Шаг за шагом. Транзисторы

Источником слабого сигнала, который нам предстоит усилить, может быть антенна приемника или телевизора, звукосниматель, движущийся по пластинке, микрофон, фотоэлемент и масса других устройств. Но мы не будем вдаваться в подробности — сейчас они несущественны — и договоримся, что слабый сигнал поступает из какого-то условного генератора, из закрытой «коробочки» с надписью «Слабый сигнал». Мы видим лишь две клеммы этого условного генератора, между которыми и действует непрерывно меняющееся напряжение U_сиг. Если подключить к клеммам генератора электрическую цепь, в простейшем случае одиночный резистор R_вх (почему это сопротивление названо входным, мы скажем позже), то в этой цепи пойдет меняющийся ток I_сиг.

Итак, источник слабого сигнала дает напряжение U_сиг, а по резистору R_вх проходит ток I_сиг. А что является тем самым сигналом, который нужно усилить, — ток или напряжение? И что в результате усиления должно возрасти — U_сиг или I_сиг?

Какой-либо физический процесс может характеризоваться несколькими связанными между собой показателями. Движение автомобиля, например, характеризуется скоростью, пройденным расстоянием и временем, в течение которого машина находится в пути. А то, что происходит на каком-нибудь участке электрической цепи, характеризуется напряжением U на этом участке, его сопротивлением R и током I. Все три величины связаны между собой: величина тока I зависит от U и от R. Описание этой зависимости (словами или в алгебраическом виде, то есть в виде формул) называется законом Ома.

Этот закон всем вам наверняка известен, но мы все же уделим ему несколько строк. Как-никак это главный закон электрических цепей, и не зря радисты шутят: «Не знаешь закон Ома — сиди дома!»

Электрическое напряжение, грубо говоря, создается неравновесием электрических зарядов на каком-нибудь участке цепи, например на концах наших резисторов R_вх или R_вых.

Если в самом резисторе имеется одинаковое количество положительных и отрицательных зарядов и если распределены они равномерно, то никакого напряжения на этом резисторе не будет. А вот если на одном конце резистора отрицательных зарядов — электронов — больше, чем на другом конце, то между этими концами как раз и будет действовать напряжение. Чем больше неравенство, неравновесие зарядов, тем больше и напряжение.

Разумеется, электрическое напряжение само по себе не появляется. Его создают, затрачивая на это определенную энергию. Напряжение на выходе батареи, например, создается за счет химической энергии. Напряжение на выходе звукоснимателя появляется за счет работы, которую совершает игла, двигаясь по извилистой звуковой дорожке. Напряжение на выходе микрофона создается энергией звуковых колебаний. Напряжение в цепи антенны приемника или телевизора возникает от воздействия на эту антенну электромагнитных волн.

Напряжение, действующее на каком-либо участке цепи, создает на этом участке ток — упорядоченное движение свободных электрических зарядов. Довольно часто током называют движение свободных электронов. И действительно, во многих случаях в электрической цепи движутся только одни электроны. Но если в каком-либо элементе цепи имеются и другие положительные либо отрицательные свободные (то есть не привязанные к определенному месту) заряды, то под действием напряжения и они начнут двигаться. Заряды всегда двигаются оттуда, где их слишком много, туда, где их не хватает. Образно говоря, электрический заряд всегда ищет, где посвободнее, где меньше таких же, как и он сам, зарядов-конкурентов. Так, положительные заряды двигаются от «плюса» к «минусу», а отрицательные — от «минуса» к «плюсу» (см. стр. 142. Воспоминание № 2).

Чем больше напряжение, тем больше ток, тем интенсивнее движение свободных зарядов. Об этом и говорит первая часть закона Ома: «Ток I прямо пропорционален напряжению U…»

На второй части закона — «ток I обратно пропорционален сопротивлению R» — мы остановимся более подробно. Хотя бы потому, что само слово «сопротивление» — «резистор» — входит (и не случайно!) в имя нашего главного героя.

Сопротивление, а точнее, электрическое сопротивление представляет собой характеристику какого-либо элемента или участка электрической цепи, подобно тому как диаметр труб является характеристикой нефтепровода, угол наклона — характеристикой шоссейной дороги, концентрация молекул — характеристикой газа. О каких же свойствах участка электрической цепи (или всей цепи в целом) говорит величина сопротивления? Сопротивление говорит о том, насколько большой ток может возникать на участке цепи под действием напряжения.

Если в двух разных участках электрической цепи под действием одного и того же напряжения возникают разные токи, то это может быть только потому, что сопротивление участков различно.

Существует еще одна характеристика цепи, которая называется проводимостью и представляет собой величину, обратную сопротивлению. О каком-либо участке цепи можно сказать, что у него малая проводимость, или, что то же самое, большое сопротивление. Проводимостью иногда пользуются при описании или расчете электрических цепей.

Упростив картину, можно сказать, что сопротивление какого-либо элемента цепи зависит от того, сколько в нем свободных зарядов. Если в участке цепи нет свободных зарядов, то по ней ток не пойдет. Да и какой может быть ток, если некому двигаться! Цепь разорвана, в нее включен изолятор, сопротивление которого бесконечно велико. Чем больше свободных зарядов в проводящем участке цепи, тем большим будет ток при одном и том же напряжении, тем, иными словами, меньше сопротивление этого участка цепи. Именно в этом смысле и нужно понимать вторую часть закона Ома: «…ток обратно пропорционален сопротивлению». А если вам понадобится определить сопротивление участка цепи, то для этого можно воспользоваться простой расчетной формулой, вытекающей из закона Ома (Воспоминание № 3).

Закон Ома говорит о том, что при неизменном сопротивлении R_вх величина тока I_вх зависит только от напряжения U_сиг. Увеличивается напряжение — растет и ток, уменьшается напряжение — и в такой же степени падает ток. А это значит, что график тока I_сиг будет точной копией графика U_сиг. Поэтому понятие «электрический сигнал» в данном случае относится в равной степени и к напряжению, и к току, к этим спаренным характеристикам единого процесса.

Мы постепенно приближаемся к тому, чтобы выяснить, как работает транзисторный усилитель, как он усиливает слабый электрический сигнал. Но еще до этого нам предстоит задуматься над тем, что должно возрасти в результате усиления сигнала — ток или напряжение? Ответить на этот вопрос по существу не просто, и в поисках ответа нам придется еще раз оглянуться назад.

Кроме закона Ома, есть еще одно очень важное соотношение, без понимания которого нечего и думать о знакомстве с электрическими цепями и тем более с электронными усилителями. Это соотношение касается мощности: электрическая мощность Р равна произведению напряжения U на ток I (Воспоминание № 4). Строго доказать справедливость этого равенства не составляет труда, но для экономии времени мы докажем его с помощью нескольких упрощенных рассуждений.

Мощность — это работа, выполняемая за единицу времени. Единица мощности ватт (вт) соответствует работе в 1 джоуль (дж), которая выполнена за 1 секунду (сек).

Теперь о напряжении и токе.

Электрическое напряжение — например, напряжение на каком-либо резисторе — говорит о том, какую работу выполнит электрический заряд, пройдя по этому резистору. Если заряд в 1 кулон (к) (для того чтобы получить такой единичный заряд, достаточно собрать вместе 6,3·10¹⁸ электронов) пройдет по участку цепи, на котором действует напряжение в 1 вольт (в), то этот заряд совершит работу 1 джоуль (дж).