивление резистора RK обычно ОД-1 кОм, сопротивление Rc
чаще всего ОД-1 МОм, то есть в тысячу раз больше, чем Rk. И вот эта огром¬
ная
разница, бывает, наводит на сомнения: а не потеряется ли на Rc напря¬
жение смещения
11ш по пути от катода к сетке? Ответ очень определенный:
потеряется. Напряжение, теряемое на том или ином резисторе, опре¬
деляется током, который по нему идет, а по Rc практически ток не идет
не
(точнее, идет чрезвычайно малый ток, доли микроампера его создают
случайные электроны, попадающие на сетку, несмотря на «минус» на ней).
-
Во всяком случае, большой анодный ток Ia
попадает.
Вывод: напряжение
полностью достается
практически
RK и в Rc не
R, практически равно нулю, и Ц.м
на самом
участку сетка-катод.
Отсюда можно вывести,
но
замыкается только по
полезное
может
быть, не очень строго сформулированное,
правило: оценивать напряжение
в
какой-нибудь
другой точки; при этом нужно
внимательно следить за тем, какие элементы включены между этими точ¬
точке схемы можно только относительно
ками и какие токи идут по каждому из них.
19.
Транзисторные
что в самых
схемы
находят
разных электронных
более широкое применение. То,
встречаются одни и те же схемо¬
все
схемах
решения, подтверждает еще и рис. 10.10, на котором показа¬
некоторые фрагменты транзисторных усилительных каскадов. Этот ри¬
технические
ны
сунок возвращает
с
области
ламповых
усилителей
к
транзисторным,
Такая
расстанемся.
«транзисторизация» связана с
достоинствами транзисторов. С их долговечностью, малыми га¬
которыми
важными
нас из
мы
уже
не
баритами, экономичностью: для создания одной и той же «мощной копии»
транзисторный усилитель потребляет
ко
раз
меньше
энергии,
от источников питания в несколь¬
чем ламповый.
Это особо
важно для
переносной
аппаратуры здесь экономное расходование электроэнергии позволяет
резко уменьшить вес батарей. Кроме того, транзистор привлекает своей
-
неприхотливостью в части питания
ки,
а то и сотни вольт; на
-
на анод лампы
-
коллектор транзистора
для питания лампы
нужно подать десят¬
всего несколько вольт;
нужно иметь два напряжения накальное и анодное,
транзистор обходится одним источником питания. Когда в начале 1950-х
появились
гут
первые транзисторы,
заменить лампы:
ков.
-
Сначала
они
думал, что они так хорошо смо¬
время было очень много недостат¬
мало кто
у транзисторов
в то
работали только на низких частотах; их параметры даже
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
252
пределах одного типа сильно различались; не удавалось создать мощные
транзисторы. Позднее все эти недостатки были преодолены.
в
Примечание редактора. В дальнейшем процесс повторился при переходе
от тран¬
зисторов к интегральным схемам: если питание типичной ламповой схемы состав¬
ляет 80-150 В (плюс обязательный мощный источник накала катода), то транзис¬
уже 9-12 В. А питание интегральной схемы может не превышать 3-5 В
при одновременном снижении тока потребления в десятки и сотни
раз. Кроме того, транзисторы и интегральные схемы имеют несравнимо меньшие
торной
-
и даже менее,
габариты,
транзисторной электронике пришлось отказываться от многих
решений, присущих ламповой электронике: таких как применение транс¬
форматоров и дросселей (см. «Примечание редактора» в гл. 6; 24). Поэтому многие
и еще в
типовых
указанные далее схемотехнические решения, связанные с применением намоточ¬
ных
изделий (особенно такие,
как на рис.
10.10; 5), уже давно
не применяются на
практике.
Рис. 10.10. Усилительный каскад
на
транзисторе
транзисторе. В первой из схем
встречаются
нагрузка Rh, дели¬
тель
с
на
/
подается
смещение
10.3), переходной
которого
базу
(рис.
R61 R62,
ответвляется на
конденсатор Ск, через который
резистор R'H часть перемен¬
ной составляющей коллекторного тока. И чем меньше сопротивление R'H,
20. Типичный
на
рис. 10.10; 1
тем
большая
грузку Rh.
усилительный
нам
часть идет
Кстати,
каскад
на
«знакомые все лица»
через
цепочка
CkR'h
него и
меньший
-
ток замыкается
через на¬
собой
делитель
представляет
напряжения.
ГЛАВА 10. От усиления
И
к
253
усилителю
Ск достаточно велика, если его емкостное со¬
противление мало по сравнению с R'H, то почти все переменное напряже¬
ние, которое действует на коллекторе, действует и на резисторе R'H.
если емкость
транзисторном усилителе
1
что
это небольшое сопро¬
невозможно,
10.10;
потому
рис.
уже
тивление
денсатор
колебательный
вот соединение
микрофонный трансформатор (рис. 10.10; 6),
по схеме
(дроссель),
источнику
сигнала
к
нижнюю часть де¬
шунтировать
постоянному току.
21. Автоматическая регулировка коллекторного тока стабилизирует
режим транзистора. Особое место в схеме занимает резистор Ry он нужен
для стабилизации режима транзистора.
Примечание редактора. Автоматическая стабилизация режима
в
транзисторных
простейших схемах (рис. 10.3; 4, 5) рабо¬
чая точка крайне нестабильна (см. также «Примечание редактора» в разделе 4
этой главы). Она сильно зависит от конкретного значения коэффициента усиления
Р (Л21э) в данной точке, который, в свою очередь, зависит от напряжения смещения
усилителях необходима потому,
эмиттерного перехода
что в
1/6э и оттока коллектора /к. И напряжение 1/6э, и ток /к меняют¬
ся с изменением сигнала, то есть в
указанных простейших
схемах
будут возникать
серьезные нелинейные искажения усиленного сигнала. Но еще важнее то, что и
напряжение смещения
по т. н. модели
(Ук
1/6э, и ток /к
Эберса-Молла [1]
очень сильно зависят от
в половину напряжения питания
Un
другую сторону приведет транзистор
ровно
в ту или
отсечки
В самой
(l)K
=
изменение температуры всего на 8°
в состояние насыщения
(1Ук 0) либо
==
Un).
простой
из схем
стабилизации (рис. 10.11; 1)
При
этом если
смещение на
базу
(рис. 10.3), а с самого
при нагревании прибора возрастает коллек¬
подается не с плюса питания
коллектора.
температуры. Расчеты
показывают, что при установленном смещении
коллекторной
цепи
торный ток, то понижается напряжение на коллекторе и автоматически
становится меньше напряжение на базе. А это приводит к уменьшению
коллекторного тока. Таким образом, изменение температуры в меньшей
степени влияет на
коллекторный ток.
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
254
Рис. 10.11. Стабилизация
Такая
же малая автоматика
чается очень часто.
жение на
Здесь
эмиттерном переходе,
Н'ы которое
проходит эмиттерный
и
появляется
личивается
R3)
1Г'см
на
тельно,
работает в схеме рис.
коллекторный
повторяет
резисторе
ток
ток.
ток
Ry
и
то есть
между эмиттером
U'cm, которое
на
R3 благодаря
-
При
ток.
10.11; 2, которая встре¬
что это
напря¬
(не забывайте,
смещение на базе
разности двух напряжений
почти
в транзисторных усилительных каскадах
тому,
что по
так как ток
эмиттера
как
обычно, уве¬
(текущий
вершенно
через
же
увеличивается напряжение
общее напряжение
на
базе уменьшается, следова¬
коллектора падает.
Резистор R3 шунтирован конденсатором Су
для того чтобы переменная составляющая коллекторного тока
усиленный
R61 / R62,
тут
коллектора,
то
базой) равно
этому резистору
нагревании транзистора,
Но
и
снимается с делителя
полезный сигнал
излишнее для нее
-
замыкалась
-
то есть
кратчайшим путем, минуя
сопротивление
R3.
Примечание редактора. Схема, приведенная на рис. 10.11; 1, несовершенна (по¬
тому что ее входное сопротивление мало и «посадит» маломощный источник
сигнала) и употребляется редко. Вторая схема (рис. 10.11; 2), как и говорит автор,
употребляется гораздо чаще. Она устроена так, что коэффициент усиления входно¬
го постоянного напряжения (WJ практически не зависит от данных конкретного
транзистора при условии достаточно большого справочного значения коэффици¬
ента усиления по току (3 (не менее 50-100, что характерно для всех современных
маломощных транзисторов). Усиление это примерно равно отношению сопротив¬
ления резисторов в коллекторе и эмиттере
ло 10. Соответственно, положение рабочей
RH: R3, которое обычно выбирается око¬
(1/к половине напряжения пита¬
и
с
ния) задается помощью делителя R61 / R62 резистора в коллекторе RH из условия,
точки
*
что изменения
(0,6-0,7 В)
и
+
(/мс
напряжения на открытом эмиттерном переходе
допустимой погрешностью можно принять равным 1Гт
переменного сигнала,то есть входного
выборе шунтирующего
малы,
0,6 В. Усиление
переменного напряжения, при надлежащем
конденсатора в цепи эмиттера
Сэ (хс« R)
может составить
со¬
ГЛАВА 10. От усиления
к
255
усилителю
раз (зависит от транзистора). Пример такого расчета:
110
10
кОм;
кОм;
Я62
/?э 1,0 кОм; /?н 10 кОм; Сэ 10 мкФ.Легко проверить,
Rti
что при таких параметрах рабочая точка транзистора (напряжение на коллекторе
несколько десятков или сотен
=
6-7 В,
на рис.
=
=
покоя) не зависит от напряжения питания, если оно выше пример¬
будет лежать примерно на половине напряжения питания (как
в состоянии
но
=
=
и всегда
10.5).
22. Некоторые предварительные соображения
о
режиме транзис¬
может дать
Усиление,
торного усилителя.
которое
усилитель, мощность
копии»
и
словом, все его
мощность
«мощной
потребляемая усилителем
-
возможности и
потребности
-
в каскаде, от
торые протекают
во многом зависят от
режима:
напряжений, которые
от токов, ко¬
подводят к усилите¬
лю или от него получают.
Выбор
режима усилителя
-
дело тонкое и сложное. Оно чем-то напо¬
минает шахматную партию, где
достатки, где
каждый ход
имеет свои достоинства и не¬
зачастую приходится жертвовать
чем-то одним
ради
другого.
Режим транзисторного усилительного каскада определяется
ми схемы
В
тания.
и,
-
чего-то
элемента¬
резисторами, конденсаторами, катушками, источниками пи¬
практических схем, рекомендованных для повторения,
описаниях
конечно же, в схемах
промышленной аппаратуры
все элементы подо¬
браны так, что нужный режим транзистора должен получиться сам собой.
И
все же в
процессе
менять в поисках
готовая схема
вратимо
наилучшего режима.
это
-
налаживания схемы нет-нет да и
зачастую
не
влечет желание искать,
Попробуем
об усилении
подвести
и
более
Кроме
как и насколько влияет на
того, для
что-то
радиолюбителей
чем линия
старта, за которую
придумывать, улучшать.
предварительный
усилителях,
приходится
изложим
итог того, что
некоторые
неот¬
было рассказано
соображения
о том, что,
режим транзистора.
Соображение № 1. Чем больше напряжение смещения на базе Ucm, тем
больше коллекторный ток, а значит, и мощность, потребляемая
транзистором. Для экономного расходования коллекторной бата¬
реи смещение на базу следует делать поменьше (рис. 10.12; 1).
Соображение
№ 2. Слишком
малое смещение может
привести к иска¬
жениям: в какие-то моменты
«минус» входного сигнала перекроет
«плюс» смещения,
транзистор окажется запертым, произойдет от¬
сечка
коллекторного
Соображение
(рис. 10.12; 2).
№ 3. Смещение
ня входного
можно
тока
сигнала
(Ц,иг ):
на
открывать транзистор,
(рис. 10.12; 3).
базу
чем
устанавливают
с
учетом уров¬
меньше этот сигнал, тем
экономя
при
этом
энергию
меньше
батареи
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
256
Рис. 10.12. Режимы транзистора
Соображение
№ 4. С увеличением сопротивления нагрузки растет
ременное напряжение
нала на выходе
Соображение
на
ней,
усилителя
№ 5. Но при
грузки напряжение
кие-то моменты на
усиленного
большом сопротивлении
на¬
(рис. 10.12; 4).
слишком
коллекторе вообще
И
пе¬
сиг¬
а значит, и мощность
на ней окажется настолько
транзистора).
(рис. 10.12; 5).
щение
в схеме усиления сигналов
опять-таки
большим,
что в ка-
ничего не останется
возникнут
(насы¬
искажения сигнала
Соображение № 6. Увеличивая напряжение питания, мы, по сути дела,
увеличиваем мощность, потребляемую от батареи, а также мощ¬
ность, которая расходуется на нагрев транзистора (рис. 10.12; 6).
ГЛАВА 10. От усиления
Соображение
к
257
усилителю
№ 7. Само
по
себе увеличение питающего напряжения
переменная составляющая коллекторного тока и пе¬
ременное напряжение на нагрузке какими были, такими и останутся
ничего не дает:
(рис. 10.12; 7).
Соображение
№ 8. Но
в то же
время
ния, то появится возможность
если поднять
напряжение
пита¬
увеличить сопротивление нагрузки
получить большее напряжение
на
нагрузке,
и
не опасаясь отсечки или
насыщения11 (рис. 10.12; 8; соображение № 5).
Соображение №
лее ее
для
Rh и тем бо¬
большую опасность
9. Уменьшение сопротивления нагрузки
короткое
замыкание
транзистора, прежде
могут представлять
всего для мощного.
Вспомните: мощность,
транзисторе и нагревает его, это произве¬
дение коллекторного тока на коллекторное напряжение. При вклю¬
ченной
нагрузке максимальному коллекторному току соответствует
минимальное
напряжение на коллекторе, и получаемая транзисто¬
мощность
ром
сравнительно невелика. А вот если сопротивление
нагрузки равно нулю, то напряжение на коллекторе всегда равно на¬
пряжению питания. И в момент максимального коллекторного тока
на
которая рассеивается
в
-
транзисторе может выделиться настолько большая мощность,
просто не выдержит (рис. 10.12; 9).
что
он ее
Соображение
простой
№ 10. Оно
истине:
можностях, о
навеяно
работая
с
предыдущим, девятым,
транзистором, нужно
напряжениях. Вывести
разными способами превы¬
предельно допустимых токах
из
можно многими
и сводится к
помнить о его воз¬
и
-
строя транзистор
сив любой из
допустимых токов или любое из допустимых напря¬
жений. Об этом можно сказать более оптимистично: транзистор
и надежно
исправно
работает,
если не
требовать
от него
большего,
чем он может, не
ностей. У
нас
превышать допустимых напряжений, токов, мощ¬
еще будет возможность более серьезно задуматься о
работе
транзисторов в усилительных каскадах, встречаясь
конкретных электронных устройствах.
А
пока сделаем
небольшой перерыв
и от
усилителей перейдем
му огромному классу электронных устройств
11
В
реальности для
схем с заземленным эмиттером
середине напряжения питания
нию
практически
определяется
не зависит от
формулой
~
20
(Ux
=
17пит/2);
(рис. 10.3
и
к
друго¬
-
генераторам.
и
10.12) рабочая
можно показать, что
параметров транзистора
1/пит.
с ними в
при
этом
точка
выбирается
усиление
по
на
напряже¬
выбранного коллекторного тока покоя и
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
258
Практикум. Исследование
усилительных свойств транзистора
Для экспериментов понадобится:
маломощный транзистор
типа
п-р-п
(например,
ВС337
или анало¬
гичный);
резисторов 0,25 Вт от 100 Ом до 100 кОм;
конденсаторы 47 мкФ (электролитический танталовый);
набор
полярные керамические,
2
3,3
мкФ
(не¬
шт.);
светодиод любого цвета;
переключатель
тумблер;
стабилизированный
или
источник питания
Разводка выводов эмиттера, базы
и
12 В.
коллектора для обычных маломощ¬
транзисторов в пластиковом корпусе с гибкими выводами (в том чис¬
упомянутого ВС337) показана на рис. 10.13; 1. Однако стандартов на
этот счет не
существует, потому будьте осторожны: если у вас незнакомый
тип
транзистора, то обязательно проверьте его разводку выводов по фир¬
менному описанию.
ных
ле и
Эксперимент
1. Ключевой режим
работы
транзистора
Для начала соберем простую ключевую схему (рис. 10.13; 2). Она аналогич¬
простейшей схеме с заземленным эмиттером (см., например, рис. 10.12),
на
установлен базовый резистор
за исключением того, что здесь
ограничивает
собой
шать
ток
через переход
база-эмиттер.
обычный диод,
фактически
и
напряжение
0,6-0,7 В (см. «Примечание редактора»
к
Rg, который
Этот переход представляет
на нем не может
превы¬
разделу 4 этой главы). Если
принудительно подать более высокое напряжение, например замкнув базу
накоротко на шину питания, переход просто сгорит, и транзистор выйдет
из
призван ограничить ток базы до безопасных вели¬
(не более, чем примерно 1 мА) при любом подключении.
При замыкании переключателя К1 с общим проводом (как показано на
строя.
Резистор R6
и
чин
рис. 10.13; 2) через базовый резистор R6 ток не течет, транзистор заперт
через цепь коллектор-эмиттер ток не проходит, светодиод не горит. Если
-
при
этом
измерить напряжение
ным напряжению питания
Г
Переключим
К1
в
Uпит
на
коллекторе
UK,
то оно окажется
рав¬
.
верхнее (по схеме) положение, замкнув
тем самым
базовый резистор на шину питания +12 В. Транзистор откроется, светоди¬
од загорится. Если теперь померить напряжение на коллекторе UK, то оно
окажется почти
равным нулю (точнее, около 0,3-0,4 В). Можно подсчитать
ток,
который
при
этом течет в цепи
коллектора
7к:
он
будет
равен напря¬
ГЛАВА 10. От усиления
жению питания
к
Unm (12 В)
минус напряжение
на
минус напряжение
коллекторе (0,3 В, можно
сопротивление резистора
10 мА.
Обратим
напряжению
259
усилителю
Rk (1 кОм),
внимание на то, что
питания
U
на светодиоде
ток
/_
В)
равным примерно
будет
при
этом
равен
(12 В) минус напряжение перехода база-эмит¬
деленным на сопротивление резистора
тер 116э (0,7 В),
2
пренебречь), деленным на
то есть окажется
базовый
(около
R6 (10 кОм),
то есть
чуть более 1 мА.
Отношение тока коллектора 1к к току базы 16 будет равно примерно 10.
Условие стабильной работы транзистора в таком ключевом режиме
есть
(то
тем
либо
полностью
открыт, либо
полностью
что вычисленное нами отношение
условием,
заперт)
IJI6
определяется
не должно
превы¬
коэффициент усиления транзистора (3 (Ь21э). Так как для современных
маломощных транзисторов коэффициент усиления обычно не менее 100
шать
(см.
табл.
10.1),
то соотношение
IJI6 спокойно можно увеличить в несколь¬
характеристики транзистора. Например, можно
установить коллектор более мощную нагрузку (обмотку электромагнит¬
ного
реле или маломощную лампочку накаливания). Транзистор ВС337 в
ко
раз, даже
не глядя на
в
открытом
чтобы
не
пропускать через себя ток до 0,8 А, но при
миллиампер, конечно, придется увеличить и величину R-,
состоянии позволяет
токах в сотни
нарушить указанное
выше соотношение.
Рис. 10.13. Усилительные свойства транзистора
Будем
считать, что с ключевым режимом транзистора мы
В современных схемах,
сплошь основанных на
цифровых
разобрались.
принципах, ре¬
жим «включено-выключено»
вильно подключать
ним.
Но
встречается очень часто, потому умение пра¬
транзистор в ключевом режиме отнюдь не будет лиш¬
хочется все же
разобраться
в том, как
усилителя непрерывно меняющегося,
правильно
составить
аналогового сигнала.
схему
Интуитивно
ясно, что между полностью открытым и полностью запертым состоя¬
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
260
транзистора существует какой-то промежуточный режим, когда
напряжение на коллекторе плавно меняется в зависимости от входного
ниями
сигнала.
Как
его
обеспечить?
Эксперимент 2. Транзисторный усилитель
сигнала
синусоидального
Как рассказано
в
этой главе ранее, для обеспечения режима усиления
надо обеспечить подачу нужного смещения
на
базу
транзистора. Можно
попробовать сделать так, как предлагается на рис. 10.12, например под¬
ключить базу через делитель напряжения и тонко регулировать напряже¬
ние на ней, пока не добьемся
Uk, примерно равного половине напряжения
питания.
Но
на самом деле так мы не
другого экземпляра транзистора
ставит нас все
земпляру
регулировать
может меняться в
видуальная настройка
установленное
дактора»
к
не
значение
с
получим
хорошего: установка
коэффициентом усиления за¬
(коэффициент р от экземпляра к эк¬
см. см. табл. 10.1). И даже такая инди¬
другим
заново
разы,
поможет:
UK
ничего
опять
стоит
измениться
«уплывет» (см.
также
температуре,
как
«Примечание
ре¬
разделу 4 этой главы).
Поэтому мы не будем рассматривать промежуточные попытки Добиться
транзисторных усилительных схем, а сразу перейдем
практическому воплощению стабильной схемы усилительного каскада,
показанной на рис. 10.11; 2, несколько усложнив ее в сравнении с оригина¬
лом.
Результирующая конструкция показана на рис. 10.13; 3. Достоинство
этой схемы заключается в том, что ее характеристики не зависят от выбо¬
уверенной работы
от
к
бы его собственный коэффициент усиления не был
70-80
(а этому условию удовлетворяют все современные
примерно
маломощные транзисторы). Не слишком чувствительна схема и к измене¬
факта, что усилительный каскад
биполярном транзисторе наилучшим обра¬
коллекторный
с того
ток покоя
равен 1 мА. Необязательно
соблюдать эту величину совершенно точно,
в обычных
случаях не рекомендуется. Коллекторный
но и сильно отклоняться от нее
зистором
в
эмиттерной
ток для схемы с
цепи задается напряжением на
базе, которое
ре¬
ока¬
величину Пбэ 0,6 В больше, чем напряжение на эмиттерном
резисторе. Этот резистор в данном случае складывается из двух резисторов
R3i + R2, то есть равен 1 кОм. Таким образом, чтобы ток был равен 1 мА,
напряжение на эмиттере должно быть равно 1 В, а на базе, соответствен¬
зывается на
1,6 В. Обеспечивает
=
12 В делитель
R61
(75 кОм) и R62 (10 кОм). Надо учитывать, что такой расчет приблизителен
но,
такое
напряжение при
питании
-
ГЛАВА 10. От усиления
к
261
усилителю
учитывает тот факт, что ток, протекающий в эмиттерной цепи (через
резисторы R3l + R32), отличается от коллекторного тока на величину тока
он не
базы. Однако
лектора (или
Осталось
ра
Rk.
из-за того, что ток в
эмиттера),
только
можно
намного меньше тока кол¬
пренебречь.
определить сопротивление коллекторного резисто¬
Оно определяется
нал на выходе мы
базовой цепи
этой ошибкой
из
получим,
условия,
если
наибольший неискаженный
что
установим
на
коллекторе транзистора
пряжение Uk, равное
Из условия, что ток коллектора равен 1 мА, получаем
6В
половине питания, то есть около
Собрав схему, проверьте
транзистора
на
значения
0,1-0,3 В. Если напряжение
делитель
R61
напряжений
они не должны отличаться от
-
и
R62,
на
в данном
случае.
на
=
базе
и
коллекторе
на схеме
более,
пересчитать нужно
базе,
на¬
Кк 6,2 кОм.
указанных
питания иное, то
чтобы обеспечить 1,6 В
сиг¬
чем
сначала
а затем изменить
резис¬
тор RK, чтобы по-прежнему получать на коллекторе середину питания.
Каковы характеристики этой схемы? При указанных на схеме величинах
сопротивлений коэффициент усиления
шению
RJ(R
+
то есть около
по
6. Это
постоянному току равен
легко
отно¬
если подать по¬
проверить,
R32),
лабораторного регулируемого источника питания или
низкоомного делителя напряжения (например, с потенциометра
стоянный
сигнал от
просто
сопротивлением
1
на
среднюю точку делителя (то есть
входной
базу транзистора), минуя
конденсатор Свх. Например, если вы
подадите напряжение, отличающееся от 1,6 В на 0,3 В в большую сторону
менее
кОм) прямо
на
(т.
1,9 В),
е.
то, так как
транзисторный усилитель инвертирует сигнал,
полу¬
от
питания
отличающееся
(6 В)
коллекторе напряжение,
середины
1,8 В в меньшую сторону (т. е. UK будет равно 4,2 В). Проверяя этот пара¬
чите на
на
метр, вы легко обнаружите, что максимальная амплитуда на выходе при
данном напряжении питания составит около 4,5 В относительно половины
питания.
По переменному току за счет шунтирования резистора Кэ2 конденсато¬
ром Сэ большой емкости коэффициент усиления будет значительно боль¬
ше,
и на частотах, на
сатора (см.
RJR3l,
то есть
ния по
ного
гл.
6; 14)
теоретически
переменному току
нератора
Свых. Частота,
для
на
на вход
частоты и
с
емкостное
около
будет
сопротивления эмиттера,
величину, подав
ра
которых
сопротивление хс
становится много меньше
34. На
этого конден¬
Кэ2, будет равно отношению
самом деле
коэффициент усиле¬
несколько меньше из-за вклада
то есть около
(на конденсатор Свх) калиброванный
измеряя амплитуду выходного
которой
собствен¬
30-31. Можете проверить эту
сигнал с ге¬
на выходе конденсато¬
начинает выполняться соотношение
хс
«
Кэ2,
указанной на схеме емкости конденсатора 47 мкФ будет примерно рав¬
100 Гц.
ГЛАВА 11
Превращение
в
1. В
электронной аппаратуре широко используются различные
раторы переменного напряжения. В
означает
ми
генератор
точном
«создающий», «рождающий»,
называют
самые
разные
а
переводе
слово
гене¬
«генератор»
электрическими генератора¬
преобразователи,
которые
вырабатывают
машинный генератор, химический источник
тепловой и световой энергии в электрическую.
электрическую энергию,
-
преобразователи
Электрические генераторы очень широко используются в электронной
аппаратуре как самостоятельные схемные узлы. Это генераторы, кото¬
рые преобразуют электрическую энергию в электрическую энергию, но
несколько иного вида: они
потребляют постоянный ток, а создают пере¬
тока,
менный, меняющийся.
опускают,
ратор»,
и когда
то имеют в
напряжение
Для краткости
все
поясняющие
говорят «электронный генератор»
виду схему,
определенной
на выходе
частоты и
или
слова
просто
просто
«гене¬
которой действует переменное
формы
и
которая при
этом
полу¬
чает только питание.
Примечание редактора. В настоящее время термином «генератор» называют в ос¬
новном именно устройства, генерирующие переменный ток. Под это определение
попадают
и машинные
генераторы электрической энергии, и схемы с питанием от
которых возникает переменное (или пульсирующее)
постоянного тока, на выходе
напряжение. В этой главе термин «генератор»
употребляется именно в последнем
Устройства, непосредственно предназначенные для питания электронных
приборов (как правило, постоянным током), автор в предыдущих главах также на¬
зывал генераторами, но чаще их называют источниками питания. Следует отметить,
что устройства для прямого преобразования энергии в электрическую (ветрогенераторы, солнечные батареи, термические элементы), за исключением электрохи¬
мических элементов (батареек и аккумуляторов), редко применяются для питания
электроники без промежуточных преобразователей. Подобные преобразователи,
как и преобразователи переменного тока в постоянный, называются источниками
смысле.
вторичного электропитания, ИВЭП.
За примерами применения генераторов далеко ходить не нужно. В радио¬
передатчиках генераторы создают
чает
переменный
ток,
который
в итоге
излу¬
радиоволны. В электронном музыкальном инструменте генераторы
ГЛАВА 11. Превращение в генератор
263
заставляют звучать громкоговоритель. В телевизоре с помощью меняющих¬
ся токов включают и выключают мельчайшие элементы экрана
пикселы,
-
устройство обяза¬
работы всем много¬
заставляя их рисовать картинку. Любое компьютерное
тельно
содержит тактовый генератор, задающий
численным
генератор
схемы.
узлам
-
самый
темп
Можно наверняка сказать,
распространенный
элемент
что после
усилителя
электронной аппаратуры.
2. Источником переменного напряжения может быть колебательный
контур. Нам уже встречалось несколько устройств, на выходе которых
действует переменное напряжение. Первое из них машинный генера¬
тор (гл. 5; 16). Для электронной аппаратуры, пожалуй, не подойдет этот
-
сложный
агрегат
с
вращающимися деталями,
не
говоря уже
о том, что от
электронных генераторов нередко требуются мегагерцы
гигагерцы, час¬
тоты, недоступные для машинного генератора. Отпадает и микрофон в
роли генератора (гл. 8; 3): в нем за переменное напряжение нужно платить
переменным перемещением. А где его возьмешь?
Остается пока один достойный претендент на роль электронного гене¬
и
ратора
колебательный контур
-
Примечание редактора.
(гл. 6; 21-24).
Классические генераторы
тура в настоящее время почти не применяются.
ранее
(см. «Примечание
редактора» в
гл.
6; 24)
-
на основе
Одна
колебательного
кон¬
из причин уже указывалась
реальные катушки индуктивности,
особенно малогабаритные,
весьма далеки от своего идеала (чисто индуктивного
сопротивления). Генераторы на колебательном контуре требуют индивидуальной
настройки, их параметры зависят от температуры, нагрузки и колебаний напряже¬
ния питания
в общем, обладают всем букетом отрицательных свойств, присущих
-
классической аналоговой технике. Поэтому в современных условиях их стараются
заменять на более стабильные и технологичные схемы. В частности, в современных
генераторах гармонических колебаний широко используются кварцевые резона¬
торы. Однако принцип работы кварцевого резонатора тот же, что и у колебательно¬
го контура,
-
его эквивалентная схема содержит емкость, индуктивность и активное
(омическое) сопротивление,
он имеет
последовательный
и параллельный резо¬
добротностью (причем у «кварца»
любого колебательного контура). Поэтому
нансы, его качество точно так же оценивается
добротность несравненно выше, чем у
подробное ознакомление с работой генератора
гармонических колебаний (то есть
колебаний, основанных на переходе энергии из одного вида в другой, см. гл. 7; 4)
на примере колебательного контура весьма полезно для понимания, как устроены
-
все
подобные генераторы, на
между
прочим,
и
каком бы принципе они не основывались,обычные механические маятниковые часы.
Колебательный контур
-
это
включая,
электрическая цепь, состоящая
из конден¬
RK (рис. 11.1; 1). Правда, резистора как
такового в
контуре не бывает, и RK отображает собственное сопротивление
сатора
Ск,
катушки
LK
и
резистора
которое входит сопротивление катушки, потери энергии в кон¬
денсаторе, другие виды потерь и затрат. До сих пор мы встречали контур в
контура,
в
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
264
роли резонансного
фильтра
от всех
в цепи
и
извлечем его
переменных
что
оттуда
посмотрим,
других электрических цепей
пример зарядив конденсатор
и
токов
произойдет,
(гл. 6; 24).
А теперь
если отделить
контур
передать ему порцию энергии,
на¬
(рис. 11.1; 2, 3) до напряжения 17к.
Рис. 11.1. Колебательный контур
А
произойдет, скорее
всего, вот что.
разряжаться через катушку
появится магнитное поле.
цепи не прекратится, его
LK,
в
Конденсатор сразу же начнет
контуре пойдет ток 1к, вокруг катушки
Когда разряд конденсатора
закончится, ток в
будет
поддерживать ЭДС самоиндукции, кото¬
магнитное поле катушки. Для пустого разрядив¬
рую создаст убывающее
шегося
конденсатора это
уже, конечно, в
будет зарядный ток, он зарядит конденсатор, но
обратной полярности. И когда катушка завершит свою
деятельность, когда ее магнитное поле исчезнет и
ЭДС самоиндукции,
давать
разряжающийся
ления, поскольку противоположна
саторе
(рис. 11.1; 4).
перестанет действовать
равно
прекратится, его будет соз¬
Но
это
конденсатор.
уже ток обратного направ¬
ток в цепи все
не
и
полярность напряжения
на конден¬
ГЛАВА 11. Превращение в генератор
И
пойдет
знакомому сценарию. Конденсатор разрядился,
поддерживает катушка. Магнитное поле катушки исчезает, кон¬
снова все
но ток
265
по
заряженным. Конденсатор разрядился, но ток
Магнитное
поле
поддерживает катушка.
катушки исчезло, а конденсатор
вновь оказался заряженным. И так цикл за циклом будет
заряжаться и
вновь оказался
денсатор
разряжаться конденсатор, нарастать и убывать магнитное поле катушки,
меняться ток в контуре, напряжение на конденсаторе и катушке. Будут
происходить электромагнитные (иногда для краткости говорят просто
электрические)
колебания
в
контуре.
3. Частота свободных колебаний
тивностью и емкостью.
ся к
в
огромному классу процессов,
имя
(гл. 7; 4). У электрических колебаний
что и, скажем,
контуре
у колебаний
-
которому
физические
конденсатора
каждый
контуре
себе,
свободные колебания
-
энергии
электрическое
Накопители
эти действуют
катушки.
и магнитное поле
сам по
индук¬
контуре относят¬
приметы и повадки,
хотя,
конечно, в колеба¬
струны,
Как
и в любой колеба¬
процессы.
есть два накопителя
поле
его
те же главные
тельной системе,
не
в
маятника или
ния вовлечены совсем иные
в
определяется
Эти электрические колебания
они взаимосвязаны: когда магнитное поле
убы¬
вает, то
ЭДС 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
параметров
-
индуктивности Lk
механических
Чем больше
и емкости
колебаний струны
емкость
контуре
зависит от ее массы и
конденсатора
Ск
медленнее они накапливают и отдают
обмен
Ск,
в
и
зависит от его
так же как частота
свободных
гибкости
(гл. 7; 5).
индуктивность катушки
энергию,
тем медленнее
Lk,
тем
происходит
энергией между этими накопителями, тем ниже частота свободных
электрических колебаний (рис. 11.1; 5,6). Причем частота переменного на¬
пряжения
именно
и
переменного
ции энергии. То
ние
хс
тока в
контуре
и
есть частота
индуктивное xL
=
сопротивлений хс xL
на
автоматически
устанавливается
катушка получали одинаковые пор¬
получается такой, что емкостное сопротивле¬
такой, чтобы конденсатор
и
этой частоте одинаковы. Из условия равенства
найти точное значение частоты свободных ко¬
легко
она получается такой же, как резонансная частота
контура /
сказать
6.18;
Логичнее,
1).
(рис.
пожалуй,
наоборот резонансная часто¬
частоте
колебаний
свободных
та/ равна
/к.
(Зчень удобно, что частота свободных колебаний зависит от индуктивно¬
сти и емкости
контура. Это значит, что, изменяя LK или Ск, можно менять
частоту переменного напряжения, которую будет давать контур. Если, ко¬
лебаний
-
-
з
нечно, он
пройдет на
роль электронного генератора. Именно
«если
прой¬
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
266
прискорбное обстоятельство,
дет»: пока этому мешает одно
для
всех
4. Чем
ния.
колебательных систем,
добротность
выше
-
характерное
неизбежное затухание колебаний.
контура,
тем
медленнее затухают колеба¬
Свободные электрические колебания затухают в контуре постепенно,
постепенно
энергия, первоначально полученная конденсатором,
теряется
умень¬
Rk, превращается
шается амплитуда переменного тока, переменные
напряжения на катуш¬
ке и
конденсаторе.
То же самое мы уже наблюдали в колеблющейся струне, для нее была
на
в тепло.
сопротивлении
теристика
-
время
жизни
свободных колебаний (гл. 7; 6). Подобная харак¬
добротность Q
ся к своим запасам
этом постепенно
«добротность» Q, которая как раз и показывает, от
введена характеристика
чего зависит
При
говорит и о том, насколько бережно относит¬
энергии колебательный контур. Чем больше энергии
-
при каждом перекачивании уходит в запас, в магнитное поле или электри¬
энергии при каждом перекачивании превра¬
щается в тепло, тем больше добротность Q, тем дольше длятся свободные
ческое поле и чем меньше
колебания
5.
в
контуре
(рис. 11.1; 7, 8).
Добротность контура тем выше, чем меньше потери энергии, чем
индуктивность и меньше емкость. Добротность исключительно
больше
важная
-
характеристика колебательного контура. Когда контур использу¬
ется в качестве
резонансного
насколько хорошо он
бротность,
какую
со
справляться
контур задавит токи
выделит, вытащит из аккорда
ности зависит,
то именно от
будет
тем сильнее
Когда контур держит
фильтра,
ток
роль генератора,
этом
получит оценку,
при
длиться в контуре собственные колебания.
Но от чего же зависит сама добротность,
все основные таланты
Можно сразу
зависит,
выше до¬
соседних частот и тем
своей собственной,
экзамен на
он
добротности
своей задачей. Чем
которая
резонансной
то именно от
лучше
частоты.
доброт¬
будут
насколько долго
столь сильно влияет на
контура?
добротность зависит от потерь энергии
контуре:
потери,
Кк, тем выше добротность Q.
не
только
Иногда потери отображаются
последовательным резистором Rk,
но еще и
параллельным резистором R'K, а бывает, что такой резистор R'K
же сказать, что
чем меньше
в
чем меньше
действительности подключен параллельно контуру, шунтирует контур,
старается отвести, отобрать часть циркулирующего в контуре тока. И чем
в
меньше
R'K,
тем
большая
часть
в него
энергии
уходит,
тем ниже
доброт¬
ность.
Есть еще одна зависимость,
ность
контура
чивания
энергии
активным
не
сразу,
зависит от соотношения
может
Ьк
и
Ск.
быть,
вся она делится на две части, часть
сопротивлением
Rk,
а
другую
часть
заметная,
-
доброт¬
В процессе каждого перека¬
энергии поглощается
отбирает один из
накопите¬
ГЛАВА 11. Превращение
в генератор
лей, конденсатор
катушка. То,
остается в
или
контуре.
Поэтому
что иное, как отношение
(рис. 11.1; 7),
что достается
резистору
Rk,
то, что попадает реактивному сопротивлению
безвозвратно;
ет
267
и оказывается, что
добротность
реактивного сопротивления
или, что то же самое,
к
пропада¬
Lk
Ск,
или
-
контура
не
Rk
частоте/к).
-
активному
xL
к
хс Rk (поскольку xL хс
Сделав простейшие преобразования, можно получить выражение для
добротности и увидеть, что она зависит от соотношения Ьк и Ск (рис. 11.1; 9).
Но даже без преобразований легко прийти к выводу, что добротность Q
тем
больше, чем больше Lk,
=
к
и тем меньше, чем
больше
на
Ск. Потому что с уве¬
Lk возрастает реактивное сопротивление xL, которое отбирает
энергию у ненасытного RK, отбирает с тем, чтобы вскоре вернуть в контур.
А с увеличением С емкостное сопротивление хс уменьшается, конденсатор
личением
энергии. Более того, приходится еще
шать, чтобы при увеличении Ск сохранить неизменной.
забирает
себе
меньше
Таблица 11.1. Некоторые
значений L и С
значения
резонансной
частоты
Ьк
и
умень¬
LC-контура
в зависимости от
(см. рис. 11.1; 5)
L
5 Гн
1 Гн
100 мГн
3 мГн
3 мГн
300 мкГн
1000 мкГн
250 мкГн
10 мкГн
С
10 мкФ
1 мкФ
ОД мкФ
400 пФ
45 пФ
400 пФ
120 пФ
500 пФ
25 пф
Л
22,5 Гц
160 Гц
1,6 кГц
140 кГц
420 кГц
460 кГц
460 кГц
460 кГц
10 МГц
добротности Q от Lk и Ск накладывает серьезные ограни¬
чения на выбор параметров контура. Конечно же, частота свободных ко¬
лебаний/^ в равной мере зависит и от Lk и Ск: одну и ту же частоту можно
Зависимость
получить при
самых
разных
соотношениях
добно тому
как
при разных
соотношениях его
одну
и во столько же
угодно
и
ту
параметры,
LK Ск,
и емкости, по¬
же площадь
прямоугольника можно получить
Если
в несколько
сторон.
раз увеличить Lk
раз уменьшить
менять эти
индуктивности
Ск,
то
лишь
и
частота/к не
бы
только
изменится.
сохранялось
определяет частоту /к.
Но
Можно
как
неизменным
если
нужно не
просто получить ту
иную частоту электрических колебаний, а полу¬
чить ее
при высокой добротности контура, то соотношение Lk и Ск уже
далеко не безразлично
нужно стараться, чтобы индуктивность контура
произведение
которое
или
-
была побольше,
6. Усилитель
а емкость поменьше
с положительной
(рис. 11.1; 9).
обратной связью компенсирует потери
контуре. Колебательный контур сам по себе не может, к сожа¬
электронного генератора. Как ни умень¬
шай потери и затраты энергии в контуре, свести их к нулю не удастся, в
большей степени или в меньшей, но колебания все равно будут затухать.
Правда, если поместить контур в сосуд с жидким гелием, то колебания бу¬
дут существовать в нем многие дни и даже месяцы температура жидкого
энергии
в
лению, сдать экзамен на звание
-
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
268
близка
гелия
к
абсолютному
температуре наблюдается
ток не
встречает
и в
нулю (-273 °С),
явление
проводниках при такой
сверхпроводимости: электрический
затрачивает энергии, не выде¬
контуре, помещенном в жидкий гелий, почти нет
никаких
препятствий,
не
Поэтому
потерь энергии, его добротность чрезвычайно велика.
Но такой сверхзамороженный контур не может работать генератором.
И не только потому, что сложная система поддержания сверхнизкой тем¬
в
ляет тепла.
пературы неприемлема даже для таких аппаратов, как телевизор, не гово¬
ря уже о переносныхприемниках. Главное в том, что генератор в электрон¬
ных
установках это не экспонат, а работающий блок, он должен не просто
создавать переменное напряжение, но и отдавать энергию потребителю.
-
А
передача энергии равносильна появлению в контуре некоторого
дополнительного сопротивления, равносильна увеличению RK. Поэтому
всякая
даже в идеальном контуре-генераторе, как только он начнет
нет отдавать
энергии.
И все же
энергию, колебания
быстро
затухнут, просто
работать, нач¬
иссякнет запас
контуре незатухающие колебания. О том,
которых беспре¬
рывно колеблется, как будто нет ни трения в системе его подвеса, ни сопро¬
тивления
воздуха. А еще качели, которые, если ты сумеешь раскачать их
можно
получить
в
как это сделать, подсказывают настенные часы, маятник
собственными колебаниями,
в такт с их
тех
пор,
тоже не
будут
останавливаться до
пока не надоест качаться.
Маятник
часов и качели подсказывают
щих электрических колебаний
тери и затраты энергии нельзя,
вводить в
в
тактику получения незатухаю¬
полностью
контуре:
но их можно
ликвидировать
скомпенсировать,
контур энергию, которая перекроет
все виды
по¬
если извне
потерь
и
затрат.
усилитель с положительной обратной
связью, например такой, как на рис. 11.2; 1. В этой схеме контур LCK вклю¬
чен в цепь базы и
затухающее переменное напряжение на контуре есть
не что иное, как
усиливаемый сигнал. А в коллекторную цепь включена
Для
этого
нагрузка
достаточно
сделать
Rh и еще один,
новый элемент
-
L общим
контурной катушкой
трансформатор часть «мощной
связана с
катушка
обратной связи Loc. Она
магнитным полем, и
копии» из
Нормальная прямая
да на выход, влияние
базовой цепи
на
коллекторной
базовую
усилителе
коллекторную (в
этот
цепи, то есть с
выхода усилителя, подается на его вход, поступает в
связь входа и выхода в
через
-
цепь.
это влияние вхо¬
лампе
-
сеточной
анодную). А влияние выхода на вход, передача сигнала или какой-то
коллекторной цепи в базовую это обратная связь. Типичный
это передача энергии из катушки
пример обратной связи
Loc в катуш¬
ку Lk. При определенных условиях энергия, поступившая по цепи обрат¬
на
его части из
-
-
ной связи
ческие
Но
в
контур,
колебания
это только
в
скомпенсирует все потери в нем,
контуре станут незатухающими.
полностью
при определенных условиях.
и
электри¬
ГЛАВА 11. Превращение в генератор
269
Рис. 11.2. Генерация колебаний
7. Для самовозбуждения генератора нужно
условие
на вход
фаз
LC-контура
с помощью
два условия
напряжение, которое подается
условие связи. Переменное
усилителя, иногда называют сигналом
и
выполнить
-
возбуждения. Потому
что
до того усилитель, застав¬
ляет меняться коллекторный ток, напряжение на нагрузке и на коллекторе,
создает свою мощную копию. Если во входную цепь усилителя включить
именно оно
пробуждает
к
действию дремавший
колебательный контур, то
возбуждающим сигналом будет переменное на¬
пряжение
контуре. Действовать оно будет недолго, так как коле¬
бания в контуре затухают. Но если в контуре будут созданы незатухающие
на этом
колебания,
будет
то
усилитель превратится
в
генератор,
действовать переменное напряжение,
ся
в
на его
базе непрерывно
коллекторной
ток, на нагрузке
цепи появит¬
долгоживущий, устойчивый переменный
устойчивое
переменное напряжение. Такой режим называется самовозбуждением: он
-
благодаря тому, что усилитель теперь уже генератор
сам себе на вход подает
возбуждающее напряжение, которое поддержива¬
появляется только
-
-
свободные колебания в контуре.
Для самовозбуждения прежде всего нужно, чтобы сигнал, поступаю¬
щий на вход из коллекторной цепи, поддерживал колебания в контуре
ет
(рис. 11.2; 3,4), а не мешал им (рис. 11.2; 5), что, в принципе, тоже возможно.
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
270
Иными словами, нужно, чтобы собственный
ток
7ос,
контуре
1к и
обратной связи, действовали бы в фазе. В схе¬
условие условие фаз очень просто, нужно
катушку Loc. При налаживании генератора, до¬
наведенный катушкой
рис. 11.2; 1
ме
переменный ток в
выполнить это
-
-
правильно включить
биваясь самовозбуждения, просто переворачивают одну
лишь
А
из
катушек «вверх
неудобно,
катушки Lk или
или
смене
ее концов
концы катушки Loc. При переворачивании катушки
и
в
на
если
токи
180°,
фаза тока 7ос, наведенного Lk, поворачивается
1к и 1ос
ранее действовали в противофазе, они начинают работать согласованно.
ногами».
А
это как
раз
восполняет
Но для
его до
то меняют местами концы
если это
и значит, что сигнал,
энергию, которую съедает
самовозбуждения
нуля,
полностью
нужно
гию не только в
ре
сближать катушки
обратной
катушки
выполнить
или, в
условие
цепь
контур энер¬
количестве.
В генерато¬
связи тоже несложно
-
крайнем случае, увеличить число
нужно
витков
генераторов напряжение обратной связи
контура. Схема генератора рис. 11.2; 1 называется
трансформаторной обратной
лишь к части
нужном
схемах
ноправных варианта такой
базовую
но еще и в
в
связи.
8. В трехточечных
с
Rk,
а
уменьшить
А
значит,
контуре.
нуж¬
просто уменьшить
-
Loc и Lk
снимается с части
схемой
Rk,
в
контур по каналу связи,
бы уменьшает его.
скомпенсировать потери
условие условие связи, передать
нужной фазе,
рис. 11.2; 1
не
и как
в
но выполнить еще одно
на схеме
попавший
(в реальных
контура,
схемы.
схемах
связью.
Есть два совершенно рав¬
В одном случае контур
включается в
транзистор обязательно подключается
иначе низкое входное
сопротивление транзисто¬
зашунтирует контур; рис. 11.1; 8), а катушка обратной связи
в
коллекторную. А во втором варианте, наоборот, в коллекторной цепи
находится контур, выполняющий здесь роль нагрузки, а катушка обрат¬
ной связи включена во входную цепь. События в обеих схемах, как и вооб¬
ра
ще
сильно
-
во всех
тока,
генераторах, разворачиваются одинаково.
например при
лишний
Первый
же толчок
включении питания или из-за того, что на
базу попал
-
электрон,
и в
контуре
свободные колебания,
начинаются
ко¬
благодаря обратной связи оказываются незатухающими. Схемы с
трансформаторной обратной связью очень популярны и весьма удобны.
Единственное, что, пожалуй, можно поставить им в упрек, так это допол¬
нительную катушку Loc.
В некоторых генераторах отдельная катушка обратной связи не нужна, в
них сигнал
обратной связи снимается с части колебательного контура. Это
торые
трехточечные схемы, в них транзистор подключен к контуру тремя точками эмиттером, базой и коллектором (в ламповых гене¬
так называемые
-
-
раторах
катодом, сеткой и
напряжение
обратной
трехточечные
схемы с
связи
анодом).
-
с
В
зависимости от того,
катушки
или
откуда
берут
-
конденсатора,
индуктивной (рис. 11.2; 6)
или с
различают
емкостной
обратной
ГЛАВА 11.
Превращение
(рис. 11.2; 7).
связью
в генератор
В обеих
271
этих схемах
условие
фаз
выполняется в том
случае, если эмиттер подключен к средней части контура, а коллектор и
база к его краям. А выполнение условия связи связано с тем, какая часть
контурной емкости или индуктивности подключена к участку база-эмит-
тер.
В трехточечной
связью с выхода
индуктивной
схеме с
его вход подается тем
большая
часть
транзистора на
большая часть L'k кон¬
чем
энергии,
между базой и эмиттером. Это значит, что,
перемещая точку подключения эмиттера вниз по схеме, мы усиливаем об¬
турной катушки Lk
связь.
ратную
Однако при
нагрузкой
нагрузка:
часть его
включена
в
этом
этой
одновременно уменьшается коллекторная
схеме оказывается не весь
между коллектором
Lmk, которая
Lmk подключен к эмиттеру, нижний
включена
и
по схеме конец
конденсатор
или иное
фильтра Сф). Задумываясь над тем,
действие при
контур,
а только та
эмиттером
к
-
(верхний
коллектору через
к чему может привести то
налаживании схемы, иногда полезно
рассмотреть
случай. Попробуем, в погоне за стопроцентной обратной связью,
подключить эмиттер к крайней нижней точке катушки Lk, то есть передать
крайний
с выхода на вход все, что только возможно, весь
Но при
тому
этом окажется, что
что
транзистор
обратная
выходной
сигнал целиком.
связь не имеет никакого смысла, по¬
усиления и на его выходе вообще нет
100 % от «ничего». Потому что транзистор
не дает никакого
сигнала. Мы
возвращаем
остался без
нагрузки.
на вход
В емкостной
ется с
трехточечной схеме напряжение обратной связи снима¬
делителя, который образован конденсаторами Ск1 и С^. Здесь об¬
ратная
связь тем сильнее, чем
больше
чем
емкостное
сопротивление верхнего
участка (конденсатор Ск1), коллекторная нагрузка тем больше,
больше емкостное сопротивление нижнего по схеме участка (кон¬
по схеме
а
денсатор С^). Емкостное сопротивление конденсатора обратно пропор¬
ционально его емкости, а поэтому с увеличением емкости Ск1 обратная
связь ослабляется. А с
увеличением емкости
сопротивление коллек¬
торной нагрузки
становится меньше.
конденсатора определяют
общую
Все
В
электрических колебаний/к
резистор R3. Без него генератор вообще
в нем.
коллектора конденсаторами,
ко
конденсатор
У
имущество
схемы с
сравнении
заменяя
работает
не
и постоянная
других схемах,
Ск,
оба
частоту
Rg.
нельзя
-
эмиттер отрезан
от
составляющая коллекторного
А посадить эмиттер
-
-
окажется
на землю,
замкнутым накорот¬
Ск2.
трехточечной
в
контура
а значит, и
схеме появляется еще одна деталь
тока может замкнуться только через
как это делалось в
осложняется еще тем, что
емкость
с
емкостной
другими
обратной связью есть некоторое пре¬
схемами.
то в
Если
этой
ратора,
контурные катушки,
дить переключение только одного провода
изменять
частоту
схеме достаточно
(верхний
конец
гене¬
произво¬
катушки),
в то
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
272
время как в других схемах нужно одновременно производить два переклю¬
чения (например, переключать верхний конец катушки и отвод обратной
связи в схеме
Во
резис¬
генераторов присутствует незримый элемент
Генератор работает не сам для себя, а передает результаты своей
потребителю, который представлен резистором R'h.
R'H.
работы
тор
9.
рис. 11.2; 6).
всех схемах
-
RC-генератор: необходимый поворот фазы постепенно осуществ¬
цепочки из конденсаторов и резисторов. Обратную связь в гене¬
ляют
нения сигнала на входе,
и
потому, что она поддерживает изме¬
помогает
ему. Но, в принципе, возможна еще
назвали положительной
раторах
отрицательная
обратная
на его вход,
усилителя
поступивший
связь, когда сигнал,
действует
против основного,
с выхода
главного входного
ему (рис. 11.2; 5). Отрицательная обратная связь вскоре
станет для нас
предметом серьезных раздумий и тонких экспериментов
а
(гл. 12; 15,16), пока отметим лишь одно: если с коллектора подать сиг¬
нал
прямо на базу, то обратная связь получится именно отрицательной.
Потому что когда «минус» на базе увеличивается, на коллекторе «минус»
сигнала, мешает
коллекторное напряжение, попав на базу, будет
действовать против собственного напряжения на базе1. Или, короче, на¬
пряжение на базе и напряжение на коллекторе противофазны. А отсю¬
то есть
уменьшается,
да еще одна
обратной
нужно
при передаче
повернуть фазу
на
180°
ный поворот на 180° доведет
период. А
ние на
базовую
сигнала из
180°.
этого сигнала на
себе сдвигается
само по
для получения положительной
коллекторной цепи в
формулировка условия фаз:
связи
и та помощь,
напряжение
базового, и дополнитель¬
фаз до 360°, то есть на целый
относительно
общий
сдвиг
это значит, что никакого сдвига
базе
Коллекторное
которая придет
фаз не будет: «свое» напряже¬
базу по цепи обратной связи,
на
будут действовать согласованно.
В генераторе с трансформаторной обратной
связью
поворот
фазы
на
180° получают определенным расположением
трехточечных
ру
-
и включением
катушек, в
подключением
определенным
транзистора к конту¬
центре, коллектор и база по краям). И есть еще одна воз¬
выполнить
условие фаз: при передаче сигнала с коллектора на
(эмиттер
можность
схемах
-
в
-
базу можно повернуть фазу сигнала на
довательно соединенных
такой способ поворота
180°
с помощью нескольких после¬
RC-цепочек. Генератор,
фазы,
так и называется:
в
котором используется
RC-генератором,
возможных его упрощенных схем приведена на рис.
первое,
что в
этой
схеме
бросается в глаза,
же без
контура? Где
контура. Но как
слабые, затухающие колебания, которые
тельного
связь, делая их
1
незатухающими? И какие
См. также рис. 10.11; 1.
-
одна из
11.3; 1. По-видимому,
отсутствие колеба¬
тогда возникают первые
поддерживает обратная
так это
же
потом
элементы в таком
бесконтурном
ГЛАВА 11.
Превращение
в
273
генератор
генераторе определяют частоту переменного
напряжения? В предыдущих
определялась индуктивностью и емкостью контура.
А здесь чем?
Начнем с конца: частоту определяют три RC-цепочки, соотношение
сопротивлений и емкостей в них. Дело в том, что вся система RC-элементов
схемах частота
поворачивает
фазу на 180°,
но
такой поворот происходит
только на
одной
частоте, на других частотах он больше или меньше.
Рис. 11.3.
RC-генератор
10. Ha входе любого транзистора действует
жение
шумов. На базе транзистора,
не только в
очень
небольшое напря¬
но в любой
этой схеме,
другой, всегда действуют слабые сигналы самых разных частот. Откуда?
Ну, скажем, это просто так называемые шумы, некоторая неравномер¬
ность постоянного тока смещения или постоянного эмиттерного тока,
постоянного тока нет и
часть которого ответвляется в
базу. Идеального
быть
не может.
электронов,
Если
в цепи идет ток,
тельно в какой-то момент
другой
момент
тично и
му-то
-
на сто
непрерывно
электронов пройдет
штук
В
на сто
итоге самый
штук больше,
постоянный
а в
ток хао¬
Очень незначительно, но меняется. Поэтолюбого транзистора хаотичное переменное
напряжение шумов. Спектр шумов очень
практически содержат составляющие всех частот, от самых
напряжение,
они
меньше.
меняется.
и появляется на входе
широк,
движутся миллиарды миллиардов
процессов в металле обяза¬
то из-за хаотичности тепловых
как его называют,
низких до самых высоких.
11. Частота напряжения на выходе RC-генератора
определяется сопро¬
Шумовое напряжение
на базе создаст свою копию в
коллекторной цепи, и по цепи обратной свя¬
зи, через все RC-цепочки, часть ее попадет обратно на базу. И вот здесь-то
оказывается, что в основном все составляющие придут на базу с неудачны¬
ми
фазами, они будут ослаблять породившие их составляющие базовых
тивлением и емкостью
фазовращающих
цепочек.
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
274
шумов. И только одна составляющая, для
дадут поворот
фазы
породивший
держивать, усиливать
базового тока
180°, добравшись
на
три RC-цепочки
которой
из
коллектора базу, будет под¬
Эта составляющая шумов
ее сигнал.
станет еще сильнее и создаст в
коллекторной цепи еще более
сильную свою копию. А та опять-таки усилит сигнал на
выходное напряжение данной
его не
В
ограничит коллекторное
соз¬
в
частоты
будет
нарастать
базе,
и
пойдет:
и так
нарастать,
пока
питание.
заключение несколько слов о том,
почему RC-цепочки поворачивают
фазу точно на 180°. Ток через резистор R и напряжение на нем UR совпада¬
ют по фазе, ток через конденсатор С и напряжение
Ц, на нем сдвинуты по
на 90°
гл. 6; 9,13). Во всех элементах последовательной
11.3;
2,
3,
фазе
(рис.
цепи ток один и тот же
жений
Ну
UR
и
-
Ц.
фаз? Одно
на отдельных
а сдвиг
опережает
/общ, а общее напряжение
ток на
90°,
равно сумме напря¬
участках.
напряжение совпадает
так как же соотносятся
фазе
по
фазы
с током,
тока и
второе
общего напря¬
Ц,бщ? Чем больше хс какой-либо RC-цепочки, тем больше напря¬
Ц, на конденсаторе и тем ближе к 90° сдвиг фаз между током 1общ и
общим напряжением 11о6щ. А чем больше R, тем более «активный харак¬
тер» имеет сопротивление всей цепи, тем меньше сдвиг фаз между 1общ
и
11общ. Существует частота, на которой при данном соотношении С и R
сдвиг фаз между 1^ и Чо6щ равен 60°, и три такие цепочки поворачивают
жения
жение
фазу в сумме на 180° (рис. 11.3; 3). Если изменить Рили С в фазовращающих
RC-цепочках, то сразу же изменится соотношение между R и хс. И преж¬
нее соотношение
между 7общ и 1/общ, а значит, и прежний сдвиг фаз в 60°
на
будут уже
другой частоте. А отсюда вывод: при изменении R или С
изменится
частота
Существуют
и
переменного напряжения
другие
схемы
генераторов
с
на
выходе
генератора.
фазовращающими RC-це-
почками, но механизм генерирования переменного напряжения у всех
у них одинаков.
Примечание редактора. Схема генератора с трезхзвенной RC-цепочкой, приве¬
крайне редко употребляется на практике. Во-первых, это
обусловлено сложностью расчета такой схемы в RC-цепочке каждое следующее
звено будет служить нагрузкой предыдущего, а база транзистора
нагрузкой всей
цепочки, что делает расчеты весьма приблизительными. Во-вторых, в этой схеме
денная на рис. 11.3; 1,
-
-
необходимо введение эмиттерного резистора (рис. 10.11; 2) для уменьшения шун¬
тирования цепочки входным сопротивлением транзисторного каскада; при этом
должен сохраняться высокий
коэффициент усиления напряжения (не
следовательно, для сохранения режима по постоянному току
-
менее
30),
повышенное на¬
(см. гл. 10; 21,22). То есть практические трудности нарастают на
Для построения надежных синусоидальных генераторов на основе
пряжение питания
каждом этапе.
транзистора
(или операционного усилителя) проще и удобнее применять схему с
Практикум в конце этой главы). Подробности можно
в учебниках [2,3].
мостом Вина-Робинсона (см.
посмотреть
ГЛАВА 11. Превращение в генератор
275
мультивибраторе два взаимосвязанных транзистора поочередно
открывают друг друга, генерируют переменное напряжение прямоуголь¬
ной формы. Есть бесконтурные генераторы, работающие на совершенно
ином
принципе2. Это прежде всего мультивибратор (рис. 11.4), в котором
работают два транзистора, причем каждый из них управляет работой дру¬
12. В
гого
-
коллектор каждого транзистора через конденсатор
связан с
базой
своего соседа.
бурных событиях, которые происходят в мультивибраторе, немало
действующих лиц (рис. 11.4; 2). Это напряжения на базах, которые в итоге
В
определяют коллекторные токи, а значит, и напряжения на коллекторах.
Это конденсаторы Сб и Ск, от емкости которых зависит скорость их заря¬
время существования токов, которые влияют на
Это
еще и резисторы R6 и Rh, которые не только
режимы транзисторов.
определяют режимы транзисторов своими обычными методами, но еще
да
и
и
разряда,
заряде и разряде конденсаторов
процессов (гл. 3; 15).
участвуют
этих
а значит, и
в
и тоже влияют на
скорость
Рис. 11.4. Мультивибраторы
Если детально
какие моменты
2
В отличие от
разобраться
времени
происходит
в
мультивибраторе,
напряжения приложены
к
в
конденсаторам,
рассмотренных генераторов гармонических колебаний, мультивибраторы, описанные
релаксационными генераторами (см. «Примечание редактора» гл. 7; 4, а также
далее, являются
раздел 15
в том, что
какие
в этой
главе).
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
276
какой
величины и какого
влияют на
режимы транзисторов,
внимательно следят
на
бы любой
Как
вается
схеме.
стью
-
это
результат
Проходит
заряда
итоге
ваются,
другом, каждый
за
конкретно
эти токи
Тг
транзисторы
и
Т2
из них мгновенно
быстроте
реагирует
реакции позавидо¬
боксер.
только один из
и
тут
же
сложного
взаимодействия
как
ответный удар
а значит, токи
мультивибратора (у
раз
определяется скоро¬
транзистор
закрывается
и
мгновенно
второй транзистор.
поочередно открываются
на
них и
и
закры¬
коллекторах периодически
до
наименьшей. На выходах
поскольку два
него два выхода,
напряжения
и
-
у
напряжение
наибольшей величины
ляются меняющиеся
токов и
конденсаторов), закрытый
транзисторы периодически
меняются от своей
второй тут же закры¬
напряжений в
транзисторов открывается,
некоторое время (оно-то
разряда
и
открывается,
В
друг
как
то окажется, что
соседа. Именно мгновенно: такой
действия
вал
направления текут токи,
и токи,
транзистора) появ¬
электронный генератор дейст¬
вует.
13. На частоту колебаний
в
мультивибраторе влияют сопротивления
и емкости всех его элементов.
ходах
мультивибратора
Частота переменных
зависит от емкости
напряжений
конденсаторов
и
на вы¬
сопротивле¬
базах,
чтобы
которое приходится преодолевать,
запирать транзисторы. Практи¬
ния
резисторов, которые входят
чески изменение
(рис. 11.4; 3)
R"h, R"6
-
с
любого
схему,
элемента схемы
увеличением
процессы заряда
в его
и
емкости
и еще от смещения на
приводит
С'б
и
к изменению частоты
С"& сопротивлений R'h, R'6
разряда конденсаторов, отпирания
и
и
запира¬
транзисторов идут медленнее, частота мультивибратора уменьша¬
ется3. Но, конечно же, существуют определенные ограничения на выбор
элементов схемы, их нельзя менять как угодно, добиваясь нужной частоты.
ния
Так, например, чрезмерное уменьшение сопротивлений нагрузки
может настолько снизить
усиление каскадов,
работать. Срыв
генерации может
перестанет
базовых
резисторов R'6
мерного уменьшения
оказаться таким
его
большим,
скомпенсировать,
Подбором
нительно
что
резисторов частоту
R'h и R"h
мультивибратор вообще
произойти из-за чрез¬
также
R"^
и
разряжающийся
не сможет
«минус»
на
конденсатор
базе
может
не сможет
запереть транзистор.
мультивибратора удается
небольших пределах, чтобы резко
менять емкость
что
изменить
менять в
срав¬
частоту, приходится
конденсаторов. В частности, для получения
очень низких
С'б С'б используют электролитические конденсаторы
большой емкости4. На рис. 11.4; 4 показана одна из схем мультивибрато¬
частот в качестве
3
Так как обычно
чем изменение
ностью она
4
и
RH « R^ то изменение сопротивлений коллекторной нагрузки RH гораздо меньше,
сопротивлений в базах, влияет на частоту этого мультивибратора, практически пол¬
определяется двумя
Устанавливаются
(см. рис. 11.4; 2).
постоянными
положительным
выводом
времени
в
R6 Сб.
сторону
коллектора
для
м-р-м-транзисторов
ГЛАВА 11. Превращение в генератор
277
устойчиво работает при сравнительно больших изменениях
сопротивлений: изменяя Rу можно менять частоту в четыре-
ра, которая
одного из
восемь
раз,
что в
других
схемах можно сделать только за счет изменения
емкости.
Примечание редактора. Классическая
схема мультивибратора на транзисторах,
показанная на рис. 11.4; 1, была весьма популярна в 1960-е годы из-за своей
простоты и неприхотливости. Схема отлично работает с любыми маломощными
транзисторами в широких пределах емкостей конденсаторов, причем длитель¬
ности полупериодов здесь настраиваются совершенно независимо друг от друга.
Главное условие стабильной работы
соотношение токов в базе и коллекторе не
-
должно превышать справочного коэффициента усиления (что равносильно усло¬
вию RJRH < Р), наименьшая длительность каждого полупериода обусловливается
частотными свойствами
по амплитуде равный напряжению питания, но имеющий противоположный знак
см. в [1], раздел 6.2.3). Многие германиевые транзисторы, популяр¬
(подробности
ные в те годы, имели
пробивное
напряжение эмиттерного перехода
1/бэдоп, равное
или сравнимое с максимальным значением коллекторного напряжения
тоже далеко не
все). Однако
(/
(хотя
для подавляющего большинства кремниевых тран¬
ибэ оп равно 5 В, лишь для немногих типов повышаясь до 6 (например,
старинный КТ315) или до 7 В (в основном для некоторых мощных транзисторов).
Иными словами, для современных транзисторов схема по рис. 11.4; 1 применима
лишь при напряжениях питания не более 5 В.
зисторов
14.
Блокинг-генератор: из коллекторной цепи в базовую через транс¬
форматор попадает сигнал, который периодически открывает и закры¬
транзистор. Есть еще один распространенный тип генераторов, в
котором всеми событиями управляет заряд-разряд конденсатора. Это бловает
кинг-генератор,
его
упрощенная
работой блокинг-генератора
тающее
напряжение
и в
схема показана на
рис. 11.5. Знакомство
с
начнем с того момента, когда включено пи¬
коллекторной
цепи появился ток.
Нарастающий
коллекторный
сразу через трансформатор
Uu в
базовой цепи. Причем напряжение такой полярности (это зависит от того,
как включена обмотка II),
которая способствует еще большему открыванию
ток
наведет напряжение
Транзистор открывается лавинообразно до полного насыще¬
(напряжение на нагрузке максимально, на самом коллекторе около
нуля), а ток положительной обратной связи заряжает конденсатор Сб и
транзистора.
ния
при
этом
как этот
ток
конденсатор
через
открытом состоянии. Но после того,
зарядится до напряжения на обмотке II,
поддерживает транзистор
него
напряжением
относительно
полностью
прекратится,
на
и
в
транзистор
конденсаторе, которое
базы.
скачком
имеет
Теперь напряжение lic
на
закроется
постоянным
отрицательную полярность
конденсаторе Сб начинает по¬
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
278
степенно
уменьшаться, он разряжается через резистор R6. И вот наступает
такой момент, когда конденсатор уже не может противодействовать «ми¬
нусу», поступающему на
в
коллекторной
базу через R6: транзистор мгновенно открывается,
цепи появляется ток и... все начинается сначала
рывок коллекторного тока,
заряд конденсатора,
транзистор, постепенный разряд конденсатора, и в какой-то
опять
открывание транзистора
и
опять он
-
опять
закрывает
момент снова
очередной рывок коллекторного тока...
Рис. 11.5. Блокинг-генератор
Так
блокинг-генераторе транзистор, разумеется с помощью транс¬
форматора и разрядной RC-цепочки, периодически сам себя открывает
и
транзистора до следующего, а значит, главным образом зависит от посто¬
янной
времени разрядной цепи (гл. 4; 15), от сопротивления R6 и емкос¬
ти
Чем
Сб.
они
больше,
тем медленнее идет
процесс разряда,
тем ниже
частота.
15. От генератора часто требуется определенный характер измене¬
выходного сигнала, определенная форма кривой, спектр. Генератор с
ния
колебательным контуром
и
RC-генератор
с
фазовращающими
ми дают на выходе синусоидальное напряжение.
синусоиду, но обычно
У блокинг-генератора
все же
без
значительных
Конечно,
не
цепочка¬
идеальную
посторонних примесей.
на выходе
остроконечные импульсы, у мультиви¬
братора прямоугольные, спектр и тех, и других содержит большое чис¬
ло
гармоник. Кстати, и само название «мультивибратор» переводится как
генератор, который дает большое число различных колебаний, богатый
-
спектр синусоидальных составляющих.
В электронной аппаратуре генераторы
выполняют
самую разную ра¬
боту,
разные напряжения. Разные не
только по
по
своему уровню,
числу вольт, не только по частоте, но и по
по
характеру изменения,
форме кривой, по спектру. Так, например, в
и от них,
большинстве
годно,
там
бывает, требуются
самые
цифровых устройств
синусоидальное напряжение непри¬
на выходе
нужен генератор,
постепенно, как синусоида, а резко,
которого напряжение растет
не
скачкообразно. Блокинг-генератор
ГЛАВА 11. Превращение в генератор
279
генератор пилообразного напряжения для
осуществления развертки луча в кинескопах5.
широко применялся ранее
Форма
напряжения
генератора
на выходе
Существует
ное и неизменное.
чать от
как
не есть нечто
генератора
много
разных способов
неприкосновен¬
менять ее и
не тот сигнал, что он хочет дать, а тот, что
полу¬
нужно. Влиять
форму сигнала можно с помощью различных фильтров, RC-цепочек,
ограничителей, фазовращателей, словом, с помощью самых разных инст¬
на
рументов и методов хирургии электрического сигнала.
ции
-
ультракороткие рассказы
16. В умножителях
строенный
уже встречался
щее с помощью
кую
же
частоты
трех
одну
это
Для иллюстра¬
из них.
из высших
контур. Один способ
на нее
-
о
гармоник выделяет
изменения
формы
на¬
сигнала нам
в
превращение переменного напряжения пульсирую¬
полупроводникового диода (гл. 9; 12). Точно та¬
вентиля,
может выполнить
операцию
транзистор (лампа),
который
на
не
такой транзистор
будет открываться только
сигнала (на базе
входного
двух полупериодов
«минус»),
вторую половину периода (на базе «плюс») коллекторная цепь бездейст¬
подано начальное смещение:
время одного
во
вует.
Если подать
«отсечки»
ла.
лях
на
базу смещение и
коллекторного тока,
Введена
половина
из
даже особая мера для
времени,
периода,
в
существует
(половина от
отсечки
в течение
градусах
только
торный
менять его, то
то есть, по
180°).
(рис. 11.6). Так,
если на
сути,
сигнала
-
это
угол
отсечки
которого существует ток, выраженная
полпериода,
А
формы
будет меняться и степень
форма выходного сигна¬
то мы
базу
например,
если
что
говорим,
коллекторный
угол
отсечки
0,
в до¬
ток
равен 90°
подано нормальное смещение и коллек¬
ток
существует в течение всего периода, то мы говорим, что угол
равен 180° (половина от 360°), то есть никакой отсечки нет.
Меняя смещение на базу, можно менять и угол отсечки коллекторного
0° (транзистор всегда закрыт) до 180° (отсечки нет, форма кривой
не искажается). Точный математический анализ,
подтвержденный экспе¬
тока от
риментами,
не
хуже,
таблица умножения,
чем
кие именно составляющие и в
ных
углах
которому
отсечки.
можно
позволяет
какой пропорции
будут
На рис. 11.6; 3 приведен довольно
быстро
определить,
сколько
определить,
появляться
при раз¬
простой график,
процентов
от
ка¬
по
наибольшей
амплитуды первой гармони¬
1кмакс
Iv второй гармоники 72, третьей гармоники 13 и постоянной составляю¬
щей IQ. Из этого графика, например, видно, что все гармоники исчезают,
величины
коллекторного
тока
составят
ки
когда отсечки нет, то есть при 0
180°, что вторая гармоника
наиболее сильной при 0 60°, а третья при 0 40°.
=
=
5
Сейчас для получения
-
становится
=
пилообразного и треугольного напряжения, необходимого для многих ве¬
щей (например, для широтно-импульсных модуляторов), применяются преимущественно цифро¬
вые методы.
280
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
Рис. 11.6. Умножитель
Любую
частоты
гармоник выходного сигнала можно выделить с помощью
колебательного контура, настроенного на соот¬
резонансного фильтра
ветствующую частоту (рис. 11.6; 4). Эта операция называется умножением
из
-
частоты и
производится довольно
часто.
Во
многих
радиопередатчиках,
например, несколько раз осуществляют удвоение частоты, выделение вто¬
рой гармоники из сигнала, который перед этим обязательно искажают,
=
усиливают его с отсечкой (0 60°).
Рассказ об умножении частоты
С понижающего
тевого
трансформатора
напряжения, имеющего,
можно
подайте
завершить экспериментом.
громкоговоритель 5-8 В се¬
на
как известно,
частоту 50 Гц. Затем
вклю¬
между трансформатором
громкоговорителем полупроводниковый
диод. В первом случае вы услышите очень низкий чистый тон6, во втором
звук будет хриплым. Потому что диод изменит форму сигнала, создаст от¬
чите
и
сечку 0
=
90°
(ток существует только полпериода),
и наше
ухо услышит
все
делит частоту генератора
на
составляющие искаженного сигнала.
17.
Триггер срабатывает
два. Можно
через
смело сказать, что
такт и
триггер
-
один из самых
распространенных
современной электроники. Во всяком случае, это главное
действующее лицо в любых компьютерных устройствах (компьютерная
схемных
узлов
память и
регистры микропроцессоров
производятся
6
Чуть
все
выше ноты соль
-
операции,
-
те самые,
представляют собой
контроктавы фортепиано.
с помощью
триггеры).
которых
Типичная
ГЛАВА 11. Превращение в генератор
схема транзисторного
триггера
и
расположению
-
281
на
рис. 11.7; 1,
внешне по
элементов он похож на
начертанию
Как
и
мультивибратор.
у муль¬
триггере два транзистора. Они так же связаны друг с дру¬
гом
с
коллектора одного сигнал подается на базу другого. Но только в
мультивибраторе коллектор транзистора связан с базой своего соседа че¬
тивибратора,
в
-
рез конденсатор,
а в
триггере связь прямая, через резистор. Поэтому каж¬
дый транзистор триггера влияет на работу второго транзистора постоян¬
но, долговременно, а не кратковременно, как в
мультивибраторе, где все
связано с зарядом и
разрядом конденсатора, с процессом,
или поздно заканчивается.
вход,
В
отличие от
куда подаются импульсные
крытыми
на
с начала, с того момента, когда на
И предположим,
и в
что в этот момент
обоих
постоянный ток
-
шел
триггере
есть
сигналы.
Рис. 11.7. Счетный триггер
Начнем
мультивибратора,
который рано
в
транзисторах
триггер было подано
оба транзистора
питание.
оказались слегка от¬
одинаковый коллекторный ток. Мы уже знаем,
понятие относительное
(гл. 11; 10)
и в
какой-то
что
момент
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
282
в одном из
транзисторов
втором, пусть
на доли
ток
случайно
микроампера,
Для определенности предположим,
Тг При
ре
торе (чем
этом
сразу
меньше
чуть-чуть меньше,
окажется
чем во
но меньше.
что
уменьшился
же несколько поднялось
ток
Гк в транзисто¬
напряжение
на его коллек¬
ток, тем меньше напряжение на нагрузке
коллекторный
коллекторе), которое прямо через резистор R'6 «плю¬
и больше остается на
базу транзистора Т2.
сом» подается на
Раз
базе
Т2 увеличился «минус»,
Г'к, и на коллекторе этого транзистора
«плюс» стал меньше. С
коллектора Т2 «минус» через R"6 подается на базу Tv
и из-за
этого
«плюса» ток в
уменьшения
транзисторе Тг еще больше умень¬
то
увеличился
шится.
коллекторный
Процесс
закрытое
будет лавинообразно
и
нарастать,
из
-
состояние из-за
тока.
С
случайного
таким же
лекторного
если бы
у него раньше
Но
ток
через некоторое
транзисторов окажется полностью закрытым, а второй
открытым. В нашем примере закроется Tv он покатится в это
время один
полностью
этот
на
успехом
незначительного
мог
и
закрыться
началось такое незначительное
важно совсем не то,
другой транзистор,
тока.
уменьшение
второй открыт, это
будет находиться в таком
а
транзисторов закрыт,
состояние
-
триггера, он
состоянии бесконечно долго. Потому что оба транзистора
естественное,
кол¬
какой транзистор закроется раньше. Важно то,
что состояние, когда один из
устойчивое
уменьшения
всеми своими
стараются сохранить устойчивое состояние, в котором случайно
оказался
триггер
первый, закрытый транзистор всем своим коллектор¬
ным «плюсом»
открывает второй, открытый транзистор, а тот, в свою оче¬
силами
-
редь,
ничтожно малым «плюсом» на
ствовать
внешнему напряжению
коллекторе
не может
противодей¬
U3an (о нем чуть позже), которое запирает
первый транзистор.
Но
вход триггера приходит сигнал, приходит прямоугольный
импульс такой полярности, что он стремится открыть оба транзистора.
И тут все приходит в движение. Правда, на открытый транзистор входной
сигнал не
действует он и так открыт. Но зато дремавший и уставший от
вот на
-
бездеятельности (необходимо
крытый
немедленно освежить в памяти гл.
транзистор немедленно открывается. И
лавинообразно
токи и
напряжения в триггере, закрывает своего конкурента,
открытым до следующего сигнала на входе.
Так одинаковые входные
ного
устойчивого
сигналы
состояния в
1; 8)
а сам остается
поочередно переводят триггер
другое,
и
при
за¬
меняет все
этом меняются
из од¬
напряжения
коллекторах транзисторов. Причем меняются они через такт нечетные
импульсы открывают один из транзисторов, четные второй (рис. 11.7; 2).
на
-
-
И
если снимать
напряжение
лично с какого, то число
меньше,
шает
чем число
с одного из
импульсов
импульсов
частоту поступающего
довательно несколько
транзисторов триггера,
этого
на входе.
То
напряжения
есть
триггер
на его вход сигнала.
триггеров,
то можно
А
будет
в два
безраз¬
в два
раза
раза умень¬
если соединить после¬
разделить частоту
на
2,
на
4,
ГЛАВА 11. Превращениев генератор
8,
на
на
число.
одним словом, в 2п раз, где п
16,
А
283
это
уже
не
-
любое
просто деление частоты,
положительное целое
это возможность выполне¬
арифметических операций и определенной очередности включения
электрических цепей, благодаря чему триггеры как раз и используются в
ния
вычислительных машинах.
Примечание редактора. Автором описана схема т. н. асинхронного счетного
триггера (С-триггера), который служит главным элементом двоичных счетчиков
(см. Практикум в главе 16). Существует много других типов триггеров, как проще
приведенного (RS-триггер), так и сложнее и по устройству, и по функциональности
(различные динамические и синхронные триггеры). Триггер один из основных
элементов компьютерных схем (в частности, устройств памяти); излишне говорить,
-
что в настоящее время все его разновидности реализуют в интегральном исполне¬
нии, и чаще всего вы их можете встретить в составе
различного
назначения.
больших интегральных
Однако триггеры продолжают выпускаться
схем
и в виде от¬
микросхем, благодаря чему можно изучить их свойства. Познакомиться с
различными типами триггеров и их применением можно в учебнике [4], гл. 8.
дельных
к схеме
рис. 11.7; 1. Резисторы R'6 и R"6 шунтирова¬
того чтобы
для
процесс переброски из одного устойчи¬
конденсаторами,
Несколько пояснений
ны
вого состояния в
ослабляют
ное,
взаимное влияние
оберегают их от цепей
проходит
быстрее и надежнее. Диоды Д'вх, и Д"вх
входных цепей транзисторов Т1 и Т2, а глав¬
другое происходил
питания.
Цепочка R3C3
-
участок,
по
которому
и создает на нем постоянное
ток
открытого транзистора
напря¬
жение LL Это необходимое для
работы триггера запирающее смещение:
через R'6 и R"6 оно «минусом» подается на базы транзисторов, и только
«плюс», поступающий с коллектора одного из них, отпирает второй тран¬
зистор.
И еще одно примечание: триггер
можно
перебрасывать
из одного
состояния в
другое как «плюсом», который на мгновение откроет закры¬
тый транзистор, так и (несколько изменив схему) «минусом», который рез¬
ко
открытый транзистор.
закроет
18. В нелинейном
и
составляющие
с
элементе
два сигнала, кроме гармоник,
суммарной
и
разностной
рождают
впервые столкнулись, когда наблюдали за тем, как
сигнал с помощью
громкоговорителя создает звуковые
процессом
мы
рический
(гл. 8; 11). На характеристике
с
прямой пропорциональной
громкоговорителя были
зависимостью
еще
частотой. С нелинейным
элект¬
волны
отмечены
участки
линейные
«звук-ток»,
участ¬
А участки, где нарушалась прямая зависимость между током и звуко¬
вым давлением, где начинался загиб
характеристики громкоговорителя,
ки.
были
названы
мы знаем
ки,
-
нелинейными
(гл. 8; 9). Теперь, кроме громкоговорителя,
массу других элементов, имеющих нелинейные характеристи¬
так называемых
нелинейных элементов. Это диод, вольт-амперная
характеристика которого
не только
загнута
в начале, а
вообще
изломана
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
284
в точке, где меняется
полярность напряжения. Это
тоже никак не назовешь
характеристику которого
и
транзистор (лампа),
прямолинейной.
Теперь мы можем также найти немало других примеров
которой впервые столкнулись в громкоговорителе,
искажений сигнала. Из-за работы на нелинейных участках
ности, с
характеристик диода
ных
ческого сигнала, в
и
спектре
транзистора
в них искажается
той неприят¬
нелинейных
-
вольт-ампер-
форма
электри¬
Это,
конечно,
появляются новые составляющие.
плохо, если сигнал нужно усилить без искажений. Но иногда нелинейные
искажения создают специально, чтобы изменить спектр сигнала, как, на¬
пример, в удвоителе частоты
возможно
контур
-
без нелинейного
элемента в нем
было бы получить вторую гармонику, которую
просто
не¬
затем выделил
(рис. 11.6; 4).
Рис. 11.8. Смеситель
Очень интересное
преобразование
нейный элемент, например
частот
сигнала
происходит, когда
на нели¬
диод или на транзис¬
полупроводниковый
(лампу), работающий на нелинейном участке характеристики, подают
сразу два сигнала (рис. 11.8; 1). В этом случае, как обычно, появятся гармо¬
на
тор
ники каждого из сигналов,
рых
2, 3, 4, 5,
в
синусоидальные составляющие,
частоты кото¬
словом, в целое число раз, больше частоты самого сигнала
(рис. 11.6; 2).
Но
спектр сигнала, то в нем неожиданно
их частоты никак нельзя
составляющие;
странные
гармоникам первого сигнала, ни к гармоникам вто-"
если внимательно исследовать
обнаружатся
будет отнести
какие-то
рого.
Вот
ни к
конкретный
напряжения: одно
налы на выходе
ми
пример. На вход транзистора подали два переменных
с
частотой 100 Гц, второе
частотой 105 Гц.
Изучая
сиг¬
обнаружили в нем составляющие с частота¬
(гармоники первого сигнала) и составляющие с
транзистора,
100 Гц, 200 Гц, 300 Гц
частотами 105
с
Гц, 210 Гц, 315 Гц (гармоники второго сигнала). И еще оказа¬
одна с частотой 205 Гц и вторая с
лись в спектре две такие составляющие
-
ГЛАВА 11.
Превращение
в генератор
285
5 Гц. Их, как видите, нельзя отнести к гармоникам, это совершен¬
особые составляющие у первой частота равна арифметической сумме
частот
первого и второго сигналов (205 100 + 105), у второй их разности
частотой
но
-
=
=
(5
105
-
100).
Появление странных составляющих
марной
Правда,
и
разностной)
связано с
о
нелинейных
говорить
составляющих с суммарной
важных процессов
В
самой
(их для краткости называют сум¬
природой нелинейных искажений.
слово «искажения» здесь можно
вильнее
всего в
-
и
обработки
применять
преобразованиях. Потому
особенно
сигнала в
что
пра¬
получение
разностной частотой один из
электронной аппаратуре, прежде
с
-
области радиосвязи.
заключение
затем по
второй
-
эксперимент.
Ударьте
слегка по
и, наконец, по обеим вместе. Вы
новременном ударе
по
двум
является
одной
обнаружите, что
Это
в нашем
нелинейным элементом, возникают колебания
ностной частот,
они-то и
клавише
клавишам слышны такие тона,
давала в отдельности ни одна из клавиш.
придают созвучию
Данный эксперимент завершает
,
не всегда, часто
особую
рояля,
при од¬
которых
ухе, которое
суммарной
не
тоже
и
раз¬
и
раз-
окраску.
наше знакомство с
генераторами
позволяющими активно воздействовать на
приспособлениями,
спектр сигнала. Одновременно наш музыкальный эксперимент перебра¬
сывает мост в
следующий раздел повествования, посвященный в основном
личными
воспроизведению звука.
Практикум. Простые генераторы
на
микросхемах
Для экспериментов понадобится:
микросхемы:
мер 555
литель
набор резисторов 0,25 Вт от 100 Ом до 1 МОм;
набор керамических конденсаторов от 10 нФ до 2,2
большинства микросхем на схемах
это
крайние выводы
расположены одинаково
Выводы для подключения
не показаны, так как они
мкФ.
питания
-
Причем вывод 4 (у 8-выводного), 7 (у 14-выводного)
или 8
(у 16-выводного корпуса) подключается к общему проводу, а вывод 8,
корпуса в каждом ряду.
14
или
16,
-
соответственно, к выводу плюса питания. Исключение пред¬
ставляет микросхема
выводу 1 (вывод 16
CD4049, у которой
остается
свободным).
«плюс» питания подключается к
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
286
Эксперимент 1. Генераторы прямоугольных
импульсов
Существует
мультивибраторов
схем
количество
огромное
-
релакса¬
ционных генераторов прямоугольных колебаний. Мы здесь
ем
только
воспроизвести
попробу¬
употребляемых конструкций,
несколько часто
основанных на логических элементах из т.
этой серии, впервые
КМОП-микросхем
еще в 1970-е годы,
потребление
серии 4000. Общие черты
получившей распространение
широкий диапазон питания:
и
подобные микросхемы могут работать при напряжениях
все
3 до 18 В. Из-за
от
малое
-
н.
день,
ее отечественные аналоги
Самый
питания
серия 4000 широко применяется
серии К561 и К1561.
этих свойств
-
сей
по
простой генератор прямоугольных импульсов получается
основе элемента, называемого
инвертирующим триггером Шмита (о
на
нем
Секрет этого элемента заключается в том, что у него поро¬
ги
срабатывания различаются в зависимости от того, возрастает входное
напряжение или снижается. При питании 5 В при возрастании входного
см.
главу 15; 8).
напряжения выход триггера переключается
с высокого
уровня (5 В)
на низ¬
(0 В), когда входное напряжение превысит порог около 2,9 В («верхний
порог»); однако если оно тут же опять немного снизится, то триггер не
кий
сработает. Для обратного
снизилось до
пряжение
достижении
уровня
Как
на
переключения необходимо, чтобы входное
уровня
около
этого значения выход
1,9 В («нижний порог»):
триггера
опять
только
переключится
на¬
при
с низкого
высокий.
микросхемы серии 4000, микросхема CD40106, содержащая
6 инвертирующих триггеров Шмита, работает при питании от 3 до 18 В;
и
все
естественно, при более
высоком
напряжении
питания величина
разницы
абсолютной вели¬
порогов (называемая «гистерезисом») увеличивается
при 10-15 В величины 20-25 % от напряжения
по
чине, достигая
питания.
уровню входного сигнала обеспечивает основное
назначение
триггера Шмитта: формирование «чистых» прямоугольных
из входного сигнала
импульсов
произвольной формы. В числе различ¬
Такой гистерезис
ных
применений
по
этого элемента есть и схема
рассмотрения процесса переключения понятно,
при
включении питания на выходе
конденсатор
порога,
С1
постепенно
после чего выход
денсатор разряжается до
ные значения частоты
гов
срабатывания.
как
же появляется
высокий уровень,
заряжается через резистор
триггера переключается
величины «нижнего»
в
«
до «верхнего»
низкий уровень,
порога.
приближенной формуле Т
можно подсчитать по
сильно отличаться от
тут
(рис. 11.9; 1). Из
работает эта схема:
генератора
Период
0,8
Сг,
и кон¬
колебаний
но
конкрет¬
у разных экземпляров микросхемы CD40106 могут
расчетного
значения из-за
разброса
значений поро¬
ГЛАВА 11. Превращение в генератор
Рекомендуемые
значения
287
сопротивления
килоом до единиц мегаом, емкости
единиц
уровне
зовать
микрофарад;
-
от нескольких десятков
-
конденсатора
от
100
соответственно, частота может быть
пикофарад
до
установлена
на
долей герца
понадобится
электролитические полярные конденсаторы (что во времязадаюдо сотен килогерц. Если вдруг
от
щих схемах делать вообще-то
должен быть размещен
к
R1
не
исполь¬
рекомендуется), то положительный вывод
по схеме
«вверху» (то
есть
«минус» подключается
общему проводу).
Недостатком этой схемы является конструктивная избыточность: в 14-вытриггеров Шмита. Если их не
других целях, то можно усилить выход ге¬
водном корпусе расположено целых
использовать в
предполагается
нератора, подключив
шесть
к
нему все остальные пять элементов параллельно:
объединенные входы подключаются к выходу генератора, а выходом всей
будут объединенные
Одна из самых удобных
схемы
выходы этих элементов.
схем, также популярная из-за минимального
количества задействованных компонентов, показана на рис. 11.9; 2. Два эле¬
микросхемы CD4049, обозначенных треугольником со значком инвер¬
на выходе,
представляют собой просто усилители логического сигнала с
мента
сии
инверсией.
на входе
То
есть такая
низкий уровень,
микросхема переворачивает входной
то на выходе
Рис. 11.9. Генераторы
будет высокий,
на логических
и
сигнал: если
наоборот.
микросхемах
При включении питания сначала на входе первого элемента (выв. 3) будет
низкий уровень,
высокий,
на выходе схемы
от высокого
резистор
-
-
уровня через резистор
R2 (или
как может и
Когда
(выв. 2) и входе второго элемента (выв. 5)
(выв. 4) низкий. Конденсатор С1 заряжается
на его выходе
Rr Напряжение на конденсаторе через
-
просто напрямую
отсутствовать,
оно достигнет
см.
далее)
резистор обозначен пунктиром,
порога переключения первого элемента,
скачком меняет состояние: на выходе
первого
элемента
новится низкий уровень, на выходе всей схемы
заряженном конденсаторе
печивая на входе
первого
Сг
-
вся схема
входе второго ста¬
высокий,
напряжение на
этому высокому уровню, обес¬
напряжения даже выше напряжения
добавляется
элемента
так
подается на вход первого элемента.
к
-
а
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
288
питания.
Конденсатор Cj
теперь через резистор
на нем снова не достигнет
пока
напряжение
элемента, и далее процесс повторяется.
ется
Rj
разряжаться,
порога переключения первого
Период
Т«2
начинает
переключения определя¬
Схема устойчиво
приближенной формулой
Rt Сг
резистора R1 от нескольких килоом до
10 мегоом,
величине
работает при
что составляет
диапазон для того, чтобы избежать искушения при малых
частотах использовать электролитические конденсаторы, работающие в
достаточный
таких схемах
нестабильно.
Резистор R2 в работе схемы
почти не
участвует
чтобы оградить защитные диоды микросхемы
ряда конденсатора
Cj (как
и
от
перегрузки
казан
тотах
Rr
раз¬
говорили, при переключении напряжение
пределы напряжения питания). Величина его
может изменяться от сотен ом до нескольких килом,
Его
током
мы
на входе может выходить за
много меньше
только для того,
нужен
можно и
вообще
при условии
что он
исключить из схемы, отчего он по¬
пунктиром. При больших выдержках времени или при низких час¬
(т. е. при больших значениях емкости конденсатора) и напряжении
питания выше
ях можно
без
7-9 В такой резистор лучше поставить,
обойтись.
а в остальных
случа¬
него
На рис. 11.9; 3
показаны два
управляемых варианта этой схемы, разница
между которыми
используемых элементах («И-НЕ», мик¬
или
«ИЛИ-HE», микросхема CD4001). Если просто объ¬
росхема CD4011,
заключается в
единить между собой входы у обоих элементов, то в сравнении со схемой
рис.
11.9; 2 ничего не изменится
возникает
чить
как
потребность
определенный
раз
и
решаются
«И-НЕ»
-
она
остановить
будет работать точно так же. Нередко
генерацию на время и при этом обеспе¬
на выходе
генератора. Эти задачи
логический уровень
с помощью дополнительных входов.
Высокий уровень
низкий на входе «ИЛИ-HE» являются разрешающими
уровнями, следовательно, при этих уровнях на управляющих входах наша
схема будет функционировать, как если бы входы элемента были объеди¬
на входе
и
запрещающих же уровнях на входе уровень на выходе будет
устанавливаться так, как если бы никаких RC-цепочек не существовало:
нены.
При
«И-НЕ»
на выходе схемы с использованием
уровень,
на выходе схемы с использованием
(CD4011) установится
«ИЛИ-HE» (CD4001)
уровень. Это позволяет тонко манипулировать уровнями
мах, не
привлекая дополнительных
Пример
на рис.
высокий
-
низкий
в логических схе¬
элементов.
того, как можно использовать управляющие входы, приведен
11.10; 1. Это
Схема выдает
схема
сигнал около
генератора прерывистых звуковых колебаний.
500 Гц
с
периодом повторения
около
0,5
с, если
управляющий вход (выв. 1) подать сигнал высокого уровня. Если нужна
непрерывная работа, то управляющий вход объединяют со вторым входом
того же элемента (выв. 2). В качестве источника
звука здесь использован
пьезоэлектрический звукоизлучатель (ЗИ), с ним схема может работать
на
при напряжении
питания от
5 до 12 В.
ГЛАВА 11. Превращение в генератор
Однако
нужен более
громкий звук, то к выходу можно под¬
транзисторный усилитель (рис. 10.13; 2), управляющий
если вам
ключить ключевой
обычным динамиком
включать в качестве
с
сопротивлением 8-32 Ом. Если при
пьезоизлучатели
в
нагрузки прямо
разделительные конденсаторы
обеспечить, чтобы
289
в
не
коллектор транзистора (использовать
неудобно),
в логических схемах
него не пошел
паузах через
боятся. Здесь
это
то важно
постоянный ток, которого
обеспечивается тем,
(запрещающем)
управляющем входе (выв. 9
также в
промежутках между звукоимпульсами 500 Гц на
сигнале на
будет низкий
этом динамик
что
при
низком
микросхемы),
а
выходе (выв. 11)
который закроет усилительный транзистор.
11.10; 2, представляет собой генератор сину¬
Вина-Робинсона.
Конструкция, образо¬
R}-R4, носит название мос¬
та Вина. В ней важно, чтобы
сопротивление верхних резисторов (R1 + R2)
было равно сопротивлению нижних (R, + RJ, и емкости конденсаторов
Cj и С2 также были равны иначе расчет такой схемы представляет совер¬
ванная
конденсаторами
по схеме
Сг С2
и
резисторами
-
шенно
головоломную задачу. Поэтому переменный резистор, предназна¬
ченный для того, чтобы частоту можно было плавно регулировать, здесь
установлен сдвоенный
меняются
резисторы
(R2 и R3)
-
при вращении движка составляющие
одновременно.
При
указанных
сопротивлений
и емкости минимальная частота
максимальная
около
-
1,5 кГц (о расчете частоты
на схеме величинах
получится
см.
его
далее).
около
Если
30 Гц,
а
же менять
частоту не требуется, то вместо всей этой конструкции можно установить
два постоянных резистора, сопротивления которых равны между собой и
составляют
Для
R, + R2 или R3 + R4.
того
необходимо
ричных
чтобы получить настоящее переменное напряжение, схему
питать от
относительно
двух разнополярных
источников питания, симмет¬
общего провода: Ппит+ и Ппит. Оба напряжения
пита¬
абсолютной величине, но обязательно
могут
должны быть равны друг другу, например +5 В и -5 В, или +12 В и -12 В, в
противном случае у выходного переменного напряжения появится вред¬
ная постоянная составляющая. Максимальная амплитуда переменного
составлять от
ния
5 до 15 В
по
напряжения для выбранного типа операционного усилителя |дА747 будет
примерно на 1 В меньше напряжения питания. Выходное напряжение
может
регулироваться от нуля до максимальной амплитуды с помощью
R7.
Операционный усилитель
переменного резистора
ных
ОУ
в одном
(ОУ) |дА747 представляет собой два идентич¬
Можно
заменить его на любой сдвоенный ОУ
корпусе.
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
290
общего применения,
современные
операционный
с
ОУ
только
следите
за
питания:
диапазоном
+5
многие
±5 В.
допускают
Второй
усилитель здесь просто повторяет сигнал, поступающий
типы
не
питания выше
или
нужен только для согласования выходного сопро¬
(с
генератора
учетом регулятора R7) и сопротивления нагрузки
гл.
если
ее
12;
подключать
(см.
6)
прямо к выходу генератора (выв. 12), то
влияние
может ослабить сигнал или исказить его
нагрузки
форму.
и
потенциометра
тивления
-
Рис. 11.10. Управляемый генератор
и лабораторный генератор
синусоидальных колебаний
В
необычная особенность. Для
схеме есть одна
давал именно
жен
быть
чтобы генератор
вы¬
синусоидальные колебания, коэффициент усиления ОУ дол¬
схеме
равен ровно 3 если он меньше, то генератор просто
этой
в
того
-
запустится, если больше
верхушки синусоид начнут обрезаться, и в
пределе выходные колебания станут прямоугольными. Разумеется, под¬
не
-
бором
компонентов
стью невозможно.
ставят элемент,
пряжения
мый
мощности
-
сопротивление которого
на нем.
резистор),
Поэтому
коэффициент
усиления с нужной точно¬
применяют хитрый метод в обратную связь
установить
В
нашем
у которого
имеет
случае используется термистор
зависимость
на выходе
быть любого типа,
но не слишком
от
(термозависи¬
выделяющейся
автоматически.
большой
по
R5 падает,
Термистор
размерам, чтобы
и
может
он
разо¬
(например, бусинковый отечественный СТ1-19,
B57861-S близкого номинала). Мож¬
каплевидный
импортный
малыми токами
или
сопротивления
значения на¬
генератора сопротивление
нужный коэффициент устанавливается
СТЗ-19
среднего
отрицательный наклон (R5). В результате при увеличении
амплитуды напряжения
гревался
зависит от
ГЛАВА 11.
но
Превращение
использовать
СМ28-0.05)
-
в генератор
также
291
миниатюрную лампочку накаливания (вроде
у нее положительный, потому ее
только наклон зависимости
R6, a R5 тогда оставить постоянным.
подборе сопротивления резистора R6 под
конкретный экземпляр термистора. Его нужно подобрать так, чтобы вы¬
ходной сигнал на экране осциллографа был чисто синусоидальным, без
следует
ставить вместо
Наладка будет
резистора
заключаться в
искажений.
Частота
R
=
R1
+
на
выходе
R2 (= R3
+
R4),
а
будет
С
=
Cj
1/(2лКС), где
формулой /
что
никакой осо¬
С2. Обратите внимание,
=
определяться
=
бой подгонки по равенству номиналов резисторов и конденсаторов не
требуется,
схема
при любых (в разумных пределах) соот¬
равенство здесь выбрано только из соображений
будет работать
ношениях номиналов, и
расчета. Чтобы расширить диапазон частот, придется поставить
сдвоенный переключатель на несколько положений и изменять им емкос¬
ти
конденсаторов. Удобно, например, подобрать сопротивления сдвоен¬
ного переменного резистора
R2 R3 так, чтобы диапазон частот составлял
удобства
=
30-330
Гц, тогда,
в десять раз
меняя с помощью переключателя емкости конденсаторов
(0,1 мкФ, 0,01 мкФ,
диапазоны 30-330, 300-3300
и
1
нФ),
вы
будете
3000-33 000 Гц.
иметь
перекрывающиеся
ГЛАВА 12
Воспроизводится
музыка
Примечание редактора. В этой
главе автор рассказывает о принципах усиления
звука в классических аналоговых усилителях. Следует отметить, что существенная
доля звуковых усилителей в современных устройствах работает на принципиально
иной основе
это так называемые усилители класса D. Метод усиления в классе D
-
основан на
ШИМ-модуляции достаточно высокой (десятки-сотни килогерц) не¬
сущей
прямоугольной формы, из которой затем звуковые частоты выделя¬
ются с помощью простых пассивных фильтров (см. гл. 6; 17).Условное обозначение
класса удачно совпало со словом digital
цифровой,так как в основном метод стал
применяться для усиления звука в цифровой форме, хотя и был предложен гораздо
раньше возникновения самой цифровой техники, еще в 1951 году. Так как все со¬
временные устройства для записи и хранения звука хранят его в цифровом виде, в
т. н.
частоты
-
таком же виде звук передается по кабелям и радиоканалам,то усиливать его в виде
подвергать дорогостоящему высоко¬
точному цифроаналоговому преобразованию малый сигнал, а затем усиливать его
традиционными способами. Подробнее об основах работы усилителей различных
импульсов гораздо
удобнее
классов и их разновидностей
электронных усилителей».
Однако
и дешевле, чем
можно прочесть в статье
Википедии «Классификация
это не значит, что традиционные аналоговые усилители сошли со сцены и
больше
не применяются. У класса D есть несколько неоспоримых преимуществ
высочайший КПД, недостижимый традиционными способами (90 % и более), и от¬
носительная простота схемотехнических решений; но, конечно, есть и недостатки.
-
Самый главный
из них в том, что достигнуть достаточно высокого качества звучания
здесь ничуть не проще, чем в традиционных схемах, а в некоторых отношениях
даже сложнее. Поэтому цена качественных усилителей класса D оказывается не
меньшей, чем у обычных. Большинство качественных звуковых усилителей мощ¬
ности по-прежнему строятся по классическим схемам
(несложно найти в продаже
ламп!), в основе кото¬
даже вполне современные модели на основе электронных
рых лежат описываемые автором классы А, В и АВ.
Надо еще учесть, что в
тракта, описывая лишь
Кроме
телях,
этой главе
автор намеренно упрощает картину звукового
(усилители мощности НЧ).
устройствах (виниловых проигрыва¬
(CD-проигрывателях, трЗ-плеерах и т. п.) имеются
оконечные
звуковые усилители
них, и в старых звуковоспроизводящих
магнитофонах),
и в новых
предварительные усилители, которые доводят уровень сигнала до
кондиций
для подачи на вход усилителя НЧ
необходимых
предваритель¬
(не путать
ного усиления в самих усилителях НЧ!). Подобные предварительные усилители
часто входят также в состав микрофонов; для каждого источника звука они, естест¬
венно, имеют свою
специфику.
с каскадами
ГЛАВА 12. Воспроизводится музыка
293
Электроника помогла сделать доступными для миллионов людей
бесценные сокровища музыки. Нет числа тем благам, которые принесла
1.
потребляемая мощность.
работают в звуковоспро¬
низкой
усилителями
(звуковой) часто¬
транзисторные усилители, которые
изводящих установках,
называют
сокращенно, усилителями НЧ. Частоты электрических сигна¬
это частоты
лов, которые должен усиливать такой усилитель,
звуков,
скажем, от 15-20 Гц до 15-20 кГц. В сравнении с тем, что достается другим
ты,
или,
-
усилителям,
это
действительно
низкие частоты, в
FM-приемнике
телевизоре, например, приходится усиливать сигналы,
частота
или в
которых
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
294
измеряется десятками
цами.
Усилитель НЧ
са
(рис. 12.1; 1),
качество
сигнал
тит сам
огромной
касается
действующее
поступает
зависит, насколько
мегагерц,
а в сотовой связи
-
гигагер¬
важнейший элемент звуковоспроизводящего
от него в
звучания. Что
даже главное
ский
-
и сотнями
на
степени зависят и
громкости,
лицо.
Потому
то здесь,
комплек¬
громкость звука,
пожалуй, усилитель
что именно с него
и
-
электриче¬
и от мощности этого сигнала
громкоговоритель,
будет звук. Если, конечно,
громким
громкоговоритель,
если он сможет
все дело не
превратить
в
испор¬
неискаженный
звук столько электрических ватт, сколько ему даст усилитель. Что же ка¬
искажений сигнала, то здесь усилитель НЧ входит в звуковоспроиз¬
сается
водящий
комплекс на
что искажения,
-
«звук
ток
грубо
-
звук»
равных
со всеми
говоря, суммируются,
вносит свою
что мы в конце концов слышим.
уменьшить
другими
лепту
в
и
его элементами.
каждый
суммарные
Именно поэтому
искажения на всех
из
Потому
участков тракта
искажения
всеми силами
звука,
в то,
стараются
участках звуковоспроизводящего тракта в
звукозаписи, в громкоговорителях. И конечно
-
ЛМ1 ГОШИОЮ ТШТОНА достаточна мощность Ь50мВт, ал* переносного приемника 100мВт -0.5Вт,
AM ММЧИ&ММ КОММЫ 3-5 Вт ( С шжсим- А05-15&Т),
AM БОЛЬШОГО ПОМЕЩЕНИЯ 40 "50 Вт
Рис. 12.1. Усилитель НЧ
ГЛАВА 12. Воспроизводится музыка
Одна
из
мощность
самых
295
важных
Рном (рис.
его номинальная
характеристик усилителя
12.1; 2). Это та наибольшая мощность электрическо¬
-
усилителя (то есть на входе громкоговорителя), при
нелинейные
искажения в самом усилителе еще не превышают
которой
объявленной для него величины. Отсюда следует, что вторая важная харак¬
го сигнала на выходе
теристика усилителя
торый соответствует
может
развить
и
-
нелинейных Искажений
коэффициент
это
большую
нелинейных искажений
оборот, коэффициент
мощность, чем
Кни,
ко¬
В принципе, усилитель
номинальной мощности
Рном.
Рном, но при
Кт будет больше, чем
коэффициент
(рис. 12.1; 2). И на¬
этом
указано
нелинейных искажений может оказаться меньше
объявленной величины, но уже при мощности меньшей, чем
Рном.
Вопрос о том, какую мощность должен давать усилитель, не так-то прост,
по
этому поводу
снованные.
приемник
на
Но
можно
услышать
самые
разные мнения, по-разному обо¬
например, цифры. Карманный
небольшом расстоянии (а если вокруг тихо, то и
опыт подсказывает такие,
мы слышим на
мощности усилителя около 100 мВт1, а настольные при¬
выходной мощностью около 0,5 Вт звучат уже вполне громко. Для
большом) при
емники с
сравнительно небольшого помещения обычно
Столько
же должны давать
вполне хватит мощности
считать, что есть
ния, такого
даже
уже
двигателя и дороги.
5-8 Вт,
запас
а если
автомо¬
условий
усилитель дает 10-15 Вт,
нужны мощности побольше,
можно сказать
громкоговорителю больше,
Для
то можно
выходной мощности. Для большого помеще¬
как школьный зал,
50 Вт2. Одно
в
домашних
звуковоспроизводящие установки
биле, чтобы перекрыть шум
1-3 Вт.
хватает мощности
уверенно
чем тот
скажем
20
или
не должен давать
-
усилитель
способен без искажений превратить
в
звук (рис. 12.1; 3). То есть номинальная мощность усилителя и громкогово¬
рителя должна быть одинаковой. Лучше даже, чтобы у громкоговорителя
или колонок был
несколько
некоторый
больше,
запас, чтобы их номинальная мощность была
чем мощность
усилителя.
нелинейных искажений
Коэффициент
Кни
но так же, как
громкоговорителя (гл. 8; 12),
сти новых составляющих, в частности
сигнала.
Разница
-
это соотношение мощно¬
гармоник,
и мощности основного
лишь в том, что для
по новым составляющим
составляющим
Кни усилителя определяется точ¬
громкоговорителя Кни определяется
по новым
звукового сигнала, а для усилителя
-
электрического
сигнала.
Они,
в
частности,
пределы линейного участка
какого-либо
из
транзисторов.
рактеристики
если сигнал выходит за
1
2
появляются,
вольт-амперной
ха¬
Для карманной аппаратуры
с
наушниками нормальная мощность может быть еще меньше, и при
нормальном уровне звукового давления в 90 дБ часто не превышает 30-50 мВт.
Приводимые автором цифры вполне соответствуют действительности. Мощности в 50-80 Вт и бо¬
лее, характерные для современных домашних музыкальных центров и автомобильной акустики,
предназначены не для того, чтобы оглушать соседей: просто, как
по мощности, тем выше качество
в
1,5-2 раза, сейчас
он обычно
звука. Во времена издания
8-10-кратный.
и
говорит автор,
книги был
принят
чем больше запас
запас по мощности
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
296
Снизить нелинейные искажения
ходится
в
усилителе не всегда просто, за это при¬
ограничениями. В усилителях
платить схемными сложностями и
среднего
класса
Кт< снижают до 2-5 %, в высококачественных усилителях
-
до 1-2 и даже до десятых долей процента. На первый взгляд это может по¬
казаться излишеством: наше ухо замечает нелинейные искажения при
Кнн
более 5-7 %. Но ведь нужно учитывать,
зательно
что к искажениям в
усилителе обя¬
еще и несколько процентов искажений в громкогово¬
добавится
рителе, а кроме того,
микрофон, магнитофон или устройство грамзаписи
дремлет», они, к сожалению, тоже кое-что вносят в суммарные
нелинейные искажения звуковоспроизводящего тракта (рис. 8.7).
тоже «не
Усилитель
ковой
может вносить также и частотные искажения, не в одина¬
сигналы
мере усиливать
ваясь в
подробности,
усилителях НЧ
-
это
(рис. 12.1; 4). Даже
частот
разных
можно
не вда¬
виновников частотных искажений в
увидеть
реактивные элементы,
главным
образом
конденса¬
торы, которые оказывают разное сопротивление переменным токам раз¬
ных частот. Здесь, наверное, уместно напомнить, что вся электротехника
переменного тока, с которой нас познакомила глава шестая, действитель¬
на лишь для
для них по
токов и
синусоидальных
простым
сопротивления xL и
формулам
напряжений.
В частности,
только
подсчитываются индуктивное и емкостное
хс. Реальный
звуковой
же
сигнал
-
это сигнал слож¬
формы, его приходится представлять целой суммой синусоидальных
составляющих, спектром (гл. 7; 13). И если какой-либо конденсатор в уси¬
ной
лителе
НЧ,
как
ему
и
следует, пропускает
высокочастотные
синусоидаль¬
ные составляющие сложного сигнала
лучше, чем низкочастотные, то этот
конденсатор нарушает пропорцию между составляющими спектра, иска¬
жает
форму сигнала.
Так же,
как и
громкоговоритель
с плохой частотной
характеристикой (рис. 12.1; 6).
О том,
тотная
как ведет
себя усилитель НЧ
-
характеристика
от частоты,
при условии
на
зависимость
напряжения
характеристика
частотная
-
перейти к вольтам,
прямая
линия.
характеристика
амперам
в
или ваттам
заданную величину, обычно
тех частот,
которые
приподнята; для
(гл. 6; 20). Рабочий частотный диа¬
Рмакс и наименьшая Рмин частоты,
3 дБ.
При
средней частоте
этом выходное
среднего примерно
на
1000 Гц
напряжение
30 %,
на
а выходная
в два
раза.
Создать усилитель с
но в
на
частотах отличается от
-
мощность
Для
Подъем либо завал частотной характе¬
децибелах, от которых, если нужно, легко
усилителя определяют наибольшая
граничных
усилителя
усилителя подается
частотных искажений,
несколько
для которых усиление отличается от усиления на
на
его час¬
завалена.
ристики принято указывать
пазон
не вносит
-
усиливаются лучше,
тех, что хуже, опущена,
на выходе
что на всех частотах на вход
одинаковое напряжение. Если усилитель
то его частотная
разных частотах, говорит
области
равномерной
характеристикой, особен¬
просто. Поэтому в простых
частотной
самых низших частот, не так-то
ГЛАВА 12. Воспроизводится музыка
и
297
недорогих усилителях мирятся
от
с диапазоном
воспроизводимых
в
класса
-
от
частот
60-80 Гц
усилителях среднего
усилителях высшего класса от 20-40 Гц до 16-20 кГц. Одна¬
расширение диапазона воспроизводимых частот в усилителе имеет
примерно
до 10-12 кГц,
ко же
150 Гц до 6-8 кГц,
в
-
смысл только в том
если весь этот диапазон может
случае,
воспроизводимый
и если сам
громкоговоритель
воспроизвести
широкий
сигнал имеет
Так, например, для воспроизведения речи впол¬
не хватает диапазона от 100 до 5000 Гц3. На старых пластинках тоже больше
диапазон составляющих.
5-6 кГц
даче
80-100 Гц
и меньше
спектр звуковых
Весьма
шумов
важная
Часто
к
первый,
каскадами),
тотой
как
его
виды
непро¬
на вход
уси¬
когда не слышно сигна¬
однообразно
и
-
шумовое напряжение усиливается
а также наводки сетевого
происходит
(фона),
собственных
противно. Основные
собственные шумы первого транзистора,
усиливаются (шумят все транзисторы, но наиболее опа¬
его
в
результат указывают
мов на выходе в сто
антеннах
сигналы с час¬
усилителя, подобно тому,
радиоустройств,
например
полями
в
децибелах. Так, например,
раз меньше,
минальной мощности
Рноы,
лителях высшего класса
до -50
крайнем случае
последующими
напряжения, слабые
во входных цепях
приемных
всеми
сетевой проводки. Чтобы оценить уровень
сравнивают с номинальной мощностью усилителя, и
электромагнитными
шумов
«грязь», все
путем попадают
(особенно
ноют
но очень
громко,
50 Гц. Они наводятся
это
уровень
относят всю
шумам
тем или иным
этого вида помех
затем
его
-
хотя и не очень
которые
сен
звуки оркестра при пере¬
(по-современному, в FM-диапазоне)
в
формате DVD-Audio могут иметь
записи
которые
шумят, гудят, шипят,
причины
вот
характеристика усилителя
(рис. 12.1; 5).
лителя и
А
частот.
шеных сигналов,
ла),
УКВ
на
цифровые
или качественные
весь
не записывали.
модуляцией
с частотной
то
чем
дБ,
хотя
самогосигнала
что
снизить
борьба
напряжение шу¬
при но¬
В уси¬
-40
дБ.
уровень шумов
-60
до
дБ или в
уровень шумов
напряжение
говорят,
удается
если
с
шумами
и наводками
-
дело не
всегда простое и легкое4.
Максимальная мощность усилителя и уровень шумов вместе определя¬
ют еще одну характеристику звуковоспроизводящей установки
ее дина¬
-
мический диапазон: отношение самого
Музыка,
пазон
звучащая
60-70 дБ
-
3
В
голоса
реальности даже
от 300 до 3500
4
концертном зале,
громкого звука к самому тихому.
динамический диа¬
может иметь
от едва слышного пиано-пианиссимо до
форте-фортиссимо
диапазон
в
большого
симфонического
примерно 30-35 дБ
меньше: обычный
телефон
громыхающего
оркестра. Динамический
от шепота до
или
диктофон
крика.
При
радиопере¬
имеет частотный диапазон
примерно
Гц.
В настоящее время одним из главных источников шумов и наводок из-за электромагнитных помех
в домашних условиях является бытовая техника. Для подобных технических средств даже введен
специальный стандарт по электромагнитной совместимости, при несоответствии ему такую техни¬
ку просто не пустят на рынок.
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
298
звука на пластинку динамический диапазон искусственно
обычно
сжимают,
до 35-40 дБ.
даче
и записи
«потребляемая мощность» это произведе¬
ние
источника питания на ток,
напряжения
который от него потребляет¬
ся. Конечно, желательно, чтобы
потребляемая мощность была как можно
в
меньше, особенно
аппаратуре, которая питается от батарей.
Необходимость таких характеристик, как входное сопротивление усили¬
Характеристика
-
усилителя
теля и его выходное
димо
ходимо
согласовывать
многокаскадном
между собой отдельные усилительные каскады
в
как
правило,
несколько
каскадов
-
каскады
предвари¬
усиления выходной каскад, усилитель мощности. Усилитель¬
способности транзистора ограничены, он обычно может повысить
тельного
и
мощность сигнала в десять, в сто, в
ет,
усилитель необхо¬
нагрузкой, так же как необ¬
связана с тем, что
усилителе.
3. В усилителе НЧ,
ные
сопротивление,
согласовать с источником сигнала и с
лучшем случае
тысячу раз5. А быва¬
в
ее в сотни, тысяч, миллионы и даже
что
нужно увеличить
раз. Вот почему электронные усилители,
как
правило,
Если один каскад усиливает мощность
гокаскадными.
миллиарды
оказываются мно¬
сигнала в сто
раз,
передает
второй каскад и тот усиливает мощность еще в сто
раз, затем такое же усиление дает третий каскад, то в итоге получается,
сигнал на
что сигнал усилился в миллион раз (100 100
каскад усилителя НЧ, тот, что работает прямо
вают оконечным, выходным каскадом, или
остальные
-
100
=
1000
000). Последний
на
громкоговоритель, назы¬
усилителем мощности. А все
это каскады
предварительного усиления, первый (входной),
иногда
еще
второй, третий,
четвертый, пятый и даже шестой все зависит
от того, сколько милливатт или микроватт дает источник сигнала,
какую
мощность потребует входная цепь последнего каскада и какое усиление
-
дает
каждый предварительный каскад.
4. Только от соотношения сопротивлений генератора и нагрузки зависит
эффективность передачи тока, напряжения, мощности. Прежде чем гово¬
рить
о межкаскадных связях в
коговорителем
усилителях,
о связи выходного каскада с
и входного каскада с источником сигнала,
вернемся
гром¬
к самой
простой электрической цепи, в которую входит один генератор постоянного
тока с внутренним сопротивлением
(гл. 3; 4,
5
рис. 4.9
и
12.2; 1). Ток
1н
в
R.
и одна
нагрузка
с
RH
сопротивлением
этой цепи, напряжение
Uh
на
нагрузке
и
Интересно, что пришедшие на смену дискретным транзисторам интегральные операционные
усилители (УПТ, см. раздел 11 далее), на которых сейчас обычно выполняются предварительные
каскады усилителей НЧ, позволяют без искажений усилить сигнал примерно в такой же степени,
не более того. Это лишняя
иллюстрация к причинам, по которым звуковые усилители остаются,
вероятно, самой консервативной областью электронной техники прогресс здесь может повышать
удобства проектирования, снабжать устройства привлекательными с точки зрения маркетинга
свойствами (вроде шестиканального звучания), снижать стоимость производства, но серьезное уве¬
личение качества воспроизведения стоит таких же усилий, как и полвека назад.
-
ГЛАВА 12. Воспроизводится музыка
мощность
Рн,
которую
электродвижущей
ный
она
силы
299
от
получит
зависят не только от его
генератора,
но еще и от соотношения
Ег,
рис. 12.2; 2 показывает,
между
график
1н, iiH
Rh. Все эти изменения легко объяснимы.
как меняются
и
Rr и RH.
Рн при
Типич¬
изменении
нагрузки
Рис. 12.2. Взаимодействие генератора
С увеличением
Rh ток в цепи уменьшается,
и
нагрузки
потому
что
растет общее
со¬
С увеличением R напряжение U растет,
противление цепи
общ
потому что RT и Rh образуют дел ител ь напряжения, делят между собой ЭДС
R
^
г
=
,
R
+
R
г
.
н
*'
нг
н
г
'
генератора. И чем больше сопротивление участка Rh этого делителя, тем
большая часть ЭДС ему достается. Ну а мощность Рн
это произведение
тока на
Сначала
с
напряжение.
увеличением RH мощность возрастает, по¬
-
тому что ток уменьшается в меньшей степени, чем растет напряжение
А затем,
после
некоторой
оптимальной
(самой выгодной)
мощность начинает падать, поскольку ток
1Гн.
Rhoii|/
быстрее, чем
величины
1н уменьшается
увеличивается напряжение iI.
Объяснимо также и то, что при разных соотношениях Rr и Rh сопротив¬
ление нагрузки
RH по-разному влияет на ток и на напряжение Uh. Когда RH
мало по
сравнению с Rк то удельный вес нагрузки в общем сопротивлении
цепи невелик и увеличение
RH
большом
определяет общее сопротивление,
Rh
в основном оно
не очень-то сильно влияет на ток
1н.
А при
а следова¬
тельно, и ток в цепи.
напряжении 11н. Увеличивая Rh, мы сразу по двум каналам
напряжение. Во-первых, Ин возрастает за счет увеличе¬
ния
1н, так как Uh Ih RH- Во-вторых, Ин уменьшается за счет уменьшения 1н,
и опять-таки
потому, что UH 7н RH. При малых Rn ток, как было отмечено
Теперь
влияем
о
на
это
=
=
несколькими строчками выше, меняется мало, и поэтому напряжение
1Гн
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
300
довольно резко растет. А вот при больших
на ток,
Вся
напряжение уже увеличивается
арифметика очень простая. И
из-за его сильного влияния
убедительная.
это
но пояснить,
почему
в
пустом ведре каждая
лишний стакан не очень-то заметен.
каникул
конце
Rh,
незначительно.
Точно
так же мож¬
а в полном и
виду,
Или почему один свободный день
иную ценность,
имеет совсем
капля на
в
чем в начале.
«Генератор тока» и «генератор напряжения»6 два разных режима
передачи энергии от генератора к нагрузке. Из всех возможных соотноше¬
5.
ний
-
и
между сопротивлением генератора
типичных
можно выделить два
нагрузки
случая.
Случай первый:
сопротивление генератора
RT во много раз меньше, чем
сопротивление нагрузки RH. Такой генератор называют генератором напря¬
жения, отмечая этим, что почти вся ЭДС приложена к нагрузке и что при
изменении
нагрузки напряжение
на
ней
Для иллюстрации числовой пример.
Предположим, что £г 200 В, Rr 1
(рис. 12.2; 3).
почти не меняется
-
=
=
Ом
и
остается около
сопротивлении генератора
мерно 199 В. Увеличим Rh до 400 Ом,
нется
примерно
такое же
на
шить
Rh до 100 Ом, то на нем
около 2
чем
назван так
грузки
равно
было,
-
остается около
будет около
на это, оста¬
около 199,5 В; на
0,5 В. Если умень¬
198 В,
на
Кг потеряется
В.
Во втором
больше,
все
=
нагрузке, несмотря
какое
напряжение,
внутреннем сопротивлении генератора
200 Ом. На внутреннем
1 В, нагрузке достается при¬
Rh
типичном
случае сопротивление генератора R,
сопротивление нагрузки
Rh.
что ток в цепи почти не меняется
потому,
во много
Это режим генератора тока,
при
раз
он
изменении на¬
(рис. 12.2; 4).
Числовой пример:
ЭДС генератора £г
подсчитать, что ток в цепи
-
около
1 А
=
200 В,
и что он
Rt
=
200 Ом.
примерно
Rh
=
1 Ом;
легко
таким и останет¬
уменьшить Rh
раз.
режима имеют свои достоинства и недостатки, оба находят
применение, однако генератор напряжения встречается несравнимо чаще.
В режиме генератора напряжения работает электрическая сеть (внутрен¬
ся, если
Оба
увеличить
или
в несколько
этих
сопротивление измеряется десятыми и сотыми
бильный аккумулятор (внутреннее сопротивление
нее
долями
-
ома),
автомо¬
тысячные доли
батарейка карманного фонарика (внутреннее сопротивление
у старой батарейки несколько ом).
-
ома),
около ома,
6. Режим оптимального согласования: сопротивление нагрузки равно
внутреннему сопротивлению генератора, в нагрузку
симальная мощность. В усилителях НЧ, особенно в
дах,
6
В
работающих
на
передается
мак¬
выходных каска¬
громкоговоритель, иногда используется режим
электротехнике приняты термины
«источник тока» и «источник
напряжения».
ГЛАВА 12. Воспроизводится музыка
оптимального
(наилучшего)
главная примета
301
согласования, оптимальной нагрузки. Его
сопротивление нагрузки RH равно сопротивлению
генератора Rr.
случае генератор отдает в нагрузку наибольшую
мощность, какую вообще может ей отдать (рис. 12.2; 2). Но чаще согла¬
сование
осуществляют, исходя из допустимых параметров токов и на¬
В
-
этом
пряжений.
Примечание
редактора. Из графика
на рис.
12.2; 2
можно сделать ошибочный
вывод, что оптимальный режим передачи мощности от источника к нагрузке при
сопротивлений всегда лучше любого другого. В действительности это
верно лишь для определенных случаев схем с высоким выходным сопротивлением
(см. далее этот раздел и разделы 7,8), а также для схем, работающих на радиочасто¬
равенстве их
тах
(по причинам, не
имеющим отношения к данному
случаю). Не зря автор делает
оговорки, что режим «иногда используется», что «чаще согласование осуществля¬
ют, исходя из допустимых параметров токов и напряжений». Для оптимальной пе¬
редачи мощности куда выгоднее максимально снижать сопротивление источника
(генератора),то есть подгонять схему как можно ближе
(«генератора напряжения»),так как в источнике
жения
ничего не
пают
теряется вовсе, вся мощность выделяется
в
к режиму источника напря¬
напряжения Я. 0 и на нем
нагрузке. Именно так посту¬
=
случае источников питания (см. последний абзац предыдущего раздела)
и в случае усилителей мощности НЧ, обычно снабженных выходным эмиттерным
повторителем (см. раздел 12 и далее в этой главе).
ее
и в
Проблема согласования генератора с нагрузкой,
потребителем, имеет весьма общий, если хотите
источника
-
даже
энергии
с
философский,
подтвердить примерами из самых разных областей.
Можно, например, вспомнить, что мощность, которую развивает авто¬
смысл.
Это
можно
мобильный двигатель, используется тем лучше, чем больший груз везет
машина. Но
перегружать автомобиль бессмысленно, генератор должен
работать
польза,
на свою
которую приносит
способностей
лать
оптимальную нагрузку. Можно
и
энергии,
неинтересно,
и
работник,
работы.
но еще и от
проявить себя
можно
принести пользу,
дело, в
котором
взвалив на
вспомнить и о том, что
зависит не только от его сил,
Слишком
на нем не всегда
себя
работу
легкое дело и де¬
удается. Но вряд
не по
плечу,
ли
взявшись за
умеешь. Человек
оптимальную нагрузку, должен быть наилуч¬
ничего не понимаешь и делать его не
работать на свою
образом согласован со своей работой.
должен
шим
человек-
Легко произнести
слова
«Добьемся согласования!»,
но не всегда легко
добиться. В
частности, серьезные трудности появляются в усилите¬
лях, где на каждом шагу приходится состыковывать низкоомную (обла¬
его
дающую
малым
сопротивлением)
нагрузку
с высокоомным
генератором.
Так, например, громкоговоритель (нагрузка) с сопротивлением звуковой
катушки в несколько ом нужно согласовать с транзистором (генератор),
выходное сопротивление которого измеряется килоомами или десятками
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
302
килоомов. Те
же несколько килоомов имеет входное
последующего каскада
дого
торной
сопротивление
каж¬
(нагрузка), и его нужно согласовать с коллек¬
(генератор), которое, как отмечалось,
цепью предыдущего каскада
составляет десятки или сотни килоомов.
Пытаясь
места назначения,
побыстрее добраться до
шофер
иногда, ска¬
жем на ровном пустом шоссе, просто увеличивает скорость. А иногда, на¬
пример на забитых машинами улицах города, наоборот, едет помедлен¬
нее, поаккуратнее, главным
одной
и для достижения
и
образом
затор. Вот так
наибольшей
выход¬
получения
не попасть в
старается
той же цели
-
ной мощности транзисторного усилителя
иногда обращают внимание
на одни особенности
на
режима, иногда
другие. На жаргоне ученых и
об
этом
так:
инженеров
говорят, например,
«Подумайте о мощности в тер¬
-
-
минах согласования
терминах
Кстати,
сопротивлений».
Или
так:
«Подумайте
о мощности в
использования
транзисторов по току».
примера, два жаргонных выражения,
эти два
типичным
согласования
стратегиям
транзисторов
с
относятся к
двум
громкоговорителем.
Начнем со второго случая. Предположим, что в выходном каскаде ра¬
ботают мощные транзисторы, коллекторный ток в них может достигать
2 А, и, значит, амплитуда
дальше все
его
цифры условные).
переменной составляющей
-
1 А
(здесь
А на коллектор (в отсутствие сигнала)
и
попа¬
напряжение 10 В, и, значит, амплитуда переменной составляющей
дает
напряжения
на
нагрузке
не может
быть больше 10 В,
иначе в какие-то мо¬
напряжения
коллекторе вообще не будет. И еще одно предпо¬
ложение: сопротивление
нагрузки равно 20 Ом. Закон Ома напоминает:
менты
на
=
Uh Ih- Rr; /и
=
Uu / Rh, то есть чтобы на сопротивлении 20 Ом напряжение
ток 0,5 А. Что отсюда
следует? А то, что мы не сможем
было 10 В, нужен
полностью использовать
сигнал
послабее, чтобы переменная
не превышала 0,5 А
быть 1 А. И
=
(Р
Р
R),
Есть
но
транзистор
(0,5
А
20 Ом
=
по
ли из этого
(если можно!)
этом
«потолок»
10
транзистор отдаст
бы.
вдвое
и можно
в
В),
в то
и даже два.
спокойно увеличить
на
ток.
при
напряжения
нашем
на ней
предельном
вот
токе
транзисторы
ное число ватт,
тем или иным
подбирая
тоже
другой
бы
мож¬
Ом,
возрастет
выход: можно
«потолок»
получится при вдвое большем токе,
1 А
(1
А
Этим вторым методом пользуются
каскаде стоят
Во-первых,
нагрузке
А
в два раза уменьшить сопротивление нагрузки, до 10
менного
как она могла
раза поднять питающее напряжение (до 20 В), при
переменного напряжения
будет
время
четыре раза меньшую мощность
какой-нибудь выход? Есть,
в два
придется подать
составляющая коллекторного тока
в итоге
чем мог
на вход его
току:
10 Ом
=
10
пере¬
то есть
В).
весьма часто:
обычно
с запасом мощности, и от них
в
выходном
получают нуж¬
сопротивление нагрузки, например группируя
способом громкоговорители
(рис. 8.9).
К
таким же выводам
ГЛАВА 12. Воспроизводится музыка
мы
пришли бы,
если
бы рассматривали
сопротивлений», просто
лась в данном
303
все это в
случае проще
и
напряжений
удобнее.
«терминах
и токов в
оценка
согласования
транзисторе
оказа¬
В некоторых случаях, чтобы не усложнять схему, приходится мирить¬
ся с плохим согласованием. Из-за этого,
например, при передаче сигнала
нередко теряется часть той мощной копии, которую
В
создал усилитель.
других же случаях, когда с потерями не хотят или не
могут мириться, разными схемными ухищрениями меняют входные и
из каскада в каскад
сопротивления усилительных каскадов. Или пользуются
эффективным средством согласования, как трансформатор.
выходные
Примечание
абсолютно
редактора. Согласование
необходимо
с помощью
трансформатора
лишь для схем на электронных лампах
-
таким
на практике
там напряже¬
ние велико, а токи малы, потому при прямом подключении запросто можно сжечь
либо низкоомный динамик, либо
выходной усилительный каскад. В транзистор¬
ных схемах проще поставить лишний
чем возиться с
трансформаторами
-
согласующий
каскад усиления
(см. далее),
хотя в первых транзисторных конструкциях
1950-1960-х годов разработчики применяли согласующие трансформаторы еще
довольно
7.
часто.
включении нагрузки в цепи генератора дей¬
вносимое
ствует
сопротивление, которое может быть больше или мень¬
При трансформаторном
сопротивление самой нагрузки. Вспомните,
работает транс¬
форматор (гл. 6; 25): переменное напряжение Ц, подведенное к первичной
ше, чем
обмотке I, создает
U2
жение
в ней
и создает ток
переменный ток он наводит переменное напря¬
12 во вторичной обмотке II (рис. 12.3). Но на этом
дело еще не кончается: ток
наводит ток
методу
1\
в
как
первичной
1г сам создает переменное
обмотке. Если, вернувшись
магнитное поле и
к
старому нашему
экспериментов, снять с трансформатора вторичную
первичную подключить к генератору, то ток в этой одинокой
мысленных
обмотку,
а
первичной обмотке будет сравнительно небольшим, он определится лишь
в основном
индуктивным сопротивлением xL. А
если
вернуть
на место вто¬
обмотку
первичной обмотке
резко увеличится. Это как раз и начнет работать ток 1г он начнет наводить
ток
Тj в первичной обмотке. Тот факт, что к первичной обмотке трансфор¬
и подключить к
ричную
ней нагрузку,
ток в
-
матора подведено напряжение
Ц
и в
ней течет ток Г
,
означает, что в этой
обмотке имеется какое-то сопротивление, устанавливающее связь между
током и напряжением (R
U / I; гл. 4; 3). А поскольку сам ток
как бы
=
вносится в
R
=
U
1\
обмотку из вторичной обмотки, то и сопротивление
1\ называют вносимым
От чего
как
первичную
сопротивлением
же оно зависит, это вносимое
бы нет,
но
бражающий
которое
связь
все-таки
между
сопротивление
существует
током и
Rm.
как некий
напряжением?
Rm, которого вроде
коэффициент, ото¬
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
Рис. 12.3. Согласование
с помощью
трансформаторов
Попробуем увеличить нагрузку, предварительно
нужно понимать под этими словами.
имеет смысл
требляемый
мы
«нагрузка увеличилась»
«больше нагружен генератор», или, точнее, «больше ток, по¬
от
генератора». А значит, выражение «нагрузка увеличилась»
означает «меньше стало
Итак,
Выражение
пояснив, что именно
уменьшаем
сопротивление
Ra,
RH».
увеличиваем
тем самым ток
12
во
вторичной
обмотке. И тут же увеличится наведенный в первичную обмотку ток 1\.
А это значит, что сопротивление Rm зависит от сопротивления нагрузки Rh
(рис. 12.3; 2,3)
Ra, тем меньше и вносимое сопротивление Квн.
RH бесконечно велико (цепь вторичной обмот¬
ки не
холостой
ход), Rm тоже бесконечно велико, то есть, проще
замкнута,
-
чем меньше
В предельном случае, когда
говоря,
Но
его нет.
величина вносимого
зависит от
сопротивления
зависит не только от
коэффициента трансформации
Rh, она еще
и, от соотношения числа вит-
ГЛАВА 12. Воспроизводится музыка
ков в
(рис. 12.3; 4, 5, 6). Причем
коэффициент трансформации дважды влияет на
первичной
очень сильно
-
305
и
вторичной
обмотках
зависит
величи¬
Rbh. Первый раз, когда из первичной обмотки во вторичную наводится
lv и второй раз, когда обратно из вторичной обмотки в первичную
наводится ток 1\. Поэтому Rm зависит от квадрата коэффициента транс¬
формации и: увеличьте его в два раза, и вносимое сопротивление возрастет
в
четыре, увеличьте и в 5 раз, и Квн возрастет в 25 раз (рис. 12.3; 4).
И еще, повышающий напряжение трансформатор как бы понижает со¬
ну
ток
противление нагрузки при пересчете
щий
трансформатор, наоборот,
его в
первичную цепь,
Rm
увеличивает
по
есть если
пути
нагрузка
от
Это
раз
нагрузке напряжение понижается, то
через понижающий трансформатор, то Rm
генератора
включена
RH.
с
сравнению
несколько иными сло¬
настолько важный вывод, что изложим его еще
вами: если на
а понижаю¬
к
будет больше, чем RH. А если трансформатор повышающий, то Rbh мень¬
ше, чем RH. И наконец, если коэффициент трансформации равен единице,
то
Rm будет таким же, как и RH.
Как видите, трансформатор открывает большие возможности для со¬
гласования генератора с нагрузкой
достаточно подобрать коэффициент
трансформации, и в цепь генератора фактически будет включено такое
вносимое
сопротивление, какое требуется для оптимального согласова¬
-
ния. А теперь настал момент рассказать о том, как
вания, не
приспосабливая
неизменяемые, казалось
добиваются
согласо¬
то, что есть, к тому, что есть, а активно изменяя
входное и выходное сопро¬
бы, характеристики
-
тивления транзистора.
с общей базой (ОБ) и общим кол¬
входные
и выходные сопротивления
различаются
Рассказ
этот можно было бы
усилительные характеристики.
8. У схем с
общим эмиттером (ОЭ),
лектором (ОК)
и основные
«2
озаглавить
+
ние к задаче,
сильно
2
=
3». Такое странное равенство должно привлечь
которую приходится решать при
Дело
или лампы в
усилительный
три вывода
эмиттер, база, коллектор
сетка,
анод),
сигнала,
-
каскад.
(у
включении
в том, что
внима¬
транзистора
у транзистора
всего
лампы, соответственно, катод,
нему нужно четыре провода: два от источника
микрофона, и два от нагрузки, например от громко¬
а подключить к
например
от
(рис. 12.4; 1).
Подключить четыре провода
говорителя
из выводов
выходной,
общим
трем (2 + 2
транзистора должен быть общим
к
=
3)
можно только так: один
то есть и для источника сигнала, и для
может
быть любой
входной цепи, и для
нагрузки. В принципе,
и для
из выводов, а значит, возможны
три разные
схе¬
общим эмиттером (ОЭ), с общей базой (ОБ) и с общим коллектором
В
(ОК). ламповых усилителях это, соответственно, схемы с общим катодом,
общей сеткой и общим анодом. На рис. 12.4; 1, 2, 3, 4 вы видите схемы ОЭ,
ОБ и ОК в предельно упрощенном виде.
мы
-
с
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
306
Рис. 12.4. Три возможные схемы включения транзистора:
с общим эмиттером, общей базой и общим коллектором
Из
она
всех
трех
схем нам знакома одна
усиливает
жение на
р раз,
ток в
нагрузке
может
а также
-
схема
ОЭ
(рис. 10.10). Известно, что
так как
усиливает напряжение,
быть больше,
чем
напряжение
на входе
напря¬
транзис¬
участке эмиттер-база. Для маломощных транзисторов усиление
мощности в схеме ОЭ составляет несколько тысяч. Схема ОЭ усиливает
мощность во много раз больше, чем две другие, и это одна из причин ее
тора,
на
популярности.
Теперь
сопротивлении Rnx и выходном Квых. И входная цепь
особенно выходная оказывают разное сопротивление по¬
о входном
транзистора,
и
Лучше
стоянному
и
лекторной
цепи открытого транзистора
переменному току.
на
при напряжении
50 мА, для
ток до
всего это видно на
(рис. 12.4; 5).
примере
кол¬
В реальном случае
коллекторе 0,5 В через транзистор идет постоянный
постоянного тока
сопротивление коллекторной цепи
попробуем менять напряжение и следить за измене¬
нием тока, то
получим иную цифру коллекторный ток очень мало ме¬
няется
изменении
при
напряжения на коллекторе. Если напряжение Ык
10 Ом. Но если мы
-
увеличить
Так
от
менялся
0,5 В
до
бы ток,
и именно такое
10,5 В,
если
в цепи
сопротивление
лекторному току,
его
оказывает
переменной
транзистора, которую
переменный,
бы
10 В, ток увеличится всего на 1 мА.
было включено сопротивление 10 кОм,
то есть на
он должен
транзистор меняющемуся
кол¬
составляющей. А поскольку продукция
передать дальше, не постоянный ток, а
то можно считать, что эта последняя величина и есть выход¬
ГЛАВА 12. Воспроизводится музыка
307
сопротивление транзистора. Именно его нужно согласовывать с после¬
дующим каскадом.
Аналогично определяют и входное сопротивление транзистора по из¬
менению входного (базового) тока и входного напряжения. В схеме ОЭ
ное
примерно 500-2500 Ом. Оно, кстати,
коэффициент усиления по току у данного транзис¬
входное сопротивление
тем
больше,
чем выше
тора7, потому
что с
составляет
увеличением (3
меньшая часть
при
базу,
значит, больше сопротивление цепи.
Совсем иные цифры получаются в схемах ОБ
тока ответвляется в
В
а чем меньше ток
ОБ
входной
общего эмиттерного
том же
и
напряжении, тем,
ОК.
цепи проходит уже не маленький
(общая база)
эмиттерный ток целиком. Из этого сразу два следствия,
зачастую очень неприятных. Во-первых, коллекторный ток не может быть
больше эмиттерного (гл. 9; 18), а значит, схема ОБ не дает усиления по
току. Второе неприятное следствие касается входного сопротивления. Изза того, что по входной цепи
проходит большой эмиттерный ток, входное
оказывается
очень маленьким (R
U / I, чем
сопротивление транзистора
больше ток, тем, значит, меньше сопротивление). Оно практически в (3 раз
схеме
по
базовый ток, а весь
=
меньше, чем в схеме
сопротивление,
ОЭ,
и составляет несколько десятков
наоборот,
во много
раз больше,
стигает сотен килоом и даже нескольких мегаом.
коллекторное напряжение Uk
ток
7к. В схеме ОЭ малая
ставалась
ла на ток
от
эмиттерному переходу
7к.
В
схеме
ОБ цепь
оно до¬
связано с тем, что
почти совсем не влияет на кол¬
часть
коллекторного напряжения до¬
и с этого командного
питания
эмиттерного перехода.
Схема ОК (общий коллектор)
Это
ОЭ,
ОБ
в схеме
лекторный
ом8. А выходное
чем в схеме
пункта
как-то влия¬
коллектора совершенно изолирована
тоже отличается от схемы
ОЭ, но, если
ОЭ, усили¬
можно так сказать, в другую сторону. Схема ОК так же, как и
вает ток в
р раз,
грузка здесь
но она совсем не
включена в цепь
усиливает напряжения, потому
эмиттера
и
коллекторный
что на¬
ток создает на
ней
напряжение Uh, которое действует против напряжения на базе (гл. 10; 21).
И напряжение на нагрузке в принципе не может быть больше, чем напря¬
жение сигнала: в этом
случае транзистор просто оказался бы закрытым.
Практически в схеме ОК выходное напряжение равно входному9,
называют
му
сигнала,
очень
7
9
эмиттерным повторителем
а лишь
повторяет его.
небольшой,
=
р (25 / 7к),
При
этом
она не
эту
схе¬
усиливает напряжение
эмиттерная нагрузка
в схеме с заземленным
может
быть
эмиттером определяется приближенной форму¬
1к измеряется в миллиамперах (см. [3]).
В соответствии с формулой 25 / 7к, где 1к измеряется в миллиамперах.
В схеме ОК выходное напряжение Ывых всегда меньше входного Ubx на
эмиттер Ы6э 0,7 В.
*
и
выходное сопротивление усилителя измеряется кило-
Входное сопротивление
лой Rgx
8
-
где
величину напряжения база-
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
308
омами, сотнями ом
тивление очень
и даже десятками
большое
-
ом10. В
то же
время входное сопро¬
десятки, сотни килоом и даже мегаомы11. И все
из-за того же мешающего действия напряжения на нагрузке: из-за него
напряжение на базе очень слабо влияет на входной ток, а это равносильно
тому, что входная цепь имеет очень большое сопротивление.
Примечание редактора. Схема с общей базой
в
учебниках,
(ОБ) традиционно
рассматривается
но на практике применяется редко: в основном в высокочастотных
схемах, так как позволяет «выжать» максимум из частотных свойств транзистора.
При
этом в реальных схемах вы почти никогда не встретите непосредственного
как правило, «закорачивание» ее на «зем¬
осуществляется через конденсатор достаточной емкости (см. следующий
соединения базы с
лю»
общим проводом
-
раздел). Схема ОК (эмиттерный повторитель), наоборот, встречается
очень часто,
так как позволяет согласовать источник с высоким выходным сопротивлением с
достаточно
каскаде
мощной нагрузкой (см. пример применения этой
усилителей НЧ, рис. 12.10; 3
и
раздел
14). Кроме
схемы в оконечном
того, надо специально
подчеркнуть, что схемы ОК и ОБ не инвертируют входной сигнал, то есть выход¬
ной сигнал совпадает по фазе с входным (в пределах частотных ограничений для
данного транзистора, см. раздел 18 этой главы); тогда как у наиболее распростра¬
ненной схемы ОЭ фаза выходного сигнала на коллекторе противоположна фазе
входного.
На рис.
ОК:
12.4; 6
-
сводная
таблица
основных
характеристик
ОЭ, ОБ
схем
этой таблицы можно сделать некоторые выводы об особенностях
этих схем.
и
из
Так, например, видно, что схемы с общей базой и с общим коллектором
дают сравнительно небольшое усиление по мощности. Первая
потому
-
что не
усиливает ток, вторая
применяются
-
в основном в тех
потому
случаях, когда нужны
пониженные входные или выходные
схемы
ОК
их повышенные или
сопротивления. В частности,
позволяет согласовывать с ней
сопротивление
говоритель без всякого трансформатора,
выходное
усиливает напряжение. Они
что не
и эта схема находит
в выходных каскадах высококачественных
низкое
громко¬
применение
бестрансформаторных усилите¬
лей НЧ.
Кроме того, она используется в тех входных каскадах, где нужно
согласовать усилитель с большим выходным сопротивлением источника
(например,
9. Участки схемы,
лены по
но
заземленные по
постоянному,
нужно
микрофона
пьезоэлектрического
иметь в
и
наоборот.
или
звукоснимателя).
переменному току,
всегда
не
зазем¬
Есть одна мелочь, которую обязатель¬
виду, рассматривая практические схемы,
-
одна и та же
схема может быть просто начерчена по-разному: по-разному могут быть
10
Выходное сопротивление Квых для
ние источника сигнала
11
Входное сопротивление Rbx для
грузки
с
схемы ОК
приблизительно равно R. / р,
(с учетом параллельно
учетом параллельно
схемы ОК
включенного
где R.
приблизительно равно Rh р (где Rh
включенного
-
общее сопротивле¬
сопротивления базового резистора
эмиттерного резистора
&э).
-
R6).
сопротивление
на¬
ГЛАВА 12.
309
Воспроизводится музыка
расположены детали, соединительные провода,
пересечения
Из-за
(рис. 12.5).
знакомой, привычная
-
непонятной.
чертания схемы, увидеть
дение токов, передачу
составляющих.
Как
(соединенный
с
Нужно уметь отвлечься от способа на¬
особенности, определяющие прохож¬
главные ее
напряжений, разделение переменных и постоянных
только от
реальным, практическим,
ный
точки их соединения или
этого знакомая схема может показаться не¬
то
упрощенных
сразу
же
общим проводом;
схем мы начнем
обнаружим,
10; 15)
гл.
что
заземлить по
постоянному току,
щим проводом для переменного
ного заземления
различных
ее
тока.
В
к
заземлен¬
участок,
для переменного тока, не
всегда можно заземлить по постоянному. А бывает и
который нужно
переходить
наоборот:
участок,
об¬
нельзя соединить с
схеме появляются цепи
раздель¬
фильтры,
которые
участков. Это,
по
сути,
по
одному пути пропускают постоянную составляющую коллекторного
или базового тока, а по
другому пути проводят их переменные составля¬
ющие.
Очень
фильтрами,
ленный
схемы,
часто именно эти
которые подводят
фильтры
усиленный
сигнал с выхода, создают
хотя
вместе с
ощущение
никакой сложности нет.
токов и появлением
прохождением
схемы, и она предстанет простой
и
на
входу
питания и
и отводят
сложности и
уси¬
запутанности
Нужно лишь спокойно проследить за
напряжений на тех или иных участках
понятной.
Рис. 12.5. Разное начертание одной
Для иллюстрации
фильтрами
сигнал ко
рис. 12.6 приведена
и той же схемы
схема многокаскадного
уси¬
НЧ. В целом она не имеет практического смысла, это не более чем
учебная схема. В ней собраны разные усилительные каскады и схемы межлителя
каскадной связи, причем схемы каждого каскада и любой пары соседних
каскадов вполне реальны, многие из них можно встретить в практических
усилителей.
Первый каскад учебного усилителя рис. 12.6
схемах
литель по схеме
это
привычный уже уси¬
ОЭ. По постоянному току его эмиттер «поднят»,
которое напряжение
эмиттер
-
заземлен
относительно
через
Сэ и таким образом соединен с одним из проводов
источника сигнала. В третьем каскаде по переменному току через
лен
коллектор
тор
заземлить нельзя
-
каскад
-
имеет не¬
общего провода. По переменному току
собран
по схеме
Сф зазем¬
ОК. По постоянному току
на него подается «плюс» питающего
коллек¬
напряжения,
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
310
а заземлен
а
«минус»
коллектор
здесь
батареи Бк. Второй каскад тоже собран по схеме ОК, но
заземлен не
непосредственно, причем
Потому
через конденсатор,
заземлен и по
что в этом каскаде
как в
предыдущем каскаде,
переменному,
и по
постоянному
работает
транзистор противоположной
и на
подается
проводимости
коллектор
«минус», заземленный в данной
схеме питания. Кстати, заземлять именно
«минус» питания совсем не обя¬
току.
зательно,
ров
можно заземлить и «плюс», все зависит от того, каких
в схеме
больше
транзисто¬
и по каким схемам они в основном включены.
Рис. 12.6. Многокаскадный усилитель НЧ
между каскадами, в цепь пи¬
шунтируют батарею конденсатором.
10. Чтобы устранить паразитные
связи
фильтры
Внутреннее сопротивление источника питания невелико, у гальванических
источников
(батареек), например, это доли ома, в худшем случае несколько
тания
ом.
И
и
включают
казалось
реи просто
бы,
можно считать, что для
переменного
все точки схемы, соединенные с этим
переменному току
лителях.
никому
ле такая
к
Потому
не
«минус» бата¬
переменному току заземлены
«минусом». Однако же пренебречь
собственным сопротивлением источника,
по
тока
заземлен и что вместе с ним по
«минус» заземленным
простых маломощных уси¬
считать
можно только в самых
внутреннее сопротивление источника есть элемент
нужных связей между каскадами, и в многокаскадном усилите¬
что
паразитная
связь сплошь и
рядом приводит
к
самовозбуждению,
в
превращению усилителя генератор.
Механизм появления паразитной связи
по питанию очень
ременная составляющая какого-либо коллекторного
тока
прост. Пе¬
проходит
источника и создает на нем
по
на¬
переменное
внутреннему сопротивлению
пряжение, которое неизбежно попадает на коллектор, а через резистор
смещения и на базы других транзисторов (рис. 12.7; 1). Способ борьбы с
-
этой неприятностью
денсатором
тоже несложен
-
источник питания
Сф (рис. 12.7; 2), через который
все
шунтируют кон¬
переменные составляющие
беспрепятственно. Кроме того, в цепи включают развязыва¬
фильтры, задача которых замкнуть переменную составляющую
замыкаются
ющие
коллекторного
-
тока на месте,
вблизи транзистора,
не
пустить
ее в
общие
ГЛАВА 12. Воспроизводится музыка
цепи питания12.
один каскад,
дает
через
Бывает,
бывает,
что
311
через один
развязывающий фильтр
что несколько, а иногда питание на
несколько
питается
транзистор
попа¬
фильтров.
Рис. 12.7. Паразитные
связи между каскадами через источник питания
11. Составной транзистор
-
простейший двухкаскадный усилитель,
котором входная цепь второго транзистора сама служит нагрузкой
первого. Емкость разделительного, или, иначе, переходного, конденсатора
СР, через который сигнал передается из коллекторной цепи на базу сле¬
дующего каскада, выбирается с учетом усиливаемой частоты: чем более
в
низкие частоты
нужно усиливать,
тем
больше должна быть
эта емкость.
Потому что с уменьшением частоты растет емкостное сопротивление кон¬
денсатора (гл. 6; 14),
и
чтобы сопротивление
большим, чтобы переходной конденсатор
это не оказалось слишком
забрал
не
себе заметную
часть
усиленного сигнала, приходится увеличивать его емкость, уменьшая тем
самым емкостное сопротивление. В транзисторных высокочастотных уси¬
лителях емкость
сяч
пикофарад,
переходного конденсатора обычно
в низкочастотных
многое еще зависит от
-
усилителях
и
нагрузки
следующего каскада, потому что
особенно
это
ния. В самом
общем
усиливаемых
его емкостное
частот должно
быть
на вход
сопротивление транзистора,
усиленный
ты¬
сопротивления
вместе с емкостным
образует делитель напряже¬
соображения по выбору
виде можно так изложить
переходного конденсатора:
из
10-50
микрофарад. Здесь
10-50
от входного
сопротивление
сопротивлением переходного конденсатора
составляет
на самой низкой
сопротивление
значительно
которого
этот
меньше, чем
входное
конденсатор передает
сигнал.
Есть особый
класс
усилителей, который рассчитан
медленно меняющихся сигналов.
на
Настолько медленно,
усиление
что
очень
большие
от¬
резки времени, целые часы, а то и сутки сигнал вообще остается постоян¬
ным. Эти усилители так и называют
усилителями постоянного тока, или,
-
сокращенно, УПТ. В
12
качестве
примера УПТ
можно назвать
усилитель,
за¬
Цепи питания, как и источник питания, имеют свое сопротивление, на котором можетвыделяться
переменная составляющая, потому
потенциального источника
пей транзисторов.
устанавливать вблизи
случае вблизи коллекторных це¬
фильтрующие конденсаторы принято
помех остальным каскадам
-
в данном
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
312
дача которого
-
поднять уровень сигнала, поступающего с
автомате включения
уличного освещения.
УПТ
может измениться на какие-то
рить
о частоте сигнала здесь
Уровень
проценты
вообще трудно,
фотоэлемента в
сигнала на входе такого
в течение целого часа, гово¬
И
настолько она мала.
если
бы пришлось
емкость,
подбирать переходные конденсаторы для такого УПТ, то их
наверное, должна была бы измеряться миллионами, а то и мил¬
лиардами
микрофарад. Конденсаторов
с такими емкостями не
сущест¬
усилители
собирают вообще
без переходных конденсаторов, соединяя коллекторную нагрузку с входом
следующего каскада непосредственно, просто проводником. Здесь появ¬
и
вует,
ляются свои
попадает
не
постоянного тока
многокаскадные
на
базу следующего транзистора,
нарушило режим
это задачи
но и
и
автоматики.
транзисторы, где
самой
выполняет
нет
постоянного тока
уже
-
это так называемые со¬
не только
переходных конденсаторов,
каскада
коллекторной нагрузки первого
роль этой нагрузки
входное сопротивление следующего каскада (рис. 12.8). Состав¬
ной транзистор
-
можно
рассматривать
характеристики которого определяются
ными
напряжение с коллектора
нужно сделать так, чтобы оно
второго транзистора по постоянному току13. Но
УПТ довольно часто можно встретить, особенно в
Разновидность усилителей
ставные
и
этого
решенные,
устройствах
в частности постоянное
трудности,
транзисторами
и их взаимным
коэффициент усиления
как один
усилительный прибор,
всеми вошедшими в него отдель¬
В частности, общий
соединением.
(3 равен произведению
этих
коэффициентов
всех
транзисторов.
Рис. 12.8. Составной транзистор
Одно достоинство
нем нет «лишних
составного
деталей»,
транзистора сразу
нет
УПТ. Но, конечно,
взаимной связи
13
бросается в
конденсаторов, резисторов. А
достоинство: составной транзистор из-за
конденсаторов, усиливает самые низкие
ко всем
же
того, что в нем нет
транзисторов
вот
-
в
другое
переходных
частоты, что, кстати, относится
эти достоинства не достаются
по
глаза
бесплатно:
из-за
постоянному току составной транзистор
В схемах с
реальными УПТ (в интегральном исполнении они называются операционными усилителями) всегда используется отрицательная обратная связь, которая стабилизирует параметры (см.
далее раздел 16).
ГЛАВА 12. Воспроизводится музыка
очень чувствителен
ры. А кроме того,
противлений
к изменениям питающих
из-за
внутри
усилительных
313
трудностей
и
температу¬
согласования входных и выходных со¬
самого составного
приборов
напряжений
транзистора
не
удается
выжать из
все, что они могли бы отдать в обычных схемах.
Составные транзисторы часто можно встретить в полупроводниковых ин¬
тегральных схемах, где особо ценится возможность экономить конденсато¬
ры или резисторы.
Примечание редактора. Схема
составного транзистора
мощных каскадах усиления и носит название схемы
обычно
применяется
в
Дарлингтона. Подобные объ¬
единенные транзисторы выпускаются также в виде готового модуля. Не нужно за¬
бывать, что
Дарлинг¬
коэффициента усиления (3: удваивается
напряжение база-эмиттер, растет напряжение насыщения коллектор-эмиттер
(а значит, растут и потери), снижается максимальная рабочая частота.Утверждение
автора, что для составных транзисторов нет нужды в резисторах, ошибочно: по
крайней мере необходим резистор между базой Т2 и «землей», в противном случае
токи утечки Tt будут неизбежно открывать Т2 (см. [1], гл. 2) даже в запертом состоя¬
при применении обычных дискретных транзисторов в схеме
тона ухудшаются все параметры, кроме
нии
12.
Tj. В
готовых модулях Дарлингтона такой резистор обычно уже установлен.
Двухтактный
нагрузке
токи
ются. Если не
усилитель: транзисторы
разного направления, которые
хватает мощности одного
в
поочередно
посылают
к
самой нагрузке суммиру¬
транзистора,
то в
принципе
мож¬
(на практике стараются
делать) соединить два транзистора па¬
А
можно
сложить
выходные сигналы двух транзисторов иным
раллельно.
этого не
но
способом
-
создать так называемый
усилительные
двухтактный
схемы называют еще
усилитель.
Двухтактные
push-pull,
от англ.
«пушпульными»,
переводе на русский значит «Тянитолкай». Так, кстати, звали одного
ближайших помощников доктора Айболита лошадь, у которой было
что в
из
-
две
головы
-
одна спереди, другая сзади. Это удивительное животное назы¬
вается
Пуш-ми-Пул-ми в
в свое
время пересказал
толкая
не
поочередно
подкрался
пор
нам
спят и
охотник.
нет ни в одном
Гью
Лофтинга «Доктор Дулитл», которую
Корней Иванович Чуковский. Головы Тяни-
сказке
кушают,
и животное всегда следит,
чтобы
к
нему
Именно поэтому, уверяет автор, Тянитолкая до
сих
зоопарке.
Электронный Тянитолкай, двухтактный усилитель, никак не отнесешь
к
редким явлениям. Двухтактные каскады очень широко используются в
усилительной технике, и прежде всего в мощных каскадах усилителей НЧ.
Сначала
несколько слов о том, «как это делается», а затем что дает.
Простейшая
двухтактная схема на транзисторах одинаковой проводи¬
рис. 12.9; 1. На базы транзисторов Тг и Т2 усиливаемые
мости показана на
сигналы подаются в
помощью входного
противофазе. В данном случае эта задача
трансформатора Тр: с двумя вторичными
решена с
обмотка-
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
314
ми
IIА и II ь, но существуют и иные способы получения двух противофазных
(гл. 12; 14).
сигналов
Рис. 12.9. Двухтактный усилительный каскад
То,
что
напряжения
17вх1
iiBx2
и
именно
противофазны
относительно
средней точки, связано только с определенным включением обмоток ПА и
ПБ. Не забудьте: поменять местами концы обмотки это значит повернуть
фазу на 180° (гл. 11; 7). Противофазными напряжения 17вх1 и 1/вх2 получают¬
-
ся в том
одной
случае,
если
обмотки I,
ПА и ПБ намотаны в одну сторону и начало
из них соединено с концом
средней
точки
всей
вторичной
на
Поскольку напряжения
и сами
коллекторные
вофазе:
базах
токи этих
когда один нарастает,
каждый
по
своей секции
1А
и
другой.
(см.
обмотки
Тг
и
То
есть если сделан отвод от
далее рис.
Т2 действуют
транзисторов
12.10; 1).
в
противофазе,
тоже меняются в
то
проти¬
второй уменьшается. Эти токи проходят
1Б к первичной обмотке выходного транс¬
форматора Трвых. И каждый из коллекторных токов наводит часть тока
1н во вторичной обмотке этого трансформатора, к которой подключена
секции выходного трансформатора 1А и 1Б со¬
нагрузка. Теперь главное
единены таким образом, что токи 1н1 и 1н2, которые создаются в нагрузке
-
каждым
нагрузке
из
-
транзисторов, суммируются. И общая мощность сигнала в
суммарная мощность, результат согласованных действий
уже
враждующими
просто-напросто уничтожают друг друга. В итоге выходной
трансформатор работает без постоянного подмагничивания, его стальной
полями,
они
сердечник
может
быть
меньше и
Действуют друг против друга
ных
гармоник,
зазора14.
если они появляются в выходном сигнале из-за нелиней¬
ных искажений.
Таким
образом,
двухтактная
схема в значительной
мере
нелинейные искажения. И наконец, еще одно достоинство, очень
снижает
часто оно оказывается
в
без воздушного
и магнитные поля, созданные токами чет¬
решающим: двухтактная
с отсечкой
работать
пор считали неприемлемыми, в
тока,
коллекторного
при которых искажается форма
режимах усиления, которые
режимах
схема позволяет
мы до сих
-
(гл. 11; 16).
Говорят, что если пессимисту и оптимисту дать по половине стакана
сока, то первый заноет: «Вот... Пол стакана уже нет...», а второй обрадуется:
«Ура!.. Еще есть полстакана!» Если бы попросить пессимиста рассказать
сигнала, появляются страшные нелинейные искажения
о
событиях
(рис.
11.6
в
двухтактном каскаде, который
12.9; 1, 3),
и
то оценка
работает
с отсечкой
событий, по-видимому, была бы
«В транзисторах происходит что-то ужасное... Они
безумно
срезают чуть
наверное, оценил бы события оптимист:
искажают сигнал,
ли не
работают
0
=
90°
такой:
через такт,
целый полупериод». Иначе,
«Транзисторы работают прекрас¬
Они поочередно дают отличный неискаженный сигнал, каждый из
без искажений воспроизводит целый полупериод...»
Именно такие неискаженные полупериоды используются в двухтактных
но...
них
каскадах,
работающих
с отсечкой.
Каждый транзистор
работая
в течение своего
полупериода» создает
нагрузке, оба транзистора,
через такт, создают целый, неискаженный сигнал, он как бы сши¬
«неискаженного
вается из
двух
ток в
половинок.
При этом
а
мощность выходного сигнала оказыва¬
бы дать один транзистор. А мощность, потре¬
бляемая от источника питания таким двухтактным каскадом, примерно в
полтора раза меньше, чем потребовалось бы на создание такой же выход¬
ется вдвое
больше,
чем мог
ной мощности с помощью однотактного выходного каскада,
без
отсечки.
Это,
работающего
согласитесь, огромное достоинство, особенно для пере¬
носной
батарейной аппаратуры.
При работе без отсечки такой режим называется классом усиления А
коллекторной цепи протекает ток покоя 7пок даже в том случае, когда на
-
сердечника, но отодвигает режим от состояния насыщения. Зазор необходим только в трансформа¬
торах, работающих с постоянным подмагничиванием (как, например, в ламповых или транзистор¬
ных каскадах
усиления
в
режиме А
или
АВ,
см.
далее).
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
316
входе
вообще
нет сигнала.
А
ставляющей коллекторного
(рис.
12.9; 2). Поэтому
большая амплитуда переменной
может быть больше, чем ток покоя
самая
тока не
со¬
1пок
усиление без отсечки, в принципе
выходную мощность, чем половина мощности,
класс
А,
то есть
большую
потребляемой от коллекторной батареи. То есть, иными словами, коэф¬
фициент полезного действия (КПД) усилителя не может быть больше,
чем 50 %. И это, заметьте, при самой большой амплитуде переменной со¬
не может дать
тока, которая соответствует самым громким
звукам. А при меньших переменных составляющих КПД еще меньше: ток
покоя от коллекторной батареи потребляется такой же, а выходной сиг¬
ставляющей коллекторного
меньшую мощность.
примерно 20-30 %.
нал имеет значительно
А
в классе
составляет
Совсем другое дело при усилении
В
(угол отсечки 0 90°, то есть
работает ровно половину периода)
в классе
каждое плечо
и в классе
Средний КПД усилителя НЧ
двухтактного усилителя
усиления АВ (угол отсечки 0 больше 90°, каждый транзистор
работает больше, чем полпериода). Во-первых,
емый
=
примерно 60 %
ток составляет
ющей. И кроме того,
потребляемый
от
в этих
режимах
потребля¬
амплитуды переменной
составля¬
ток меняется в зависимости от
уровня
батареи вообще не потреб¬
ляется; при небольших сигналах и потребляемый ток мал (рис. 12.9; 3).
В классе АВ: некоторый начальный ток 7пок потребляется и при отсутствии
сигнала
(рис. 12.9; 4), но так же, как в классе В, этот потребляемый ток уве¬
сигнала.
В
классе
В:
если сигнала нет, то ток от
личивается лишь по
классов
усиления В
мере того, как усиливается сигнал. Кстати, в названии
АВ подразумевается латинская буква В; иногда в на¬
и
шей литературе пишут «классы усиления Б и АБ».
Реальный звук
бывает то громким,
речь или музыка
-
кие-то моменты
этим,
тов.
-
вообще наступает пауза. Усилители
потребляют
А усилители
и
класса
потребляют энергию батарей,
АВ и особенно В берут энергию
то тихим, в ка¬
А,
не считаясь с
не снижая своих аппети¬
классов
только для дела,
работа, чем
меньше мощность
усиливаемого сигнала, тем меньше и потребляемая энер¬
гия. И в итоге это дает
огромный экономический эффект: при воспроизве¬
и
берут
ее очень экономно, по-хозяйски: чем меньше полезная
дении реальной речи
или
реальной музыки
паузами, с изменением гром¬
не в
четыре раза экономичнее,
В оказывается в среднем чуть ли
А. Если же, повернув регулятор громкости,
кости класс
чем класс
с
уровень сигнала, удовлетворившись сравнительно
ница эта вообще окажется огромной класс А, как
вы несколько
тихим
-
своих аппетитов, и окажется, что класс
и в двадцать
меньше.
Уже одна
В
всегда, почти не
потребляет
энергии
эта экономичность, не
Примечание редактора. Теоретический КПД
=
0,785
=
78,5% при
то
раз¬
сбавит
в десять, а то
раз
говоря
достоинствах, вполне оправдывает применение двухтактных схем.
тт/4
убавите
звучанием,
о
других
для усилителя класса В составляет
максимально возможной амплитуде выходного сигна-
ГЛАВА 12.
317
Воспроизводится музыка
равной напряжению питания, и линейно снижается с уменьшением амплитуды.
Практически он существенно меньше, в основном за счет недопущения нелиней¬
ла,
ных искажений при максимальных амплитудах.
КПД
и для класса
ное различие
-
А,
и для класса
сама мощность,
Однако
хотя в отсутствие сигнала
В теоретически равен нулю, есть одно существен¬
потребляемая
от источника питания, при этом для
класса В также равна нулю. Иными словами, чем тише звук, тем в классе В
потребляемая мощность
общая
меньше.
Попутно отметим, что на базу усилителя, работающего в классе А, пода¬
который и устанавливает ток покоя. При
работе в классе В вообще никакого смещения на базу не подается. Именно
ется довольно большой «плюс»,
поэтому транзистор
тельный
Тх
полупериод,
полпериода закрыт,
только «плюс» на
его
базе,
од, «минус», напрочь закрывает транзистор.
а
отпирает
только положи¬
отрицательный полупери-
Недостаток
В
чистого класса
при слабых сигналах, при малых отпирающих напряжениях
транзистор работает на нелинейном участке входной характеристики, на
в том, что
участке
загиба, ступеньки (см. рис. 9.5). Чтобы уменьшить
начального
линейные искажения
подают на
сечки
базу
чуть больше,
коллекторной
слабых сигналов,
небольшое
чем
90°,
не¬
отказываются от чистого класса
то есть в классе
АВ.
В,
работают углом
При этом, естественно,
с
начальное смещение и
от¬
в
цепи существует небольшой ток покоя.
Остроумные схемные решения позволяют создавать разнообразные
двухтактные схемы, в том числе бестрансформаторные. Двухтактная
схема с входным и выходным трансформаторами имеет ряд достоинств,
14.
простота, надежность, возможность применить
температурной стабилизации, небольшое число транзис¬
в их числе относительная
простые
схемы
торов. Трансформаторные схемы можно встретить и в очень мощных уси¬
лителях, и в самых маломощных, в частности в усилителях НЧ многих
карманных и переносных приемников. От трансформаторной схемы отка¬
зываются чаще всего из-за значительных искажений в
особенно
Еще ламповую эпоху,
проводимости, было найдено
в
а
много
с появлением
остроумных
ней15.
транзисторов разной
схемных
решений,
усилители НЧ. В
по¬
бестрансформаторные
бестрансформаторный фазоинвертор (в перево¬
де «поворачиватель фазы»), то есть схема, с помощью которой получают
два противофазных выходных напряжения, показанный на рис. 12.10; 2.
Этот каскад гибрид схемы ОЭ (нагрузка в цепи коллектора) и схемы ОК
(нагрузка в эмиттере). На вход, как обычно, поступает один сигнал Ubx, а
на выходах появляются два сигнала
Ц,ых1 и Ц,ых2 с противоположными фа¬
зами.
этих
напряжений получаются потому,
Противоположные фазы у
зволивших
строить
ных находок,
числе схем¬
например,
-
что одно из них снимается с
15
В настоящее
время,
как
уже
коллекторной нагрузки,
говорилось,
ностью в связи с высокой стоимостью и
от
а
-
второе
с
эмиттер-
трансформаторной схемы в усилителях отказались полгабаритами трансформаторов.
большими
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
318
ной. И
в тот момент, когда под
действием
Ubx коллекторный
ток
растет,
коллекторе уменьшается (см. рис. 10.4), напряжение на
эмиттере возрастает. Это как раз и означает, что Ubmx1 и liBbIx2 противофазны16.
напряжение
на
а
Рис. 12.10. Получение противофазного напряжения
и
различные варианты двухтактного каскада
Включение транзисторов по схеме
ется низким выходным
каскадах отказаться от
коговоритель прямо
в
ОК, которая,
как известно, отлича¬
сопротивлением (рис. 12.4), позволяет в выходных
согласующего трансформатора и включать гром¬
эмиттерную цепь транзистора
в качестве
нагруз¬
Используя транзисторы разной проводимости,
собрать двух¬
тактный выходной каскад без привычного фазоинвертора, например по
схеме
рис. 12.10; 3, которая работает в классе В (без смещения), если нет
можно
ки.
резистора
R62 (рис. 12.10; 4),
(громкоговоритель)
или в классе
включена в
АВ,
если есть
R62. Здесь нагрузка
эмиттерные цепи обоих транзисторов,
и
поочередно создают этой нагрузке ток, складывают, сшивают из двух
половинок выходной сигнал. По
постоянному току оба транзистора соеди¬
они
нены последовательно,
в
причем напряжение общей
коллекторной батареи
делится между этими транзисторами поровну.
16
По этой причине схему на рис. 12.10; 2 точнее называть
«фазорасщепителем».
ГЛАВА 12.
319
Воспроизводится музыка
Начальное смещение
Ucm
создается на резисторе
R62. Оно «плюсом» по¬
базу р-п-р-транзисто-
базу п-р-п-транзистора Тг «минусом»
Т2 (относительно их эмиттеров). Нужно сказать, что это слабое место
бестрансформаторных каскадов с последовательным питанием. Прихо¬
дается на
и
на
ра
дится принимать особые меры, чтобы при изменении температуры сохра¬
нялась симметрия «половинок» двухтактного каскада. Одна из таких мер
-
включение диода
на
Дг
вместо
открытом диоде при
напряжение
это
на
напряжение
резистора
R62 (12.10; 5). Падение напряжения
через диод
меняется так же, как
эмиттерном переходе транзистора,
и если использовать
изменении тока
в качестве смещения, то диод окажется элементом,
стаби¬
лизирующим режим транзисторов. Одного диода хватает, чтобы усили¬
тель
заработал
в классе
АВ,
в основном миновав
начальный загиб харак¬
побольше открыть транзисторы,
диода последовательно.
теристики. Можно
и
включив
два-три
Примечание редактора. Строго говоря, простое удаление резистора R62 из схемы
рис. 12.10; 3 (как на схеме 12.10; 4) вводит двухтактный каскад не в режим В (в ко¬
обрезаны строго по оси абсцисс), а в режим с более
глубокой отсечкой синусоиды, что приводит к существенным нелинейным искаже¬
ниям сигнала. Чтобы избежать этого, между базами двухтактного каскада и уста¬
тором половинки синусоид
навливают смещение, приоткрывая транзисторы, то есть вводя каскад в режим АВ.
Смещение вводят с помощью либо резистора, либо диодов (обычно двух или даже
трех). Для
надежного преодоления начального нелинейного участка характеристи¬
ки транзисторов минимальное количество диодов равно двум; третий включают
для надежного смещения; при этом, однако, растет ток покоя и снижается
усилителя. Для лучшей температурной стабилизации диоды
к радиаторам
КПД
плотно прижимают
выходных транзисторов с целью выравнивания
температур
всех
р-/?-переходов.
Заметим также,
подачи смещения.
что
есть
Впрочем,
и
другие, более «продвинутые» способы
иногда от двухтактного каскада
симметричное усиление импульсного
тудой от минуса до плюса питания; в
ность в
середине
(прямоугольного)
этом
никак не сказывается на
требуется
сигнала ампли¬
случае небольшая нелиней¬
результате
и смещение можно
не вводить.
Как всякий
эмиттерный повторитель,
такой
двухтактный
каскад не
усиливает напряжение, он усиливает мощность, и перед входным бло¬
ком всегда включают два-три каскада предварительного усиления. Вот
одно из главных достоинств подобных схем: в них нет такого опасного
источника частотных
странсформаторные
жениями.
Особенно
ной связью.
искажений,
как
каскады могут
выходной
трансформатор,
небольшими
и
бе-
работать
глубокой отрицательной обрат¬
если они охвачены
с очень
иска¬
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
320
15.
Отрицательная обратная
связь по переменному току позволяет
Во всех популярных книжках о ки¬
нелинейные
искажения.
уменьшать
можно
имя английского мальчика
Гемфри Поттера,
бернетике
встретить
который, как полагают, первым догадался применить в машине обратную
связь. Было это лет двести назад,
Гемфри работал на одной из шахт юж¬
ной Англии,
откачивания воды он
паром,
движение
удивительную должность:
занимая
большом
насосе для
открывателем кранов. Насос приводился в
целый день делал одно и то же: поворачивал
работал
и мальчик
рукоятку крана, направляя пар
заставляя таким
другую,
на
то в
образом
часть
парового цилиндра, то в
поршень двигаться то в одну сторону, то
одну
другую. В какой-то момент мальчик сообразил, что поршень может сам
управлять своей работой. Гемфри довольно простым способом соединил
в
кран с поршнем так, что поршень, двигаясь сам, стал поворачивать руко¬
ятку крана, сам стал сообщать крану, в каком положении он, поршень,
находится
и
куда нужно пустить пар. Это была
влияние следствия на
ние
причину,
влияние
обратная
обратное
на давле¬
в движение.
пара, который приводил поршень
Хотя
связь,
движущегося поршня
Гемфри Поттер
историю техники, справедливости ради
что
обратная связь применялась еще до того, как мальчик
связал
веревочкой края парового насоса с поршнем. Причем задолго до
того. Достаточно вспомнить, что обратные связи на каждом шагу встреча¬
и вошел в
нужно отметить,
ются в живых
нете.
Сотни,
Сердце
работой
организмах, которые миллиарды
тысячи систем с
гонит
обратной
кровь через легкие, где
в числе
сердца,
лородом. Это и есть
связью
обитают на нашей
лет
работают
пла¬
в каждом из нас.
она
получает кислород, а управляет
других факторов, уровень насыщения крови кис¬
обратная связь следствие (насыщение кислородом)
(скорость кровотока). Еще пример: химический состав
влияет на
-
причину
крови, в частности содержание углекислого газа в ней, влияет и на частоту
дыхания (причина), а значит, в итоге на процессы газового обмена крови с
воздухом (следствие) в легких.
Очень широко используются обратные
электронике. Один из примеров нам уже
Небольшая
возбуждением.
связи с выхода
вать
кран»,
транзистора
то есть как
бы поддержать
обратная
ров, уже
ная
менять
не положительная
обратная
Это значит,
это
указания,
в частности в
генератор
по цепи
как
с само¬
обратной
нужно «откры¬
базе
(причина), что¬
(следствие). Используется
напряжение
коллекторного тока
усилителях низкой частоты, но,
на
в отличие от
генерато¬
(рис. 11.2; 3, 4), а отрицатель¬
обратной связи Uoc не помогает,
связь
что сигнал
предыдущего каскада сигналу Ц,иг, действует с
уменьшает общее напряжение 17вх на входе усилителя
поступающему
противофазе,
(рис. 12.11; 1).
ним в
нужно
-
энергии, переданная
на его вход, дает
изменения
связь и в
(рис. 11.2; 5).
а мешает
часть
связи в технике,
знаком
с
ГЛАВА 12.
321
Воспроизводится музыка
Рис. 12.11. Обратные
связи
Можно сразу сказать,
ние каскада
-
что
отрицательная обратная связь снижает усиле¬
ослабляется
входной сигнал, то уменьшается и выходной,
раз
слабее становится
«мощная копия».
Но
бы,
-
отрицательная обратная связь
способом добиться не удалось
зато
позволяет делать то, чего никаким иным
она позволяет снизить нелинейные искажения,
в каскаде.
Крайне упрощенно
Все дело
в том, что
это показано на
отрицательная
которые
2.
12.11;
рис.
обратная
связь
приносит
только основной сигнал, но все его новые составляющие,
было,
они появились в
результате искажений.
появляются
Причем
на вход не
которых
они
там не
действуют
на
ослабляют посторонние составляющие кол¬
фазе,
лекторного тока. Конечно же, и мы сразу это признали, одновременно
ослабляется и основной сигнал. Но такую неприятность можно скомпен¬
входе в такой
сировать, подав
что сами
больший
предыдущего каскада. И, за¬
некоторым количеством, некоторым дополнительным усилением,
можно
выиграть качество, выиграть верность воспроизведения звука, есте¬
ственность звучания. Особенно нужна отрицательная обратная связь в вы¬
несколько
сигнал от
платив
ходных каскадах,
операций
работающих в классах В и АВ, так как в них из-за сложных
с сигналом, из-за его
появляться
разрезания
нелинейные искажения.
и сшивания легче всего
могут
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
322
Иногда
лителя,
отрицательной обратной
а иногда
варианта
схем. Вот
сразу
обратной
эти
связью охватывают один каскад
несколько каскадов.
При
этом
уси¬
существует четыре
связи, к которым в итоге сводится все
четыре варианта: последовательная
ная связь по
многообразие
обрат¬
параллельная обратная
и
параллельная
напряжению и последовательная и
току. Слова «последовательная» и «параллельная» говорят о том,
каким способом
обратная связь вводится во входную цепь: последователь¬
но с источником сигнала или
параллельно ему. А слова «по напряжению»
связь по
току» говорят о том, как сигнал обратной связи получают с выхода
усилительного каскада. Если напряжение обратной связи определяется
и «по
усилительного каскада и мало зависит от выходного напряжения, то
обратная связь по току. Так, например, если в схеме ОЭ в цепь эмитте¬
ра включен резистор R3, без обычного конденсатора Сэ (рис. 12.11; 5), то на
этом
резисторе создается напряжение обратной связи, и это напряжение
током
это
как раз и определяется коллекторным током, то есть
обратной
том
Если
связи по
этой схеме
R3 является
элемен¬
току.
будем менять выходное напряжение, например из¬
сопротивление нагрузки Rh, то напряжение обратной связи практи¬
чески не изменится. А вот на схеме ОК
(эмиттерный повторитель, рис. 12.4;
4 и 12.6) напряжение обратной связи это фактически напряжение на са¬
в
мы
меняя
-
мой
нагрузке, которая
включена в цепь
теперь уже резистора нет),
это
одновременно
эмиттера (в коллекторной цепи
и всякое изменение выходного
-
напряжения
схема ОК создает
обратной связи. То есть
напряжению17. Так же, как и схема, в которой напря¬
и изменение
обратную
жение
обратной связи снимается прямо со вторичной обмотки выходного
трансформатора (рис. 12.11; 1).
связь по
16.
Отрицательная обратная связь помогает автоматически поддер¬
живать режим усилителя. Теперь мы можем так объяснить действие кон¬
денсатора Су который в традиционной схеме ОЭ (рис. 10.10; 1) шунтирует
резистор R3 в эмиттерной цепи: этот конденсатор замыкает накоротко для
переменного тока резистор R3 и предотвращает таким образом отрица¬
тельную обратную связь. Но только по переменному току: постоянное на¬
пряжение, которое коллекторный ток создает на Ry все равно приложено
к
базе,
и всякие медленные изменения
коллекторного
тока
(не
сигнал, не
переменная составляющая, а именно медленные изменения, связанные,
например, с тепловым режимом или с заменой батареи) приведут к мед¬
ленным изменениям
связь по
17
напряжения
постоянному току,
на
в данном
базе. Это
так называемая
обратная
случае отрицательная обратная связь,
В схеме ОК (эмиттерный повторитель) действует 100%-ная отрицательная обратная связь по напряжению, поэтому эта схема увеличивает только ток, а напряжение даже слегка ослабляется.
Аналогично в схеме ОБ
усиливается
только
действует 100%-ная отрицательная обратная
напряжение.
связь по
току, поэтому
в ней
ГЛАВА 12.
323
Воспроизводится музыка
потому что постоянное напряжение на R3 на базу попадет «минусом», то
есть в полярности, которая закрывает транзистор. И всякое увеличение
себя», через
обратной свя¬
зи
R3 препятствует увеличению коллекторного тока. Без обратной связи он
коллекторного тока,
увеличивался бы
Существуют
и
действуя
«само на
элемент
сильнее.
другие
отрицательной обратной
схемы
связи по посто¬
янному току, но все они в принципе действуют одинаково: увеличиваясь,
коллекторный ток увеличивает некое постоянное напряжение, которое
стремится его же и уменьшить (см., например, рис. 10.11; 1). И вводятся
чтобы
такие схемы в большинстве случаев тоже с одной и той же целью
-
стабилизировать
самых
17.
разных покушениях
Регуляторы тембра
лителя.
Иногда
автоматически
режим усилителя,
меняют
полезно несколько
усилителя, например поднять
частотную характеристику уси¬
или
ослабить
старой граммофонной
ются
тембра
можно менять,
рис. 12.12; 1 самый
которые
слишком плохо
высшие частоты, частично
Для этого использу¬
частотные свойства
RC-цепочки,
электрические
изменяя, например, одно из сопротивлений. На
подавить «шип»
регуляторы
при
ухудшить частотную характеристику
низшие частоты,
воспроизводит громкоговоритель,
которых
ток
поддержать
на его постоянство.
пластинки.
-
простой регулятор тембра
RC-цепочка
-
с
переменным
Rt. Цепочку чаще всего включают так, что она шунтирует учас¬
ток усилительной схемы, старается замкнуть сигнал накоротко. Емкость Ст
подобрана с таким расчетом, чтобы на низших частотах ее емкостное со¬
резистором
противление было достаточно большим, чтобы
будет
бы
в схеме один
(движок R^
в
Но
если
конденсатор,
крайнем верхнем положении),
лишь высшие частоты, заваливал
высших частот.
этот
частотную характеристику
если он
ослаблял
в
области
переменный резистор Rt введен полностью, то кон¬
денсатор Ст вообще ни на что не
влияет,
общее сопротивление
цепи очень
велико, и в нее почти не ответвляются ни высшие частоты, ни низшие.
На том же принципе
действует распространенный регулятор тембра
раздельной регулировкой высших и низших частот. Его
рассчитаны таким образом, что одна ветвь регулятора в зави¬
тембра, можно в принципе включить и в цепь отрицательной
(рис. 12.12; 3,4). Причем здесь они все делают наоборот: те
связи
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
324
частоты, которые пропускаются без ослабления, создают более сильную
обратную связь, и частотная характеристика в области этих частот завали¬
вается.
Рис. 12.12.
18. Фазовые сдвиги
жительной
в
обратной
Регуляторы тембра
к возникновению поло¬
усилителе могут привести
связи, к превращению усилителя в генератор. Поми¬
мо тех цепей
отрицательной обратной связи, которые вводятся специаль¬
но, в частности для ослабления нелинейных искажений, могут появиться
незапланированные, паразитные цепи
источник питания
(рис. 12.7).
обратной
связи.
Например,
Или через общие для входа
и выхода
транзистора. Или, наконец, через электрические и
которые создаются выходными цепями и наводят сигнал
через
участ¬
ки самого
магнитные
поля,
во входных
(рис. 12.13).
Паразитные обратные
цепях
связи
быть
могут
оказаться и
отрицательными,
и по¬
связи, попав на
обратной
будет сдвинут по фазе относительно действующего там
сигнала на какой-либо
промежуточный угол в пределах от 0° до 360°. Кро¬
ме того,
характер обратной связи может меняться с частотой так же, как
это наблюдалось в
RC-генераторе (гл. 11; 9). Потому что любая RC-цепь на
частотах создает
разных
разные сдвиги фаз (рис. 12.1; 4).
На все эти сложные явления можно было бы и не обращать внимания
в
усилителях НЧ, если бы не одно прискорбное обстоятельство: обратная
связь может оказаться настолько сильной, что
будет выполняться условие
ложительными, а может
и так, что сигнал
вход транзистора,
-
связи
(гл. 11; 7),
и на тех частотах, где еще к
тому
же выполняется
уело-
ГЛАВА 12.
вие
ся в
фаз,
325
Воспроизводится музыка
самовозбуждение усилителя, он превратит¬
(рис. 12.1; 3). Кстати, источником самовозбуждения могут
просто произойдет
генератор
оказаться и цепи
чаще всего на
отрицательной обратной
самых высоких,
отрицательная
обратная
связь
связи: на каких-то частотах,
из-за дополнительных
может
превратиться
в
фазовых
сдвигов
положительную
(рис. 12.1; 4).
Рис. 12.13. Паразитные обратные
связи в усилителях
Устранить самовозбуждение усилителя не всегда просто, а бывает, и
обнаружить его нелегко. На этой предупреждающей ноте от усилителей
низкой частоты мы переходим
к
другим
схемам.
ГЛАВА 13
Передача
и
хранение
информации
Примечание редактора. Эта
глава представляет
собой
извлечения из нескольких
глав книги, посвященных принципам радиосвязи и телевидения,а также аналоговой
изображения. Большинство из этих принципов остались неизменны¬
сей день, а вот способы осуществления на практике, конечно, изменились.
Практическая реализация всех перечисленных изобретений сегодня ориентиру¬
записи звука и
ми и по
ется на как можно большее применение информации в
до того, что, например, телевизионный сигнал цифруется
цифровом
цифровом виде: вплоть
сразу на телестанции, в
эфир и в таком же виде выводится на дисплей
телевизора (а телевизор
фактически превращается в компьютер,толь¬
ко сугубо специализированный). Преимущества передачи и хранения информации
в цифровом виде в первую очередь заключаются в том, что цифровые данные не
виде передается через
в результате
могут искажаться самопроизвольно со временем, не изменяются при копировании
и передаче по каналам связи. Обычная магнитофонная запись звука необратимо
портится при копировании и все больше искажается при каждой перезаписи, а в
цифровом виде каждая копия оказывается идентична оригиналу. Поэтому разделы
о практической реализации
из книги
опущены
Однако нужно понимать, что сотовая связь
как
потерявшие актуальность.
или сети
на основе тех же принципов, что и аналоговая
Wi-Fi сегодня функционируют
радиосвязь
в
прошлом.
Поэтому,
зная, например, особенности распространения радиоволн тех или иных диапазо¬
нов, можно с гораздо большим пониманием дела организовать прием телевиде¬
ния или сотового сигнала у себя на даче, разместить Wi-Fi-роутер в нужном месте
квартиры или настроить прием сигнала спутниковой навигации в помещении. То
же самое касается и звука: понимая, какие принципы были положены в основу
звукозаписи в прошлом, манипуляции с современными виртуальными студиями
станут куда более осмысленными. Кроме того, из тех времен пришли многие тер¬
мины (модуляция, несущая частота, амплитудно-частотная характеристика и т. д.),
происхождение и смысл которых без ознакомления с самими принципами оста¬
нется непонятным.
Радиосвязь
по
которому идет переменный ток, излучает электро¬
магнитные волны.
Когда-то радиолюбители конструировали приемники,
1.
Проводник,
ГЛАВА 13. Передача
пытаясь
и
с
конкурировать
нические
промышленностью, получить более
высокие тех¬
Или реализовать
удобства.
какую-нибудь новинку,
и дополнительные
характеристики
любительском приемнике
своем
327
хранение информации
которая
в
в
серий¬
ной аппаратуре появится через годы. Или, наконец, построить приемник
с хорошими параметрами при минимальных затратах.
Сейчас же все это ушло в область воспоминаний.
пускает широкий ассортимент
приемник
из
приемник!»
бы: «У
Промышленность
самых
разных приемников,
предмета роскоши (когда-то говорили: «У него
с таким же почтением, с каким
-
него есть
вертолет!»)
обыденным
стал
сейчас удастся построить приемник лучше
есть
сейчас, наверное,
Вряд
явлением.
фирменного,
и в
вы¬
уже давно
и
радио¬
сказали
ли
кому-то
любом случае
он окажется
гораздо дороже.
Однако радиоприем
прекрасная база для
обучения
-
ке.
Нам предстоит
приемнику. Но
пройти непростой,
начнем мы этот
Движущиеся
путь
в частности
заряды,
ке, создают вокруг себя
но очень
с
радиоэлектрони¬
интересный путь по радио¬
радиопередатчика.
заряды,
образующие
Причем
магнитное поле.
ток в
проводни¬
вдали это поле появля¬
ется не в тот же момент, чтои у самой поверхности проводника, а с неко¬
Электрические
торым опозданием.
со
скоростью света,
30
м от
то есть
проводника
миллионную
Опоздание
и магнитные поля
распространяются
секунду 300 ООО км, и на расстоянии
через 0,000 0001 с (через одну десяти¬
проходят
поле появится
в
секунды).
очень
небольшое,
принципиально важную роль
но все же опоздание есть,
в
и оно
играет
свободных
процессе излучения
электро¬
магнитных волн.
Когда
по
течет постоянный ток и
проводнику
магнитное поле, то это поле нельзя назвать
породившему
ческое поле
к этим
его
току: прекратите
существует вокруг
зарядам:
электрические
меняющийся
ток
уберите
-
и поле
скопления
-
заряд
вокруг
тут
зарядов,
и поля нет.
и
непрерывно
же исчезнет.
к
Электри¬
тоже
крепко привязано
Но совсем иначе ведут себя
быстро
быстро меняющийся электрический
и магнитные поля, если их создает
ток или
него появляется
свободным. Оно привязано
непрерывно
и
заряд.
Старый, добрый, испытанный метод
каем
по
проводнику переменный
электрическими
проводника
-
мысленный эксперимент: пропус¬
ток и следим за тем, что
и магнитными полями на
(рис. 13.1; 1). Первое
же
происходит
некотором расстоянии
с
от этого
тока создаст
нарастание
нарастающее
у самой поверхности проводника,
пространстве со скоростью света, доберется и до
магнитное поле, сначала оно появится
а затем,
перемещаясь
некой
точки х.
будет
ослабевать. И
Когда
в
же ток начнет
тоже не
нет, а в точке х оно еще
уменьшаться, тр
магнитное поле тоже
-
сразу
существует.
у поверхности проводника уже
поля
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
328
Рис. 13.1. Электромагнитные
проводнике меняется очень быстро.
как в про¬
успело исчезнуть старое магнитное поле,
тока и пошла в про¬
действовать следующий полупериод
Теперь представьте себе,
И
волны
что ток в
что в точке х еще не
воднике
начал
странство следующая порция
магнитного поля. Мы можем в
упрощенном
тока проводник
виде так описать события: под действием переменного
каж¬
полей
магнитных
один за другим посылает в пространство сгустки
-
дый последующий новый сгусток «подталкивает» предыдущий, старый,
магнитные
отсекает его от проводника, и в пространство уходят свободные
поля.
Ток
чит,
в
проводнике
некоторого
всегда появляется под
накопления
зарядов. А
действием напряжения,
а зна¬
вокруг проводника и
Переменное потому, что раз
они создают
поле.
некоторое переменное электрическое
ток
переменный, то и напряжение переменное, а значит, концентрация
по
сути, происходит то
зарядов тоже меняется. С электрическим полем,
же самое, что и с магнитным: один
сгусток
поля
следует
за
другим, сгустки
ГЛАВА 13. Передача и хранение информации
329
электрических полей, подталкиваемые следующими такими же сгустка¬
ми, уходят от проводника, начинают самостоятельную свободную жизнь
в
пространстве.
Но электричество
ного
в
разных проявления од¬
электромагнитного процесса. И электрические поля, выброшенные
пространство,
и магнетизм
это лишь два
так же, как и магнитные, оказываются лишь составляю¬
электромагнитного поля. В этом
обмен
энергией между его составляющи¬
происходит непрерывный
щими единого сложного
поле
-
ми, их взаимные
образования
превращения
-
-
изменения
поля
рождают
очередь, рождают электрическое
излучает одновременно обе состав¬
электрического
магнитное поле, а его изменения, в свою
поле.
Проводник с переменным током
ляющие поля
одна
в
-
электрическую и магнитную, они непрерывно переходят
уровень и направление все время меняются (рис. 13.1; 2).
их
другую,
2. Чем выше частота излучающего тока, тем меньше длина излучае¬
электромагнитной волны. В самых разных по своей природе волно¬
мой
вых
процессах есть некоторые общие черты. Так, скажем,
ности воды и
них
звуковые
объектом,
может
волны имеют кое-что
как волны
быть введена одна
электромагнитные. Для
и та же
характеристика
волн это расстояние между двумя соседними
стояние
ними одинаковыми
ческой
волны
-
это
сгустками (одного
или магнитной
поверх¬
на
всех для них, в частности,
-
длина волны. У морских
гребнями,
-
у звуковых
с максимальным давлением
между двумя участками
Длина электромагнитной
волны на
общее с таким не похожим
рас¬
(рис. 7.2).
расстояние между двумя сосед¬
и того же
составляющей. Если
направления), электри¬
в мысленном
эксперименте
электромагнитную волну, перемещаться
вдоль нее и наблюдать за отклонением стрелки, то можно будет сказать:
это расстояние между двумя точками, где стрелка откло¬
длина волны
няется в
одну сторону и притом с одинаковой силой (рис. 13.1; 3). Этот
взять в
руки
компас и, остановив
-
эксперимент относится к числу мысленных не потому, что его трудно осу¬
ществить, а потому, что его осуществить невозможно: электромагнитную
волну остановить нельзя, она всегда в движении, всегда несется вперед со
скоростью света.
Чем выше частота переменного тока, создавшего электромагнитную вол¬
ну, тем чаще следуют друг за другом сгустки ее электрических и магнитных
составляющих, тем, следовательно, короче длина волны (рис. 13.1; 3). Что¬
бы подсчитать длину
вспомнить, что
волны
скорость
Л, нужно
света с
=
знать
частоту/переменного
тока и
300 ООО км/с. За одну секунду ток совершит
/полных циклов изменения (гл. 6; 6), а волна за эту же секунду успеет прой¬
ти 300 ООО км.
Поэтому между каждой парой соседних одинаковых сгустков
окажется расстояние X
300000 / /(рис. 13.1; 4). Можно, кстати, дать такое
=
определение длине волны: это расстояние, которое электромагнитная вол¬
на успевает пройти за время, равное одному периоду.
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
330
3. С помощью электромагнитных
Проводник
с
переменным током,
волн можно
создать
канал связи.
излучающий электромагнитные волны,
сразу
передающей антенной. На некотором расстоянии от
него
расположим другой проводник и назовем его приемной антенной
же назовем
(рис. 13.1; 5, 6). Электромагнитные волны, добравшись от передающей
приемной, наведут в ней переменный ток. Можно так описать
появление тока в
приемной антенне: электрическая составляющая поля
будет двигать свободные заряды в проводе так же, как электрическое
поле двигает
наэлектризованные клочки бумаги. А кроме того, магнит¬
антенны к
ная составляющая поля,
поскольку
она
непрерывно меняется, наведет
в
приемной антенне ток своим испытанным методом за счет электромаг¬
нитной индукции (гл. 5; 11). А поскольку и электрическая, и магнитная
составляющие поля непрерывно меняются, то меняются и силы, которые
двигают заряды в приемной антенне. Меняются и по величине, и по на¬
правлению. И наводится поэтому в приемной антенне переменный ток
-
(рис. 13.2; 1,2).
Рис. 13.2. Принципы передачи
и
приема электромагнитных волн
Ток, который электромагнитная волна наведет в приемной антенне, бу¬
дет, разумеется, очень слабым, потому что мощность излучающего тока,
которая передается электромагнитным волнам, разносится ими во все
стороны, размазывается по огромному пространству. Но важно другое:
мощность излучения,
интенсивность
электромагнитного поля, следует
по
передающей антенне. А за мощностью излу¬
приемной антенне. Поэтому ток в приемной
изменения тока в
передающей, оказывается его ко¬
пятам за изменением тока в
чения
следует
антенне
пией.
по пятам ток в
повторяет все
Слабой копией,
передающей
но
антенны к
точной. А это значит,
приемной
можно
что по линии связи
передавать
-
от
информацию без со-
ГЛАВА 13. Передача и хранение информации
331
единительных проводов, используя электромагнитную волну как быстрого
и исполнительного гонца. Главный
процесс в такой системе беспроволоч¬
ной электросвязи
это
излучение. И поэтому сразу же назовем ее систе¬
мой радиосвязи
«радио» можно перевести на русский как «связанный с
-
-
излучением»,
это слово
происходит
от латинского
-
«радиус»
«луч».
4. Для
эффективного излучения радиоволн нужен ток высокой ча¬
Первое, что хочется сделать, построить простейшую линию
радиотелефонной связи, включив в передающую антенну микрофон,
а в
приемную антенну
громкоговоритель (головной телефон). Расчет
прост
микрофон переведет звук на электрический язык и создаст в пе¬
редающей антенне меняющийся ток, который будет излучать радиовол¬
ны. Они, в свою
очередь, наведут ток в приемной антенне, а громкогово¬
стоты.
-
-
-
ритель воспроизведет с его помощью звук, копию звука, услышанного
микрофоном.
Несмотря на
ке она
на
простоту и привлекательность такой системы, на практи¬
неприменима. И вот одна из причин. Чтобы передающая антен¬
эффективно
быть
излучала электромагнитные волны,
как можно выше, во всех
рима
с
длиной
волны
Это
быть
ее высота должна
случаях
(рис. 13.1; 5).
эта антенна должна
требование
соизме¬
связано с самим ме¬
ханизмом
излучения: трудно представить себе, чтобы громкоговоритель
размером
с
булавочную
головку
эффективно излучал
звук.
Хорошо,
если
А, неплохо, если четверти. Можно сми¬
равна
риться даже с тем, что высота антенны составляет несколько процентов от
высота антенны
половине
длины волны, хотя при этом мощность излучения составит
малую часть
подсчитаем: даже на
зывается
всего
1 %
300
км.
И
средней звуковой
если
смириться
вот
другой серьезный
несколько таких систем
налы, то
мую
передающей
частоте
чрезвычайно
Теперь
антенне.
1000 Гц длина
волны ока¬
с тем, что высота антенны составляет
Л
еще излучать и более низкие
делать намного выше.
А
тока в
(это очень плохо, но пусть хоть так), то понадобится антенна
км.
Построить такую высокую антенну непросто. А ведь нужно
от
высотой 3
переменного
мощности
разделить
их
смесь голосов и
частоты, для
которых антенну пришлось бы
недостаток: если одновременно
радиосвязи
и в
будет работать
приемную антенну попадут все
будет невозможно,
слушатель получит
сиг¬
невообрази¬
мелодий.
Выход такой:
создавать радиоволны нужно с помощью токов высокой
а
частоты,
каждому передатчику разрешать работать только на одной,
именно за ним
Во-первых, это позволит в прием¬
резонансных фильтров (гл. 6; 24) отделять сигнал нужной
остальных (рис. 13.1; 6). А во-вторых, для эффективного
закрепленной
нике с помощью
станции от всех
частоте.
излучения высокочастотному току понадобятся уже сравнительно неболь¬
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
332
шие антенны. Так, например, частоте 150 кГц, одной
из самых низких вы¬
применяемых для радиовещания, соответствует длина волны
Высота антенны, если принять для нее 10 % от длины волны, составит
соких частот,
2
км.
200
м.
А инженеры уже давно умеют строить передающие
той в несколько сот
антенны высо¬
метров.
нет опечатки
частоты от 30 до 300 кГц (длинно¬
волновый диапазон) действительно издавна использовались для радиовещания.
Примечание редактора. Здесь
Преимуществом
-
этого диапазона является высокая дальность
(длинные
волны спо¬
шар) проникающая способность (на сверхнизких частотах
может быть осуществлена даже связь с подводными лодками в погруженном со¬
собны огибать земной
стоянии), недостаток
-
и
крайне
малая
информационная
емкость
(см. далее
раздел
8).
В России с 2014 года диапазон длинных волн для государственного и коммер¬
ческого радиовещания не используется; длинноволновые передатчики остались
лишь
в
некоторых странах за рубежом.
Правда, использование высокочастотных токов в линии беспроволочной
проблемы на передатчике нужно как-то записать
информацию в высокочастотном токе, а в приемнике нужно эту инфор¬
связи создает новые
-
мацию извлечь.
Модуляция; изменяя тем или иным способом высокочастотный ток,
информацию. Включив в передающую антенну теле¬
в
а
графный ключ,
приемную
приемный телеграфный аппарат, можно
создать линию беспроволочной радиотелеграфной связи (рис. 13.2; 1).
Именно это в конце прошлого века сделал изобретатель радио Александр
Степанович Попов. Свои работы он так и называл телеграфирование без
проводов. Передавать по радио речь, то есть осуществлять телефонирова¬
5.
записывают в нем
-
-
без проводов, научились значительно позже.
Чтобы записать в высокочастотном токе речь или музыку
ние
разом
заставить
можно
просто
радиоволны переносить эту
информацию
к
и таким
об¬
приемнику,
угольный микрофон в антенну. Так же, как его
постоянного тока
(рис. 8.3). Под действием звуковых волн
включить
включали в цепь
сопротивление микрофона меняется, а значит, будет меняться и амплиту¬
да высокочастотного тока, как в свое время менялся ток в линии телефон¬
ной связи
(гл. 8; 5).
Этот процесс
Высокочастотный ток,
называется
модулированный
по
амплитудной модуляцией.
амплитуде, излучает модули¬
рованные радиоволны их интенсивность тоже меняется, повторяя все из¬
менения
звукового давления перед микрофоном. Модулированные радио¬
-
приемной антенне модулированный высокочастотный
ток,
простой электронный блок (заранее назовем его детекто¬
ром) позволяет расшифровать этот ток (рис. 13.3) и получить переменный
волны
наводят
в
а довольно
ток
низкой частоты, точную копию звука.
ГЛАВА 13. Передача и хранение информации
333
Рис. 13.3. Детектирование радиосигнала
Амплитудная модуляция, сокращенно AM, это лишь один из спосо¬
бов зашифровывания информации в высокочастотном токе. Другой рас¬
частотная
пространенный способ
модуляция ЧМ (рис. 13.2; 3). Здесь
-
-
высокочастотного тока остается
амплитуда
микрофона
ременного
в
в
неизменной,
сравнительно небольших пределах
тока.
передатчике
-
Сделать
это несложно:
генератор
это всегда ламповый или
а под влиянием
меняется сама частота пе¬
высокочастотного тока
транзисторный генератор,
час¬
тоту которого определяют параметры колебательного контура (гл. 11; 3).
Существуют несложные схемы, которые под действием микрофонного
тока в небольших
пределах меняют емкость контура и таким образом осу¬
ществляют частотную модуляцию. Передатчики многоканальных линий
радиосвязи часто работают в импульсном режиме, это позволяет исполь¬
зовать много
разных способов модуляции. Например, менять амплитуду
(амплитудно-импульсная модуляция, АИМ), ширину импульса
(широтно-импульсная модуляция, ШИМ), время его появления (фазово¬
импульсная модуляция, ФИМ) или отображать изменения микрофонного
тока в
различных комбинациях импульсов (импульсно-кодовая модуля¬
импульса
ция, ИКМ). Естественно, что для всех этих способов модуляции существу¬
ют свои способы
детектирования, извлечения информации из модулиро¬
ванного сигнала.
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
334
Детектирование: модулированный высокочастотный ток преоб¬
разуют таким образом, чтобы извлечь записанную в нем информацию.
Слово «детектор» в переводе на русский означает «обнаружитель», оно
«сыщик». Прежде чем
происходит от того же корня, что и «детектив»
в том, как
разбираться
работает детектор, нужно убедиться в том, что он
6.
-
действительно нужен. А
тель
для этого достаточно включить громкоговори¬
(головной телефон) прямо в антенну. Даже если передающая
близко и в приемной антенне наводится достаточной
ция находится
высокочастотный сигнал, то с помощью одного только
все
равно
ма
громкоговорителя
ничего
услышать
удастся. Начнем
не
(телефона)
ми высокочастотного тока.
А
просто не будет поспевать за изменения¬
бы она даже поспевала, то создавала бы
колебания воздуха, ультразвук. А нужно,
чтобы звуковая катушка громкоговорителя
ческой
действием
мембрана телефона
или
низкочастотного тока, под
копии того самого
громкоговорителя
с того, что подвижная систе¬
если
неслышимые высокочастотные
гались бы под
стан¬
силы
который
звука,
слышал
дви¬
действием электри¬
микрофон
и
который
в
нужно воспроизвести приемнике.
Не пытайтесь найти такой низкочастотный
его там просто нет. В
приемной
антенне
ток в
приемной
антенне,
только
наведен¬
циркулирует
ный радиоволнами
ток
ной амплитудой. А
для того чтобы получить низкочастотный ток, нужно
прежде всего
тить
высокой
преобразовать
спектр
через нелинейный
его
процессов
в
спектре могут
низкочастотный ток,
частоты с
изменяющейся, модулирован¬
этого высокочастотного тока,
элемент.
Только
в
пропус¬
результате нелинейных
появиться новые составляющие и, в частности,
который
Самый простой приемник
нам
необходим (рис. 13.3; 1).
из всех возможных показан на
рис. 13.3; 3.
Телефон Тлф шунтирован полупроводниковым диодом Д, который зако¬
во
время одного полупериода
рачивает телефон, причем «через такт»
-
время следующего велико. И поэтому че¬
диод,
через
уже идет не переменный высокочас¬
сопротивление диода мало,
рез
телефон,
тотный ток, а
так же как
во
-
А он, как всякий пульсирующий ток, состо¬
постоянной и переменной. Но постоянная
пульсирующий.
ит из двух составляющих
составляющая
будет
-
постоянной
ном тишина, пока нет
только до тех
модуляции. Как
нет меняться и постоянная составляющая
повторяя
тем
чем
звукового давления перед
микрофо¬
истинно постоянную
J
IПОСТ
будет повторять
микрофона, все изменения
«постоянная» составляющая
ним.
продетектированного
рованный
перед
модуляция, нач¬
продетектированного сигнала,
амплитуды высокочастотного тока. А эта ампли¬
больше в данный момент микрофонный ток на пере¬
все изменения низкочастотного тока в
Г
пока
все изменения
больше,
туда
дающей стороне. А значит,
ляющая
пор,
только начнется
Можно
цепи
сказать так: «постоянная» состав¬
сигнала сама
и низкочастотную
J
содержит две составляющие
IНЧ А значит,
.
сигнал состоит из трех составляющих
'
Г
-1,1
вч'
НЧ
и
-
весь продетекти^
Г
Iпост
ГЛАВА 13. Передача
В
и
335
хранение информации
простейшем приемнике рис. 13.3;
3 сравнительно медленные,
частотные изменения тока заставят двигаться
звук. В большинстве
создаст
кочастотный
электрический
после
правило,
усиления,
мембрану телефона,
этому
делительные
случаев детектор должен выделить низ¬
1т в чистом виде и уже потом, как
сигнал попадет на
громкоговоритель. По¬
сигнал
этот
фильтры. Конденсатор
же
замыкает
Сфвч сразу
нужную составляющую ВЧ (высокой частоты). Этому
который
Кфвч,
лика
-
не
пускает
сотни, тысячи
здать легкий
емкостью
ее дальше.
пикофарад,
10 ООО пФ
=
имеет достаточно
способствует
Сфвч
и
раз¬
никому
не
резис¬
неве¬
сравнительно
чтобы
но этого вполне достаточно,
имеет
Низкочастотную составляющую
денсатор
Емкость
со¬
150 кГц конденсатор
100
Ом, см. табл. 11.1).
сопротивление
путь для ВЧ-составляющей (на
0,01 мкФ
и она
же
типичный детектор рис. 13.3; 4, кроме диода, входят еще
в
тор
низко¬
частоте
большую
в
CpRH,
выделяет цепочка
емкость и легко
которой
пропускает
кон¬
токи
НЧ
(низких частот).
Если
к
этой
строенный
устройство
схеме
добавить колебательный контур LkCk,
несколько
рас¬
принимаемой станции, то получится
час¬
для детектирования частотно-модулированного сигнала
по отношению к частоте
-
детектор (рис. 13.3; 5). Введем
ляции частота сигнала -f& а при модуляции она
По мере того как частота сигнала приближается
обозначения: без частотной моду¬
тотный
или
контура
(гл. 6; 22),
меняется
от нее, меняется
удаляется
ЧМ превращается
и в итоге
свое обычное дело
-
от/мин До/макс.
резонансной
к
частоте
на элементах
напряжение
контура
AM. А дальше АМ-детектор делает
превращает переменный ток ВЧ в пульсирующий и
в
уже выделяет низкочастотную составляющую.
Основная профессия колебательного контура, основная
из него
радиоприемнике
-
выделение сигнала
его
работа
в
станции из бессчет¬
принимаемой
приемной антенне радиоволнами
ного множества сигналов, наведенных в
разных радиостанций
ностью
(рис. 13.1; 6).
Чтобы
познакомиться с этой деятель¬
контура, нужны некоторые дополнительные сведения.
7. В спектр
частоты и
ции,
ток в
начнется
модулированного сигнала входят составляющие несущей
двух боковых частот (частотных полос). Пока нет модуля¬
передающей антенне
тока,
форма
чисто
синусоидальный ток. Но как только
уже перестает быть синусоидой в результате мед¬
амплитуды (в процессе модуляции) высокочастотного
модуляция,
ленного изменения
-
он
его несколько искажается.
процесс нелинейный,
новые составляющие
и в
Короче
говоря, модуляция
спектре модулированного
(гл. 8; 11).
Математический
чуть
выше и
измере¬
обязательно парами и
основной, или, как
боковая
верхняя
частота/в и
чуть
ниже
сущей, частоты/нес. При
этом
частота/н
несущей ровно
отличаются от
сигнала появляются
анализ и точные
ния показывают, что эти составляющие появляются
что их частоты
и самая высокая из верхних f
f
определяются
частотой
если
Так,
модулирующей
например,
несущая час¬
/макс.
100 кГц, а низкочастотный модулирующий сигнал имеет спектр от
низкая из низших
-
J н мин
г
J в макс
г
^
высшей
тота
200 Гц до 3 кГц (спектр речи), то получается /вмакс
103 кГц и/нмин 97 кГц.
А если ту же несущую модулировать сигналом, спектр которого 50 Гц
10 кГц (спектр музыки), то получаются уже такие граничные боковые час¬
тоты
100 кГц и нижняя f
=90 кГц.
верхняя f
=
=
-
=
-
г
Эти
числовые
излучает
не
^
J в макс
примеры
одну частоту,
а
J н мин
^
помогают сделать важный вывод:
целую полосу
частот
AF,
и
передатчик
ширина этой поло-
ГЛАВА 13. Передача
и
337
хранение информации
сы частот зависит от того, каким сигналом модулирован высокочастотный
удвоенной наивысшей частоте модуляции FMaKC. В частности,
ток: она равна
при передаче речи
(первый пример, полоса AF
=
6
кГц) передатчик излуча¬
более узкую полосу частот, чем при передаче музыки (второй пример,
20 кГц). Все это значит, что фильтр, который будет выделять
полоса AF
ет
=
нужную станцию, должен пропустить к детектору не только несущую час¬
тоту, но все боковые частоты, весь спектр модулированного сигнала, всю
(рис. 13.4; 9, 10). И еще один
очень близкие
рабочие частоты,
полосу частот, излучаемых передатчиком
вывод:
нельзя назначать
радиостанциям
нужно раздвигать несущие частоты так, чтобы спектр одного передатчика
не налезал на спектр другого (рис. 13.4; 6,7). Именно поэтому на некоторых
диапазонах,
на
не мешая
других диапазонах
друг другу,
может
работать
очень много
станций,
а
мало.
8. У длинных; средних, коротких и ультракоротких радиоволн свои осо¬
бенности распространения и различные «частотные территории». Все
высокочастотные токи,
используемые для радиосвязи, радиовещания, те¬
радиолокации и других целей, принято делить на несколько
Такое деление на диапазоны, в частности, связано с
диапазонов.
участков,
что
тем,
радиоволны разной длины по-разному проходят путь от передат¬
чика к
приемнику. Границы между диапазонами весьма расплывчаты, бы¬
левидения,
вает,
что
разные специалисты по-разному определяют граничные частоты.
Но границы частотных участков, которые отводятся для радиовещательных
станций, установлены очень точно. Всего таких участков выделено четыре,
и названы они диапазонами длинных волн
ДВ, средних
волн
СВ, коротких
(рис. 13.5; 1). Коротковолновых участ¬
работают радиовещательные станции, несколько, и их на¬
зывают по
средней длине волны «диапазон 25 метров» или «25-метровый
диапазон», «диапазон 41 метр», или «41-метровый диапазон» и т. д. Усло¬
волн
ков,
КВ
на
и
ультракоротких
волн
УКВ
которых
-
вия распространения радиоволн разной длины различны. Это связано с
тем, что волны разной длины неодинаково реагируют на препятствия, ко¬
торые встречаются на их пути, неодинаково отражаются от одних и тех же
«зеркал». Влияние длины волны на характер
взаимодействий с внешним
миром
характерная черта любых волновых процессов. Так, например,
мелкие волны,
рябь на воде, разрушаются, наткнувшись на небольшой ка¬
а
мешек,
длинная, большая волна огибает его совершенно незаметно. Или
другой пример: световые волны почти полностью отражаются от челове¬
-
более короткие, рентгенов¬
беспрепятственно, проходят насквозь,
ческого тела или поглощаются в нем, а волны
ские
лучи, пронизывают
его почти
лишь слегка поглощаясь в
сравнительно
плотных тканях.
всех
других распространяются над земной
огибают
большие
препятствия в виде оврагов и гор,
поверхностью,
огибают и сам земной шар (рис. 13.5; 2), подобно тому как большая мор¬
Длинные радиоволны лучше
легко
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
338
ская волна
дня
перекатывается через мелкую скалу.
и ночи длинноволновые станции можно
приемной
ростом
и
-
частоты
особенно короткие
же эти волны,
не
проходят
за линию
и
УКВ, уже
Но почему
не
огибают Землю
и почти
горизонта.
Рис. 13.5. Диапазоны электромагнитных
далекие
на
быстро ослабевающие
антенне достаточно
пространяются
с
услышать
в
радиоволны доносят к
земной
Вдоль
энергии.
поверхности рас¬
все остальные
радиоволны средние, короткие и УКВ, но
сама земля все сильнее поглощает их
энергию. И к тому
если только
расстояниях,
любое время
очень больших
Поэтому
радиосвязи1
волн для
спросит наблюдательный читатель, мы слышим
средневолновые и коротковолновые станции? Только потому, что
же тогда,
радиоволны приходят к приемнику, отразившись от огромного зерка¬
ла, которое находится над землей. Это зеркало
ионосфера, ионизиро¬
их
-
ванные слои
атмосферы,
где под
действием
солнечных
лучей нейтральные
(гл. 2; 9). И хоть мала плотность ионов
превращаются
в этих
ионизированных слоях, радиоволны все же отражаются от них, как
от металлических
предметов. В разное время суток и в разное время года
атомы газов
в ионы
из-за изменения солнечной активности плотность
сферы
ния радиоволн.
отражаются,
с
и
Средние
волны, например, днем
вообще
темноты.
новых диапазонах
41
м и
Плохо
49 м,
ионосферы не
а станции диапазонов
25
м и
коротковол¬
19 м,
наоборот,
слышны днем.
сокращение FM-диапазон,
нулся в основном в
часть
слоев ионо¬
слышны только
слышны днем станции и на
В современных условиях поддиапазон УКВ для вещательных ЧМ-станций
нято
от
поэтому дальние средневолновые станции
наступлением
лучше
различных
меняется, и поэтому меняются условия отражения и распростране¬
от английского
район 90-110 МГц,
УКВ-диапазона
от 110
frequency
modulation
-
(в быту теперь более при¬
частотная
модуляция)
а основная доля телевизионного вещания
МГц до 800 МГц
и
более.
сдви¬
приходится
на
ГЛАВА 13. Передача и хранение информации
А ультракороткие волны,
зированных
правило, вообще
не
отражаются
от иони¬
ионосферы, они протыкают ее и уходят в космическое
Поэтому на УКВ слышны только очень близкие радиостан¬
слоев
пространство.
ции, те, что находятся
которых
как
339
на
расстоянии
прямой
видимости и радиоволны
добираются от передатчика к приемнику над землей (рис. 13.5; 4).
В последнее время, правда,
давать УКВ
на очень
человек
перехитрил природу, научился пере¬
большие расстояния. Делается это с помощью цепоч¬
приемопередающих радиостанций2 или с помощью искусственного
спутника Земли, который можно было бы назвать активным зеркалом
ки
-
электронная аппаратура
ции, усиливает его,
на
а затем
На разных диапазонах
количество
спутнике принимает сигнал земной УКВ-станизлучает обратно на Землю.
может
работать,
станций. Чтобы боковые
не
мешая
друг другу, разное
частоты соседних
станций
не нале¬
друг на друга, между несущими частотами устанавливают интервал
10 кГц, и при этом оказывается, что на ДВ-диапазоне может уместиться
не больше 26 станций, на СВ
108, на каждом из коротковолновых радио¬
360 станций3. Общая
вещательных участков по 25-30, в диапазоне УКВ
зали
-
-
ситуация такая: с укорочением волны «частотная территория» становится
больше. Так, например, на всем коротковолновом диапазоне, на волнах
от
10
ций,
м до
100 м,
было бы разместить
можно
чем на длинных и
средних
вместе взятых.
в двадцать
А
на
раз больше
сантиметровых
стан¬
волнах
(длина волны от 1 см до 10 см, граничные частоты, соответственно, от 30 000
до 3000 МГц) разместилось бы около трех миллионов станций с полосой
нужно искать каких-то сложных объяснений: просто чем
короче волна, тем более высокая частота ей соответствует и тем меньше
10 кГц.
Этому не
оказывается в
Если
из
сравнении
булочки
равая размером
с
ней «порция», которая нужна одной станции.
бутербродов, то из большого ка¬
с диван таких же
бутербродов может получиться несколь¬
можно
нарезать десяток
ко тысяч.
Примечание редактора. В
настоящее время вещание на длинных и коротких вол¬
нах повсеместно сокращается, хотя на этих диапазонах по-прежнему работают
различные службы (службы
МЧС, наземная навигация и
спасения, полиция, медицинские
т.
д.),
службы, пожарные,
коротковолновые рации и радиотеле¬
фоны для местной индивидуальной связи. Для гражданских целей освоен диапа¬
зон дециметровых волн (ДМВ), имеющий частоты от 300 до 3000 МГц (3 ГГц), и
часть сантиметрового диапазона около 5000 МГц (5 ГГц). Нижнюю часть диапазона
ДМВ (до -800 МГц) занимает в основном телевидение, диапазоны около 800-950,
1800-2100,2600 МГц
ных
2
3
-
и
беспроводной передачи
дан¬
пр.).
ретрансляторов.
виду не весь диапазон УКВ,
современном стандарте).
Имеется в
в
отведены для сотовой связи и
(стандарты 3G, LTE/4G
Ретрансляционных станций
а также
а его часть, отведенная для
ЧМ-вещания
в
СССР (65,9-74 МГц
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
340
Естьтакже
несколько диапазонов, открытых для
условии соблюдения ограничений
чтобы разные
пазон около
устройства не мешали
(2,4 ГГц), в котором,
отведены также
и
использования
-
при
определенную мощность передатчика, с тем
друг другу. Из них наиболее популярен диа¬
2400 МГц
в частности,
работают беспроводные
например, микроволновки. Для любительских нужд
другие диапазоны например, 433 и 868 МГц.
Bluetooth, а
сети Wi-Fi и
на
свободного
также,
-
Общая закономерность, без учета всяческих нюансов, состоит в том, что чем ниже
частота, тем лучше проникающая способность радиоволн. Правда, и тем меньше
емкость, то есть количество каналов и скорость передачи, кото¬
рые можно обеспечить в данном диапазоне. Например, теоретическая пропускная
информационная
способность базового стандарта Wi-Fi
(802.11b)
2,4 ГГц
ГГц (802.11п) она
в диапазоне
11 мегабит в секунду, а с использованием частоты 5
составляет
возрастает
300 мегабит
в секунду. Вместе с тем электромагнитные волны с частотой 5 ГГц
быть
остановлены
даже листвой деревьев, а бетонная стена толщиной более
могут
10 см уже для диапазона 2,4 ГГц может стать непреодолимым препятствием. В то же
до
время простой
433 МГц легко
кирпичной
и
дешевый маломощный любительский модуль передачи данных
на
преодолевает до полуметра железобетона и более четырех метров
кладки.
Аналоговое телевидение
9.
Любую
картинку
можно
представить
яркостью. Любую картинку, которую
как
сложную мозаику
образом
картинку
на
набор
различной
представить себе
как
некоторое
различной яркости, определен¬
пространстве (рис. 13.6). И передать такую
расположенных в
большое расстояние
света
-
это значит в месте
светиться такое же количество
светоизлучателей
ложением в
такой
пространстве
и с
передаваемой картинки. Забудем
мысленном
точек с
мельчайших светящихся точек,
из
количество отдельных источников
ным
как
мы видим, можно
же
пока
яркостью,
о
цвете
приема
заставить
с таким же точно
и
как это
распо¬
было у самой
объеме, попробуем
эксперименте создать систему передачи плоской
в
черно-белой
(точнее, одноцветной, монохромной) картинки.
Одно
из
большим
решений
числом
задачи
-
система из
фотоэлементов
числом источников света,
и
например
светочувствительного экрана с
светоизлучающего экрана с большим
лампочек
(рис. 13.6; 1).
Фотоэлементы
на своих
и лампочки в
строгом порядке расположены
экранах и соедине¬
собой
точка
между
попарно: каждая
светочувствительного экрана со¬
с
точно
такой
по
единена
месту расположения точкой светоизлучающего
ны
Поэтому по каждой линии связи в виде электрического сигнала
передается информация о яркости одной из точек картинки. А все комп¬
лекты
фотоэлемент линия связи лампочка воссоздают на светоизлуча¬
ющем экране точечную копию картинки, изображение, сотканное из от¬
дельных светящихся точек, или, иначе, растровое изображение (в оптике
растром называют решетку, разбивающую картинку на элементы).
экрана.
-
-
ГЛАВА 13.
Передача
и
341
хранение информации
Рис. 13.6. Передача картинки с помощью электрического
Растровая
больше
копия
истинной картинки
элементов в
очень мелкие детали
сложного и четкого
будет
(рис. 13.6; 3).
растре
и
чтобы
сигнала
тем точнее, тем четче, чем
Человеческий
глаз может видеть
ее копию сделать неотличимой от
картинки,
оригинала, нужно было бы
иметь
растр
из десятков
миллионов точек.
Но обычно
держит
изображение
тов
изображение
кажется нам достаточно четким, если оно со¬
несколько миллионов элементов
на
экране кино)
(четкость фотографии
в
(примерно такую четкость имеет
или даже несколько десятков тысяч элемен¬
газете).
В
соответствии с
стране стандартом телевизионная картинка
принятым
может состоять
в
нашей
примерно
из
чувствуется растро¬
разной яркости. При
структура картинки, особенно если посмотреть на экран вблизи, одна¬
изображение получается достаточно четким. Но, конечно же, осущест¬
полумиллиона
этом
элементов
вая
ко
вить
телевизионную передачу
которую мы выбрали в своем
равно было бы невозможно. Хотя
по системе,
первом мысленном эксперименте, все
бы потому, что трудно представить себе
канал связи,
состоящий
из по¬
лумиллиона отдельных соединительных линий. Например, представить
себе, что в каждую квартиру входит телевизионный кабель, в котором пол¬
миллиона
проводов.
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
342
Примечание редактора. Требования
точек растра на единицу
торое составляет около
длины)
к
разрешению картинки (то
одной угловой минуты,
жения. Простые подсчеты показывают, что при
дет казаться
есть к количеству
зависят от разрешения человеческого глаза, ко¬
изображение, разложенное
расстояния от него до изобра¬
и от
таких свойствах глаза четким
бу¬
размером не более 0,0003 доли
на точки
глаза. То есть для книги, журнала или экрана планшета-смартфо¬
на, которые мы рассматриваем с расстояния 30-40 см, величина точки растра не
должна превышать 0,08-0,12 мм, для экрана настольного монитора (расстояние
50-70 см)
0,15-0,2 мм, для экрана телевизора (расстояние 2-3 м) 0,6-1 мм.
расстояния до
-
-
-
Из этих цифр выводят величину минимально необходимого пространственного
разрешения для различных способов воспроизведения изображений, которое
для цифровых изображений обычно измеряется в точках на дюйм, в некоторых
случаях
-
дюйм (1 дюйм
=
25,4 мм). Так,
для типографской печати в
мм по ширине) или
170-180
журнальной страницы (примерно
смартфонов минимальное разрешение принимается равным пример¬
в линиях на
размере половины
для экранов
250 точек
настольного монитора
для телевизора достаточно 25-30 точек на дюйм.
но
на
дюйм, для
гональю 5 дюймов
одинаковое
общее
(12,5 см), и
-
около
100-120
Поэтому и
точек на
экран домашнего кинотеатра шириной
количество точек, равное
1920*1080,
-
дюйм,
экран «айфона» с диа¬
в
1,5
м имеют
они предназначены для
просмотра с разного расстояния.
Изображения с меньшим разрешением воспринимаются как нечеткие, размытые,
однако это не всегда заметно из-за особенностей восприятия: например, для дви¬
жущихся изображений разрешение может быть меньше необходимого из-за эф¬
фекта
смазывания при движении, когда мы все равно не успеваем рассмотреть
изображение в стандарте PAL или SECAM имеет
общее
(пикселов в цифровой терминологии) по длине и ширине,
720*576
равное
(0,4-мегапиксельное изображение), а в формате домашней анало¬
Обычное
детали.
телевизионное
количество точек
говой записи на кассетах былопринято сжимать его еще вдвое, и такая запись тем
не менее нормально воспринималась при просмотре. В то время как для качест¬
фотографий принято намного большее разрешение 8-10 мегапикселов и
более (примерно 4000*2500 точек), иначе они при просмотре в большом размере
и особенно при печати на бумаге будут выглядеть нечеткими.
венных
-
10.
Развертка изображения: элементы картинки передаются по¬
очередно по одному каналу связи. В современных системах передачи изо¬
бражения, таких как телевидение или фототелеграф, картинка передается
по
одной
линии связи.
Сама идея передачи картинки
чрезвычайно проста: информация
-
сначала на
редается поочередно
одной точки, затем другой,
на
передающей
и на
яркости
по
элементов
одному проводу
изображения
пе¬
приемном экране воссоздается яркость
третьей и т. д. (рис. 13.6; 2). Для этого
приемной сторонах имеются переключатели, ком¬
потом
мутаторы, которые подключают
элемент-лампочка,
о
затем
к линии связи сначала
потом
информацию
работала четко, необходимо
выполнить два
третью,
одну пару
фото¬
четвертую, пятую...
В итоге в линию идет серия электрических сигналов, и каждый из них не¬
сет
о
яркости одной из точек картинки. Чтобы такая система
другую,
условия.
ГЛАВА 13. Передача и хранение информации
343
Во-первых, нужно, чтобы сами лампочки обладали некоторой световой
инерцией, чтобы лампочка светилась хотя бы некоторую часть паузы с
-
того момента, как
снова
придет
коммутатор
очередь присоединиться к линии
нужно, чтобы сам коммутатор не
самое главное,
бы переключатели
на
передающей стороне
ствовали согласованно,
лампочкой
двигаться
стью,
в
и ни с
какой
по контактам
каждый
чтобы
другой.
А для
и
этого
Во-вторых,
вносил
и это
путаницы,
приемной
и на
соединяли
связи.
фотоэлемент
что¬
стороне дей¬
только
с его
оба переключателя должны
синфазно,
одной и той же скоро¬
одной и той же пары
с
момент должны касаться контактов
той на сотни тысяч
осуществить для передачи картинки,
и миллионы элементов, но, конечно,
шом числе элементов
а
они
синхронно
фотоэлемент-лампочка.
Подобную систему можно
тели,
отключился от нее, и до того момента, когда
ее
при
не механические
растра используются
разби¬
столь
боль¬
переключа¬
электронные.
11.
Передающая телевизионная трубка: большое количество фото¬
поочередно включаемых электронным лучом. На рис. 13.7; 1
очень
упрощенно показано устройство одной из разновидностей передаю¬
щей телевизионной трубки иконоскопа. Ее основа мозаичный фотока¬
тод, пластинка, покрытая мельчайшими светочувствительными серебря¬
но-цезиевыми крупинками, каждая из которых фактически представляет
собой микроскопический фотоэлемент. Картинка, которую нужно пре¬
элементовI,
-
вратить
в
серию электрических сигналов,
на
тируется
-
с
помощью
объектива проек¬
фотокатода. При
светочувствительную мозаику
этом каждая
полагается
и,
крупинка-фотоэлемент получает
порцию
фотоэлементу, создает свою электродвижущую силу, пропорциональную
освещенности: чем больше света падает на крупинку-фотоэлемент, тем
большую ЭДС она вырабатывает. В итоге на фотокатоде создается невиди¬
свою
света
как
мая электрическая картинка, повторяющая картинку световую. И
электронный
прочерчивает
луч, двигаясь
по
фотокатоду
от
одной
его точки к
острый
другой,
эту электрическую картинку и поочередно подключает
крупинки-фотоэлементы к нагрузке. А значит, по мере движения луча по
всю
Rh идет ток, в котором отражена освещенность той или
фотокатода. То есть по мере движения электронного луча про¬
развертка изображения, по нагрузке идут серии электрических
резистору нагрузки
иной точки
исходит
сигналов.
Последовательно, точку
ском языке
за
точкой
они описывают на
картинку, которую нужно передать
электриче¬
(рис. 13.6; 2).
Это, конечно, очень упрощенный рассказ о событиях в иконоскопе и
его
устройстве, в действительности все происходит сложнее и интереснее.
Так, например, электронный луч сразу считывает информацию с боль¬
шого числа
светочувствительных крупинок, а не с одной. Современная
технология, в принципе, позволяет создать на фотокатоде светочувстви¬
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
344
тельные точки
гом
строго определенных размеров и расположенные в стро¬
намного
Однако
порядке.
проще делать фотокатод с беспорядочно
расположенными, но зато очень мелкими светочувствительными крупин¬
ками, значительно более мелкими, чем один элемент растра. В этом слу¬
чае одним элементом
несколько
растра, одним
фотоэлементом
оказывается
светочувствительных крупинок, попадающих
в
сразу
сферу действия
электронного луча.
Рис. 13.7. Простейшая передающая
телевизионная
трубка
-
иконоскоп
А вот другая интересная подробность: главную роль в поочередном
подключении крупинок-фотоэлементов к сопротивлению нагрузки игра¬
ют вторичные электроны. Их выбивает из фотокатода электронный
луч, а
кольцо-коллектор. Количество вторичных электронов, выбитых
какого-либо участка фотокатода, зависит от того, насколько интенсивно
собирает
с
ГЛАВА 13. Передача
этот
и хранение
345
информации
участок освещен. Именно вторичные электроны, частично ответвля¬
сопротивление нагрузки, создают в нем ток, пропорциональный
ясь на
освещенности той или иной точки
12. В
фотокатода.
электронно-лучевой трубке формирование
и
отклонение элек¬
или магнитными по¬
тронного луча осуществляются электрическими
Электронный луч, который в иконоскопе осуществляет развертку
изображения, формируется в несколько приемов. В какой-то части иконо¬
скоп, как и другие электронно-лучевые трубки, похож на многоэлектрод¬
лями.
ную усилительную лампу (гл. 10; 13). Источник электронов,
раскаленный
катод, роль анода выполняет кольцо-коллектор, на кото¬
ром относительно катода
пе
электроны,
ные
кольца-коллектора
собранные
и
сквозь кольцо,
большой
действует
«плюс».
Правда,
если в лам¬
трубке
вылетевшие с катода, сами попадают на анод, то в
они достигают
Быстрые
как всегда,
в
пересадкой,
точнее даже с
заменой.
луч первичные электроны проскакивают
фотокатод, из него вылетают медленные вторич¬
которые собираются на кольце-коллекторе под действием
ударяют
электроны,
острый
с
притягивающего
в
«плюса».
Это самый настоящий
(рис. 10.8; 6),
боте, а работает сам.
Прежде всего электроны проходят
динатронный эффект
нормальной ра¬
но, в отличие от лампы, здесь он не мешает
электроде (его
часто называют
линдром), который
тельной
лампе.
играет ту
модулятором
же
роль,
Меняя напряжение
няем интенсивность
образующих луч,
сквозь
что и
отверстие
или еще
в
управляющем
управляющим ци¬
управляющая
сетка в
на
усили¬
мы ме¬
управляющем электроде,
электронного потока, меняем количество электронов,
то есть меняем ток
луча.
Затем электроны проходят отверстие в ускоряющем электроде,
кото¬
рый иногда называют первым анодом. Назначение ускоряющего электро¬
да отражено в самом его названии: на этот электрод так же, как и на коль¬
цо-коллектор, подан большой «плюс», который разгоняет электроны, дает
им энергию, чтобы пройти через все последующие испытания.
Следующий цикл обработки электронного потока
фокусировка,
собирание электронов в узкий луч, который сходится в точку на самом
светочувствительном экране. Фокусировка бывает электростатическая и
-
В первом случае используется то,
магнитная.
цательным зарядом
рическим
талкивает.
один
полем
-
и его можно смещать в
«плюс» подтягивает
постоянное
электрод
напряжение,
так отклоняет
сжался в
электрон обладает отри¬
пространстве, действуя
элект¬
себе, «минус»
их от¬
электроны
Для электростатической фокусировки
фокусирующий
родах
что
точку
в
(рис. 13.7; 4).
На
и оно вместе с
к
в
трубку
напряжениями
движущиеся электроны, чтобы луч
самой
плоскости
фотокатода.
вводится еще
него подается
на
некоторое
других
элект¬
сфокусировался,
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
346
В системах магнитной
заряд обладает
ять
внешним
фокусировки
магнитным полем
магнитным
полем.
используется то, что движущийся
(гл. 5: 1), а значит, на него можно вли¬
Фокусирующая катушка расположена
изгибает траекторию электронов
совсем не так, как
трубки,
фокусирующий электрод, но конечный результат получается таким же
(рис. 13.7; 4). Точную фокусировку можно получить, меняя внешнее маг¬
нитное поле, то есть меняя ток в
фокусирующей катушке.
Следующая операция отклонение луча в пространстве, она также осу¬
она
снаружи
-
ществляется
с помощью
зионных системах
строку
электрических
или магнитных
производится построчная развертка
полей. В
телеви¬
изображения;
луч
строкой
за
постепенно
прочерчивает экран в горизонтальном направлении,
смещаясь вниз. Чтобы перемещать электронный луч, доста¬
точно иметь две системы отклонения
-
горизонтальную
и
вертикальную
(рис. 13.7; 5, 6). Первую
строчной разверткой, вторую
В
с
кадровой разверткой. трубках электростатическим отклонением име¬
ются две
пары пластин (рис. 13.7; 5); меняя напряжение, которое к ним
из них называют
прикладывается,
можно
перемещать луч вверх-вниз
так же магнитное отклонение
трубки
-
и
влево-вправо. Точно
луча осуществляется расположенными
(рис. 13.7; 6): меняя в них ток,
электронный луч (см. рис. 5.6).
отклоняющими катушками
и магнитное поле, отклоняющее
вне
меняют
строчной развертки дают пилообразные
напряжения разной частоты. Для отклонения луча в комплекте с труб¬
кой согласованно работают два генератора
кадровый и строчный. Пер¬
13.
Генераторы кадровой
и
-
вый из
напряжение, которое сравнительно мед¬
луч сверху вниз, второй дает меняющееся напряжение,
них дает меняющееся
ленно сдвигает
заставляет
которое
луч сравнительно
быстро
двигаться справа налево,
строкой. Чтобы луч двигался равномерно и
уделял одинаковое внимание, задерживался на
прочерчивать строку за
точкам
дой
фотокатода
из них одно и то же
время, нужно, чтобы
всем
каж¬
к отклоняющим пластинам
пилообразное, то есть равномерно нарастающее, напряже¬
ние
(рис. 13.7; 7).
Прочертив строку, луч должен очень быстро вернуться в исходное по¬
ложение и начать считывание
следующей строки. Точно так же кадровая
весь
пила, переместив луч через
фотокатод сверху вниз, должна быстро
поднять луч обратно, вверх, и начать новый цикл прочерчивания строк.
Во время обратного хода луч может внести путаницу, вторично попадая
подводилось
на одни и те же точки светочувствительного катода. Чтобы этого не случи¬
лось, на время
ние на управляющий
обратного хода луч убирают,
Таковы
в
U
ВС
.
электрод.
общих чертах процессы развертки изображения в передающей
преобразования
и в том, и в
13.6;
2);
(рис.
дру¬
физический процесс, просто фо¬
сигналы
точки на
фотокатоде.
превратились
Что
же касается
то здесь не отделаешься
приемного светоизлучающего экрана,
ва
различной яркости.
самостоятельными деталями, а
мельчайшие светочувствительные
уменьшением
по люми-
нашу первую систему
использовался один и тот же
случае
тоэлементы
в
в
в
простым
лампочек накаливания.
создания световой копии картинки используются особые вещест¬
люминофоры, которые светятся под действием электронной бомбар¬
дировки. Яркость такого свечения тем больше, чем выше энергия элект¬
ронов и чем больше их попадает в люминофор за единицу времени. То
есть если
направить на люминофорную точку электронный луч, то можно
менять ее
яркость, изменяя ток луча (рис. 13.8; 2, 3). Ну, а дальше уже, как
-
говорят шахматисты, дело
с
люминофорным
техники.
-
экраном
Создается электронно-лучевая трубка
кинескоп
(рис. 13.8; 1).
острый электронный луч
строкой, двигаясь синхронно и синфазно
ляют
и заставляют его
менно меняют ток
пившей
нагрузке
рое
этот
экран направ¬
прочерчивать строку
лучом
за
Одновре¬
информацией, посту¬
иконоскопа.
в кинескопе в соответствии с
(рис. 13.8; 4). В тот момент, когда луч иконоскопа
информацию с сильно освещенного участка фотокатода и по
от иконоскопа
считывает
ет
луча
с
На
Rh идет сравнительно большой
«плюсом» подается на
действующий
там
Ubc,
ток, растет напряжение
(рис. 13.8; 4)
кинескопа
модулятор
«минус» смещения (часто видеосигнал
и
кото¬
уменьша¬
Ubc
подается
на катод кинескопа, что также меняет напряжение между модулятором и
катодом). При
появляется
скопе
-
этом
яркая
увеличивается
точка.
ток
луча
в кинескопе, и на его
А поскольку оба луча
-
экране
в иконоскопе и в кине¬
всегда находятся в одних и тех же точках растра, то картинка на
люминофорном экране кинескопа оказывается
на
фотокатоде иконоскопа.
В устройстве кинескопа (рис. 13.8; 1) узнается
точной
копией картинки
деталей.
Катод, управляющий электрод (именно на него подается сигнал, который
меняет ток
луча, меняет яркость свечения точек экрана), ускоряющий
электрод (первщй анод), фокусирующий электрод, катушки вертикально¬
го и
горизонтального отклонения луча (на них подаются отклоняющие пи¬
лообразные
напряжения строчной
и
кадровой развертки).
главного анода в кинескопе выполняет
тие,
нанесенное
изнутри
высокое напряжение
4
Аквадаг
-
15,
на стекло
много знакомых
аквадаг4
трубки,
на
Роль второго,
-
токопроводящее покры¬
второй
анод подается очень
иногда и 20 тысяч вольт. Эти
цифры
не
требуют
суспензия мелкодисперсного графита в воде с добавками, применяемая для формирова¬
электропроводящего слоя графита. Также аквадагом называют собственно слой, сфор¬
ния тонкого
мированный таким образом.
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
348
работая
с
телевизором, занимаясь его налаживанием
соблюдать
ремонтом, нужно
чрезвычайную осторожность!
комментариев:
Рис. 13.8. Приемная
телевизионная
трубка
-
или
кинескоп
Первичные электроны, то есть быстрые электроны самого луча, на вто¬
рой анод не попадают они ударяют в люминофорный экран, заставля¬
-
ют его светиться и
электроны. Вот
обратно
к
этом
при
выбивают
собирает второй
их-то и
пиальное значение; если
бы
не
экрана медленные вторичные
анод
(рис. 13.8; 1)
напряжения. Этот процесс
высокого
источнику
из
и
отправляет
имеет
принци¬
выбрасывание вторичных электронов, то на
бы электроны самого луча и через
некоторое время у экрана был бы гигантский отрицательный заряд. Таким
люминофорном
образом,
Теперь,
с
замкнутая электрическая
участием вторичных электронов.
распоряжении комплект-минимум, необходимый
изображения, мы можем несколько более подробно рас¬
имея в своем
для передачи
работу
теристиками
картинка
накапливались
в кинескопе так же, как и в иконоскопе,
цепь создается
смотреть
экране
на
фотокатоде
всей системы,
и с теми
экране
познакомиться с ее
которые нужно выполнить, чтобы
действительно была копией картинки на
требованиями,
кинескопа
иконоскопа.
важнейшими харак¬
ГЛАВА 13.
Передача
и
349
хранение информации
Примечание редактора. Вместо вакуумной трубки-кинескопа
ныне используется
прямоугольная матрица из отдельных жидкокристаллических точек,
щих под
приобретаю¬
действием подведенного напряжения различную прозрачность, и
ченная с тыла люминесцентным или светодиодным светильником.
подсве¬
Существуют
и
матрицы, отдельные точки в которых сами светятся с разной ярко¬
стью в зависимости от заданного уровня тока. Однако замена кинескопа на плоские
жидкокристаллические или светодиодные экраны произошла значительно позже,
светодиодные
чем замена различных
передающих вакуумных трубок на светочувствительную
полупроводниковую матрицу, осуществленная еще в 1970- 1980-х годах. Причем
передающие трубки тоже как минимум на 15-20 лет пережили всех остальных
своих родственников среди вакуумных электронных ламп, век которых полностью
закончился еще в 1960-е годы. Но кинескоп, прототип которого был создан в конце
XIX века немцем Фердинандом Брауном, намного перекрыл и их он оказался, на¬
-
верное, вообще
самым долгоживущим типом электронного компонента среди при¬
устройством для
изображений около 90 с лишним лет, если считать от 1907 года,
учитель изобретателя телевидения Владимира Зворыкина Борис Розинг
заявку на изобретение «Способ электрической передачи изображений на
меняемых в массовом масштабе. Кинескоп оставался основным
воспроизведения
когда
подал
расстояния»,
и до начала
2000-х, когда громоздкие
кинескопы стали вытесняться
плоскими экранами на основе различных технологий.
Причем жидкокристаллические дисплеи и телевизоры входили в обиход не без
серьезного сопротивления, особенно со стороны профессиональной части пользо¬
поначалу у ЖК-экранов цветопередача была намного хуже, чем у цвет¬
ных кинескопов, доведенных к тому времени до возможного идеала. Дело еще
осложнялось тем, что ЖК-экраны достаточно большого размера оказывались по
вателей
-
временам непомерно дорогими. И сейчас еще у многих дома или на даче ра¬
ботают не такие уж и старые телевизоры на основе кинескопа, особенно с малень¬
тем
для них габариты и вес кинескопа не играли такой роли, зато
продукт оказывался заметно дешевле, и производство небольших телевизоров с
кинескопами продолжалось почти до конца 2000-х.
кими диагоналями
15.
-
Для передачи движущихся изображений необходима
кадров.
Если бы понадобилось передавать неподвижное
скажем, в
фототелеграфе,
то с
частая смена
изображение, как,
передачей
одного кадра, одной целой кар¬
тинки можно было бы не спешить: имея кинескоп с достаточно большим
послесвечением
несколько
люминофора,
секунд,
вать движущееся
каждый кадр
а то и несколько
изображение
минут.
можно
было бы передавать
Другое дело, если нужно переда¬
случае, как и в кино, кадры должны
друг друга, время
передачу одного кадра составляет доли
В
кино смена
секунды.
кадров происходит 24 раза в секунду, почти такая
часто сменять
же частота
5
-
в этом
-
на
25 кадров
в
секунду
-
принята
и для
телевидения5. Правда,
Такая частота принята в отечественном стандарте SEC AM, а также в
она
соответствует
в
европейском PAL (см. далее),
переменного тока 50 Гц. В США, Японии и Канаде (стандарт
кадров 30 Гц в соответствии с частотой переменного тока 60 Гц, при¬
половине частоты
NTSC) принята частота смены
нятой в этих странах. Для телевизионного
изображения такая частота смены кадров считается при¬
рассматривается издалека. Для компьютерных мониторов безопасная для
глаз частота начинается с величины 85
кадров в секунду. Современные цифровые телевизоры, впро¬
чем, также обеспечивают кадровую развертку не менее 100 Гц.
емлемой,
так как оно
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
350
телевидении, для
не целые
кадры,
того
а
чтобы уменьшить
полукадры,
и сменяют они
Сначала, например, передаются
потом все нечетные
полукадр)
и т.
есть
Что
в
что как
секунду),
раз
и
а
строки
кадров
картинка
уменьшает
же касается отделения четных
картинки, передаются
в два
раза чаще.
друг друга
(первый полукадр),
(первый
потом опять все четные
этом число полных
25 кадров
в
все четные
(второй полукадр),
д.6 При
(то
(50 раз секунду),
в кино
мелькания
строк
остается таким же, как
меняется в два
мелькания
от нечетных,
(рис. 13.8; 5).
поочередной пере¬
экрана
дачи полукадров и точного размещения строк на экране, то
дачи в
электронных
схемах
решаются
раза чаще
подобные
за¬
не очень-то сложными методами.
кадровой разверткой все более или менее ясно: генератор кадро¬
вой развертки должен давать пилообразное напряжение с частотой 50 Гц.
Теперь несколько слов о количестве строк и частоте генератора строчной
Итак,
с
развертки.
16. С увеличением
числа
четкость
строк возрастает
одновременно
расширяется спектр
факт, что четкость изображения зависит от числа строк,
сильно
картинки, однако
телевизионного сигнала.
димому, особых пояснений:
чем
Тот
требует,
по-ви¬
больше строк прочерчивает луч
в ико¬
носкопе, а значит, и в кинескопе, тем тоньше каждая
не
строка
картинки могут быть переданы
и тем
более
В разных стра¬
(рис. 13.6).
выбрано разное число
телевизионного
В
строк
растра.
Великобритании, например, 405 строк, в
819 строк. В Советском Союзе,
США и Канаде
525 строк, во Франции
Венгрии, Польше, ГДР, Чехословакии, Болгарии и многих других странах
мелкие детали
нах
существуют разные
телевизионные
-
стандарты,
-
стандартом установлено разделение кадра
Примечание редактора. Приведенные автором
черно-белым
на
625 строк.
количества строк соответствуют
телевизионным стандартам для различных регионов примерно на
дальнейшем, с приходом цветного телевидения в конце
1960-х, стандарты более унифицировались и соответствуют трем основным систе¬
мам: PAL (Западная Европа, кроме Франции, большая часть Африки и Азии, включая
начало 1960-х годов. В
и SECAM (часть Восточной Европы, а также Франция, страны экс-СССР,
включая Прибалтику,Украину, Белоруссию, Россию, Кавказ и ряд азиатских, а также
африканских стран) оба имеют полное количество строк 625, реальное, с учетом
Австралию)
потерь при обратном ходе луча кадровой развертки,
собами передачи цветного сигнала (см. далее раздел
был принят стандарт NTSC
-
полное количество строк
-
576,
но различаются спо¬
18). В США, Канаде, Японии
525, реальное 480. Эти
стан¬
дарты имеют большое количество разновидностей, принятых в разных странах,
различающихся деталями. Все современные телевизоры являются мультисистемными, то есть могут автоматически распознавать стандарт и подстраиваться под
него, поэтому, например, российские операторы кабельных каналов часто ведут
передачи в западных стандартах.
6
чересстрочная развертка, обозначается буквой i (от англ. interlacing) вдобавок к чисстрок стандарта (например, 625i). Обычная построчная (прогрессивная) развертка, когда строки
идут подряд, обозначается буквой р (от слова progressive).
Так называемая
лу
ГЛАВА 13. Передача
В принципе,
четкостью,
и
351
хранение информации
можно
было бы передавать
изображение
более высокой
с
предусмотрено мировыми стандартами, телевизион¬
прочерчивать кадр тысячами и даже десятками
тысяч
строк. Однако повышение четкости, увеличение числа строк не до¬
стается даром, оно сопровождается расширением спектра телевизионного
чем это
позволяет
ная техника
(рис. 13.8; 6).
Спектр телевизионного
сигнала
редачи
сигнала не остается постоянным, в
он меняется и зависит от того, какая
время передается. Чем
в данное
няется ток в
процессе развертки
изображения,
частота телевизионного сигнала. В
самых
разных размеров,
самые
разные
Будем
и в
пе¬
изображение
тем чаще ме¬
тем, следовательно, выше
реальной картинке могут
быть детали
могут быть
телевизионного сигнала
спектре
считать, что нижняя граница спектра начинается от нуля, то есть
составляющей (в действительности
ре должны быть
не только
чрезвычайно
постоянная составляющая: в ней
тота
верхняя
спектра,
его
отражены
частотная
высшую частоту, представим себе,
матной доски
с
строки
так оно и есть, в спект¬
низкие частоты, доли
герца,
но и
очень медленные изменения
попробуем определить, чему же равна наивысшая час¬
средней яркости),
и
граница. Чтобы подсчитать эту
что
передается картинка
мельчайшими клеточками, размер каждой
(рис. 13.9; 1).
Расчет
будем
в виде шах¬
клеточки
вести для нашего
наи¬
равен
стандарта,
то
625 строк. Если бы кадр был квадратным,
кадра, разделенного
нем
390 625 клеточек. А поскольку кадр
разместилось бы 625> который также имеет необычно большую величину сопротивле¬
ния. Это связано с тем, что освещенность в месте
установки датчика может
торов Rj-Rj
напряжения
она
будет
указанных
на
составлять не менее
3 В,
то есть
-
разной. Наладка правильно собранной схемы состоит только
установке порога срабатывания с помощью резистора Rj по реальному
быть
в
очень
уровню освещенности в месте установки. Если в процессе настройки по¬
рога обнаруживается, что ползунок переменного резистора R2 находится в
крайнем верхнем положении (по схеме), а нужный уровень срабатывания
все-таки не
достигнут, придется заменить резистор R, на резистор меньше¬
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
418
го сопротивления. И
наоборот, если ползунок дошел до нижнего по схе¬
ме положения, то
величину резистора R: нужно увеличить в несколько раз.
выносить за
Фоторезистор
пределы схемы не следует, от этого только
увеличится
датчика.
количество наведенных помех и
Всю конструкцию устанавливают
отверстие, пропускающее свет,
и выносят за
емых с ее помощью источников света.
скотчем или
в
вероятность загрязнения окна
корпусе, к которому делается
пределы воздействия
Отверстие
заклеивают
загораживают кусочком оргстекла. Это одна
включа¬
прозрачным
из
причин,
по
которой окончательную настройку порога срабатывания следует делать на
готовой конструкции: размеры отверстия, расположение окна
тора
относительно него, степень
прозрачности заклейки
и
фоторезис¬
факторы
другие
будут сильно влиять на освещенность датчика.
В заключение следует заметить, что оба рассмотренных автомата пред¬
ставляют собой самый простой тип автоматического регулятора: его назы¬
вают
двухпозиционным, или, иначе, релейным, регулятором. Это название
тем, что регулятор может находиться только в двух состоя¬
ниях: либо включен, либо выключен. В случае термостата для емкости с
водой сама среда вследствие своей высокой теплоемкости сглаживает ко¬
обусловлено
лебания,
и
температура находится примерно
лишь незначительные изменения.
плавное
ешь.
управление
его
образом
в задаче плавного изменения
внешней освещенности. Такие задачи,
рования,
требуют более
реализуются
в
уровне,
испытывая
воздуха, например,
способом уже не сдела¬
плавно
управлять освещением,
таким
и
яркости дисплея
как многие
в зависимости от
другие задачи регули¬
сложных подходов к
управлению: например, они
пропорциональных регуляторах, когда состояние регуля¬
меняется не скачком, а плавно,
тора
Есть и другие, еще более
можете
на одном
вот для потока
температурой
Не получится подобным
скажем,
Но
прочесть
в
[2].
сложные
пропорционально входному сигналу.
принципы регулирования,
о
которых вы
ГЛАВА 16
Компьютер
вычисляющий
автомат
Моделирование широко используется для решения самых разных за¬
дач
природе, в технике и науке. Когда школьник строит модель
автомобиля или парусной яхты, он приобщается к одному из величайших
1.
в живой
достижений человеческого разума, которое, как ничто другое, сделало че¬
ловека великаном. Речь идет о моделировании. Живая природа взяла па¬
тент на моделирование очень давно, задолго до появления человека. Не
дем касаться самых первых успехов на этом пути.
Фантазируя
и
бу¬
упрощая,
попробуем
представить, как появилась одна из моделирующих систем у
некоторого вида рыб. Предки этих рыб гонялись за пищей, за быстрыми
инфузориями самым простым способом: в каком месте увидит рыба ин¬
фузорию,
туда
и кидается.
оставалась на месте или
Охота завершалась успешно,
уходила просто вперед
-
если
инфузория
скорости у рыбы
хватало.
Но когда инфузория уходила в сторону рыба промахивалась, она должна
была останавливаться и вновь искать глазами добычу, а та тем временем
-
успевала уйти. И вот
движение инфузории,
рыбы
на каком-то этапе
«включая»
разные нейроны
(нервные клетки) своего
Научились быстро «прокручивать»
процесс погони
чтобы
в
своего
выбирать направление
броска так,
нужный момент прий¬
мозга.
и
научились моделировать
на модели весь
ти в
«точку встречи».
На рис. 16.1; 1 система
такого
моделирования
щенно, примитивно, хотя, впрочем,
конкретные
Огромна
механизмы
ке
котором оно фигурирует в
особенно человека. Играем ли
а не в том, в
дневнике) живых организмов
волейбол, отрезаем ли кусок хлеба, вытачиваем
сложную деталь
строит
подробные
или
было бы:
в
и
школьном
мы в
в
крайне упро¬
нервных сетях пока неизвестны.
организации поведения (здесь «пове¬
моделирования
роль моделирования
широком смысле,
дение» в самом
изобразить
показана
ее точно и нельзя
просто прогуливаемся
по
ли на
саду,
модели, куда входит и внешняя
токарном
мозг
стан¬
непрерывно
обстановка,
и состоя¬
организма. На этих моделях с огромной скоростью отрабатываются
варианты действия, в соответствии с конкретной задачей выбирается один
ние
420
ГЛАВА 16. Компьютер
-
вычисляющий автомат
уже выдаются соответствующие команды и начинают дей¬
многие тысячи больших и малых
мускулов. В этой гигантской ра¬
из них, а затем
ствовать
боте, которую мы,
нейронов,
а
общем-то,
в
каждый
даже и не замечаем, участвуют миллиарды
из них сам по
себе представляет собой
сложнейшую
машину.
Рис. 16.1. Построение моделей
Значение моделирования
Понять что-либо
«что-либо».
-
значит
во
всей человеческой деятельности огромно.
в своем сознании модель этого само¬
построить
Что-нибудь изобрести
поработать с определенной
работы новую полезную информа¬
цию. А если мы совершили неверное действие, значит, плохо проработали
го
мысленной моделью
и извлечь из
-
значит
этой
задачу на модели или, что бывает значительно чаще, ошибочно построили
саму модель.
Есть реальный мир, мир реальных вещей и явлений, мир звезд, атомов,
табуреток, желтых осенних листьев, соседей по дому. А есть отображаю¬
щий эту реальность мир моделей,
вот, мир моделей должен
ветствие модели и
с
которыми
соответствовать
реальности
работает
наша мысль.
реальному миру,
стоит за этим
коротким
и
Так
именно соот¬
хрупким
словом
ГЛАВА 16. Компьютер
«правда». Бывает,
обстоит
-
вычисляющий автомат
человек
421
говорит громким, уверенным голосом,
так-то и так-то, но
что все,
и оказывается,
проходит некоторое время,
прав, что вся его красивая модель не отображала
реальную действительность.
Модель всегда беднее реального объекта, она отображает лишь некото¬
мол,
что во всем он
рые
для
был
не
Причем
разных случаях разные, все зависит от задачи,
модель. Так, например, чтобы оценить
создается
решения которой
его
черты.
в
-
летные качества самолета, в
аэродинамической трубе обдувают его модель,
черты оригинала. Занимаясь размеще¬
пассажирских кресел, строят модель салона, не обращая внимания
которая повторяет
нием
на внешние
лишь внешние
формы
машины.
последовательную посадку
А когда диспетчер аэропорта организует
нескольких
самолетов, он
приближающихся
представляет их себе просто движущимися точками, занимающими опре¬
деленное место в пространстве.
Модели могут быть сделаны из самых разных материалов, описание ре¬
альности в них осуществляется на самых разных языках.
Модели самолетов
бывают
из
из
-
чертеж
дерева,
металла или пластмассы, а
это ведь тоже модель.
И рисунок
бывают
тоже.
И
бумаги и туши:
фотография. В ней¬
рыбы (рис. 16.1; 1)
модель строилась с помощью сложных
в
электрохимических процессов
нервных клетках, а в системе управления
ронных
сетях
ракетой (рис. 15.3; 5)
электрических токов. Еще один при¬
мер электрического моделирования на рис. 16.1; 2, здесь «задача встречи»
решается для зенитной ракеты и самолета-мишени. Движение самолета
-
с помощью
-
в этой модели
координаты
ние,
отображается
тремя меняющимися напряжениями
осям х,
мишени по
отображающее
трем перпендикулярным
координату z, остается постоянным,
самолет летит на постоянной высоте.
ми
Тремя
у,
z.
это
-
Напряже¬
это значит, что
меняющимися напряжения¬
траектория зенитной ракеты, причем
система
отображена
управления пробует несколько разных троек, выбирая такое направление,
возможная
которое приведет ракету в «точку встречи» одновременно по всем коор¬
динатам. Электрическое моделирование используют во многих системах
управления,
менять,
менить
работать с электрическими сигналами очень удобно. Их легко
проверяя
размеры
на модели самые
какой-нибудь
разные ситуации. Не
на чертеже, а изменить тот или иной ток в
но просто.
Нынешнего своего могущества человек
гию несравнимо
которые
стали
большую,
так-то
просто
из¬
детали на механической модели или даже
электрической
добился,
модели доволь¬
подчинив себе энер¬
могут дать мускулы, и создав машины,
продолжением человеческой руки. Но началось все это с
чем
другого,
взаимодействуя с природой, сражаясь за существова¬
человек
ние,
научился мыслить, научился создавать очень совершенные
мысленные модели и работать с ними так, как не умеет никакой другой
с того, что,
представитель
животного
мира. А
потом пошел дальше
-
научился
соз¬
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
422
и на них
давать искусственные модели
задачи. Такими моделями
а затем
и
буквенное
И еще, конечно,
счета и
пришли
мые сложные
стали
отрабатывать
рисунки,
географические
письмо,
математические модели,
к
современной
в
процессы
закона
Ома
природе
Возможности
случае
практические
устной речи, иероглифы,
карты, чертежи,
графики.
начались с
простого
которые
умеющей моделировать са¬
Рисунок 16.1; 3, 4, 5, 6, 7
простой электрической цепи, и
и машинах.
уже из этого примера видно, насколько
ческая модель, в данном
свои
математике,
иллюстрирует создание разных моделей
формул
слова
удобна
и экономична математи¬
описание схемы с помощью нескольких
(рис. 16.1; 7).
математического
моделирования резко расширились
последние десятилетия после появления
машин,
ЭВМ. Эти
объемы
информации,
машины
умеют
электронных
в
вычислительных
быстро перерабатывать
создавать и исследовать модели,
огромные
выполненные
не «в металле», а в виде чисел, прекрасно отражающих самую сложную
реальность.
Примечание редактора. Слово компьютер (в переводе с английского вычисли¬
тель) в настоящее время полностью заменило длинное название «электронная
вычислительная машина» (ЭВМ), принятое в советское время. Следует понимать,
что под этими названиями имеются в виду именно цифровые электронные вычис¬
лительные машины (ЦЭВМ)дак как существовали еще и «аналоговые электронные
вычислительные машины» (АЭВМ,их принципы работы показаны на рис. 16.1; 2), а
и просто «аналоговые вычислительные машины» (АВМ) на механиче¬
еще до них
-
-
ских
принципах. Именно от
этих машин ведет свое
«ана¬
происхождение термин
электронной технике, оперирующей непрерывными
значениями напряжений и токов. Автор далее употребляет названия «компьютер»,
«вычислительная машина» и ЭВМ вперемешку, как синонимы. Интересно, что слово
«компьютер» в доцифровую эпоху было обозначением профессии: так называли
логовый»
применительно
к
сотрудников учреждений, специализировавшихся на проведении громоздких
числений вручную или с помощью электромеханических калькуляторов.
2.
Для электронных
вычислительных машин
счисления, а не
очень
именно
мы
двоичная
удобна
десятичной системой
Почему
пользуемся
другой? Почему, добравшись до 9, следующим
система счисления.
вы¬
шагом, до¬
бавляя к девятке единицу, считаем разряд полностью укомплектованным,
пишем в нем 0, а перед нулем единицу (это значит, «есть одна полная де¬
сятка, один
полный
щей десятки?
не
8,
комплект»)
Почему
именно
стало в нашем счете
Наверное, потому,
что на
и
10,
руках у
какое-нибудь
для перехода в
следующий разряд?
а не
границей
наших
предков,
ного счета, было 10 пальцев и им просто
основой
ма
системы счисления.
счет в самое начало
следую¬
другое число, не 6 и
переводим
А было бы у
удобно
них
изобретателей десятич¬
было сделать
8 пальцев
на
получилась бы, наверное, восьмеричной: досчитав до 7,
число
руках,
мы
10
систе¬
переходи¬
ГЛАВА 16.
Компьютер
-
вычисляющий
автомат
423
следующий разряд и записывали бы нынешнюю нашу восьмерку
(первый разряд полностью укомплектован, там полная восьмерка,
пишем 0 и
переходим во второй разряд, поставим там 1); девятку записы¬
вали бы как 11 (то есть 8 + 1);
десятку как 12 (то есть 8 + 2); 16 как 20 (два
полных комплекта
восьмерок); а восемь восьмерок, то есть наше десятич¬
ное 64 в
восьмеричной системе записывалось бы как 100 (укомплектованы
полностью и первый разряд, и второй, переходим в третий).
В принципе, основанием для системы счисления можно выбрать любое
число
какое удобнее, такое и выбирай. Для большинства электронных
вычислительных машин
выбрана двоичная система счисления (рис. 16.2),
ли
Рис. 16.2. Двоичная система счисления
На рис. 16.2; 2 приведены таблицы пересчета некоторых чисел, записан¬
ных в
А
привычной
рядом
на
системе десятичного счета, в числа
рис. 16.2; 3 приводится простой пример
двоичной
системы.
сложения двоичных
для двоичных чисел
Нетрудно заметить, что правила
очень просты, но вот запись этих чисел получается довольно громоздкой.
чисел.
арифметики
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
424
Например, если для записи числа «миллион» в десятичной системе нужно
всего семь знаков, то в
цать
двоичной
Но
зато
у двоичной
уже понадобится двад¬
нужно 10 разных
пользоваться всего
другое достоинство для нее нужно
1, в то время как для десятичной систе¬
системы есть
всего два разных типа знаков
мы
системе для этого
знаков.
-
0
и
типов знаков
двумя
-
-
0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9. Возможность
знаками оказалась
для того, чтобы
решающей
использовать двоичную систему в электронных вычислительных машинах.
Потому что
огромное
множество
электронных
схем
геры, электронные реле, логические элементы
раторы
выключатели, триг¬
И, ИЛИ, НЕ, мультивиб¬
работают в ключевом режиме, то есть находятся в одном из двух
-
устойчивых состояний:
пропускаю ток»,
таких
-
«включено
или «даю
устойчивых
-
выключено», или «пропускаю ток
можно
ноль и таким
вторым
электронные элементы, как
и многие
-
не
напряжение». Одним из
выразить единицу двоичной систе¬
напряжение
состояний
мы счисления, а
-
-
не даю
образом
другие, для
использовать названные
выполнения
операций с
двоичными числами.
3. В машину двоичные
Чтобы
уровней.
работают
числа
вводятся
в
виде комбинаций электрических
рассказать об устройстве самолета,
подробно
отдельные его агрегаты и системы,
толстая книга, а то и многотомник.
если не вдаваться в
страницами,
Но
понадобилась бы, наверное,
можно
подробности,
обойтись
маневрировать
вать
большой
принципом действия,
Прежде
высоте.
и
Если изложить то,
при этом, конечно,
всего, наверное, нужно
будет
и несколькими
назвать лишь самое важ¬
ное, что позволяет многотонной машине подниматься в
на
о том, как
рассказать
не
о
воздух,
летать и
что
принято назы¬
бояться упрощений.
крыльях:
если
крыло
определенной формы находится в потоке воздуха, то у него появляется
подъемная сила. Вспомните о таком летательном аппарате, как планер, ко¬
торый держится
необходимо
в
будет
воздухе
только
благодаря подъемной силе крыла.
пояснить главное
-
Здесь
подъемная сила появляется, когда
относительно крыла движется воздушный поток (или, наоборот, крыло
движется относительно воздушного потока). А отсюда уже останется один
шаг до двигателя,
который
создает движение самолета и тем самым обес¬
печивает появление подъемной силы. В заключение можно
зать о том, как
Конечно,
в
ные и важные
будет расска¬
работают рули
поворота.
ультракороткий рассказ не войдут многие интерес¬
подробности, например описание системы навигации или
высоты и
такой
различных типов двигателей, не говоря уже об электропитании или авто¬
матике
тормозов, благодаря которой самолет с огромной скоростью (до
300 км/ч) ровно бежит по взлетно-посадочной полосе. Что поделаешь, пы¬
таясь коротко рассказать о главном, о принципах, приходится жертвовать
деталями, даже интересными и важными.
ГЛАВА 16. Компьютер
Нам предстоит
-
вычисляющий
познакомиться с
автомат
425
работы цифровых
принципом
лительных машин, и с самого начала отметим, что
одним основным
электронная
ном коде.
их типом
цифровая вычислительная
В такой
машине имеется
ограничимся
ЭВМ
(иногда пишут ЭЦВМ
машина), работающими в двоич¬
тактовыми
-
вычис¬
только
-
тактовых
генератор
импульсов ГТИ,
который выдает непрерывную очередь ровных прямоугольных импульсов,
размеренно следующих друг за другом. Тактовый генератор
ном, отбивающий ритм всей
работы
ЭВМ. По
тываются последовательности двоичных чисел:
напряжения, например,
(отсутствие
ну некоторого
тичные числа,
О
оператор, получив деся¬
сложить,
которые нужно
превращает их в двоичные числа,
числа.
начинается с того, что
бумажную ленту, определенным образом пробивая
Получается перфорированная, то есть дырчатая, лента, а
перфолента; дырка в ней соответствует «единице», а отсутст¬
которые переносят
в
Все
метро¬
генератора отсчи¬
высокий уровень (наличие
В) означает «единицу», а низкий уровень
В) означает «ноль».
процесс ввода в простейшую условную маши¬
около
показан
это
тактам
5
около
напряжения,
На рис. 16.3; 1, 2
-
на
ней отверстия.
сокращенно
вие
дырки,
-
точнее ее
лается очень
пропуск, соответствует «нулю». Все
просто: оператор
нажимает клавиши
это внешне де¬
перфоратора, набирая
перфолента с
заданное десятичное число, а из аппарата сразу же выходит
дырками
и
пропусками, которые соответствуют нужному двоичному
чис-
лу.
Теперь нужно с перфоленты ввести число в машину, превратить его из
определенной последовательности отверстий в такую же последователь¬
ность
уровней напряжения. Эту задачу выполняет устройство ввода, ис¬
пользуя в качестве сырья тактовые импульсы. В нашем устройстве ввода
есть игольчатый контакт, который, замыкаясь, открывает дорогу току. Кон¬
такт этот, как видно по рис.
иглой
оказывается
16.3; 2, замкнут только
отверстие
в
в том
перфоленте. Поэтому
случае, когда под
последовательность
импульсов и пауз в точности повторяет последовательность дырок и про¬
то есть
пусков в
отображает двоичное число, которое как раз
перфоленте,
и нужно было ввести в машину, протягивая ленту.
4.
Электронная
схема
«сумматор», манипулируя электрическими
налами, может выполнять сложение
ну, превращение
их в
математические
одну
из них
чисел.
Ввод чисел
комбинации электрических импульсов,
не самоцель. С числами нужно
ти
двоичных
работать,
производить
с ними
сиг¬
в маши¬
конечно,
различные
операции. И сейчас мы посмотрим, как можно произвес¬
сложение. Чтобы сразу же не утонуть в подробностях,
-
сделаем то, что реально никогда не делается: пристроим к ЭВМ сразу два
устройства ввода (рис. 16.3; 3) и через каждое из них введем в машину одно
из
двух слагаемых. Причем ввод начнем одновременно, как по выстрелу
стартового пистолета. И начнем вводить числа с конца, с последнего раз¬
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
426
здесь нет ничего удивительного, сложение «в столбик» мы тоже
и от них постепенно движемся влево,
начинаем с конца, с последних
-
ряда,
цифр,
в
сторону старших разрядов. Обе серии импульсов,
гаемых,
одновременно
операцию
сложения.
будем
В
то есть
подавать на сумматор,
попытке
оба
наших сла¬
который
кратчайшим путем пояснить
и выполнит
принцип
работы ЭВМ мы все время идем на неслыханные упрощения, но вот сум¬
матор будет представлен в истинном своем виде. Во-первых, потому, что
-
сумматор
один из основных элементов настоящих вычислительных ма¬
шин.
Ну а во-вторых, сумматор прекрасный пример того, как с помощью
электронных схем остроумно решаются конкретные задачи переработки
цифровой информации.
-
Рис. 16.3. Обработка двоичных цифр
Что должен делать
сумматор?
в
электронной вычислительной
машине
Он должен последовательно, разряд
за
конца) складывать «единицы» и «нули» первого и
разрядом (начиная
слагаемых.
второго
Причем здесь возможны такие четыре варианта: 0 + 0,
с
1
+
0, 0
+
1и1
+
1.
Первые три операции прекрасно выполнила бы одна схе-
ГЛАВА 16. Компьютер
ма
ИЛИ:
в
-
вычисляющий
автомат
427
было бы сигнала, а во втором и
бы высокий уровень. И это как раз соответст¬
1. Что
правилам сложения 0 + 0 0;1 + 0 1и0 + 1
первом случае
на ее выходе не
на выходе появлялся
третьем
вовало бы
=
известным
же касается
1 +1,
сочетания слагаемых,
четвертого
=
=
то схема
ИЛИ,
конечно,
не годится: под действием двух одновременных «единиц» на ее входах она
1. А нам
дает «единицу» на выходе, то есть выполняет операцию 1 + 1
=
нужно, чтобы получилось 1
0
с
переносом «единицы»
в
следующий
(рис. 16.3; 3).
разряд
Вот
1
+
=
перенос «единицы»
этот
сложной
ментов,
задачей. И решается
собранных
Здесь
в
следующий разряд оказывается довольно
она с помощью нескольких логических эле¬
рис. 16.3; 4.
по схеме
тоже все начинается со схемы
обоих
менно подаются «единицы»
на выход
«сумма»
не
сразу,
а
ИЛИ
-
именно на ее вход
Но
слагаемых.
элемент
через
Как известно,
Иг
одновре¬
ИЛИ
с выхода
они
идут
И сра¬
схема
батывает
только в том случае, если у нее на входе есть одновременно две
«единицы» (гл. 15; 6). Это значит, что «единица» пройдет из ИЛИ через
1А1
на выход
сумматора
только в том
«единицей» придет второй сигнал,
Посмотрим,
Оба
в данном
в каких
случаях
это
случае
И1
вместе с этой
от логического эле¬
происходит.
слагаемых подаются не только на
элемент
И2,
а с него сигнал
НЕ. На рис. 16.3; 4
двух одноразрядных
мент
если на вход
НЕ.
мента
мент
случае,
И2
двух
именно
двух
в этих
случаях
с
-
срабатывает,
И2
ществует, когда
одновременно еще
интересующий
двух!
0, 1
+
0и0
+
1
эле¬
для этого
одновременных «единиц». А значит,
поступает, этот элемент не
действует нормальное выходное напряжение.
на элемент
элемент
НЕ
-
+
необходимых
так как на его входе нет
и только
и на
нас эле¬
варианты суммирования
В первых трех случаях 0
чисел.
и на его выходе
Не забывайте, что
раз
но
на
показаны все возможные
срабатывает,
не
поступает
ИЛИ,
как
ничего не
НЕ делает
все
наоборот: сигнал на его выходе су¬
(рис. 15.4; 5). А когда
на вход элемента ничего не подается
на вход сигнал подается
-
на выходе элемента
НЕ
В
итоге
его выходе
тоже
сигнал исчезает.
получается:
если
входах сумматора «нули»
на
«ноль»
ющий
-
с
в этом
НЕ,
случае
на входе
или
де
на
0
+
Hj,
ющего
+
0),
то
на
поступа¬
И, действует
срабатывания И:; элемент
лишь сигнал,
а его одного недостаточно для
И2 пока не срабатывает,
если
(0
на его вход тоже
поступает «ноль»;
входах сумматора появляется только одна «единица»
1),
то на выходе
кроме
с
НЕ,
«единиц»,
с
высокого
«сумма» импульс
появится
уровня напряжения,
как и
появляется еще одна «единица»
ИЛИ
и с
НЕ, уже
-
с
-
теперь
(1
+
0
на вхо¬
прежде поступа¬
ИЛИ,
достаточно для того, чтобы
этих
двух
сработал
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
428
элемент
№у
«единица»
и на его выходе, то есть на выходе
(1
+
0
=
1;0
+
1
=
1);
элемент
И2
«сумма»,
все еще не
появилась
срабатывает:
на
его входе одна «единица», а этого мало;
если на входах
сумматора одновременно
появятся два
импульса
+
1), то на выходе «сумма» будет «ноль»: хотя к И1Г как и раньше,
пройдет сигнал с ИЛИ, но исчезнет сигнал с НЕ. Потому что под
действием двух одновременных входных «единиц» (1 + 1) срабо¬
(1
тает наконец
И2,
НЕ
выходе
не
и
И
при
НЕ
этом на входе
образом
сработает Иг, а значит,
выходе исчезнет.
таким
появится сигнал, а на
из-за исчезновения сигнала на
на выходе
«сумма»
окажется
«ноль»1.
Вот этого как раз мы и добивались, чтобы при
Потому
обоих входах сумматора
на
временно
что
1
+
1
=
10,
явиться «ноль», а во
ном месте
с выхода
ки
у
нас
на его выходе
первом разряде при
«сумма» был
«ноль».
сложении должен по¬
второй нужно перенести «единицу».
уже появился,
«перенос»,
ЛЗ. Там
то есть в
появлении «единиц» одно¬
«Ноль»
на
нуж¬
что же касается «единицы», то ее снимают
то есть с выхода
И2,
и
направляют
в линию
задерж¬
эта «единица» ждет, пока на входах
сумматора появятся «еди¬
или
ницы»
«нули» следующего разряда («...ноль пишем, один в уме...»), и
в
нужный момент добавляется к ним. Чтобы решить эту задачу до конца,
приходится собирать несколько более сложную схему, но это уже, как го¬
ворится, детали. Принцип действия сумматора остается без изменений:
выполняя
определенные логические операции, он складывает любые дво¬
перенося при необходимости «единицу» в следующий раз¬
безошибочно формируя последовательность уровней напряжения, в
ичные числа,
ряд
и
которых
добавить
сумма двух чисел. Если
вывода
сумматору простейшее устройство
информации, на¬
отображен результат сложения,
к
пример перо
электронная
с
записана
то
электромагнитным приводом,
счетная машина для выполнения
Эта условная
машина введена в наш
рассказ
получится
операции
законченная
«сложение».
с той же целью, с какой вво¬
«для выяснения некоторых принци¬
пов». Но если честно, то наша примитивная машина в сравнении с настоя¬
дился
планер
щими ЭВМ
голубь.
-
о самолете,
это даже не
-
планер, а, наверное,
современных ЭВМ
совершенная
работы
рассказ
И главное, принципиальное
от настоящих
ся
в
больше
бумажный
учебного компьютера
чем
состоит в том, что в этих машинах имеет¬
система автоматизации счета.
с числами
не
отличие нашего
придает электронным
Именно
эта автоматизация
счетным машинам
новые качества, позволяет им самостоятельно
решать
совершенно
чрезвычайно
слож¬
ные задачи.
1
1и1 + 1=0/
Комбинация логических элементов, действующих по правилам 0 + 0 0,1 + 0 1,0 + 1
носит специальное название «исключающее ИЛИ» (чтобы было проще запомнить: такой элемент
=
можно называть «элементом несовпадения»
совпадают).
-
=
=
единица на выходе тогда, когда на входах сигналы не
ГЛАВА 16. Компьютер
-
вычисляющий
автомат
429
5.
Оперативная память, введенная для того, чтобы упростить вы¬
полнение арифметических операций, радикально меняет возможности
компьютера. Счетная
машина
с
только сложение, но и вычитание,
обратными
числа,
числами.
заменив все
Обратное
«нули»
сумматорами
пользуясь для
число
производить
не
этого так называемыми
обычного двоичного
«единицы» на «нули». Матема¬
получают
на «единицы», а
может
из
прибавлением обратного числа с не¬
научились
дополнительными
операциями, которые легко может выпол¬
которыми
заменять вычитание
тики
нить
суммирующая машина.
С помощью сумматора, в принципе, можно и умножать. В нашей про¬
стейшей машине для этого нужно вместо электромагнитного пера (устрой¬
информации) установить перфоратор. Теперь полученная
будет представлена новой перфолентой (рис. 16.4; 1), и для умно¬
жения
эту перфоленту нужно будет запускать на вход машины и свести
умножение к последовательному сложению. Применительно к десятичной
ство
вывода
сумма
системе это,
например,
может выглядеть так:
вательность действий: 6 + 6
12, результат
=
4*6
=
6
+
6
+
6
+
6
=
24;
последо¬
вновь подаем на вход машины и
производим операцию 12 + 6 18; результат снова подаем на вход машины и
производим операцию 18 + 6 24. Подобным же образом легко выполнить
суммирование нескольких чисел, например суммирование 2 + 7 + 4 + 5 + 1
=
=
произвести
так:
2
+
7
=
9; 9
+
4
=
13; 13
+
5
=
18 и, наконец, 18
Рис. 16.4. Принцип функционирования
памяти
+
1
=
19.
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
430
Конечно, суммировать несколько слагаемых или умножать таким спосо¬
бом довольно сложно, нужно каждый раз получать перфоленту с проме¬
жуточным результатом, перебрасывать ее с выхода на вход и начинать
повторное считывание. В попытке упростить операцию умножения или
многократного
сложения мы сейчас введем еще один элемент,
как потом выяснится, может
вообще
в
корне
машины, резко поднять ее математическую
память.
Память вычислительной
изменить
который,
работы
принцип
Мы введем
квалификацию.
это
в
машину
устройство,
тором можно записать определенную последовательность уровней напря¬
жения, а затем в нужный момент воспроизвести эту последовательность,
машины
-
в ко¬
Перфолента, вообще-то говоря, тоже па¬
то есть извлечь число из памяти.
неудобная для оперативной работы
что-нибудь получше.
мять, но память очень
сейчас придумаем
с числами; мы
для создания памяти ЭВМ можно использовать уже зна¬
Во-первых,
комую нам систему запоминания электрических сигналов
запись.
лов,
И нужно сказать,
магнитную
что магнитная память, магнитная запись сигна¬
широко используется
нитной ленте,
-
в
на магнитных
ЭВМ. Сигналы
барабанах
записывают на
или дисках, а в
широкой
маг¬
некоторых случаях
стандартных магнитофонных кассетах. Во всех этих случаях
устройство памяти, в принципе, очень напоминает обычный магнитофон.
даже
на ленте в
того, в ЭВМ встречается память на магнитных элементах, она со¬
всем не похожа на магнитную запись звука в
хотя в обоих
Кроме
магнитофонах,
случаях для
же явление
запоминания
-
электрических
сигналов
остаточная намагниченность.
минающих магнитиков»
Одна
-
цилиндрические
к
разновидностей «запо¬
ЦМД. Это
их намагничивают и
считывающему устройству внешними
добно тому как электрическими
и то
магнитные домены,
микроскопические области внутри кристалла,
мещают
из
используется одно
пере¬
магнитными полями, по¬
полями
перемещают дырки внутри полу¬
проводникового кристалла.
Память электронной вычислительной машины выполняют и на триг¬
герах (гл. 11; 17). Триггер может находиться в одном из двух устойчивых
состояний, одно из них можно использовать для запоминания «единицы»,
для запоминания «нуля». Широко применяется и так называемая
второе
-
динамическая память.
Здесь запоминающий
тор. Когда конденсатор заряжен,
жен
элемент
-
просто конденса¬
в нем записана «единица», когда
А поскольку конденсатор
разря¬
разряжается,
его все
время подзаряжают. В принципе, это несложно: машина тактовая,
но сделать так, что каждый тактовый импульс будет подбавлять
го энергии конденсаторам. Но конечно, только уже заряженным,
и мож¬
-
«ноль».
только тем,
которые
помнят
немно¬
то есть
«единицу».
Примечание редактора. Магнитная
(в
постепенно
запись в
устройствах компьютерной
виде жестких дисков и даже ленточных накопителей
-
стриммеров, см.
гл.
памяти
13; 23)
ГЛАВА 16. Компьютер
-
вычисляющий
автомат
431
широко распространена и в наше время, несмотря на
накопителей
победное
шествие твердо¬
флеш-памяти,
гораздо дешевле в расче¬
те на 1 мегабайт и потому удобна для хранения больших массивов информации.
А вот почти все остальные многочисленные попытки придумать альтернативу этим
тельных
так как
на основе
разновидностям постепенно
или вовсе
ушли
в
прошлое либо остались
в каких-то
применениях. Судьбу таких попыток можно проиллюстриро¬
вать на примере упоминаемой выше памяти на цилиндрических магнитных до¬
менах: идея памяти на ЦМД действительно была популярна в 1970-1980-е годы,
очень специальных
но так и не превратилась в
и множества сопутствующих
в конце
1980-х, хотя
коммерческий продукт из-за малого выхода годных
проблем. Направление окончательно было закрыто
до этого в
Intel, крупнейшей мировой
компании по интеграль¬
работало целое подразделение. На сегодняшний
день, кроме устройств магнитной записи и твердотельных устройств (флеш-дисков
и флеш-накопителей), в качестве внешней памяти остаются распространенными
оптические накопители (компакт-диски и DVD). А вот внутренняя, оперативная па¬
мять (ОЗУ, см. далее) в компьютерных устройствах и сегодня остается в принципе
такой же, как упомянутые автором разновидности динамической памяти (DRAM) и
памяти на триггерах (статической, SRAM).
ным технологиям, по этой теме
Прежде чем говорить об устройстве памяти, несколько слов о том, что
вообще может дать память счетной машине. Во-первых, она может изба¬
вить от необходимости
одновременно и синхронно вводить в машину оба
слагаемых
редно
и не
при
их
суммировании
торопясь
из памяти
можно записывать в память
мирования
прямо
в
сумматор.
промежуточные суммы
При
и для
умножении
повторного сум¬
оттуда одновременно с нужным сомножителем.
хранить и любые другие результаты промежуточных
и исходные данные,
сведения, например
нужный
слагаемые можно пооче¬
извлекать их
так же можно
вычислений
В
-
записать в память, а затем в момент их складывания
одновременно направить
Точно
(рис. 16.4)
условия задачи, разного рода справочные
число «пи» или основание
натуральных
логарифмов.
момент все это можно вводить в вычисления или выдавать в
справки.
И наконец, самое главное: в память в закодированном виде можно ввес¬
ти
программу вычислений и доверить самой машине всю последователь¬
виде
ность математических
действий,
то есть
управление машиной
верить самой машине, автоматизировать
На рис. 16.5; 1
можно до¬
вычисления.
которая может запом¬
упрощенно
памяти в ней
число.
Элементы
триг¬
четырехразрядное двоичное
геры; увеличив их количество, можно запоминать любые большие числа;
нить
очень
показана схема,
-
блок триггеров для запоминания одного числа образует ячейку памяти ЯП.
В процессе записи быстродействующий синхронный коммутатор СК2 во
время каждого тактового импульса поочередно подключает к триггерам
устройство ввода информации, в данном случае контакт-иглу, под кото¬
рой движется перфорированная лента. В исходном состоянии во всех триг¬
герах правый транзистор открыт, и на его коллекторе напряжение равно
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
432
-
нулю
все остается на
нагрузке; левый транзистор закрыт,
и на его коллек¬
торе
напряжение
рисунках это отображено
светящейся лампочкой. Такое состояние триггера правый транзистор от¬
крыт, левый закрыт будем считать нулем (триггер запомнил 0), а второе
почти полное
питания
-
на
-
-
правый транзистор закрыт, левый открыт будем считать
единицей (триггер запомнил 1). Если с иглы поступит импульс на вход
триггера, то он перейдет в другое устойчивое состояние; а если импульс не
его состояние
-
-
поступит, триггер останется в прежнем состоянии.
Рис. 16.5.
Вот
памяти на триггерах
каждый триггер запоминает «единицу» или
разрядов числа, которое вводится в память.
так
один из
Теперь
о том, как вспоминается
Извлечение
из
один
Принцип работы
лишь
входов
Другой
число.
происходит с помощью элемента И, на
которого подаются тактовые импульсы, причем одного
импульса недостаточно для срабатывания элемента И.
числа
тактового
нужное
«ноль», запоминает
из памяти
вход элемента И подключен к «своему» триггеру. Если
транзистор закрыт (триггер
помнит
1),
то с его
коллектора
правый
снимается «ми¬
второе напряжение, необходимое для срабатывания элемента И
16.5;
4, 6). В этом случае из блока памяти выдается импульс «едини¬
(рис.
А
если
ца».
правый транзистор триггера открыт (триггер помнит 0), то на
-
нус»
-
ГЛАВА 16. Компьютер
вычисляющий
-
коллекторе напряжения нет,
его
автомат
433
срабатывает,
элемент И не
никакой импульс не выдается, что,
как мы
и из памяти
договаривались, соответствует
«нулю» (рис. 16.5; 3, 5).
Считывание информации из памяти не меняет режима триггеров, они
будут как угодно долго помнить число, которое в них записано. Чтобы сте¬
реть информацию, нужно все триггеры каким-то внешним воздействием
вернуть в исходное состояние. Кроме того, конечно, триггеры все забудут,
если снять с них питание,
электросети. Когда
от
В
ности в
отключить
вы вновь включите
вычислительную машину
то ничто не заставит
машину,
именно в то состояние, в
триггер вернуться
чением.
например
котором
он
был перед
этом состоит основной недостаток памяти на
сравнении
выклю¬
в част¬
триггерах,
с магнитной памятью.
Машинную память, оперативно участвующую в вычислениях, например
хранящую промежуточные результаты или числа, которые нужно вводить
оперативной памятью. А блок такой памяти это
запоминающее устройство, ОЗУ, как правило, оно сделано
в сумматор, называют
оперативное
на
триггерах2. Кроме
ное запоминающее
нельзя
вательности
записано,
на это
того, в вычислительной машине есть
устройство.
В него,
в отличие от
все, что должно помнить ПЗУ
-
(например,
действий сумматора при умножении
«зашито»
ОЗУ
числа в
-
уходят
миллионные доли
долговременная память, чаще
стандартные последо¬
или
вычитании),
в него
какого-нибудь
ПЗУ происходят очень быстро,
секунды. Есть в машинах еще и внешняя
и его считывание из
ОЗУ
постоян¬
ничего записать
машины3. Запись
изготовлении
при
ОЗУ,
ПЗУ,
и
всего на магнитной ленте или на магнитном
диске4. В долговременной памяти
может
храниться
очень много
информа¬
ции, но, чтобы найти ее и считать из памяти, нужны уже не миллионные
доли секунды, а секунды и минуты.
Элементы
оперативной
памяти
объединяют
столько элементов памяти, сколько
торое рассчитана
работу
машина.
разрядов
Так, например,
в
в
каждой ячейке
быть
в числе, на ко¬
ячейки,
может
рассчитанной на
(в десятичной системе
для машины,
двадцатиразрядными двоичными
могут быть числа до миллиона), нужны ячейки памяти, в каждой
которых 20 запоминающих элементов, например 20 триггеров.
с
однокристальных компьютерах (микроконтроллерах).
Сейчас ПЗУ делают на основе флеш-памяти, которая допускает
таким
4
всех
саму
возможность
Как правило, ОЗУ компьютерных устройств сделано на основе динамической памяти, на основе относительно сложной и дорогой триггерной (статической) памяти выполняются сверхоперативные
рабочие ячейки
3
из
образом производится «перепрошивка» смартфонов
См. «Примечание редактора» выше.
и
или
небольшие объемы ОЗУ
возможность
перезаписи
-
в
именно
других компьютерных устройств.
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
434
автоматизированных вычислений.
Итак,
в
нашем
распоряжении
есть
оперативная память на триггерах, но для введения ее в счетную маши¬
ну нужно еще создать реальный синхронный коммутатор. Нужно, чтобы
попадал в
первый импульс
элемент памяти и к
первый
моменту появле¬
второго импульса контакт-игла уже была бы подключена ко второ¬
му элементу памяти. И при считывании информации нужно обеспечить
ния
причем очень быстрое,
В
импульсов.
современных ЭВМ частота тактовых
своевременное переключение
с частотой
тактовых
При
это
-
генераторов
мегагерцы,
такой частоте
элементов памяти,
импульсов в секунду5.
должен
коммутатор
производить пере¬
то есть миллионы
синхронный
ключения за миллионные доли
для
механических систем,
как и
коммутаторов, которые,
быстро.
Одна из таких
совершенно неприемлемо
телефонный
как
например,
таких,
К счастью, были созданы
(гл. 8; 5).
искатель
что
секунды,
шаговый
чисто
электронные схемы
другие электронные схемы, могут работать
очень
рис. 16.6. Ее
коммутирующих
основа
мента
И, каждый
ЭП3
ЭП4. При
и
только в том
из
упрощенном виде
двух триггеров,
ТГ2
и
ТГ2,
и
показана на
четыре
эле¬
которых работает на свой элемент памяти: ЭПг, ЭП2,
у каждой схемы И четыре входа, она срабатывает
случае,
если на эти входы
-
уровня
из этих сигналов
произошло, любое И
первый,
и
-
импульсы
И одновременно
ся на все
схем в
этом
сигнала высокого
Один
счетчик из
-
и
одновременно приходит четыре
второй,
и
тактового
третий,
четвертый.
и
генератора,
они
передают¬
работу:
что
бы
синхронизируют
будет срабатывать
и
их
только в момент
там ни
существования
тактового
импульса.
Итак, элементу И для
ла, и один
причем
в
уже
такой
срабатывания
Два
трех
комбинации, что
есть.
из
на
сигна¬
нужно четыре отпирающих
оставшихся сигналов
разные
элементы
идут
от
триггеров,
И приходят разные
напряжений, получае¬
пары отпирающих сигналов, разные комбинации
четырех разных транзисторов. В итоге получается, что к каждому
четырех И такие пары сигналов от триггеров приходят в разное время.
мых от
из
А
это значит, что наши
записать сигнал,
четыре
каждая в свою
схемы
И поочередно
ячейку
памяти.
Но,
готовы
сработать
срабатывания,
для записи сигнала в память, нужен сам этот сигнал
жен
по
на входе схемы
четвертый
счету импульс
устройства ввода, когда происходит
иглы, с
Когда
этот
импульс-единица появится,
«единицы» в элемент памяти.
данный
5
момент
действует
Именно
И;
то
тут
тройка»:
Самый знаменитый советский компьютер под названием БЭСМ-6
1 МГц, IBM PC (1981)
лишь в начале 2000-х.
-
-
приходит
же
ну¬
с контакт-
произойдет
запись
которого
тактовый импульс
(1966 год)
начала 1980-х и того меньше:
4,77 МГц. Привычные
-
считывание «единицы».
в тот элемент, на входе
«великолепная
10 МГц. Первые «персоналки» конца 1970-х
он
и
конечно, для такого
ныне тактовые частоты в
имел
в
и две
тактовую частоту
Apple II (1977), например,
гигагерцы были достигнуты
ГЛАВА 16. Компьютер
«единицы» с
вычисляющий
-
триггеров.
автомат
435
Ну, а если в устройстве ввода в данный момент счи¬
тывается «ноль», то в элемент памяти ничего не попадает, то есть в него и
будет
записан
дующий
«ноль»6. А
схема
подключит к
быстро
устройству
элемент памяти: ведь это основная ее задача
ключать к
устройству
ввода сле¬
поочередно под¬
-
ввода элементы памяти, чтобы на них записывались
«единицы» или «нули».
Рис. 16.6.
Сумматор, оперативная
Электронный коммутатор
память,
быстродействующие
это, к сожалению, еще не все, что жизненно
необходимо
-
коммутаторы
для
электронной
счетной машины.
Нужно еще научиться писать и читать адреса, которые
исключают путаницу при пересылке чисел. По этим адресам данное число
будет записано в строго определенную ячейку памяти, а затем при считы¬
вании число
будет безошибочно извлекаться только из той ячейки, из ко¬
торой нужно, а не из какой-либо другой. Для этого в память будет направ¬
лен
-
адрес
запрос
для вычислений.
6
того числа,
Адрес
которое понадобилось
записывают тем же
Точнее, в память ничего записано не
будет
-
ходимо полностью очищать, т. е. в данном
ные
устройства
записываются
при такой организации
случае
записывать
памяти
«нули»
данный
момент
что и сами числа, то
перед записью
ее необ¬
во все ячейки. Многие
реаль¬
первую очередь к ним относится флеш-память,
очищенной флеш-памяти содержатся «единицы», а при записи в нужные места
памяти именно так и
только в полностью
способом,
в
«нули».
-
устроены
в
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
436
есть
в виде
определенной комбинации «нулей»
и «единиц», а
получатели
сумматоры, ячейки памяти и другие знают, что, скажем, первые
это адрес числа, а само оно начинается только после этих
четыре знака
знаков
четырех
(рис. 16.7). Поэтому в таких случаях в арифметических дей¬
чисел
-
-
-
ствиях
мер
первые четыре
знака не
на
выключив
счетчика.
первые четыре
сумматор
Запись адреса предназначена
дешифратора,
число
учитываются: сделать
задача которого
-
нетрудно, напри¬
такта с помощью
только для
разобраться
в
триггерного
специальной схемы
этой
-
записи и
направить
адресату.
Рис. 16.7. Формирование
В принципе,
руя,
это
как
и
дешифрация адреса
дешифраторы работают
просто, лишний раз демонстри¬
красиво электроника умеет решать
задачи. На рис. 16.7 показан
в памяти
очень сложные, казалось
дешифратор, который
может
бы,
сортировать
шесть
разных четырехзначных адресов и рассылать их шести адресатам.
Основа дешифратора хорошо уже знакомые нам элементы И, каждый из
-
них
срабатывает только в том
ствуют два
сигнала.
триггеров,
на
сы
адреса. В
сочетаниях
А
случае,
сигналы эти
если на его входе
одновременно дей¬
на вход элементов
И
с
которые через
синхронный
трех
коммутатор подаются импуль¬
зависимости от
комбинации
этих
поступают
импульсов адрес
в
разных
и эти сочетания как
устанавливает режимы триггеров,
определяют, какой элемент И сработает и куда пойдет
число.
раз
и
ГЛАВА 16.
Компьютер
Настал
вычисляющий
-
момент подвести
цию последовательного
дешифраторами.
только делают
позволяют
И оказывается,
более
итоги.
некоторые
сложения в
437
Пытаясь упростить опера¬
суммирующей машине, мы ввели в нее
быстродействующий
оперативную память,
с
автомат
коммутатор
и
систему адресов
что именно эти наши нововведения не
удобной простейшую
автоматизировать
суммирующую машину, но и
процесс вычислений, создать принци¬
весь
переработки информации.
«бумажного голубя», от условного компьютера, с
мы только что познакомились,
попробуем перейти
пиально новый вид автоматов для
А сейчас
от нашего
элементами
к
реальной
которого
ЭВМ. Но для
предстоит провести еще одну подгото¬
этого нам
вительную операцию.
7. Вычислительная
с
рисунками.
работать с числами, со словами и
Как говорит само название, работа вычислительной машины
машина может
состоит в том, что она вычисляет,
операции
с числами.
нее или, во всяком
Но
производит различные математические
приходится решать задачи, которые удоб¬
часто
случае, привычнее
формулировать словами, хотя потом
можно решать эти задачи, превратив слова в числа, то есть
комбинации цифр. Вот
в
букв превратив
может быть, не
очень
комбинации
простые примеры, хотя,
телефону узнать вре¬
телефонный
с
как в
аппарат
клавиатурой,
буквопечатающем телеграфном аппарате
(рис. 6.21; 4), вы набираете на этой клавиатуре слова «Который час?»,
мя,
то
самые
удачные: когда
набираете цифру «100»7;
но
вы хотите по
нетрудно представить себе
-
в
результате
сигналов
чего появляются
(рис. 8.1; 5, 6),
из них сигналы,
определенные комбинации электрических
а не очень сложная
соответствующие
цифре
электронная
«100»
в
формирует
телефоне. Дру¬
схема
обычном
гой пример: по заданной вами программе ЭВМ суммирует массу всех де¬
талей автомобиля и определяет его общую массу; результат появляется
ленте, его выдает особый
бумажной
на
машину вводилась
запомнили, что в
суммарная
чит,
не
обременять
щий
и
не только
«нулей»,
масса тоже
цифры,
извлечет из памяти
удобства
получится
в
но и
буквы;
импульсов
и
компьютеру аппарат, печатаю¬
у каждой буквы свой код из «единиц»
пауз;
соответствующий
в
нужный
момент машина
код и рядом с
цифрой
9 раз
ответа отпе¬
«килограмм».
Итак, кодируя
для
аппарат; вы
деталей килограммах, и, зна¬
килограммах; но можно было бы
в
свою память, подключив к
то есть из
чатает слово
цифропечатающий
масса
буквы комбинациями
можно вводить в
машину
импульсов
слова или
и
пауз,
в
получать
ряде случаев
слова в ее от¬
ветах.
Теперь
7
В
Москве
о
и
городского
рисунках.
бесплатная (при звонке со стационарного
ряде других регионов России номер 100
с мобильного
как правило, платная)
служба точного времени, работает с
-
телефона;
1937 года и по сей день.
-
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
438
Рассмотрим случай,
-
когда машина решает уже знакомую нам зада¬
многоступенчатой ракеты, по мере того как она
(рис. 6.3; 3): масса уменьшается потому, что постепенно
подсчитывает массу
чу
набирает
высоту
выгорает
топливо и
поочередно «отстреливаются»
Машина выдает результат
отработавшие
ступе¬
двух колонок чисел: в одной колонке
в
ей
масса
высота,
другой соответствующая
ракеты. Теперь введем в вы¬
числительную машину загадочный пока электронный блок КД, который
ни.
в виде
-
свяжет ее с
телевизором.
В исходном состоянии электронный луч, который «зажигает» экран те¬
левизора, «задавлен» большим запирающим напряжением, и поэтому
экран не светится. Снять это запирающее напряжение может электриче¬
ский импульс, поступивший
из
блока КД,
-
в момент появления этого им¬
по
пульса электронный луч ударит
экрану, и на нем появится светящаяся
В каком месте? В телевизоре генераторы развертки непрерывно дви¬
гают
луч, и он строку за строкой прочерчивает весь экран (гл. 13; 13). По¬
точка.
светящейся
этому
местопоявления
будет
подан в телевизор
отпирающий импульс
А теперь представьте себе,
лений,
точки зависит от того, в
что в
те самые две колонки чисел
из
какой момент
блока КД.
блок КД поступают результаты вычис¬
«высота»
«масса». И каждое число, как
-
некий код, управляет
появления
задержкой отпирающего импульса, а значит, местом
светящейся точки. Причем управляет так, что числа из колон¬
ки «высота»
определяют
направлении,
пара
чисел в
ются в
положение
светящейся
а числа из колонки «масса»
определенном
сплошную линию, и
-
в
точки в
горизонтальном
вертикальном. Так каждая
месте ставит
в итоге весь
светящуюся точку, точки слива¬
результат вычислений предстает
графика. Точно так же, управляя «зажиганием» точек на
экране телевизора, числа, поступающие из компьютера, могут рисовать
схемы, чертежи, писать цифры и буквы. Ведь что такое, скажем, написать
на
в виде
экране
букву
«Т»? Для
этого
нужно одну под другой
зажечь точки на нескольких
(вертикальная палочка буквы «Т») и зажечь несколько
одной строке (горизонтальная палочка). Аналогично из
сливающихся точек образуется и любая другая буква. Порядок действий
здесь может быть таким: дешифраторы по сочетанию импульсов и пауз
распознают код буквы (так же, как они распознают адрес; см. раздел 6) и
включают
соответствующую этой букве систему выдачи импульсов, кото¬
и
рые
зажгут необходимый набор точек на экране.
Точно найти момент выдачи импульса и зажечь таким образом точку в
соседних
строках
соседних точек на
нужном месте экрана в принципе не так сложно: в телевизоре электрон¬
ный луч прочерчивает строку примерно за 60 мкс, за это время тактовый
генератор
с частотой
10 МГц выдаст 600 импульсов, любой
честве
при
из них можно
триггерных цепочек, выделить
отпирающего. Даже на сравнительно большом экране
отсчитать с помощью
этом иметь
размеры
и использовать в ка¬
меньше
миллиметра.
точка
будет
ГЛАВА 16. Компьютер
-
вычисляющий
автомат
439
Устройство с телевизионным экраном для вывода информации из ЭВМ
дисплей (от английского «ту дисплей»
-
«показывать»), его роль может
обычный телевизор с несложной приставкой. Ну а блок КД
это
контролер дисплея, система, управляющая им, целый специализиро¬
ванный компьютер, необходимый для того, чтобы сочетания импульсов и
это
-
выполнять и
-
пауз на выходе ЭВМ мгновенно превращались
дисплея. Ближайшие родственники дисплея
в
-
построители:
бумаги
листу
фики,
по командам,
перо
схемы или
с
буквы и рисунки на экране
графо¬
это так называемые
из машины, они
полученным
электромагнитным управлением
чертежи,
вычисленные
и
перемещают
по
вычерчивают гра¬
компьютером.
Примечание редактора. Дисплеи бывают векторными и растровыми. В преды¬
дущем описании автор не провел между ними четкой границы, однако разница
довольно велика. Векторный дисплей и сейчас можно встретить на аналоговом
осциллографе
или
старой радиолокационной
распространенной разновидности векторных
станции
(см.
гл.
15; 6). В наиболее
дисплеев луч движется по экрану
слева направо
(или по кругу, как в радиолокаторах) за счет равномерной гори¬
зонтальной (или, соответственно, круговой) развертки и управляется сигналами,
в
которых закодирована
величина вертикального отклонения луча от некоторого
векторных дисплеях, как правило, рисуется всего
одна линия, то и объем компьютерной памяти для хранения картинки невелик:
это набор величин отклонений луча на протяжении экрана. Поэтому такие дис¬
плеи с управлением от компьютера были распространены в начальный период
нулевого уровня. Так как на
(по сути, графопостроитель, упомянутый автором, также представляет собой век¬
торный дисплей).
В отличие от этого, в растровых дисплеях (типовой представитель
уже знако¬
мый нам телевизионный экран, см. гл. 13; 9-18) горизонтальная и вертикальная
высветить или
развертки осуществляются автоматически, а задача контроллера
-
-
погасить луч в нужные моменты времени. Поэтому для растровых дисплеев необ¬
ходимый объем памяти всегда должен соответствовать полному количеству точек
на картинке, независимо оттого, изображается там пустое место (все точки пога¬
шены), ровное белое поле (все точки горят) или сложная картинка (о необходимых
объемах памяти см. в тексте далее). Контроллер такого дисплея (видеоконтроллер,
видеокарта) устроен гораздо
сложнее векторного
и
нередко
быстрее, чем центральный процессор компьютера. Зато
работает
и возможности
гораздо
управления
картинкой неизмеримо возрастают.
Вы, конечно, помните, что для того, чтобы не было мельканий картинки,
все воспроизведенное на телевизионном экране нужно повторять 25 раз в
секунду, с частотой кадров. Удобно хранить весь кадр в оперативной памя¬
ти
ЭВМ
-
оттуда
его можно
Но какой должна быть
в
ней должно быть
хранения
в ней слов,
брать
сколько
угодно раз
вместимость памяти для
триггеров?
И какой объем
и в
хранения
памяти
любой
момент.
кадра?
Сколько
нужно
закодированных двоичными числами?
иметь для
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
440
Чтобы оценивать что-либо количественно, нужно,
риться
измерения (гл. 3; 9). Количество
о единицах
в
битах,
информации
всего
нам
и
как всегда, догово¬
принято
как один
измерять
эту единицу
проще
определить
разряд двоичного числа, то есть одну единицу или ноль, один импульс или
паузу. Так, двоичное число 101 110 010 111 содержит 12 бит информации,
число
1101
-
4 бита, двоичное
число
1
-
один бит. В
компьютерной технике
электросвязи чаще пользуются более крупной единицей информации
1 байт
8 бит, а также производными единицами 1 килобайт » 1000 байт;
и
=
1 мегабайт
»
1000 килобайт; 1 гигабайт
~
1000 мегабайт. Знак примерного
) понадобился потому, что каждая следующая единица
равенства (
в 1000, а в 1024 (210)
раза больше предыдущей.
~
Чтобы определить
количество
информации,
фотография, буква алфавита
ная
валент в виде двоичных чисел.
или книга,
проще
(гл. 13; 16),
каждая из которых может
Чтобы точку
светиться
(1)
ние всего
экрана, понадобится двоичное число,
дов
-
или
(0).
цепочка из 520 000 единиц и
держит
информацию 520 000 бит
в том
случае, когда для
один
бит
быть
несколько
-
газет¬
всего найти их экви¬
Можно, например, представить себе экран
дисплея состоящим из 520 000 точек
быть темной
которую содержит
не
описания
=
нулей.
То
65 000 байт
каждой
«светится» или «не светится»,
точкой описать состоя¬
в
котором 520000 разря¬
есть
«
точки
1
за
или
картинка на экране со¬
65 килобайт. Заметьте, это
нужна информация всего
0. Если же у точки может
уровней яркости «белый», «светло-светло-серый», «светло-серый», «серый» и т. д.- или несколько цветов, то объем информации
-
одного кадра увеличится во много раз.
Двоичным кодом, как мы уже знаем, можно представить и
буквы алфа¬
в принципе так же, а в деталях
в
это
делается
8.1;
6),
компьютерах
(рис.
несколько иначе, чем в
телеграфии. Существует такое соотношение: двоич¬
вита
разрядов, можно закодировать 2" объектов.
2 2 2
8
Так, скажем, трехразрядное двоичное число может иметь 23
111.
Эти
восемь троек мо¬
010,
011,
100,
101,
110,
000,
001,
«модификаций»:
гут быть кодами, «этикетками» для 8 объектов, и каждый из них, представ¬
ленный трехразрядным числом, будет нести 3 бита информации. В нашем
ными числами, имеющими п
=
=
алфавите 33 буквы или 32, если смириться с тем, что буквы емё будут иметь
одинаковый шифр, то есть будут неразличимы. Чтобы зашифровать, зако¬
дировать двоичными числами 32 буквы, нужны пятиразрядные двоичные
32. При этом, чтобы записать в ОЗУ слово, скажем, из
числа, так как 25
они запомнят 10
10 букв, нужно 50 триггеров
букв по 5 бит информации
в
(пятиразрядное число) каждой.
В большинстве компьютеров букву алфавита кодируют не пятираз¬
рядным, а восьмиразрядным числом, то есть тратят на букву не 5 бит,
1 байт. На первый взгляд это может показаться ненужной рас¬
а 8 бит
=
-
=
точительностью
28
=
-
256 объектов,
восьмиразрядными
а
букв
всего
числами
можно
33. Но кроме строчных
закодировать
(маленьких) букв
ГЛАВА 16. Компьютер
есть еще
-
вычисляющий автомат
есть
прописные (большие),
441
примерно десяток
знаков
препина¬
арифметических и
правило, нужен и латинский алфавит,
алгебраических действий и ряд вспомогательных знаков, таких, напри¬
мер, как №, § и другие. Так что восьмибитового кода только-только и хва¬
ния,
знаки
как
Вот
тает.
несколько
иллюстраций, которые помогут почувствовать,
что
у нас единицами бит, байт, килобайт, мегабайт,
гигабайт.
В этой книге на странице без рисунков в тексте примерно 3500 букв, то
8 бит, то есть 1 байт). В одном
есть около 3,5 килобайта (из расчета 1 буква
стоит за появившимися
-
томе
Большой советской энциклопедии 4-5 мегабайт, а во всей энцикло¬
более чем 200 мегабайт. Если человек будет всю свою жизнь не¬
педии
-
прерывно
18
по
окажется около
часов в
20
тысяч
ждом телевизионном
ме
-
мегабайт,
то есть
несколько сот
кадре
мегабайт,
несколько тысяч
то в записи всего, что он скажет,
сутки говорить,
в
20 гигабайт
килобайт,
небольшой газетной
В
информации.
ка¬
часовой програм¬
в
фотографии
-
сотня
килобайт8.
Этими сведениями завершается наша
знакомству с реальной ЭВМ (рис. 16.8).
подготовка,
и
мы
переходим
к
8. Основные узлы ЭВМ: процессор, оперативная, постоянная и внеш¬
няя память, устройства ввода и вывода информации, линии внутрен¬
ней
связи.
В нашей
условной
ЭВМ
складывать два двоичных числа
есть
-
сумматор
(см. раздел
4
в
схема, которая умеет
этой
главе). Кроме
существуют схемы, которые могут выполнять и другие
операции. Так,
в
сумматоре
чисел заменить на
того,
арифметические
можно выполнить вычитание, если одно из
обратное (например, вместо 1010 взять 0101) и выпол¬
процедуры. А обратное число легко получить с по¬
нить еще кое-какие
превращают 0 в 1 и 1 в 0. Если же
триггеров, именуемой регистром, а за¬
тем
управляющим импульсом сдвинуть это число на один разряд влево,
то оно окажется
умноженным на 2. Пример: число 110011 (десятичное 51)
мощью элементов
НЕ
-
они как
раз
и
записать двоичное число в цепочке
сдвигаем в регистре влево на один разряд и получаем 1100110
ное
на
8
102). Два
и т. д.
два сдвига
таких сдвига
Возможны
и
и
-
это
умножение
различные
прибавление
числа на
10.
первоначального
Пример: 4
10
4, три
сдвига
(десятич¬
-
умножение
комбинированные действия, например
суммирование результатов умножения
данного
на
=
4
числа дают
числа на
8
+
4
2
=
8
и на
2
умножение
-
это
на
5;
умножение
40.
на то что количества точек (пикселов) в
современных представлениях изображений на
экране намного возросли (сравните черно-белую SECAM-картинку 720x576 точек 0,4 мегапиксела
6 мегапикселов, см. гл. 13; 17),
с цветной картинкой телевидения высокой четкости 1920x1080x3
Несмотря
=
=
объемы памяти, указанные здесь, примерно соответствуют и сегодняшней действительности
дело в том, что
современные
сжатие с использованием
технологии
хранения изображений,
как
правило, предполагают
разнообразных, иногда очень хитрых алгоритмов,
бенности человеческого зрения.
-
все
их
эксплуатирующих осо¬
442
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
Рис. 16.8. Устройство ЭВМ
ГЛАВА 16. Компьютер
и
-
вычисляющий
443
автомат
Все элементы компьютера, выполняющие арифметические операции
различные их сочетания, объединены в АЛУ
арифметико-логическое
-
коммутаторы производят в АЛУ пере¬
ключения, необходимые для выполнения заданной операции, а управляет
коммутаторами поступающий в АЛУ код операции двоичное число, ко¬
устройство. Быстродействующие
-
торое распознают
во
дешифраторы. Командует всей этой системой устройст¬
очередь, запрашивает из ОЗУ и полу¬
закодированном виде, программу вычислений.
управления УУ, которое,
опять-таки в
чает
в свою
оттуда,
И здесь работают неутомимые труженики
Последние распознают поступающие из
числами
общие указания программы
щем действии результат
ет эти
общие указания
с
в
коммутаторы и дешифраторы.
ОЗУ закодированные двоичными
-
«...сложить
полученный
в
предыду¬
УУ
превраща¬
первым введенным числом...»,
конкретные, направляемые в ОЗУ, ПЗУ и АЛУ
и
команды «...переключить АЛУ на режим сложения...», «...извлечь число
из ячейки 011 011 ОЗУ и
направить его на вход 1 АЛУ...», «...извлечь чис¬
ло из ячейки
010 001 ОЗУ
ти сложение...»,
и
направить
его на вход
«...результат направить
2 АЛУ...», «...произвес¬
ячейки 101 101 ОЗУ...».
в
итоге к очень четким и согласованным последовательным
по сигналам
отбивающего такт метронома
дит выполнением этих
во
управления УУ.
Комплекс АЛУ
машины.
Этот
вычисления,
-
ра
ции
есть главная
тактового
действующая
-
что
в
переключениям
генератора.
сила
комплекс шаг за шагом, такт за тактом
он так и называется
-
Руково¬
устройст¬
вычислительной
продвигает вперед
продвигатель, процессор (от латинского
«процессус»
«продвижение»). Ближайшие сотрудники процессо¬
ПЗУ и особенно ОЗУ. Отсюда процессор может запросить инструк¬
слова
-
-
переключений безупречный диспетчер
УУ
Все,
«направить», «произвести», сводится
сказано здесь словами «извлечь»,
-
очередные свои действия,
программу вычислений, сюда же,
на
точные и окончательные
падают в
ОЗУ
из
результат уходит
из
в
ОЗУ
он
получает исходные данные
ОЗУ, процессор направляет промежу¬
результаты.
Программа
и исходные данные по¬
ввода, и отсюда же, из
устройства
устройство
в
и
ОЗУ,
окончательный
вывода.
Здесь, пожалуй, уместно сделать два важных сообщения.
Первое. Из всего многообразия современных вычислительных
для знакомства самую
машин
И даже более
выбрали
небольшую микроЭВМ.
из
одна
конкретно: выбрана
разновидностей микроЭВМ персональный
компьютер, ПК (рис. 16.8). В нем есть много такого, что можно встретить
мы
-
-
во всех
других машинах,
В нашей
но есть, конечно, и свои
особенности.
(рис. 16.3)
«единицы» и «нули»
Второе.
условной
какого-либо числа, так же как «единицы» и «нули» адресов и команд,
шли последовательно, друг за другом, напоминая короткие пулеметные
машине
очереди. Но во всех современных машинах это, скорее, залпы из много¬
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
444
ствольного миномета
«единицы» и «нули» какого-либо числа, адреса
или команды рождаются, путешествуют и
одновремен¬
-
обрабатываются
но, параллельно, что, конечно,
операции. Если, на¬
пример, машина работает с восьмиразрядными числами, то все ее узлы
соединены восьмипроводными линиями (проводами), по которым одно¬
временно движутся
намного
ускоряет
все
электрических «единиц»
все восемь
«нулей»
и
ного числа. Более того, внутренняя система связи компьютера
линии,
шина
как
говорят обычно, три
управления. И
временно идет
все это
шины:
шина данных,
многопроводные линии,
и все целиком
обрабатываемое
-
это
дан¬
три
шина
по
адресов и
которым одно¬
число, и весь адрес, и вся
команда управления.
Естественно,
и вместе с
ров. В
требует
что такая система
процессором
их числе,
работает
сложнейшей диспетчеризации,
несколько его помощников
-
тера, контроллер устройства внешней памяти
знакомый нам контроллер дисплея, блок КД.
Важнейшая характеристика ЭВМ
больше емкость ОЗУ, тем больше
в
уме»,
тем
ные задачи
-
объем
ее
на магнитных дисках и
оперативной памяти,
информации компьютер
большими объемами данных
решать. Емкость ОЗУ
может
Компьютер
сотни и тысячи
-
разнообразных
разным программам, для каждой
кретных
память
условий.
Все
из
это в
которых
ОЗУ,
задач,
программ,
это в
типовых
стандартном виде,
дисках.
ЭВМ,
ею
одной
может
обычно при¬
работать
быть
по самым
множество кон¬
конечно, поместить невозможно,
да и не нужно. Память машины делают двухступенчатой
тека
«держать
более слож¬
персонального компьютера
раз больше, десятки мегабайт.
вычислительная машина, ей
универсальная
частных
и чем
нельзя.
-
ходится решать
и
ворочать
60-200 килобайт9, а большой ЭВМ в сотни
Но как бы ни была велика собственная, внутренняя
равно обойтись
уже
может
типичного
-
все
контролле¬
которой вводятся ис¬
контроллер печатающего устройства
прин¬
с
например, контроллер клавиатуры,
ходные данные и программа,
-
решений, информационных
-
имеется
библио¬
текстов и т. п., и все
записано на магнитной ленте или на магнитных
Когда нужно, определенный кусок
этих записей
(специалисты
говорят «файл»), например конкретную программу для расчета мостов
или программу игры в шахматы, переписывают в ОЗУ. Таким образом,
хранившаяся
цессору,
формация
9
на диске или ленте
он может
информация становится доступной про¬
свободно обращаться
была введена
в
компьютер
с
к
ней,
так же как если
бы
эта ин¬
клавиатуры.
объем ОЗУ персонального компьютера Apple II (1977) составлял 48 килобайт и только к 1984 году возрос до 128 килобайт. Одним из козырей появившейся в
1981 году IBM PC была возможность расширения памяти аж до 640 килобайт, хотя первые образцы
Пусть читателя не удивляют эти цифры
могли
поступать
в
продажу
-
шек.
время Билл Гейтс заявлял, что
послужило поводом для многочисленных насме¬
с 16 килобайтами памяти. Именно в то
«640 килобайт хватит надолго», что впоследствии
ГЛАВА 16.
Компьютер
-
вычисляющий автомат
445
В персональных компьютерах чаще всего используют гибкие магнитные
диски небольших размеров дискеты10. А «магнитофон», который их вос¬
-
производит
и записывает на дисках
официально, НГМД
ководом, или,
дисках.
Запись
(файлы),
контроллер НГМД,
непрерывно,
накопителем на
на диске ведется кольцами,
куски и записи
каждый
информацию,
новую
-
чтобы
гибких
быстро
из них и имеет свой код.
шажками)
магнитных
находить нужные
и тот с помощью шагового двигателя
а мелкими
называется дис¬
Он поступает
в
(вращается он не
подводит магнитную головку сразу к
нужной дорожке.
На
небольшом
200-800 килобайт
магнитном
диаметром
диске
Это немало,
информации.
133
но есть
мм
умещается
твердые (жесткие)
которых записывают десятки мегабайт, несколько томов
клопедии. Гигабайты информации, то есть сотни и даже тысячи
диски,
на
книжек, как эта,
шего
могут уместиться
лазерного луча
оставлены
энци¬
таких
на видеодиске, где с помощью тончай¬
микроскопические следы, читаемые потом
фотодиодами11.
Из приведенных
рис. 16.8
персональной ЭВМ нам
устройство
информации с клавиатурой и
матричное печатающее устройство, принтер. При нажатии на ту или иную
клавишу в устройстве ввода электронные схемы шифраторы формиру¬
ют и посылают в ОЗУ код
соответствующей буквы, цифры или операции.
А в контроллере принтера (официально АЦПУ
алфавитно-цифровое
печатающее устройство) стандартные коды букв и цифр преобразуются
в
другой код, который приводит в действие электромагниты печатающих
иголочек, и они, ударив по бумаге, оставляют следы в виде точек. Из этих
точек постепенно складываются
буквы и цифры12 (рис. 16.8).
В конце этой краткой экскурсии по реальной ЭВМ нужно признаться,
что мы не
обратили внимания на нечто чрезвычайно важное на програм¬
по
мы,
которым работает компьютер.
Попробуем исправить эту недоработку.
на
остается назвать еще два
основных
-
узлов
ввода
-
-
-
-
10
Довольно долгое
время, почти до середины 1980-х, персоналки действительно имели внешнюю память только на дискетах. Возможность подключения жесткого диска (НЖМД) до 10 мегабайт объ¬
XT, 1983 год, но ввиду дороговизны они не всегда входили
СССР жесткие диски долго не выпускались (первый малогабаритный
отечественный жесткий диск был выпущен в 1986 году, и в дальнейшем они были очень дороги), то
емом появилась впервые лишь в IBM PC
в комплектацию. Так как в
имелась возможность подключения бытового кассетного
11
магнитофона в
качестве
устройства
и
пр.)
внеш¬
ней памяти, хотя
некоторые снабжались
Автор, вероятно,
имеет в виду появившиеся в начале 1980-х компакт-диски, которые имеют объем
и
приводом для дискет.
около 700 мегабайт.
12
Автор
описывает
матричные принтеры, которые
в
первое десятилетие существования персональ¬
компьютеров доминировали среди дешевых печатающих устройств для них. В настоящее время
матричный принцип печати используется для печати документов на бланках (железнодорожных и
ных
авиабилетов), так как единственный из распространенных принципов печати позволяет произволь¬
позиционировать бума1у относительно печатающей головки. Делается это с помощью повора¬
но
чивающегося
валика
-
подобно тому,
как это было в
пишущих
машинках.
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
446
9.
Наряду
с «железом»
-
самой схемой и
конструкцией ЭВМ
мате¬
-
интеллектуальные способности компьютера определяют
него программы. Давайте посмотрим, как может решаться
какая-нибудь простая задача, скажем вычисление суммы деся¬
матические и
созданные для
на машине
1/и, где п 1, 2, 3, 4,..., 10, то есть суммы ряда 1/1 + 1/2 + 1/3 +
+1/10. Ход решения этой задачи на ЭВМ иллюстрирует рис. 16.9. На
=
ти чисел типа
1/4 +...
нем для простоты вместо двоичных чисел, которыми оперирует машина,
показаны десятичные числа.
В оперативную память машины вводим всего два числа: 1 и 10.
ячейки
вводим сразу
виду, что 1 в ячейке Я1
в две
ряда 1/n,
будем
1,
а
в
памяти
-
Я1
дальнейшем
записанная в
Я2
Я2.
этом
будет первым нашим знаменателем п
«наращивать» его, добавляя каждый раз
постепенно
Цифру 1
же имеется в
При
сразу
будет числителем для любого члена
и
=
1. Мы
по единице,
доберемся до последнего и, равного 10.
Теперь введем в машину команды, им отводятся последние четыре ячей¬
ки памяти Я6, Я7, Я8, Я9. (Конечно же, в нашем примере все чрезвычайно
упрощено, много важных подробностей опущено, все решение задачи по¬
пока не
-
казано очень
ло из ячейки
пока
в
у
нас п
схематично.) В ячейку Я1 вводим первую команду К1 «Чис¬
Я1 (то есть 1) разделить на число из ячейки Я2 (то есть на и;
1; получаем первый член ряда: 1/1); результат направить
Я4; перейти
сана команда
-
=
к команде
К1,
и
К2». Все
поступают
эти
в
указания
АЛУ
-
извлекаются из
Я6,
где запи¬
арифметико-логическое устройст¬
во, которое по указанным адресам извлекает из нужных ячеек числа и
производит с ними заданные операции (на нашей схеме и это показано
упрощенно). Кроме того, АЛУ посылает результат в заданную ячей¬
программой. В дейст¬
вительности всю эту работу выполняет процессор, главным образом его
устройство управления. Но для простоты весь процессор представлен на
очень
ку и включает следующую команду, предписанную
рис. 16.9
его вычисляющим
Команда К1, сделав
должна
всех
прибавить
предыдущих
блоком АЛУ.
свое дело,
передает
эстафету команде К2, которая
вновь появившийся член
членов
ряда,
этой ячейке пусто, наше
этому по команде К2 оно
в
1/1
ряда (ячейка Я4)
а она находится в
-
к
сумме
ячейке Я5. У нас пока
пока единственное слагаемое
в одиночестве попадает в
Я5
и
ряда. По¬
будет
ждать
1/1 прибавится 1/2, к их сумме
новой сумме 3/2 + 1/3
11/6 прибавит¬
а пока, выполнив команду К2, програм¬
там следующих членов ряда. Потом к
1/1
+
1/4
ся
ма
1/2
=
3/2 прибавится 1/3,
и т. д.
Но
действует
это
к
будет потом,
=
дальше.
После К2 программа начинает
1 /(п
+
няя
операцию: «Сложить
ки
Я1
1). Прежде
(то
есть с
всего команда
КЗ
число из
1; получится
п +
1,
формировать следующий член ряда
формирует новый знаменатель, выпол¬
ячейки Я2
на
(то есть п) с числом из ячей¬
первый раз это 1 + 1 2), результат
=
ГЛАВА 16. Компьютер
направить
-
команды
снова в
-
вычисляющий
автомат
Я2, стерев предыдущее
обычная
экономия: число n
=
447
число
1 уже
не
(n
=
1)». Последняя
нужно,
оно
часть
уже побыва¬
(1/1, команда К1), и, чтобы не занимать лишнюю ячейку
памяти, 1 убираем из Я2 и помещаем туда 2; это к тому же упростит по¬
следующие действия, а именно выполнение последующей команды: она
ло знаменателем
найдет нужное ей новое число по знакомому старому адресу Я2.
Рис. 16.9. Решение задачи суммирования ряда 1/п
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
448
Теперь
ряда 1/2
было бы
можно
и
прибавить
начать все сначала, с команды
предыдущей сумме. Однако
его к
К1: найти
проверить, не пора ли заканчивать вычисления.
Поэтому
дует команда К4:
(то
из ячейки
ЯЗ
(то
«Сравнить
число из ячейки
есть с числом
10),
если п <
Я2
член
до этого нужно
есть п
после
2)
=
10, продолжить
КЗ
сле¬
с числом
вычисления
перейти к команде К1 (в этом случае как раз и начнется новый цикл
вычислений); если п > 10 (это случится сразу же при п 11), прекратить
вычисления, результат из ячейки Я5 (там находится последняя сумма всех
предыдущих членов ряда, включая 1/10) направить в устройство вывода
и
=
информации.
На рис. 16.9 показаны первые три цикла вычислений и самый послед¬
ний цикл, когда знаменатель дроби, постепенно увеличиваясь, достига¬
ет
11. Как видите, порядок действий
ление, она находит
предыдущих
очередной
членов
ряда,
опять находит новый член
сумме,
проверяет,
машины очень
ряда 1/и,
прост:
прибавляет
выполняя де¬
его к
сумме
затем находит новый знаменатель и +
1/(и
опять вычисляет новый
машина
член
+
1),
1,
всех
потом
прибавляет его к предыдущей
знаменатель (п + 1) + 1 и т. д. И всякий
раз
а не стало ли
опять
очередное
и
больше 10, дальше которого
считать не велено.
Найти сумму ряда до
это можно сделать и
и
=
10 несложно,
«вручную». Но
более до
1000 не так-то просто,
А
а
часы.
машины посчитать
для
минуты,
=
и
или тем
буквально
вот досчитать
просто пустяк.
Решая такую простейшую задачу,
за несколько
сумму ряда до
минут
100
и
=
понадобились бы уже не
ряд, например до и 1000,
на это
наш
=
машина сама по
заданной программе
проведет довольно большой объем
работ, проделав в общей сложности
4000 основных операций (1000 делений, 2000 сложений, 1000 сравнений) и
массу вспомогательных. И на все это даже у очень небольшой современной
ЭВМ ушли бы
какие-то доли
секунды. Вот что
такое автоматизация вычис¬
лений, путь к которой открыли нам электронные схемы сумматор и дру¬
гие схемы процессора, быстродействующие коммутаторы, дешифраторы,
-
устройства памяти.
Уже говорилось,
емом ее
что возможности
оперативной
памяти
недавно рекордом было
небольшая
раций, средняя
сотни миллионов.
Дело
определяются объ¬
важней¬
быстродействие. Еще, кажется, совсем
несколько тысяч операций в секунду, а сегодня
настольная
машина
во многом
(см. предыдущий раздел). Другая
шая характеристика компьютера
даже
ЭВМ
-
ЭВМ
-
выполняет в
секунду 200-300 тысяч опе¬
крупные суперЭВМ
несколько миллионов, а
подходит к скорости счета миллиард
-
операций
в
секунду. На машинах с высоким быстродействием можно одновременно
решать десятки разных задач каждый вычислитель или, как обычно гово¬
-
работает со своего пульта, своего терминала (дисплей,
Машина решает задачи по частям, молниеносно
дисковод).
клавиатура,
рят, пользователь,
ГЛАВА 16.
Компьютер
переключаясь
-
вычисляющий автомат
одной задачи
с
на
другую,
449
пользователей
так что никто из
и
не замечает, что он не один.
Примечание редактора. Скорость в единицы
инструкций в секунду) была характерна для
тысяч
операций
в
секунду
(IPS,
компьютеров 1-го поколения (на
в
электронных лампах), разрабатывавшихся
первой половине 1950-х годов. Пер¬
вые западные персоналки (IBM PC, Apple II, конец 70-х начало 80-х) выполняли
-
330-500 тыс. инструкций в секунду. Миллион операций в секунду для персональ¬
компьютеров был пройден уже в 1982 году на IBM PC АТ.
ных
В середине 1980-х осознали,
элементарных
что сравнивать
операций (инструкций)
стало
процессоры по
бессмысленно
скорости выполнения
этот показатель со¬
-
быстродействию (производительности)
устройству. Появились т. н. синтетические
быстродействие по числу выполняемых операций «с плаваю¬
вершенно не отвечает
в реальных задачах,
уж очень процессоры стали разные по
тесты, оценивавшие
щей запятой», т. е.
над
действительными
числами. Эта единица
flops (флопс). Разумеется, обычные элементарные операции, о
название
получила
которых говорилось
существенно быстрее, чем операции над действительными
учитывать при сравнении показателей IPS и flops.
выше, выполняются
числами, что
надо
На ноябрь 2018 года рекорд быстродействия принадлежал суперкомпьютеру
АС922 (Окриджская национальная лаборатория, США) с результатом 143,51015
(миллионов миллиардов) флопс. Персональными компьютерами миллиард флопс
был пройден около 1999-2000 года. Скорость процессоров для настольных
компьютеров в середине
2010-х годов превысила 100 млрд флопс (что
1993-1994 годов).
соответст¬
вует суперкомпьютерам-рекордсменам
Но главное, для
чего
очень сложных задач,
Так,
например,
возрастает,
если
нужно
быстрая обработка
сутки
собирают
больших
массивов
это
решение
информации.
прогнозов погоды на 5-10 дней вперед заметно
увеличить объем перерабатываемой информации о тем¬
точность
пературе, ветрах, давлении,
такие задачи
быстродействие,-
высокое
влажности и т. п.,
которую
по
нескольку раз
в
шара. Без ЭВМ, вручную,
прогноз на 10 дней вперед при¬
во многих тысячах точек земного
вообще
дется рассчитывать
нет смысла
решать
несколько месяцев.
щие компьютеры не успевают
-
Даже
переработать
быстродействую¬
информацию, какую хо¬
нынешние
всю
бы метеорологи.
Высокое быстродействие нужно для решения
тели
ческих задач.
Например,
сложных
научных
и техни¬
для того чтобы описать поведение плазмы в
буду¬
щем термоядерном реакторе. Или за разумное время рассчитать, детально
проанализировать несколько вариантов большого железнодорожного мо¬
ста и
выбрать лучший
процессы
13
Добавим
вов,
к
в
больших
этому одну
из них.
Или оперативно
системах13.
и детально
моделировать
экономических
из самых сложных вычислительных задач
что стало одним из основных способов испытания
-
моделирование ядерных взрыпосле запрещения
ядерных боеприпасов
и
воздушных взрывов в начале 1960-х. Поэтому многие самые быстродействующие
суперкомпьютеры традиционно размещались в ядерных лабораториях США.
наземных
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
450
построения нашей
Принцип
был
но тот же, какой
на
учебной
взять число и
арифметические
куда направить,
громоздкой,
оказалась слишком
с
языки
компьютером,-
сотни, если не тысячи:
СИ, ЛИСП, ЛОГО
но главная идея
у
с
пример¬
называются
конкретные
выполнять.
такая система
программирования
средство, упрощающее об¬
и появилось
программирования. Сейчас
таких языков
ФОРТРАН, АЛГОЛ, БЕЙСИК, ПАСКАЛЬ, КОБОЛ,
Все
другие14.
и
них одна
шину, например,
сочетания
-
действия, которые нужно поочередно
По мере усложнения решаемых задач
щение
(рис. 16.9)
это
программа, как
В ней указываются конкретные адреса,
заре программирования,
ее называют, в машинных кодах.
говорится, откуда
программы
-
это языки
разные
в языке имеются слова,
клавиатуры;
эти слова, как
и даже совсем
разные,
которые вводятся
любые введенные
в ма¬
в
машину
код,
строго определенный
определенные
букв, превращаются
нулей-единиц; специальная
в
вспомогательная программа пре¬
вращает слова-коды в нужную последовательность конкретных команд и
пе¬
адресов; эта вспомогательная программа называется
сочетания
транслятором15,
реводчиком,
она
переводит указания, которые
вы даете
компьютеру
на
в
указания на языке машинных кодов. Если бы
была
написана на каком-либо языке програм¬
учебная программа
то мы не выписывали бы по десять
мирования,
раз номера ячеек и все по¬
языке
программирования,
наша
следовательности
арифметических действий,
му вычислений, приписав
и отпечатать
В
в конце:
если п <
результат,
вновь
а изложили
п >
бы
10, прекратить
перейти
к
общую
схе¬
вычисления
первому действию».
короче и в боль¬
«GO
ТО А» «перей¬
сокращениями:
10 THEN В»
«если 10,
перейти к действию В»,
языках
программирования пишут, правда,
английскими словами
компьютер это не есть нечто независимое,
по себе. Машины
ориентируются на опре¬
и
сам
-
деленный язык или максимум на класс языков, для каждого из которых
должен быть свой транслятор или интерпретатор
программа перехода
-
с одного языка на
подхода
лем.
В
к
другой.
взаимодействию
пакетном
режиме
В принципе
машины с
машина
доводит вычисления до конца.
14
Конечно,
за десятилетия
созданный
15
16
еще в начале
различают две стратегии, два
программой, а значит, с пользовате¬
получает отлаженную программу и
Другой режим
набор популярных
почти забыты. Список языков
же
диалоговый,
ныне возглавляет
сама
когда, решая
языков изменился, и многие языки из этого
программирования
1970-х, большинство
-
упомянутый
перечня
здесь язык
СИ,
новых языков делаются на его основе.
Трансляторы, в свою очередь, делятся на компиляторы (создающие отдельный исполняемый файл
программы) и интерпретаторы (начинающие сразу выполнять программу команда за командой).
Все эти
примеры автора
-
на языке
БЕЙСИК.
ГЛАВА 16. Компьютер
задачу
-
вычисляющий автомат
451
по частям, машина не только выполняет ваши
указания,
но и
обра¬
щает внимание на ошибки или неудачные действия, задает уточняющие
вопросы, предлагает варианты дальнейших действий. Именно в таком ре¬
жиме
рым
ПК
работают ПК,
персональные компьютеры, применительно к кото¬
термин «дружественное программирование». Общение с
и появился
может начинаться
вания.
Можно
при
самых начальных знаниях языка
ПК
использовать
программиро¬
справочник, деловой календарь или
помощью можно редактировать тексты,
как
большую записную книжку, с его
табличных данных получать многоцветные
из
какую-либо
нив
все
другие,
Уже
связанные с ней.
почувствовали,
и как
величину,
как много
миллионы
где раньше прикидывали
людей
конечно, ЭВМ
языке, мы,
рованные
как
-
на
конечно,
думающими
уже упоминалось,
двоичных
он не
что-то сказано нечетко.
цифр. При
сделать
этом
на
в то же
особенно для
абсо¬
скорее
работы
время программирование
с
ПК,
это
-
большое искусство, от него во многом зависит, что может
класс
ЭВМ. Это можно увидеть даже на нашем простей¬
данный
и
примере для суммирования последовательности 1/1
В программе для этой задачи можно было написать, чтобы
ла нашла все
при
требует
компьютер
+
шем
дроби, все слагаемые ряда,
этом в памяти
тая по
Однако,
разговорном
машина вас не поймет и,
в минимальных дозах,
доступно каждому человеку. И
большая наука
современные ЭВМ,
машинами.
ПК
с
разбрасываться
додумает, не догадается, что вы имели в виду, если
Вплоть до того, что если, набирая свой вопрос, вы
лишний
Программирование
опыте
себя ПК
на
всего лишь вводим в него слова, закоди¬
пробел между словами,
всего, попросит повторить вопрос17.
сделаете
Общаясь
это всего лишь машина.
лютной четкости,
изме¬
наивыгоднейшее решение там,
Нельзя,
глазок.
позволяет называть их
наборами
при этом,
собственном
на
словом «мыслить», но то, что делают
торжественным
даже небольшие,
и
рутинной, черновой работы берет
и легко он находит точное
просто
графики
мгновенно видеть, как из-за этого изменяются
первой
Зачастую
пришлось бы
нашей программе,
занять
1/2
+
1/3
+
а потом начала их складывать.
уйму ячеек,
в то время как,
машина занимает всего
...
машина снача¬
9
Но
рабо¬
ячеек памяти.
программиста зависят не только экономичность и быстрота
решения задачи, но и вообще сама возможность такого решения.
Цифровые электронные вычислительные машины в большинстве сво¬
ем
17
от
универсальны;
они
строят
цифровые,
математические модели, в ко¬
Эго было характерно для эпохи доминирования командного (пакетного, по терминологии
режима управления
автора)
компьютером написание команд подчиняется определенным жестким пра¬
вилам, напоминающим языки программирования. С развитием графических интерфейсов, рассчи¬
танных на диалог с пользователем,
управление компьютером все больше и больше«очеловечива¬
лось»
-
-
вплоть до появления в
которыми
можно
полностью отошел в
по-прежнему
современных мобильных компьютерах
общаться практически на
прошлое:
«голосовых помощников», с
обычном языке. Но это не значит, что
командный
стиль
профессиональная работа с компьютерными средами основывается
на командных языках.
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
452
торых можно
отобразить
самые
-
разные процессы
Решают машины
бами до рождения новых звезд.
задачи, связанные с классификацией
ших ее массивах.
Можно, например,
магнитную пленку данные
на
ный
момент по
и
или поиском
борьбы
с
микро¬
житейские
простые
от
информации
в
боль¬
ввести в память машины, записать
деталей,
нескольких тысяч
мгновенно
определенному запросу
а потом в
получить
нуж¬
от машины
нужную классификацию. Скажем, перечень всех деталей из меди, или всех
деталей стоимостью более 1 рубля, или всех деталей, которые проходят
токарную
обработку. При
решении подобной задачи каждая характерис¬
тика детали так же, как и сама деталь, имеет
определенный
код.
Машина,
просматривая коды характеристик, сравнивает их с эталоном, например с
кодом 10 110 111, что означает «деталь из меди». В случае совпадения кодов
машина считывает код детали,
на
устройство
переводит его
в название детали и
передает
вывода.
Великолепные программы, написанные для машин с высоким
действием
и
большими объемами памяти,
Здесь
быстро¬
позволяют им неплохо
каждая позиция и каждая
играть
фигура
цифровую оценку, свое число «баллов». И для машины игра это
обычная переработка цифровой информации. Просчитывая партию, ма¬
шина должна
выбрать для себя наилучший вариант, тот, который дает ей
наибольшее число «баллов». Просмотреть всю партию до конца, все ее ва¬
в шахматы.
имеет свою количест¬
-
венную,
рианты, не может ни одна машина. И искусство программиста состоит в
том, чтобы научить машину вместо бесстрастного перебора вариантов уже
выбирать только те из них, над которыми сто¬
Нужно сказать, что мощные машины с хорошими
в самом начале оценивать и
ит
серьезно подумать.
программами играют в шахматы очень хорошо.
Создание игровых программ
тическими задачами, как
тесно связано с такими важными
машинный перевод
с одного языка на
прак¬
другой,
медицинская диагностика или поиск полезных ископаемых с помощью
ЭВМ. В этой
последней области есть,
кстати, немало замечательных до¬
стижений. Вот лишь один из примеров.
измерений, проведенных
тивность,
плотность
в
пород,
разведочной
их
Получив
скважине
предсказывает,
И
быть
все это только начало.
сятилетий,
их
приятных сюрпризов
быстродействующих
так же, как и
быстрыми
от наших
лучше самих
геофизиков
несколько де¬
совершенствование про¬
темпами.
теперь уже
вычислительных
еще недавно считалось
(естественная радиоак¬
и
другие), и сопостав¬
районе нефть.
Компьютеры существуют всего
очень
данные
в данном
совершенствование
грамм, продолжается
геофизиков
электропроводность
ляя эти данные со своим опытом, машина иногда
может ли
от
Так
что
ждите новых
незаменимых помощников
машин,
монополией Человека
умеющих делать то,
Разумного.
-
что
ГЛАВА 16. Компьютер
вычисляющий
-
автомат
453
Практикум. Счетчики
Для
этих
экспериментов
логическая
нам
понадобится:
микросхема CD4011 (отечественный аналог К561ЛА7);
переключающая, с тремя выводами, вторая на
дешифратор CD4511 (отечественный аналог отсутствует);
семисегментный индикатор с общим катодом (например,
или
Во
всех
BL-S56A
аналогичный).
экспериментах для наглядности
счетчик
ло нажатий кнопки. В такой задаче есть нюанс,
любая
будет подсчитывать чис¬
который заключается в том,
любая,
но механические кнопки,
дребезжит (ну,
которые
используем, будут дребезжать обязательно). А это значит, что
на каждое нажатие
электронный счетчик, время срабатывания которого
микросекунды, будет считать не один импульс, а неопределенно случайное
их количество.
Простыми методами (вроде иногда рекомендуемой уста¬
что
кнопка
почти
мы
-
новки
конденсатора параллельно контактам)
невозможно.
рем
кнопки к
ка с
Есть
не самый
от этого явления защититься
решений, из которых мы здесь выбе¬
простой и надежный подключение
несколько типовых
компактный,
но зато
-
RS-триггеру. Здесь обязательно требуется переключающая кноп¬
центральный вывод в нормальном состоянии зам¬
крайних, а при нажатии замыкается с другим. Неудобство
тремя выводами
кнут с одним из
-
ее
этого метода в том, что таких кнопок
выпускается гораздо
меньше
видностей, чем на простое замыкание двух контактов.
Схема простейшего RS-триггера с подключением кнопки
бом одинакова для
всех
трех случаев
разно¬
таким спосо¬
и показана на схемах ниже
16.11). Триггер образован двумя логическими элементами DD1
(рис. 16.10,
и
DD2
типа
микросхемы CD4011. Кнопка нормально замкнута с верхним
входом
(по схеме)
RS-триггера, на который через нее подается напряжение
низкого
уровня, второй вход при этом оказывается привязан к высокому
уровню через резистор R2. В этом состоянии на выходе триггера (вывод 3
«И-НЕ»
из
микросхемы)
вод
имеется низкий
4 микросхемы
-
уровень (а
высокий уровень,
в
на
противоположном выходе,
этой
схеме мы его не
вы¬
используем).
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
454
При
нажатии на этом входе
кратковременно
кого
уровня через резистор
Rv
на
а низкий
окажется
напряжение высо¬
уровень через кнопку подастся
вход. В результате в момент перепада
второй
гера (вывод 3
уровней
на выходе
триг¬
микросхемы)
напряжение
уровня, кото¬
рое переключится обратно только тогда, когда кнопка вернется в исходное
состояние.
Промежуточный дребезг контактов не окажет на состояние вы¬
никакого
ходов
влияния, так как при дребезге подвижной контакт никогда
не
пролетает все расстояние туда и обратно целиком.
окажется
высокого
В результате мы получим на выходе ровно один импульс на каждое на¬
жатие. Разумеется, счетчику все равно, от какого источника поступают им¬
быстродействия
пульсы (в пределах
составляет примерно 1
МГц), кнопку
только для наглядности, в
пать от
счетчика, которое для серии CD4000
с
триггером
мы
здесь
используем
реальных конструкциях импульсы могут посту¬
источников.
других
1. Счетчик
Эксперимент
индикацией
с
двоичного
числа на светодиодах
Схема
этого
МС14516
эксперимента представлена
(отечественный
реверсивный
аналог
ный двоичный
что счетчик может
счета
работать
мощью
тумблера
Подача
высокого
устанавливает
-
уровня
все
высоком
сброса
направление
«+/-» (вывод 10 микросхемы)
уровне
счетчика в
R
счетчик
(вывод 9)
нулевые
работает
с по¬
на сложение.
с помощью кнопки
Кн2
значения.
(тактовый вход, вывод 15).
Q0-Q3 (выводы 6, 11, 14 и 2) подключены к све¬
отображающим
состояние
четырех разрядов
счетчика:
нуле¬
(низкий уровень) светодиод не горит, состояние единицы
уровень) светодиод загорается. На этих светодиодах будет ото¬
вое состояние
(высокий
на выводе
означает,
подаются на вход счета С
выхода счетчика
тодиодам,
«реверсивный»
и на сложение, и на вычитание,
на вход
разряды
Входные импульсы
Четыре
при
Название
счетчик.
переключается уровнем
К1
К561ИЕ11)
рис. 16.10; 1. Микросхема
представляет собой 4-разрядна
-
-
бражаться 4-разрядное
двоичное число
(см. рис. 16.2; 2), соответствующее
времени. После того как счетчик
текущий
досчитает до 15 (двоичное число 1111), он опять начнет считать с нуля во
всех
разрядах. То есть у 4-разрядного счетчика ровно 16 (24) состояний,
представляющих одну шестнадцатеричную цифру.
состоянию счетчика на
У
счетчика
тельной
момент
МС14516 (К561ИЕ11)
имеется также возможность
записи заданного числа во все
ное двоичное число подается на входы
предвари¬
разряды одновременно 4-разряд¬
S0-S3 (выводы 4,12,13, 3), а запись
-
производится подачей импульса высокого уровня на вход SE (вывод 1).
Наличие функции предварительной записи позволяет с помощью таких
счетчиков выполнять
а также деления
арифметические
входной
операции
сложения и вычитания,
частоты в заданное число
раз. В нашей
схеме эта
ГЛАВА 16. Компьютер
возможность не
ны к
-
вычисляющий
автомат
используется, поэтому
все
455
упомянутые входы подключе¬
низкому уровню.
Рис. 16.10.
Двоичный
и
десятичный
счетчики с
индикацией
на светодиодах
Счетчик МС14516 (К561ИЕ11) в этой схеме может быть заменен на CD4520
Эта микросхема содержит два подобных 4-разрядных счетчи¬
отличающихся отсутствием выводов S0-S3 и SE для загрузки заданного
(К561ИЕ10).
ка,
числа и вывода
корпус
схемы можно
правда,
Для
«+/-»
и влезает
для реверсии счета
(поэтому в такой
сразу два счетчика). Зато
же
16-выводной
одной такой микро¬
двоичный счетчик, могущий,
с помощью
получить сразу 8-разрядный
суммировать входные импульсы.
только
того
чтобы получить еще больше разрядов,
ков имеется выход и вход
переноса
Рвых
и
в
большинстве
Рвх (выводы
7
и
счетчи¬
5 у МС14516,
см.
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
456
схему рис.
16.10; 1). Вход переноса Рвх у первого
левым потенциалом
(низким уровнем),
носа соединяется со входом
входы
С
всех
счетчика соединяется с
как на нашей схеме.
переноса следующей микросхемы,
микросхем при
этом
объединяются. Второй
ну¬
Выход пере¬
а тактовые
счетчик
будет
считать, если на его входе переноса также оказывается низкий уровень, по¬
значком
этому выход и вход переноса снабжаются надстрочной чертой
-
инверсии, показывающим, что
тельный, а не положительный.
рабочий уровень
Эксперимент 2. Счетчик
с
в данном
случае отрица¬
индикацией
десятичного числа на светодиодах
Схема
то
этого
заменили
эксперимента представлена на рис. 16.10; 2. Здесь мы прос¬
микросхему счетчика на CD4017 (отечественный аналог
К561ИЕ8), которая представляет собой десятичный
ным
встроен¬
дешифратором. Счетчик считает импульсы на входе С (вывод 14), при
этом высокий
дого
счетчик со
уровень
появляется на одном из выходов
следующего импульса. После 10-го импульса
все
Q0-Q9
разряды
после каж¬
обнуляют¬
(высокий уровень устанавливается на Q0), принудительное обнуление
производится подачей высокого уровня на вход R (вывод 15).
Для получения счетчиков большей разрядности здесь специального вхо¬
ся
да
переноса нет,
а выход
Рвых (вывод 12)
переноса
соединяется с тактовым
входом следующего счетчика С. Поэтому выход переноса здесь обозначен
без значка инверсии (надстрочной черты)
перепад уровней у
-
него
В
другой,
чем в
счетчике
предыдущем случае (из
CD4017 (К561ИЕ8) никаких
рабочий
низкого в
высокий).
функций (вроде
специальных
Подобные счетчики удобно использовать
предварительной записи)
как счетчики-делители частоты. Входная частота
непосредственно делится
на 10, если снимать выходной сигнал с вывода Q9 (вывод 11).
При необхо¬
димости получить меньший коэффициент деления к счетчику добавляет¬
ся схема,
обнуляющая его при достижении высокого уровня на выходе Q
нет.
нужным номером. Не следует, как это часто рекомендуется, соединять
вход обнуления R с выбранным выходом непосредственно пока счетчик
успеет обнулиться, на выходе удерживается высокий уровень, и этот ко¬
с
-
роткий импульс
может
нарушить
работу схемы.
Эксперимент 3. Счетчик
с
индикацией
десятичного числа на семисегментном
индикаторе
Схема этого эксперимента
рис. 16.11. Сложность
сложнее
обусловлена
предыдущих
и
представлена
на
тем, что для управления семисегмент¬
ным индикатором нужен специальный
дешифратор, существующий
в
ГЛАВА 16. Компьютер
употребляемой
нами
(3-18 В)
питанием
-
Рис. 16.11. Счетчик
вычисляющий
микросхем CD4000 с расширенным
отдельной микросхемы CD4511.
индикацией десятичного
Зато микросхема
457
КМОП-серии
только в виде
с
автомат
эта имеет
числа на семисегментном индикаторе
одну важную для данного случая особен¬
у
(перезаписи) LE. Микросхема
CD4511 отображает двоичный код, установленный на входах ХО-ХЗ (выво¬
ность:
ды
нее имеется вывод «защелкивания»
7, 1, 2, 6),
в
семисегментный код на выходах a-g только тогда, когда на
выводе LE присутствует низкий
(нулевой)
уровень.
При
подаче высокого
уровня на этот вывод код на выходах a-g «защелкивается» и не
будет изме¬
уровень. В нашей схеме эта
не
LE
подключен к низкому уровню.
функция
используется, потому вывод
Но это потому, что у нас счет медленный и мы хотим видеть каждое состоя¬
няться, пока на
ние счетчика
-
в
меняется очень
зультаты,
и
опять не окажется низкий
условиях реальных измерений, когда
быстро,
мельтешение
цифр
состояние счетчика
только мешает
обновление показаний производится
го цикла счета
Счетчик
LE
подачей короткого отрицательного импульса
также
чем в
прочесть ре¬
по окончании
очередно¬
на вывод
LE.
предыдущих случаях: CD4029
применяется другой,
(отечественный аналог К561ИЕ14). Он также реверсивный, как и в экспе¬
рименте 1, и также имеет вход и выход переноса для создания многораз¬
рядных
счетчиков.
ма счета
Кроме этого, CD4029 имеет вывод переключения режи¬
двоичный/десятичный В/D (вывод 9). А
обнуления у него
нет
(просто
вот специального вывода
выводов корпуса не
хватило), потому обну¬
производится через вывод предварительной загрузки SE (вывод 1),
при этом, естественно, на входах загрузки S0-S3 должны быть все нули (см.
схему рис. 16.11).
Семь сегментов индикатора типа BL-S56A образованы из длинных све¬
ление
размещены в плоском корпусе так, чтобы образовать универ¬
сальную «заготовку» для изображения цифры из отрезков прямых. Эго не¬
тодиодов и
сколько напоминает
шаблон для
написания почтовых индексов,
которые
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
458
размещают на конвертах Почты России. Только на конвертах сегментов
шаблоне девять,
а не семь
(наверное,
да, когда о семисегментных
потому,
индикаторах еще
не
его не
С помощью семи¬
0 до 9, знак «минус»,
знали).
можно
от
каторе обязательно имеется восьмой сегмент в виде
(мы
разрабатывались
в
тог¬
индикатора
отобразить цифры
буквы и даже значок градуса. Кроме того, в каждом таком инди¬
сегментного
некоторые
что они
разделительной точки
используем).
Семисегментные индикаторы бывают с общим анодом (то есть с объ¬
единенным положительным выводом) и с общим катодом (отрицательным
выводом)
и
до красного. В данном
выпускаются разных цветов от
BL-S56Aс
и
зажигания
катодом,
для
общим
необходимо подавать
случае
ток на аноды сегментов через резисторы раздельно. Именно для этой цели
голубого
и спроектирована микросхема CD4511
при использовании индикаторов
с общим анодом совместно с ней
пришлось бы дополнительно подклю¬
-
чать ключевые транзисторы или микросхему с инверторами.
и
Следует учесть, что индикаторы с большими цифрами (высотой дюйм
более) имеют в каждом сегменте не один светодиод, а два, включенных
последовательно.
Падение напряжения
на них может составлять
более 4 В.
при 5-вольтовом питании они практически не работают, а при
напряжении питания 9-12 В в этом случае лучше снизить сопротивление
Потому
резисторов R4-R10 до значения 430-470 Ом.
Нажимая на кнопку Кн1, вы можете наблюдать смену цифр на индика¬
торе. А кнопка Кн2 сбрасывает показания счетчика в нули во всех разрядах.
ГЛАВА 17
Питание
на
1.
Для
питания
ческой энергии
требуются источники электри¬
напряжением. Практически ко всем элект¬
электронных
с постоянным
любой вкус
схем
ронным устройствам нужно подводить энергию от внешнего источника.
Усилителям эта энергия необходима для создания мощной копии сигнала
(гл. 9; 4), генераторам
зионной
трубке
-
-
для создания переменных токов
для высвечивания экрана,
(гл. 11; 6),
устройствам
вычислительных операций,
выполнения логических или
телеви¬
автоматики
-
для
для управления
исполнительными механизмами.
В подавляющем большинстве случаев электронные схемы
чтобы
им
передали
ли постоянное
ток.
Именно
только
ламповых схем:
коллекторного
и создали в цепи
напряжение
постоянное
самому сигналу,
не
-
тут
а какие к
переменным
а для
током
механизмов, но это
постоянный
и
вылепить сложный сигнал из меняющегося
поймешь,
какие изменения тока относятся к
питающему напряжению. Исключение
состав¬
только
(гл. 10; 11): их задача
некоторых
ток
питаются
этого и
переменный
пригоден. Еще
ляют лишь нити накала
нагреть катод,
определенный
напряжение необходимо для транзисторных
попробуйте
тока
требуют,
постоянную электрическую мощность, подве¬
ламп
некоторые
уже,
как
типы
-
двигателей
правило,
к самим
и иных исполнительных
электронным
схемам от¬
ношения не имеет.
Очень
часто
устройств,
даже в
источник,
каким-то
поставляющий
способом выделяют
размещении элементов,
на
в монтаже.
энергию
И
каким
В некоторых случаях
будет
питание даже не
электронных
в ее описании и
называют этот источник
ком питания, или источником питания, или для
нием.
для
самой схеме,
краткости просто
рисуют
на схеме
-
бло¬
пита¬
не важно,
источник, лишь бы давал нужное постоянное напряжение
и обеспечивал нужную мощность. На схеме при этом указывают, куда, к
каким точкам нужно подвести напряжение и какое именно по величине,
куда подать «плюс», а куда «минус». А там сами смотрите
-
какой
хотите
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
460
источник, такой
и
применяйте,
лишь
бы удовлетворить запросы «потре¬
бителя».
2. Постоянное питающее напряжение можно получить от химических
С химическими источниками электрической энергии
источников тока.
-
дело обстоит просто.
Они по самой своей природе дают постоянное напряжение, и при исполь¬
зовании их для питания электронных схем нужно решить лишь две зада¬
гальваническими элементами и
чи
-
подобрать
гальванические элементы
давали нужное напряжение и
Это
-
аккумуляторами
нужный
именно две задачи, а не одна.
(аккумуляторы)
так, чтобы они
ток.
Один гальванический марганцево-цин¬
(гл. 3; 7, табл. 3.1) дает ЭДС примерно 1,6 В, и, полагая, что в
ЭДС, то есть что напряжение
реальной схеме примерно равно 1,5 В1, остается лишь соеди¬
ковый элемент
самом элементе потеряется небольшая часть
элемента в
некоторое число элементов, чтобы получить нуж¬
Если
напряжение.
нужно 4,5 В три элемента, если нужно 9 В шесть
нить последовательно
ное
-
элементов и т. д.
элементов,
чит, что от
Каждый
(рис. 3.8).
которая
батареи
и дает
можно
Так
-
появляется
батарея
нужное напряжение. Но
получить нужный
из последовательных
это еще совсем не зна¬
ток.
источник тока, в том числе и гальванический элемент, имеет
собственное внутреннее сопротивление
на
котором теряется
часть ЭДС (гл. 4; 9). И чем больше
потребляемый ток, тем большая часть
свое
RBHyT,
ЭДС теряется
на этом
сопротивлении,
тем меньше
напряжение
на зажи¬
Для каждого типа аккумуляторов и гальванических эле¬
ментов есть некоторый разумный предел, при котором напряжение еще
не слишком уменьшается. Кроме того, если превысить этот предельный
мах элемента.
ток, гальванический элемент
будет быстро разрушаться и выйдет из строя
раньше
срока (рис. 3.9).
Кстати, срок службы гальванического элемента, а значит, и батареи, со¬
бранной из таких элементов, измеряется не в привычных единицах време¬
ни, а в новых для нас единицах ампер-часах (А-ч), которые, если разобрать¬
своего
-
ся, сводятся к единице электрического заряда, к кулону: 1 А-ч
Для
=
3600 Кл.
просто указать срок службы, этот срок зависит от
насколько энергично работает. В ампер-часах
элемент,
служит
элемента нельзя
того, как
фактически показывают, какой суммарный заряд гальванический элемент
способен направить
рактеристика
в цепь за
емкостью. Зная емкость элемента и
то он
1
«373»,
срок
в часах.
потребляемый
от него
Так, например,
если от
емкость
проработает
В щелочных элементах начальное напряжение у свежей
-
А),
не¬
батарейки 1,6 В, которое быстро снижается
напряжения 1,5 В. Под конец работы напряжение
признак истощения батарейки.
до номинального
это
и называется такая ха¬
службы уже
которого 3,2 А-ч, потреблять ток 32 мА, (0,032
100 часов, если потреблять 320 мА (0,32 А)
время
ток, легко подсчитать
элемента
время своей жизни,
может снижаться до
1,0-1,1 В
-
ГЛАВА 17. Питание на любой вкус
461
прерывной работы будет 10 часов. Ну а если потреблять ток 1
от
зависит
емкости
последовательном соединении общая
мента
количество
-
только их
растает
соединении
ся
ее
отдельных
емкость
равна
гальванических элементов или
параллельно,
как
емкость
аккумуляторов тоже получает¬
и
у одного элемента. Зато если
суммируется. Соединив парал¬
1 А-ч каждый, получим общую емкость 3 А-ч3.
объяснить так: сначала один из параллельно со¬
элемента по
три
Упрощенно
это можно
единенных элементов отдает в цепь свои запасы
По
-
при
поставляемых в цепь, не
батарея, но ее напряжение такое же,
затем
элементов:
емкости одного эле¬
увеличивается, воз¬
энергия, возрастает напряжение. При параллельном
зарядов,
элементы соединить
лельно
то запасов
3,2 часа2.
элемента хватит всего на
Емкость батареи
А,
зарядов,
потом
-
другой,
третий.
приблизительно определить допустимый
«разрядный») ток; для марганцево-цинко¬
величине емкости можно
потребляемый (часто
говорят
вых элементов он составляет примерно 3-5 % от емкости.
«373»
от того же элемента
(0,1-0,15 А)4. Для плоской
которой имеют емкость
элементы
ляемый
ток не
более
Так, например,
потреблять
батарейки карманного фонаря,
не стоит
ток
около
чем
100-150 мА
стаканчиковые
1 А-ч, желательно, чтобы
превышал 30-50 мА (0,03-0,05 А). Конечно,
потреб¬
можно
раз¬
батарейку большим током, как делают, например, в карманных
фонарях, но при этом и напряжение будет намного меньше, чем ЭДС, и
ряжать
емкость окажется меньше, чем это
(рис. 3.9).
Плоская
где лампочка
емкость
фильтр.
тания
сетевого
на
питания6: силовой
электронных схем,
три операции.
элементов в
15-20 %5.
Можно получить
и от
Во-первых,
трансформатор, выпрямитель,
напряжение, необходимое для пи¬
электросети. Для этого нужно произвести
постоянное
нужно
понизить сетевое
напряжение
высить его в зависимости от того, какое постоянное
получить.
2
Параллельно
увеличением разрядного
гальванические элементы
работать друг на друга,
примерно
6
тока
стараются
(см. рис. 3.9
и текст
не соединять:
далее).
при малейшей разнице (разные
производстве) элементы нач¬
с
расчетной.
Соответственно, для щелочной батарейки типа D предпочтительный ток будет составлять 0,75-0,9 А.
При увеличении разрядного тока в 5 раз, от 0,2 до 1 А, емкость элемента типа D (373) снижается
партии, разный срок хранения, просто
5
напряжение нужно
У щелочного элемента типа D (373) номинальная емкость намного больше: около 15-18 А-ч
(см. табл. 3.1), величина 3,2 А-ч характерна для солевых батареек типа 373 производства 1960-х годов.
Соответственно, рассчитанное время работы увеличится в пять раз. Однако не следует забывать про
нут
4
или по¬
Во-вторых, необходимо преобразовать переменное напряжение
снижение емкости с
3
током
батарейка
трех
карманном фонарике,
потребляет 280 мА, дает напряжение 3,3-3,7 В, и ее реальная
уменьшается
3. Блок
было бы при разряде небольшим
из
Блоки
в
полтора-два раза,
сетевого
(ИВЭП),
и емкость
питания
технологические отклонения в
существенно
снизится в
сравнении
в зависимости от изготовителя.
официально
называются
источниками
или, сокращенно, просто источниками питания.
вторичного
электропитания
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
462
так, чтобы
в его
спектре
появилась постоянная составляющая, и,
в-третьих,
фильтров отвести в сторону все переменные составляю¬
оставить
щие,
постоянную составляющую в чистом виде (рис. 17.1; 1).
Рассмотрим эти три операции чуть подробнее.
нужно
с помощью
Рис. 17.1. Простой блок сетевого питания
4.
Простейший расчет
сердечника, число
сечение
силового
витков в
трансформатора позволяет найти
и
диаметр провода. Пере¬
обмотках
редко 110 В.
10-15
В, в некото¬
Для транзисторных
напряжение
нужно
рых случаях, например для мощных выходных каскадов усилителей НЧ,
25-50 В7. Для питания анодных и экранных цепей электронных ламп чаще
всего используют постоянное напряжение 150-300 В, для питания накаль¬
менное
напряжение
в сети
схем
ных
бывает 220 В, реже 127 В
и совсем
постоянное
цепей переменное напряжение 6 В (точнее, 6,3 В,
три соединенные последовательно банки
кислотных
именно столько дают
автомобильных акку¬
рассчитанные на 6,3 В, можно питать от них). Все на¬
пряжения, необходимые для какого-либо устройства, получают от одного
муляторов,
и лампы,
трансформатора, который называют силовым.
Примечание редактора. В современных условиях напряжение
в бытовой сети в
России встречается только 220 В (по последним стандартам, подогнанным под
европейские, 230 В), 50 Гц. При этом надо учитывать, что реальное напряжение,
особенно в загородном доме, может опускаться и менее 200 В, поэтому обмотки
-
7
Дли
питания
конструкций
на
микросхемах обычно нужно
также
напряжение 5 В или, реже, 3,3 В.
ГЛАВА 17. Питание на любой вкус
463
трансформатора (см. далее) нужно рассчитывать с запасом в 10-15 %. Напряжение
110-120 В, 60 Гц стандарт в Америке и Японии. На борту авиалайнеров, на неко¬
торых судах, а также иногда в гостиницах можно встретить розетки с напряжением
обоих стандартов, при этом перепутать их невозможно из-за разной конструкции.
-
Силовой трансформатор собран
разборном стальном сердечнике из
изолированных друг
друга
Ш-образных, реже П-образных плас¬
тин
Его
а
точнее
площадь сечения средней части сер¬
(рис. 6.20).
размеры,
дечника, выбираются с учетом общей мощности, которую трансформатор
должен передать из сети всем своим потребителям. Упрощенный расчет
от
устанавливает такую зависимость:
в
квадрат, дает общую мощность
трансформатор
Ш-20,
на
тонких
сердечника S см2, возведенное
сечение
трансформатора
сердечником, имеющим стороны 3
с
30
в
Например,
ваттах.
см и
2
см
(пластины
мм),
набора
сердечни¬
потреблять от сети и «перерабатывать» мощность 36 Вт.
Это грубый, упрощенный расчет, но он дает вполне приемлемые резуль¬
таты
(рис. 17.1; 2).
И наоборот, если для питания электрического устройства нужна мощ¬
ность 36 Вт, то, извлекая квадратный корень из 36, узнаем, что сердечник
силового
трансформатора должен иметь сечение 6 см2. Например, должен
быть собран из пластин Ш-20 при толщине набора 30 мм, или из пластин
Ш-30 при толщине набора 20 мм, или из пластин Ш-24 при толщине набо¬
типа
6 см2,
ка
толщина
то есть с площадью сечения
может
ра 25 мм и т. д. Сечение сердечника нужно согласовать с мощностью, для
чтобы сталь сердечника не попадала в область магнитного насыщения.
того
А отсюда вывод:
сечение всегда можно
брать
с
избытком,
6 см2 взять сердечник сечением 8 см2 или 10 см2.
А
Хуже
будет.
от этого не
с сечением меньше
вот взять
скажем, вместо
нельзя
-
расчетного уже
сердеч¬
сердечник
область насыщения, индуктивность его обмоток уменьшит¬
ся, упадет их индуктивное сопротивление, увеличатся токи, трансформа¬
ник попадет в
тор перегреется и выйдет из строя.
В силовом трансформаторе несколько обмоток.
Во-первых, две сетевые
127 В. Правда, отдельных об¬
для включения в сеть с напряжением 220 В и
моток для каждого напряжения не делают. В обмотке для напряжения
220 В витков больше, чем в обмотке для 127 В, и обмотки переключают
таким
образом,
что
при напряжении
добавляют некоторое
Кроме
ко
сетевых
сети
220 В
к
(рис. 17.1; З)8.
трансформаторе
количество витков
обмоток,
в сетевом
угодно вторичных, каждая
на
свое
повышающая для анодного
выпрямителя. В
на
-
быть
сколь¬
трансформаторе
накальная на
трансформаторе
6,3 В
и
для пита¬
обмотка, которая
питает один
какой-либо транзистор нужно подать
пониженное
ния транзисторных схем чаще всего одна
выпрямитель. Если
может
напряжение. В
для питания ламповых схем обычно две обмотки
8
обмотке 127 В просто
В современных блоках питания отвод на напряжение 127 В предусматривать не
требуется.
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
464
напряжение,
то его
го
или делителя
резистора
Необходимое
ток подсчитать
больше
от того же
выпрямителя
с помощью гасяще¬
напряжений.
первичных и вторичных обмо¬
раз одно напряжение должно быть
соотношение числа витков
нетрудно:
или меньше
быть больше
во сколько
другого,
во столько же
раз
и число витков должно
(гл. 6; 25). Но отсюда вовсе не следует, что
обмотках может быть произвольным. Число витков
или меньше
число витков в
мотках
получают
определяется
от
стали.
сорта
нием
127 В
-
обмотка
его
разделив 55-70
если из нашего
на сечение
примера
в квад¬
сердечника
взять
сердечник
с сече¬
то для него
что
-
на
Теперь
сердечника,
получится «число витков на вольт» примерно 10.
обмотки будут иметь такие данные: на 110 В -1100 витков;
1270 витков; на 220 В 2200 витков. Если понадобится вторичная
6 см2,
Это значит,
на
об¬
Для распространенных типов стали можно най¬
ти «число витков на вольт»,
ратных сантиметрах. Так,
в
характеристике трансформатора, которая
по важной
называется «число витков на вольт», и зависит от сечения
материала,
само
25 В,
будет 250 витков.
выбрать намоточный провод. Для трансформаторов
то в ней
остается
используют медный провод с тонкой эмалевой изоляцией (под назва¬
нием ПЭВ или ПЭВ-2),
причем обычно один тип такого провода можно
Диаметр провода выбирается из соображений малых
потерь энергии в самом трансформаторе и хорошего отвода тепла. Если
взять слишком тонкий
провод, то он, во-первых, будет обладать большим
и
сопротивлением
отбирать значительную часть энергии, которую транс¬
форматор должен передать своим потребителям.
Ну а во-вторых, тонкий провод из-за малой поверхности охлаждения
будет плохо отдавать тепло в окружающую среду, а это может привести
к
перегреву трансформатора. За перегревом последует разрушение изо¬
заменять
другим.
и в итоге
лирующего покрытия провода,
кание. А это явление
чрезвычайно
соединившись, создают так называемый
группу витков), который,
ную
по
-
короткозамкнутый
замкнутую накоротко.
как
утюг,
виток
(или
самостоятель¬
Сопротивление
витка очень мало, ток в нем создается
форматор раскаляется,
замы¬
два соседних проводника,
сути дела, представляет собой
обмотку трансформатора,
роткозамкнутого
короткое междувитковое
опасное
ко¬
огромный, транс¬
начинает дымиться и, конечно,
быстро
выходит из строя.
Диаметр
миллиметр
провода
сечения
выбирают
из
провода. А
расчета 2-2,5 А
что делать, если
каждый квадратный
вдруг окажется, что об¬
на
выбранного сердечника не умещается? Диаметр провода
число витков тоже; остается
нельзя,
собирать сердечник из
уменьшать
пластин с большим окном.
этом
При
увеличится сечение сердечника, а
мотка в окне
значит, меньше станет «число витков на вольт» и вместе с ним
витков
-
придется
все
пересчитать.
общее число
ГЛАВА 17. Питание на любой вкус
465
Примечание редактора. Более
V7J,
точная формула для диаметра провода d = 0,8
где /. -ток в обмотке /' в амперах. Величина тока рассчитывается, исходя из заданной
Если сечение магнитопровода
мощности и напряжения в данной обмотке / (Р./
U).
выбрано верно (суммарная мощность всех обмоток не превышает мощности транс¬
форматора), то, как правило, рассчитанная таким образом обмотка автоматически
умещается в окне выбранного магнитопровода, даже с учетом запаса в 10-15 %.
трансформатора нужно проявить все свое
терпение
аккуратность. Провод укладывают ровными слоями виток к
витку, между слоями кладут тонкую бумагу, особое внимание обращают
При
изготовлении силового
и
на то,
чтобы
время
в
с
краев один слой
силовые
не
проваливался
трансформаторы
трансформаторы
изготавливать
продаже бывают
самых
на
другой. Конечно, в наше
самому приходится редко,
разных
том этого
приведенные простейшие расчетные
данные могут быть полезны для того, чтобы
типов.
Но даже
соотношения и
с
уче¬
справоч¬
выбрать трансформатор,
Кроме того, иногда
приходится переделывать трансформаторы, например трансформатор от
лампового
приемника приспосабливать для питания транзисторных схем.
В этом случае, убедившись, что трансформатор подходит по мощности,
по диаметру провода первичной (сетевой) обмотки, можно эту обмотку
оставить
нетронутой и только намотать новую вторичную обмотку, пред¬
варительно рассчитав ее. Все эти работы, еще раз повторяем, нужно делать
ные
проверить, подходит ли
он для данного
блока
питания.
очень аккуратно.
Примечание редактора. Пересчитать любой сетевой трансформатор на новую об¬
мотку очень просто. Для этого, не разбирая трансформатор, нужно поверх имею¬
щихся намотать несколько витков любого провода, включить трансформатор в сеть
и измерить переменное напряжение на этой временной обмотке. Поделив число
намотанных витков на полученную величину, получаем число витков на вольт для
данного
трансформатора, которое одинаково для всех обмоток (можно даже под¬
первичной, сетевой обмотке, если надо). После этого оста¬
считать число витков в
нется только умножить полученную величину на
необходимое напряжение.
5.
Выпрямленное напряжение и основная частота пульсаций зависят
выбрана схема выпрямителя однополупериодная или
двухполупериодная (мостовая). При всех расчетах трансформаторов воз¬
от того, какая
-
вопрос: на какое напряжение должна быть рассчитана вторичная
обмотка? Напряжение, которое указано для сети,
это
эффективное на¬
никает
-
пряжение, амплитуда в сети 220 В достигает 310 В, в сети 127 В амплитуда
180 В (гл. 6; 7).
И при расчете вторичных обмоток тоже исходят из эффективного напря¬
-
амплитуда будет на 40 % выше. А вот если на¬
пряжение со вторичной обмотки подать на выпрямитель, то чему будет рав¬
жения на них, понимая, что
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
466
но выпрямленное, постоянное
эффективному
напряжение? Амплитуде переменного?
значению? Или,
может
быть, какой-либо
Поставим вопрос иначе: если задано выпрямленное напряжение, то
его
получить,
зывается,
какое для этого
что это зависит от
фильтра.
Простейшая
иметь
нужно
выбора
схема
переменное
схемы
Его
иной величине?
как
напряжение? Ока¬
выпрямителя
и от элементов
выпрямления
однополупериодная, уже знакомая
нам по
каскадам
детекторным
приемника. Но только там мы выделя¬
ли
из
переменных составляющих (низкочастотную), а постоянную
одну
отбрасывали, не пускали к усилителю НЧ. А в выпрямителе нам нужна
-
составляющая пульсирующего тока (рис. 17.1; 1), и
к
подвести
нужно
нагрузке. Однополупериодный выпрямитель
работает через такт, использует энергию только одного полупериода пере¬
именно
постоянная
только ее
менного
сетевого
напряжения.
При
напряжения,
то есть
этом частота
50 Гц,
тока составляет
пульсирующего
импульсов
такая же, как и частота
а постоянная составляющая в
примерно 32 %
от
спектре
амплитуды импульса
(рис. 17.2; 1).
Рис. 17.2. Различные схемы выпрямления переменного
Если
тока
однополупериодных выпрямителя, включить в них дио¬
образом, чтобы они пропускали ток поочередно, и затем вы¬
взять два
ды таким
прямленный ток от каждого из них направить в общую нагрузку, то полу¬
двухполупериодный выпрямитель (рис. 17.2; 2). Благодаря такому
остроумному схемному фокусу ток по нагрузке будет протекать без пауз,
частота
пульсаций станет в два раза выше и составит уже 100 Гц, а посто¬
чится
янная составляющая
достоинства:
ние можно
в
двухполупериодной
получить при
сокой частотой
от
увеличится до 64 %
меньшем
легче сгладить
от
амплитуды. Все это, конечно,
схеме заданное постоянное
переменном,
конденсатором,
нагрузки переменную составляющую.
Ну,
а
пульсации
фильтрам
с
напряже¬
более
вы¬
легче отводить
а плата за эти достоинства
-
ГЛАВА 17. Питание на любой вкус
схемы:
усложнение
теперь
467
ней,
в
по
сути дела, два выпрямителя
вместо
одного.
Существуют
нужно
иметь
их, правда,
например два полупроводниковых диода, и
вторичные обмотки в силовом трансформаторе. Обычно
два
две отдельные
Для одной
две разновидности двухполупериодных схем.
вентиля,
выполняют в виде
одной обмотки
с отводом от
средней
точки,
и при этом автоматически получается нужная полярность напряжения,
подводимого к диодам: когда на конце одной обмотки (или, точнее, од¬
ной
средней точки, на конце другой «ми¬
и когда один диод
нус»
пропускает ток,второй не пропускает. Во время
следующего полупериода полярность напряжения на вторичной обмот¬
ке меняется: меняются местами «плюс» и
«минус», и тот диод, который
что не пропускал,
оказывается
а
тот,
пропускал ток,
закрытым,
откры¬
тым
половинка
(рис. 17.2; 2). Каждая
вторичной обмотки трансформатора
секции)
«плюс» относительно
-
-
для такой схемы должна давать расчетное напряжение,
выпрямителя, а вся обмотка
удвоенное напряжение.
необходимое
для
-
В мостовой
чается
схеме
(рис. 17.2; 3)
двухполупериодное выпрямление полу¬
без двух отдельных переменных
достаточно иметь одну вторичную
напряжений,
обмотку.
Но
за это
для мостовой схемы
приходится
платить
мостовой схеме их 4, а не 2. Если
двумя дополнительными диодами
разобраться в начертании мостовой схемы, то окажется, что в ней просто
найден такой способ включения диодов, при котором ток через нагрузку
-
в
при любой полярности напряжения на вторичной обмотке идет в одну
и
ту же сторону. В выпрямителях блока питания используют мощные
выпрямительные диоды (гл. 9; 13), хотя при небольших токах вполне мо¬
гут подойти
и маломощные
постоянного тока,
который
импульсные. Диоды
подбирают
по величине
должен давать выпрямитель, и по
напряжению (табл. 9.1), которое для страховки всегда
обратному
считают
равным
обмотке.
на
удвоенной амплитуде переменного напряжения
вторичной
Это, однако, еще не означает, что выпрямленное напряжение действитель¬
но
получается равным амплитуде переменного напряжения.
чересчур жесткое требование, на
практике достаточно величины предельно допустимого напряжения диодов, при¬
мерно на четверть-треть большей, чем амплитуда переменного напряжения. Напри¬
мер, номинальное напряжение бытовой сети в России 230 В ±10 %, максимальному
Примечание редактора. Удвоенная амплитуда
-
действующему напряжению 230 + 10 % 253 В соответствует 357 В амплитудного
значения. Запаса в 100 В (около 30 % от номинального значения) достаточно, ито¬
=
го получаем минимально необходимое допустимое обратное напряжение диодов
для сетевого выпрямителя около 450 В. Тут еще дело в том, что от вполне возмож¬
ных в бытовой сети кратковременных пиков напряжения, превышающих 1000 В и
более (что случается не так уж редко
уличной проводки), подбором
вить же в
-
например, при ударе
молнии вблизи сетевой
диодов все равно защититься невозможно
-
каждый бытовой прибор выпрямительные столбы, рассчитанные
не ста¬
на ки¬
ЭЛЕКТРОНИКА ШАГ ЗА ШАГОМ
468
ловольты, правда? Но дело облегчается тем, что кратковременные перенапряжения
для выпрямительных диодов не опасны: они вызывают обратимый пробой, после
быстро восстанавливается (точно так же неопасны кратковремен¬
перегрузки по току). А всплеск выпрямленного напряжения, возникающий как
следствие подобных явлений, гасится сглаживающими фильтрами, причем в совре¬
менных импульсных источниках питания (см. далее) такие всплески в принципе не
которого диод
ные
могут попасть
на выход.
выпрямленное напряжение после фильтра, равное амплитуде перемен¬
ного, невозможно прежде всего потому, что даже в отсутствие нагрузки (холостой
ход выпрямителя) через электролитические конденсаторы большой емкости, уста¬
Получить
новленные в фильтре, протекаетток утечки. Этотток, подобно току нагрузки, создает
падение напряжения на диодах (см. рис. 9.5). Надо учитывать также, что в мостовой
схеме падение напряжения на диодах вдвое
по
варианту рис. 17.2; 2: при
При
в сумме составляет не менее 2 В.
ствительные потери,
больше,
чем в
двухполупериодной
выпрямительных диодов оно
выпрямленных напряжениях это чув¬
номинальном токе для
которые резко
малых
КПД всей
снижают
системы. В современных
качественных системах вторичного электропитания, особенно достаточно мощных,
от выпрямительных диодов постепенно отказываются в пользу полевых транзисто¬
ров
(MOSFET)
в качестве
ключей, открываемых
и
запираемых в нужные моменты
времени, в которых потери гораздо меньше.
6.
Фильтр
пульсации и, кроме того, влия¬
величину выпрямленного напряжения. Чтобы отвести от нагруз¬
ки
переменную составляющую, сгладить пульсации напряжения, кото¬
рое подводится к нагрузке, после диодов включают фильтр, обычно из
ет
