Шаг за шагом. Транзисторы

Сворень Рудольф Анатольевич

При параллельном соединении R и С на обоих этих элементах действует общее напряжение U, ток I_R совпадает с ним по фазе, ток I_c опережает на 90°. Чем больше ток I_c через конденсатор, тем сильнее результирующий сдвиг фаз между U и I. Иными словами, при параллельном соединении R и С влияние конденсатора тем сильнее, чем больше его емкость и чем выше частота.

Аналогично определяется сдвиг фаз и для цепей, содержащих индуктивность L. Но здесь с увеличением частоты и индуктивности влияние катушки при параллельном соединении

уменьшается, а при последовательном — растет.

ВОСПОМИНАНИЕ № 17. ФИЛЬТРЫ.

Цепи, состоящие из R и С, или R и L, или из всех трех элементов, находят чрезвычайно широкое применение в электронной аппаратуре. Они представляют собой фильтры, которые, обладая разным сопротивлением на разных частотах, позволяют отделить одни составляющие сложного тока от других.

Самый простой и самый популярный — это RС-фильтр. Через его емкостную ветвь, то есть через конденсатор, постоянный ток вообще не проходит, и RС-фильтр используется везде, где нужно отделить переменную составляющую от постоянной. Конденсатор пропускает переменный ток тем лучше, чем выше его частота. Подбором R и С можно добиться того, что на какой-то определенной частоте (а значит, и на более высоких частотах) большая часть тока — скажем, 90 % и более — будет замыкаться через С и лишь 10 % через R.

Аналогично по-разному пропускает разные частоты и RL-фильтр. Существует множество более сложных фильтров, которые осуществляют более «строгое» разделение переменных токов разных частот.

ВОСПОМИНАНИЕ № 18. РЕЗОНАНС.

Очень интересно ведет себя при изменении частоты цепь, в которую входят и конденсатор С, и катушка L. Напряжения на этих элементах противофазны, так как ток в цепи общий. При этом U_c отстает от тока на 90°, a U_L опережает его, и тоже на 90°. Поэтому можно считать, что сопротивления х_с и x_L действуют друг против друга и общее реактивное сопротивление равно их разности.

На какой-то частоте — назовем ее резонансной f_рез — емкостное и индуктивное сопротивления окажутся равными. Они скомпенсируют друг друга, в цепи останется только активное сопротивление R_к. Из-за такого резкого уменьшения сопротивления резко возрастет ток, а вместе с ним возрастут напряжения на катушке и на конденсаторе.

Из условия х_с = x_L легко вычислить резонансную частоту f_рез. При отходе от резонансной частоты ток в цепи падает, так как общее сопротивление z растет (при увеличении частоты — за счет роста x_L, а при уменьшении частоты — за счет роста х_с). График, показывающий, насколько резко уменьшаются ток в цепи и напряжение на L и С при отходе от резонансной частоты, называется резонансной кривой. На резонансной частоте «с точки зрения» генератора сопротивление последовательного контура равно R_к (обычно единицы ом), а параллельного контура — R_экв (обычно десятки килоом).

ВОСПОМИНАНИЕ № 19. ДОБРОТНОСТЬ.

Увеличение тока при резонансе будет тем более резким, чем меньше активное сопротивление в сравнении с реактивным сопротивлением x_L

и х_с. Величина, показывающая отношение x_L/R_к или (или x_с/R_к) называется добротностью Q. Добротность иногда называют множителем вольтажа, так как она показывает, во сколько раз напряжение на катушке и на конденсаторе во время резонанса превышает напряжение на активном сопротивлении. Из отношения x_L/R_к — легко вывести, что добротность тем выше, чем больше соотношение L/C. Увеличение R_к всегда приводит к ухудшению добротности, а значит, к снижению резонансного тока, а также напряжения на катушке и конденсаторе и к притуплению резонансной кривой. Ухудшить добротность можно еще и иначе: подключив параллельно конденсатору (катушке) шунтирующее сопротивление. В данном случае все наоборот: чем меньше это шунтирующее сопротивление, тем сильнее «задавлен» контур, тем хуже его добротность.

ВОСПОМИНАНИЕ № 20. КОЛЕБАТЕЛЬНЫЙ КОНТУР.

Явление резонанса, и, конечно, само название «резонанс», станет более понятным, если вспомнить, что цепь из конденсатора и катушки называется колебательным контуром, что в таком контуре возникают собственные электромагнитные колебания всякий раз, когда мы передаем в него некоторое количество энергии (например, заряжаем конденсатор).

«Возникают колебания» означает, что конденсатор непрерывно обменивается энергией с катушкой — энергия электрического поля периодически переходит в энергию магнитного поля. Затем происходит обратный переход, и все повторяется сначала. При этом в цепи протекает переменный ток, частота которого зависит от индуктивности L и емкости С, подобно тому как частота собственных колебаний струны зависит от ее массы и натяжения.

Частота собственных колебаний f₀ контура равна его резонансной частоте f_рез, и в этом заключен глубокий смысл. Резонанс наступает именно тогда, когда контур резонирует на частоту генератора, когда генератор действует в такт с собственными колебаниями в контуре.

Собственные колебания в контуре, если их не поддерживать, постепенно затухают, причем тем быстрее, чем больше потери энергии, чем ниже добротность Q контура.

Изменяя индуктивность и емкость контура, можно довольно просто менять частоту собственных колебаний и таким образом настраивать контур в резонанс на разные частоты. Так осуществляется настройка приемника на разные станции: переключением катушек переходят с одного диапазона на другой, а плавным изменением емкости производят настройку в пределах диапазона.

ВОСПОМИНАНИЕ № 21. ВНОСИМОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ.

С помощью вспомогательной катушки связи L_св можно отобрать из контура часть энергии и передать «для дальнейшего прохождения службы». На первый взгляд кажется, что чем ближе сдвинуты катушки L_к и L_св, чем сильнее они связаны общим магнитным полем, тем больше энергии мы получим от контура, тем больно будет напряжение U_выx. В действительности же усиление связи между L_к и L_св может дать и обратный эффект: после некоторого «рубежа» дальнейшее сближение катушек приводит к уменьшению U_выx. Это связано с тем, что, отбирая у контура энергию, мы как бы вносим в него сопротивление R_вн.