РАДИОЭЛЕКТРОНИКА И ЭЛЕКТРОТЕХНИКА

Итак, биполярный транзистор, независимо от его структуры, является трехэлектродным прибором. Его электроды — эмиттер, коллектор и база. Для использования транзистора в качестве усилителя напряжения, тока или мощности входной сигнал, который надо усилить, можно подавать на два каких — либо электрода и с двух электродов снимать усиленный сигнал. При этом один из электродов обязательно будет общим. Он — то и определяет название способа включения транзистора: по схеме общего эмиттера (ОЭ), по схеме общего коллектора (ОК), по схеме общей базы (ОБ).

• Включение p-n-р транзистора по схеме ОЭ показано на (рис. 5, а). Напряжение источника питания на коллекторе транзистора V подается через резистор Rк, являющийся нагрузкой, на эмиттер — через общий «заземленный» проводник, обозначаемый на схемах специальным знаком. Входной сигнал через конденсатор связи Ссв. подается к выводам базы и эмиттера, т.е. к участку база — эмиттер транзистора, а усиленный сигнал снимается с выводов эмиттера и коллектора. Эмиттер, следовательно, при таком включении транзистора является общим для входной и выходной цепей. Транзистор, по схеме с ОЭ, в зависимости от его усилительных свойств может дать 10 — 200 — кратное усиление сигнала по напряжению и 20 — 100 — кратное усиление сигнала по току. Такой способ включения транзистора по схеме с ОЭ пользуется у радиолюбителей наибольшей популярностью. Существенным недостатком усилительного каскада на транзисторе, включенном по такой схеме, является его сравнительно малое входное сопротивление — всего 500-1000 Ом, что усложняет согласование усилительных каскадов, транзисторы которых включают по такой же схеме. Объясняется это тем, что в данном случае эмиттерный р — n переход транзистора включен в прямом, т.е. пропускном, направлении. А сопротивление пропускного перехода, зависящее от прикладываемого к нему напряжения, всегда мало. Что же касается выходного сопротивления такого каскада, то оно достаточно большое (2-20 кОм) и зависит от сопротивления нагрузки Rк и усилительных свойств транзистора.

• Включение транзистора по схеме ОК показано на (рис. 5, б). Входной сигнал подается на базу и эмиттер через эмиттерный резистор Rэ, который является частью коллекторной цепи. С этого же резистора, выполняющего функцию нагрузки транзистора, снимается и выходной сигнал. Таким образом, этот участок коллекторной цепи является общим для входной и выходной цепей, поэтому и название способа включения транзистора — ОК. Каскад с транзистором, включенным по такой схеме, по напряжению дает усиление меньше единицы. Усиление же по току получается примерно такое же, как если бы транзистор был включен по схеме ОЭ. Но зато входное сопротивление такого каскада может составлять 10 — 500 кОм, что хорошо согласуется с большим выходным сопротивлением каскада на транзисторе, включенном по схеме ОЭ. По существу, каскад не дает усиления по напряжению, а лишь как бы повторяет подведенный к нему сигнал. Поэтому транзисторы, включаемые по такой схеме, называют также эмиттерными повторителями. Почему эмиттерными? Потому что выходное напряжение на эмиттере транзистора практически полностью повторяет входное напряжение. Почему каскад не усиливает напряжение? Давайте мысленно соединим резистором цепь базы транзистора с нижним (по схеме) выводом эмиттерного резистора Rэ, как показано на (рис. 5, б) штриховыми линиями. Этот резистор — эквивалент внутреннего сопротивления источника входного сигнала Rвх., например микрофона или звукоснимателя. Таким образом, эмиттерная цепь оказывается связанной через резистор Rвх. с базой. Когда на вход усилителя подается напряжение сигнала, на резисторе Rэ, являющемся нагрузкой транзистора, выделяется напряжение усиленного сигнала, которое через резистор Rвх. оказывается приложенным к базе в противофазе. При этом между эмиттерной и базовой цепями возникает очень сильная отрицательная обратная связь, сводящая на нет усиление каскада. Это по напряжению. А по току усиления получается такое же, как и при включении транзистора по схеме с ОЭ.
• Теперь о включении транзистора по схеме с ОБ (рис. 5, в). В этом случае база через конденсатор Сб по переменному току заземлена, т. е. соединена с общим проводником питания. Входной сигнал через конденсатор Ссв. подают на эмиттер и базу, а усиленный сигнал снимают с коллектора и с заземленной базы. База, таким образом, является общим электродом входной и выходной цепей каскада. Такой каскад дает усиление по току меньше единицы, а по напряжению — такое же, как транзистор, включенный по схеме с ОЭ (10 — 200). Из — за очень малого входного сопротивления, БК превышающего нескольких десятковом (30-100) Ом, включение транзистора по схеме ОБ используют главным образом в генераторах электрических колебаний, в сверхгенеративных каскадах, применяемых, например, в аппаратуре радиоуправления моделями.

Чаще всего как я уже говорил применяются схемы с включением транзистора с ОЭ, реже с ОК. Но это только способы включения. А режим работы транзистора как усилителя определяется напряжениями на его электродах, токами в его цепях и, конечно, параметрами самого транзистора. Качество и усилительные свойства биполярных транзисторов оценивают по нескольким электрическим параметрам, которые измеряют с помощью специальных приборов. Вас же, с практической точки зрения, в первую очередь должны интересовать три основных параметра: обратный ток коллектора Iкбо, статический коэффициент передачи тока h213 (читают так: аш два один э) и граничная частота коэффициента передачи тока Fгр.

• Обратный ток коллектора Iкбо — это неуправляемый ток через коллекторный р — n переход, создающийся неосновными носителями тока транзистора. Он характеризует качество транзистора: чем численное значение параметра Iкбо меньше, тем выше качество транзистора. У маломощных низкочастотных транзисторов, например, серий МП39 — МП42, Iкбо не должен превышать 30 мкА, а у маломощных высокочастотных 5 мкА. Транзисторы с большими значениями Iкбо в работе неустойчивы.
• Статический коэффициент передачи тока h21э характеризует усилительные свойства транзистора. Статическим его называют потому, что этот параметр измеряют при неизменных напряжениях на его электродах и неизменных токах в его цепях. Буква «Э» в этом выражении указывает на то, что при измерении транзистор включают по схеме ОЭ. Коэффициент h21э характеризуется отношением постоянного тока коллектора к постоянному току базы при заданных постоянном обратном напряжении коллектор — эмиттер и токе эмиттера. Чем больше численное значение коэффициента h21э, тем большее усиление сигнала может обеспечить данный транзистор.
• Граничная частота коэффициента передачи тока Fгр, выраженная в килогерцах или мегагерцах, позволяет судить о возможности использования транзистора для усиления колебаний тех или иных частот. Граничная частота Fгр транзистора МП39, например, 500 кГц, а транзисторов П401 — П403 — больше 30 МГц. Практически транзисторы используют для усиления частот значительно меньше граничных, так как с повышением частоты коэффициент h21э транзистора уменьшается.

При конструировании радиотехнических устройств надо учитывать и такие параметры транзисторов, как максимально допустимое напряжение коллектор — эмиттер Uкэ max, максимально допустимый ток коллектора Iк.max а также максимально допустимую рассеиваемую мощность коллектора транзистора Рк.max — мощность, превращающуюся внутри транзистора в тепло.

Простая петлевая обмотка называется такая обмотка, в которой начало и конец секции присоединяются к рядом лежащим коллекторным пластинам. Начало второй секции присоединяется к коллекторной плас­тине вместе с концом первой секции и т.д. (рисунок 1.15). За один обход поверхности якоря укладываются все секции обмотки и она замыкается. Соединенные секции

Рисунок 1.15

 

образуют петли, поэтому обмотка называется петлевой. Для такой обмотки y_к=1.

При выполнении петлевой обмотки возможны два случая:

1. Конец секции присоединяется к коллекторной пластине, находящейся справа от исходной. Такую обмотку называют правоходовой. Для нее y_к= +1.

2. Конец секции присоединяется к коллекторной пластине, находя­щейся слева от исходной. Такую обмотку называют левоходовой. Для нее y_к= –1. В общем случае простой петлевой обмотки y_к= ± 1.

Из рисунка 1.15 видно, что между шагами обмотки существует следующая связь

Если полюсное деление якоря измерять в элементарных пазах, то первый частичный шаг находится по формуле

где  z_э – число элементарных пазов;

       р – число пар полюсов машины;

       E – наименьшая дробь, при которой у₁, становится целым числом.

Эта формула справедлива для любого типа обмотки. При E=0, т.е. y₁=τ получается обмотка с полным (диаметральным) шагом рисунок 1.17; если y₁<τ – обмотка с укороченным шагом; если y₁>τ – обмотка с удлиненным шагом. Укорочение и удлинение шага обмотки ведет к уменьшению ЭДС наводимой в секции. Однако при укорочении шага одновременно уменьшается длина лобовых частей, при удлиненным же шаге она возрастает. Обмотки с удлиненным шагом, как пра­вило, не применяются.

Рис. 16

На рисунке 1.16 представлена развернутая схе­ма простой петлевой обмотки с диаметральным шагом. Обмотка право–ходовая. Данные обмотки 2р = 2 .

S=z_э=К=12;  W_s=1;   U_s=1;   y₁=6;   y₂=5;   y= y_к= +1.

Порядок построения: 1–й верхний проводник соединяется с 7 нижним (т.к. y₁=6), 7 нижний – со 2–м верхним (т.к. y₂=5). Середина последнего соединения подводится к коллекторной пластине 2 (номер коллекторной пластины и номер присоединяемой к ней верхней стороны секции должны соответствовать). Далее 2–ой верхний проводник со­единяется с 8–ым нижним и через коллекторную пластину 3 с 3–м верх­ним и т.д. В итоге обмотка должна замкнуться. На развернутой схе­ме размечаем полюсы. В проводниках под полюсами указываем направ­ление индуктируемых в них ЭДС. Направления ЭДС определяют, зада­ваясь направлением вращения якоря считая, что полюсы находятся над обмоткой. Важным моментом здесь является расстановка щеток. Щетки на коллекторе располагаются на равном расстоянии по осям полюсов, как и в реальной машине. При этом щетки через коллектор­ные пластины соединяются с секциями обмотки, активные стороны ко­торых находятся в межполюсных промежутках на линии «геометрической нейтрали». При сдвиге щеток с нейтрали ухудшаются характеристики машины, под щетками возникает сильное искрение, приводящее к раз­рушению щеток и оплавлению коллектора. Число щеток всегда равно числу полюсов. Ширина щетки для простых обмоток должна быть не менее ширины коллекторной пластины, b_щ ≥ b_щ. В много­полюсных машинах щетки одинаковой полярности соединяются между собой сборными шинами или проводниками. Полярность щеток опреде­ляется по направлению ЭДС в активных сторонах секции. Если ЭДС стороны секции примыкающей к щетке, направлена к ней, то щетка имеет положительную полярность (+), если от нее – отрицательную (–). При рассмотрении простой петлевой обмотки видно, что она состоит из двух частей, с последовательным соединением секций, расположенных между щетками разной полярности, называемых парал­лельными ветвями обмотки. В одну ветвь входят секции, начальные стороны которых находятся под северным полюсом, а другую под южным (рисунок 1.17).

Рис. 17

Следовательно, в простой петлевой обмотке столько парал­лельных ветвей, сколько полюсов,

2а = 2р,

где а – число пар параллельных ветвей, ЭДС секций в параллельной ветви складываются.

Между щетками в разные моменты времени находятся различные секции, т.к. обмотка с коллектором при вращении непрерывно пере­мещается относительно щеток. Секции переходят из одной параллель­ной ветви в другую, поэтому общее число секций в параллельных вет­вях и положение их в магнитном поле практически не меняется. Сум­ма ЭДС секций в параллельной ветви не меняется по величине и, сле­довательно, на щетках ЭДС неизменна.

Для большей наг­лядности обмотку якоря представляют в виде электрической схемы (рисунок 1.18), которая выполняется на основании развернутой схемы. Для изображения электрической схемы берут щетки и имеющие с ними

Рис. 18

контакт коллекторные пластины. Затем начинают обход секций обмо­ток, начиная с первой, и изображают их в виде отдельных витков, над которыми показывают направления индуктируемых ЭДС. Из электрической схемы видно, что обмотка (в нашем случае) состоит из 2–х параллельных ветвей (2а=2р=2) по

5 секций в каждой; ЭДС секций в пределах каждой параллельной ветви складывается; ЭДС на зажимах машины равна ЭДС одной параллельной ветви (Е = Е_а); ток нагрузки (I_а) равен сумме токов параллельных ветвей ( i_a)

Секции 1 и 7 в рассматриваемый момент замкнуты через щетку нако­ротко и в создании ЭДС параллельных ветвей не участвуют. Это так называемые коммутируемые секции.

Проволочная линия или любой провод является электрической цепью с распределенными параметрами. В отличие от электрических цепей с сосредоточенными параметрами, в которых индуктивность сосредоточена в катушках, а емкость — в конденсаторах, у линий каждый участок провода обладает емкостью, индуктивностью и активным сопротивлением. Эти параметры в линии распределены вдоль всего провода.

Электрические цепи с сосредоточенными параметрами обычно имеют малые размеры по сравнению с длиной волны.
Напряжение и ток в них распространяются за промежутки времени, во много раз меньшие, чем период колебаний.

Поэтому процессы в таких цепях рассматриваются только во времени. А линии имеют длину такого же порядка, как длина волны, и время распространения тока и напряжения в них получается такого же порядка, что и период колебаний. Вследствие этого в линиях приходится изучать процессы не только во времени, но и в пространстве.

Линии, служащие для передачи электромагнитных колебаний высокой частоты, принято называть длинными линиями, в отличие от коротких линий, длина которых много меньше длины волны. С этой точки зрения линия электропередачи длиной 100 км, работающая на частоте 50 гц, является короткой, так как при столь низкой частоте длина волны составляет 6 000 000 м, или 6000 км. Зато линия, имеющая длину 1 м, при частоте 100 Мгц считается длинной, потому что длина волны в этом случае равна 3 м. В радиотехнике целесообразно измерять длину линий не линейными мерами, а длиной волны. Тогда сразу ясно, что линии, имеющие длины ¼λ, ½λ, 2λ, 5λ и т.д., т.е. сравнимые с длиной волны, являются длинными.

Следует уточнить понятие о поперечных размерах линии. Принято считать линией только такую систему из двух параллельных проводов, которая имеет поперечные размеры, т. е. расстояние между проводами и толщину проводов, много меньше длины волны.

Когда к линии подключен генератор переменной эдс (рис.1), то вдоль линии двигается бегущая волна. Она представляет собой распространение электромагнитного поля в одном направлении, в данном случае от генератора к концу линии. Скорость распространения бегущей волны вдоль линии определяется по формуле

где L1 и С1 — погонные индуктивность и емкость линии, т. е. индуктивность и емкость, выраженные в генри и фарадах на единицу длины.

Величины L1 и С1 зависят от конструкции линии. Чем больше поверхность проводов линии и чем меньше расстояние между ними, тем больше погонная емкость С1 и тем меньше погонная индуктивность L1. Обычно L1 имеет порядок единиц микрогенри на метр, а С1 составляет несколько пикофарад на метр.

Для воздушной линии, между проводами которой изолятором является воздух, произведение L1C1 всегда имеет значение — 1/с², где с — скорость света в безвоздушном пространстве. Поэтому V — с, т. е. скорость распространения бегущих волн вдоль воздушной линии равна скорости света. В такой линии при изменении емкости С1, например, путем изменения диаметра проводов или расстояния между ними индуктивность L1 всегда изменяется в обратную сторону, так что произведение L1C1 остается постоянным, а следовательно, и скорость распространения в любом случае равна 3*10 (в 8 степени) м/сек.

При наличии твердой изоляции между проводами или изоляторов, поддерживающих провода, скорость v уменьшается. Действительно, если между проводами имеется диэлектрик, то погонная емкость возрастет, но индуктивность не изменится; произведение L1C1 увеличится и скорость распространения V уменьшится,
Зависимость скорости распространения от диэлектрической и магнитной проницаемостей среды, окружающей провода, определяется формулой, приведенной в предыдущем параграфе.

При распространении бегущей волны вдоль линии в проводах возникает колебание электронов, которое передается дальше, захватывая новые, более удаленные участки линии. Вдоль линии распространяются переменный ток и переменное напряжение. В каждой точке провода ток и напряжение (относительно другого провода или относительно земли) изменяются во времени. Но вместе с тем колебательный процесс передается вдоль линии от одних ее точек к другим.

Бегущую волну, представляющую собой распространение механических колебаний, можно наглядно получить на опыте с длинной веревкой. Если один ее конец привязать, а другой встряхнуть, то по веревке «пробежит» волна.

Распространение бегущей волны можно изобразить графически. Рассмотрим такой график для одного провода. В другом проводе происходит такой же процесс с обратной фазой. Примем провод за нулевую ось и будем в некотором масштабе откладывать под прямым углом к проводу величину напряжения. Тогда бегущая волна для разных моментов времени может быть изображена так, как показано на (рис.1).

Пусть в момент включения напряжение генератора имеет амплитудное значение. Так как в этот момент волна еще не успела распространиться вдоль провода, то никакого напряжения и тока в линии еще нет (рис.1 а). Через четверть периода волна распространится на расстояние, равное четверти длины волны, и амплитуда напряжения будет на таком же расстоянии от генератора. Но в самом начале линии в этот момент напряжение уже равно нулю (рис.1 б), так как к этому времени до нуля уменьшилось напряжение генератора. Еще через четверть периода напряжение генератора, т. е. в начале линии, опять станет наибольшим, но с обратным знаком, а волна пройдет вдоль линии расстояние, равное ½ λ (рис.1 в). На (рис.1 г,и,д) показано распределение напряжения в линии в моменты времени t = ¾ T и t = Т после начала процесса. Кроме того, на (рис.1 д) штрихом изображено распределение напряжения для нескольких следующих моментов.

Надо помнить, что при таком графическом изображении волны вдоль горизонтальной оси отложено не время, а расстояние. Каждая синусоида, показанная на (рис.1), изображает распределение напряжения вдоль линии для некоторого момента времени. Для следующего момента кривая будет смещена вдоль оси, так как волна распространяется от генератора. Можно показать графически изменение напряжения во времени для какой-нибудь точки линии. Оно также изображается синусоидой, но вдоль горизонтальной оси должно быть отложено время. Это будет график колебания, а не бегущей волны.

При бегущей волне изменения тока и напряжения совпадают по фазе. Если в какой-либо точке линии в данный момент напряжение наибольшее, то и ток наибольший, а через четверть периода в этой точке и ток и напряжение будут равны нулю. Поэтому кривые на (рис.1) вместе с тем изображают в другом масштабе и распределение тока.
Напряжение (разность потенциалов) связано с наличием электрического поля, а ток всегда сопровождается магнитным полем. В том месте линии, где напряжение наибольшее, и электрическое поле наиболее сильное, а магнитное поле сильнее всего там, где ток имеет наибольшее значение. Так как у бегущей волны ток и напряжение совпадают по фазе, то изменения электрического и магнитного полей также совпадают по фазе. На (рис.2) показаны электрическое и магнитное поля для поперечного разреза линии и распределение этих полей вдоль линии. Ясно, что кривые на (рис.1) показывают распределение вдоль линии не только напряжения и тока, но также электрического и магнитного полей.

Для каждой линии отношение амплитуды напряжения бегущей волны Um к амплитуде тока бегущей волны Im или отношение их действующих значений (U, I) является постоянной величиной. Она называется волновым сопротивлением линии Zo и зависит от конструкции линии.

Чем больше емкость линии, тем больше ток, возникающий в ней под действием данного напряжения, подобно тому, как возрастает зарядный ток конденсатора при увеличении его емкости. А при увеличении индуктивности линии ток уменьшается за счет возросшего противодействия ЭДС самоиндукции. Отсюда следует, что волновое сопротивление уменьшается при увеличении емкости линии и возрастает при увеличении ее индуктивности. Математически это выражает формула

У линий из двух одинаковых параллельных проводов величина Zo обычно составляет сотни ом. При увеличении диаметра проводов и уменьшении расстояния между ними С1 растет, а L1 уменьшается, и поэтому Zo также уменьшается.

Так как напряжение и ток в бегущей волне совпадают по фазе, то волновое сопротивление следует считать активным. Мощность бегущей волны также является активной и определяется формулой

Для получения режима бегущей волны нужно в конце линии включить активное сопротивление R, равное волновому сопротивлению 20 (рис.3). Тогда вся мощность бегущей волны поглощается в этом сопротивлении и энергия все время безвозвратно уходит от генератора. В этом случае говорят, что линия согласована с нагрузочным сопротивлением.

Важной величиной является входное сопротивление линии Zвх, т. е. сопротивление линии для питающего генератора.

Оно равно отношению напряжения и тока в начале линии. В зависимости от значения Zвх генератор работает в том или ином режиме и отдает в линию большую или меньшую мощность. Для режима бегущей волны входное сопротивление является активным и равно волновому сопротивлению линии:

В каждой линии имеются потери энергии. Поэтому амплитуды тока и напряжения бегущей волны по мере удаления ее от генератора уменьшаются, т. е. волна при своем распространении вдоль линии затухает. Существует ряд причин, вызывающих потери энергии в линии. Ток нагревает провода. Переменное электрическое поле нагревает изоляторы. Часть энергии уходит с излучаемыми в пространство электромагнитными волнами. В проводниках,

расположенных вблизи линии, например в земле, других линиях, металлических крышах и т.д., под действием электромагнитного поля линии индуктируются токи, которые создают расход энергии. В изоляторах возникают токи утечки, а при высоких напряжениях наблюдается стекание электрических зарядов в воздух, сопровождающееся свечением (явление «короны»).

У правильно построенных линий в режиме бегущей волны потери энергии незначительны, так что ими во многих случаях пренебрегают. Теория работы такой идеальной линии гораздо проще, чем теория процессов в линии с потерями. Практически коэффициент полезного действия (кпд) линии, равный отношению мощности в конце линии к мощности в ее начале, при режиме бегущей волны получается достаточно высоким (порядка 80—95%) даже при значительной длине линии. Далее, если нет оговорок, мы будем рассматривать идеальные линии.

В этом случае контуры имеют общую катушку. Энергия переходит частично через магнитное поле, а частично непосредственно благодаря наличию электрического соединения между контурами.

В схеме (рис.1 а) катушка Lсв входит в первичный контур, а часть этой катушки Lсв входит во вторичный контур и напряжение на ней создает так I2. Катушка Lсв работает как понижающий автотрансформатор или индуктивный делитель напряжения. Дополнительная катушка L2 вместе с Lсв образует индуктивность вторичного контура. Чем большая часть катушки L1 входит в оба контура, тем сильнее связь. В схеме (рис.1 6) катушка L2 входит во вторичный контур и работает как повышающий автотрансформатор. Ее часть Lсв входит в первичный контур, вкотором еще дополнительно (рис.1). Различные случаи авто-включена катушка Lсв. В этой трансформаторной связи схеме связь также, как и в схеме (рис.1 а), усиливается с увеличением Lсв.

В схеме (рис.1 в) чем меньше Lcв по сравнению с L1 и L2, тем слабее связь.

При постоянной связи провод от катушки Lсв присоединяется к ней наглухо. При переменной связи применяется переключатель, позволяющий включать различное число витков, или «щуп», который можно ставить на разные витки, если катушка выполнена из голого провода. На схеме его изображают стрелкой.
Комбинированная связь. Иногда применяются схемы с двумя различными видами связи, главным образом индуктивной и емкостной. Для примера на (рис.2 а) показан вариант с внешней емкостной связью, а и а (рис.2 б) — с внутренней емкостной связью.

Рассмотренные выше виды связи могут быть также у двух обычных цепей переменного тока или у колебательного контура с не колебательной (апериодической) цепью.