Шаг за шагом. Транзисторы - Рудольф Сворень

Сам процесс передачи энергии из первичной обмотки трансформатора во вторичную (рис. 83) можно представить в виде электротехнического варианта знаменитой сказки «Дом, который построил Джек».

Рис. 83. Небольшое сопротивление громкоговорителя, включенное в коллекторную цепь через понижающий трансформатор, вносит в эту цепь достаточно большое сопротивление (нагрузку).

К первичной обмотке трансформатора подводится переменное напряжение, которое создает в этой обмотке переменный ток, под действием которого возникает охватывающее обе обмотки переменное магнитное поле, которое наводит во вторичной обмотке электродвижущую силу, которая создает во вторичной обмотке ток, величина которого тем больше, чем меньше включенное во вторичную обмотку сопротивление. Но это еще только половина сказки.

Во второй ее половине следовало бы рассказать, каким образом все, что происходит во вторичной обмотке, бумерангом возвращается обратно в первичную. Ток во вторичной обмотке создает свое собственное переменное магнитное поле. Оно наводит электродвижущую силу в обмотке I, а следовательно, создает в ней ток II. Именно этот ток II наведенный из вторичной обмотки, является главным действующим лицом в первичной — разорвите цепь обмотки II, прекратите в ней ток, и практически до нуля упадет и ток в обмотке I. А иначе и быть не может. Сам трансформатор для себя никакой энергии не берет (если не считать небольших потерь в сердечнике и в проводах), и потребляемый им ток II зависит только от сопротивления нагрузки Rн, хотя она непосредственно в цепь генератора не включена.

Чтобы как-то отразить влияние Rн на потребляемый трансформатором ток, удобно считать, что из вторичной обмотки в первичную вносится некоторое сопротивление Rн-вн. Это своего рода «рука вторичной обмотки», определяющая величину тока II в первичной обмотке. А поскольку этот ток II в конечном итоге зависит от нагрузки Rн, то можно сказать, что вносимое сопротивление Rн-вн также определяется сопротивлением Rн. Чем меньше Rн тем больше ток III и, следовательно, ток II. А увеличение тока в первичной цепи можно истолковать как уменьшение сопротивления Rн-вн. Иными словами, чем меньше Rн, тем меньше и Rн-вн. И наоборот, с увеличением Rн возрастает и Rн-вн.

Изучая события в цепи первичной обмотки, очень удобно, позабыв о всех подробностях, считать вносимое сопротивление Rн-вн истинной нагрузкой генератора.

Для нас самое важное то, что это сопротивление вносится из вторичной обмотки в первичную не «так на так». В зависимости от коэффициента трансформации n, то есть в зависимости от соотношения витков в обмотках, сопротивление Rн-вн может быть либо больше Rн, либо, наоборот, меньше его. Это легко понять и без строгого анализа. Напряжения и токи в первичной и вторичной обмотках могут быть разными, а где разные токи и напряжения, там жди и разных сопротивлений.

Соотношение между коэффициентом трансформации n и сопротивлениями Rн и Rн-вн можно вывести довольно просто, выполнив несколько элементарных алгебраических операций. Мы же поступим еще проще — найдем соотношение между этими величинами из простого числового примера. Предположим, что в коллекторную цепь транзистора включен понижающий трансформатор с такими данными: число витков первичной обмотки wI =1000, вторичной — wII = 250. Будем считать, что коэффициент трансформации n = 1000:250 = 4. (Принято считать, что коэффициент трансформации n — это отношение wII: wI, а не наоборот, и поэтому для понижающих трансформаторов n всегда меньше единицы. Но поскольку пользоваться этой малой величиной при расчетах не очень удобно, мы допустим некоторую вольность, считая, что в нашем понижающем трансформаторе n = wI:wII, а не wII:wI.)

Предположим, что на первичной обмотке действует переменное напряжение UI = 4 в, а в цепь вторичной обмотки включен громкоговоритель с сопротивлением звуковой катушки Rн = 5 ом. Зная коэффициент трансформации n = 4, нетрудно подсчитать, что UII = UI: n = 4 в:4 = 1 в. При таком напряжении через Rн пойдет ток III  = UI : Rн = 1 в:5 ом = 0,2 а. А значит, ток в первичной обмотке II = III : n = 0,2 а: 4 = 0,05 а.

Теперь, если вы еще не забыли закон Ома, можно подсчитать и вносимое сопротивление: Rн-вн = UI: II = 4 в:0,05 a = 80 ом. Оно оказалось в шестнадцать раз больше, чем Rн. На рис. 83 показаны результаты подобного расчета и для разных коэффициентов трансформации. Пользуясь этими результатами, легко прийти к выводу, что, включив сопротивление через понижающий трансформатор, мы как бы увеличили это сопротивление, причем увеличили его в n2 раз, где n — коэффициент трансформации, равный wI:wII. А отсюда еще один вывод: понижающий трансформатор позволяет согласовать низкоомную нагрузку с генератором, имеющим высокое внутреннее сопротивление, и, в частности, согласовывать низкоомный динамический громкоговоритель с большим выходным сопротивлением транзистора.

Иногда согласующий трансформатор применяют и для межкаскадной связи — он позволяет идеально согласовать малое входное сопротивление транзисторного усилителя с большим выходным сопротивлением предыдущего каскада. А то> что во многих случаях конструкторы отказываются от межкаскадного согласующего трансформатора, часто связано лишь с его сравнительно высокой стоимостью. Поэтому оказывается выгодней применить вместо трансформатора пару резисторов и конденсатор, отказавшись от оптимального согласования.

Трансформаторная связь применяется для согласования низкоомного входного сопротивления транзистора с другим высокоомным генератором, колебательным контуром (рис. 84).

Рис. 84. Для того чтобы низкое входное сопротивление транзистора не шунтировало контур, приходится ослаблять связь между ними.

В радиоприемнике колебательный контур получает энергию непосредственно из антенны или из коллекторной цепи усилителя высокой частоты. Не задумываясь над тем, что происходит до контура, его можно считать генератором, который, как обычно, передает энергию потребителю — детектору или входной цепи следующего каскада. Давайте посмотрим, как в этом последнем случае осуществляется согласование генератора с нагрузкой.

Внутреннее сопротивление контура-генератора зависит от того, как к нему подключить нагрузку. Если подключить Rн параллельно контуру, то он ведет себя как генератор с очень большим эквивалентным сопротивлением — десятки, а иногда сотни ком (верхний листок). Если включить нагрузку в контур последовательно, то он уже представляется генератором с очень небольшим (буквально несколько ом) внутренним сопротивлением (нижний листок). Оба варианта для нас невыгодны — при параллельном подключении к контуру его сопротивление слишком велико, а при последовательном — слишком мало (Воспоминание № 19). А поскольку именно с этим сопротивлением нужно согласовывать нагрузку и поскольку такой нагрузкой является транзистор, можно сказать, что последовательно в контур можно включать входную цепь транзистора, если ее сопротивление очень мало, а параллельно контуру можно подключать входную цепь транзистора, если ее сопротивление очень велико.

Сравнение разных возможностей согласования входной цепи транзистора с колебательным контуром показало, что лучше всего подключать к нему параллельно усилитель по схеме ОЭ, входное сопротивление которого обычно составляет несколько килоом. Однако подключить такое сопротивление непосредственно к контуру нельзя, так как при этом мы не получим никакого согласования. Контур, имеющий эквивалентное сопротивление десятки килоом, отдаст транзистору намного, меньше энергии, чем мог бы. Но это, пожалуй, еще не самое страшное — потери энергии можно как-нибудь восполнить, например, включив в усилитель еще один каскад.

Шунтирование контура малым входным сопротивлением транзистора влечет за собой еще одну неприятность, последствия которой устранить уже не так просто. При шунтировании контура ухудшается его добротность Q (Воспоминание № 19). А в результате уменьшения Q притупляется резонансная кривая, и контур почти совсем перестает выполнять свою основную работу — перестает выделять сигнал принимаемой станции. Иными словами, шунтируя колебательный контур, мы ухудшаем его избирательность.