Шаг за шагом. Транзисторы

На рис. 110 приведена схема усилителя НЧ с выходной мощностью 2,5–3 вт. Его второй каскад — фазоинвертор с разделенными нагрузками. После него следуют два совершенно одинаковых эмиттерных повторителя (Т₃, Т₄), каждый из которых подает сигнал на свое плечо двухтактного выходного каскада. Для громкоговорителя с сопротивлением звуковой катушки 5 ом выходной трансформатор может иметь следующие данные: сердечник сечением 3 см²; обмотка 1 — 2х200 витков ПЭ 0,33, обмотка II — 100 витков ПЭ 0,8.

Рис. 110. Усилитель НЧ с выходной мощностью 2,5–3 вт.

Налаживание всех усилителей НЧ сводится к подбору режимов транзисторов. Для двухтактных схем желательно предварительно подобрать для обоих плеч транзисторы с близкими параметрами: коэффициентом усиления по току β и обратным током коллектора I_ко. Если все детали исправны и схема собрана правильно, то усилитель, как правило, сразу начинает работать. И единственная серьезная неприятность, которая может обнаружиться при включении усилителя, — это самовозбуждение. Один из способов борьбы с ним — введение развязывающих фильтров (аналогичных R₁₄C₅ в схеме рис. 104—6), которые предотвращают связь между каскадами через источники питания (рис. 77). С другими способами борьбы с самовозбуждением мы познакомимся в следующем разделе книги, после того, как выясним некоторые подробности превращения усилителя в генератор.

Человек, изучающий электронику, подобен туристу, плывущему мимо красивейших берегов Крыма или Кавказа и вынужденному наблюдать эти берега лишь с борта корабля. Человек, изучающий электронику, очень часто проплывает мимо изумительно красивых явлений природы, мимо очень важных, можно даже сказать — фундаментальных, научных проблем и не имеет возможности сойти на берег, чтобы познакомиться с ними. Иначе путешествие слишком затянется или даже изменится его конечный маршрут. (Последнее, кстати, совсем неплохо, но только не в начале пути. Есть немало примеров того, как радиоинженеры уходили в биологию, ракетостроение, математику, химию, медицину, геофизику, сельское хозяйство, астрономию и другие области. Обогащенные методами и идеями электроники, они открывали в этих областях науки новые направления или, подобно катализатору, резко ускоряли ход исследований.)

Мы с вами уже прошли мимо таких интересных и общих проблем как преобразование структуры вещества, универсальность гармонических (синусоидальных) колебаний, преобразование спектра сигнала, согласование генератора с нагрузкой, управление мощными потоками энергии с помощью слабых сигналов и др. Сейчас нам предстоит встреча еще с одним общим, универсальным явлением — с возникновением автоколебаний.

Мы часто встречаем механические автоколебания: вибрация самолетного крыла и автоколебания в гидравлических системах (вам наверняка приходилось слышать «поющий» водопроводный кран), и автоколебания далеких звезд, и автоколебания в мире атома, автоколебания при ядерных реакциях и электромагнитные автоколебания. Есть серьезные основания думать, что автоколебания играют важнейшую роль и в живой природе, что сама жизнь — это огромное многообразие разного рода, разной степени сложности биохимических автоколебаний.

Что же такое автоколебания? Энциклопедический словарь определяет их так: «…незатухающие колебания, которые могут существовать в какой-либо системе в отсутствие переменного внешнего воздействия, причем амплитуда и период колебаний определяются свойствами самой системы». Применительно к транзисторному устройству, где создаются автоколебания (вы уже, конечно, догадались, что именно такое устройство и называется транзисторным генератором), это определение нужно понимать следующим образом. Мы подводим к генератору только питающее постоянное напряжение, а он дает нам непрерывные, непрекращающиеся электрические колебания (конечно, когда батарея разрядится, то колебания прекратятся, но об этом сейчас не стоит говорить). Генератор создает в своих цепях переменный ток и переменное напряжение, частота и амплитуда которых зависят только от элементов самой транзисторной схемы.

Очевидно, это определение направило ваши мысли к колебательному контуру. Ведь в нем тоже под действием постоянной порции энергии, например под действием энергии, полученной при зарядке конденсатора, возникают электрические колебания. И частота этих колебаний тоже зависит только от элементов самой системы — от индуктивности L_к катушки к емкости С_к конденсатора (Воспоминание № 20). Однако собственные колебания в контуре постепенно затухают, и таким образом нарушается основной элемент определения — «…незатухающие колебания».

И все же мы обратились к колебательному контуру не напрасно. В сочетании с транзисторным усилителем он позволяет получить самый настоящий генератор автоколебаний.

Почему затухают колебания в контуре? Потому что часть энергии теряется на активном сопротивлении потерь R_к и постепенно оно отбирает и превращает в тепло или в излучения всю запасенную в контуре энергию. Отсюда следует: чтобы колебания в контуре стали незатухающими, нужно ликвидировать сопротивление потерь. Или каким-то образом его скомпенсировать.

Вы уже, конечно, вспомнили, что у нас в арсенале есть эффективное средство борьбы с сопротивлением — R_к. Это положительная обратная связь, которую мы уже применяли в регенеративном усилителе (рис. 99). Но только, если в усилителе обратная связь не должна полностью компенсировать потери, в генераторе потери должны быть скомпенсированы полностью.

Здесь-то как раз и проходит граница между усилителем и генератором. До тех пор, пока в контуре еще есть сопротивление R_к, мы имеем усилитель. Но как только это сопротивление исчезает, как только обратная связь полностью компенсирует все потери, усилитель становится генератором, в нем происходит самовозбуждение. Это значит, что на вход усилителя уже не нужно подавать управляющий сигнал (когда-то его называли «возбуждением», и отсюда слово «самовозбуждение»). Как только в контур попадет порция энергии — а это может произойти при любом толчке тока, например при включении питания, — то в контуре возникнут колебания, которые благодаря достаточно сильной обратной связи станут незатухающими. Рожденный в контуре и усиленный транзистором сигнал вновь возвращается в контур, чтобы участвовать в управлении работой транзистора. Транзистор сам создает для себя управляющий сигнал, работает в режиме самовозбуждения, а значит, генерирует незатухающий переменный ток. И, конечно же, поставщиком энергии для него, как всегда, является коллекторная батарея.

Чтобы автогенератор давал электрические колебания с неизменной амплитудой, нужно решить чрезвычайно сложную задачу: нужно, чтобы вносимое в контур отрицательное сопротивление было в точности равно собственному сопротивлению потерь, чтобы в контур через цепь обратной связи поступало ровно столько энергии, сколько нужно для компенсации потерь. Не меньше и не больше, потому что, если ввести в контур хоть чуть-чуть меньше энергии, чем нужно, колебания рано или поздно затухнут. А если ввести хоть немного лишней энергии, то амплитуда колебаний будет расти. Осуществить столь точную, ювелирную дозировку вводимой в контур энергии просто невозможно. Если даже в какой-то момент путем тщательнейшего подбора расстояния между контурной катушкой L_к и катушкой обратной связи L_ксв удастся установить необходимый баланс, то уже через мгновение он по какой-либо причине окажется нарушенным. То ли легкая вибрация (например, из-за проехавшего по улице автомобиля) сдвинет катушки на какой-нибудь микрон, то ли напряжение батареи уменьшится на какой-нибудь микровольт, то ли сопротивление проводов увеличится на какие-то доли ома из-за легкого дуновения ветерка. Одним словом, автогенератор всегда находится в неустойчивом динамическом состоянии, и, для того чтобы амплитуда колебаний оставалась постоянной, нужно ввести некое автоматическое устройство, которое все время регулировало бы степень положительной обратной связи.