Шаг за шагом. Транзисторы - Рудольф Сворень

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 Rвх величина тока Iвх зависит только от напряжения Uсиг. Увеличивается напряжение — растет и ток, уменьшается напряжение — и в такой же степени падает ток. А это значит, что график тока Iсиг будет точной копией графика Uсиг. 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).

Приложите к тому же участку цепи напряжение 5 в, и работа, которую совершит каждый движущийся заряд, также увеличится в пять раз.

Что же касается тока, то его величина показывает, насколько интенсивно, насколько быстро и «густо» заряды двигаются по цепи. Чем больше зарядов проходит через какое-либо условное сечение цепи за единицу времени, тем больше ток.

Единица тока — ампер (а) — соответствует одному кулону (6,3·1018  электронов), проходящему через это условное сечение за одну секунду.

Итак, напряжение — это работа, совершаемая одним кулоном, а ток — число кулонов в секунду. Для того чтобы подсчитать мощность Р — полную работу, выполненную за секунду, — нужно работу одного кулона умножить на число работавших кулонов, то есть нужно напряжение U умножить на ток I.

Кстати, если увеличить напряжение на участке цепи в два раза, то выделяемая на этом участке мощность возрастет в четыре раза. И это вполне понятно: увеличение напряжения в два раза само по себе увеличит мощность в два раза да еще (согласно закону Ома!) вдвое увеличит ток в цепи. А увеличение тока приведет к тому, что мощность возрастет еще в два раза. Поэтому мы и получим увеличение мощности в четыре раза, и попробуйте против этого возразить!

Мощность, выделяемая на каком-нибудь резисторе, зависит и от его сопротивления. Но это, если можно так сказать, уже вторичная зависимость, поскольку от сопротивления зависят ток и напряжение, определяющие мощность. Зависимость мощности Р от сопротивления R может оказаться довольно сложной. Придет время, и мы вынуждены будем поговорить об этой сложности. А пока, закончив экскурс в прошлое, в область основ электротехники, вернемся к поискам скульптора, к поискам копировального устройства, которое позволит из постоянного тока, идущего от батареи Б, создать мощную копию слабого сигнала.

Мы остановились на вопросе: «Что должно возрасти при усилении слабого сигнала — ток или напряжение?» Ответ прост: должна возрасти мощность.

Именно об этом и говорил приведенный ранее (стр. 9) пример с приемником. Именно об этом говорит и простая логика. Нам нужен сигнал-работник, способный с достаточной силой раскачивать диффузор громкоговорителя или поворачивать антенну прилунившейся космической лаборатории. Нам нужен сигнал-работник, и в принципе безразлично, чем будет обеспечиваться его работоспособность — большой работоспособностью каждого движущегося заряда (то есть большим напряжением) или большим числом работающих зарядов (то есть большим током). А поэтому нам в принципе безразлично, что произойдет при усилении сигнала — увеличится ли ток Iсиг при неизменном напряжении Uсиг, увеличится ли Uсиг при неизменном Iсиг, возрастут ли обе эти величины, произойдет ли увеличение одной из них и уменьшение другой. Для нас важен результат: при усилении должна возрасти мощность сигнала.

Обратите внимание, что, говоря о своем безразличии к соотношению между током и напряжением, мы всегда оговариваемся — «в принципе». Эта оговорка нужна потому, что в каждом конкретном случае нам все-таки желательно получать мощность в «удобном виде». Например, при большом напряжении или при большом токе. Но прежде всего нам, конечно, необходимо получить мощность. А если потребителю сигнала понадобится изменить соотношение между током и напряжением, то это можно будет сделать, например, с помощью обычного трансформатора.

Заговорив о трансформаторе, хочется попутно сделать небольшое замечание, которое должно пролить свет на одну из заманчивых и, конечно, обманчивых возможностей совершить переворот в электронике.