Шаг за шагом. Транзисторы - Рудольф Сворень

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

Если бы можно было довольствоваться усилением только одной из составляющих мощности — только током или только напряжением, — то нечего было бы городить весь этот огород с батареей Б и не с найденным нами пока еще скульптором. Роль усилителя мог бы выполнять трансформатор — повышающий, если нужно увеличить напряжение, или понижающий, если нужно увеличить ток. Однако трансформатор в принципе не может повысить мощность подведенного к нему сигнала — закон сохранения энергии не позволено нарушать никому. Повышая напряжение, трансформатор во столько же раз уменьшает ток, и наоборот: увеличивая ток, он понижает напряжение. А поэтому мощность на выходе трансформатора такая же (практически даже немного меньше из-за разного рода потерь), как и на его входе. Иными словами, трансформатор не может быть усилителем.

Следующий этап наших поисков можно было бы назвать «приручением» батареи. Не думая пока ни о каком усилении, нам нужно научиться отбирать от батареи Б энергию не в виде постоянного, а в виде меняющегося тока. Образно говоря, нужно научиться сминать наш кусок глины, научиться менять его форму, чтобы в дальнейшем можно было создать из него большую скульптуру.

Каким образом можно менять идущий от батареи Б постоянный электрический ток? Мы не зря повторяли закон Ома — именно он и подсказывает ответ на этот вопрос. Поскольку ток зависит от напряжения и сопротивления и поскольку напряжение, которое дает батарея, практически не меняется, то нам остается только одно — менять сопротивление Rвых.

Менять это сопротивление можно разными способами (рис. 6).

Рис. 6. Изменяя сопротивление в цепи батареи, можно отбирать от нее энергию не в виде постоянного, а в виде меняющегося тока, «рисуя» таким образом сигнал нужной формы.

Проще всего, конечно, включить в качестве Rвых обычный реостат и, двигая его ручку, «рисовать» ток с нужной формой графика. Можно вместо резистора ввести в цепь сосуд с каким-нибудь жидким проводником и управлять сопротивлением, а значит, и током, меняя химический состав жидкости. Можно включить в цепь устройства, которые меняют свое сопротивление под действием тепла, света, радиоактивных излучений, растяжения или сжатия.

Представителем этого последнего типа устройств является хорошо всем знакомый угольный микрофон. В упрощенном варианте — это коробочка с угольным порошком, который под действием звуковых волн сжимается то сильнее, то слабее. Чем сильней сжат порошок в коробочке, тем лучше контакт между отдельными его крупинками, тем меньше общее электрическое сопротивление порошка. Вот почему под действием звуковых волн сопротивление угольного микрофона меняется, послушно следуя за всеми изменениями звукового давления. В результате график изменения сопротивления, а значит, и график изменения тока (все тот же закон Ома!) полностью повторяет, копирует график звука. Батарея, в цепь которой включен микрофон, отдает энергию уже не в виде постоянного, а в виде меняющегося тока, в виде сложного электрического сигнала.

Итак, нам кое-что уже известно о загадочном скульпторе. По крайней мере, мы знаем, как работают его руки, как они меняют форму глиняной глыбы. Мы знаем — для того чтобы создать из постоянного тока сложный электрический сигнал, нужно менять сопротивление цепи. Но как сделать, чтобы сопротивление Rвых менялось по команде слабого, усиливаемого сигнала, подобно тому как сопротивление микрофона меняется по команде звуковых колебаний? Решение этой задачи осложняется тем, что на изменение сопротивления Rвых мы можем расходовать ничтожную мощность. Затрачивая доли ватта, усиливаемый сигнал должен менять сопротивление в такой степени, чтобы электрическая мощность, выделяемая на Rвых менялась на единицы, а то и на десятки ватт. Возможно ли это в принципе? Не противоречит ли законам природы?

Внимательно посмотрев вокруг, вы увидите, как в некоторых случаях небольшие затраты энергии приводят к огромным энергетическим всплескам. Вы увидите, как в результате сложившейся обстановки, сложной взаимосвязи явлений или, наконец, благодаря искусственно созданным условиям «слабый» может управлять «сильным». Вот несколько примеров (рис. 7).

Рис. 7. Существует много различных процессов, в которых, затрачивая небольшую энергию, можно управлять большими энергетическими потоками.

Давайте столкнем с горы лежащую на самом краю массивную каменную глыбу. Разогнавшись во время падения, она совершит работу (разумеется, не в житейском, а в физическом смысле слова), которая во много раз превысит затраты труда на сталкивание этой глыбы. Другой пример. Представьте себе взрывника, который легким нажатием на кнопку сносит огромную, весом в тысячи тонн, гору, вставшую на пути строителей дороги. И еще пример. С легкостью вращая водопроводный кран, вы управляете довольно сильным потоком воды и создаете своего рода мощную копию слабого механического сигнала, исходящего от вашей руки.

Мы не будем сейчас говорить об общих свойствах и закономерностях систем, в которых какое-либо слабое воздействие управляет большой энергией. Нам предстоит решить более важную для дела задачу: самим создать такую систему, создать управляющее устройство, которое позволит менять сопротивления Rвых с помощью слабого сигнала, протекающего в цепи Rвх.

В качестве первого шага сделаем некое формальное, не раскрывающее существа дела изображение такого управляющего устройства (рис. 8).

Рис. 8. В отличие от трансформатора, усилитель должен повышать мощность сигнала, а не только один ток или одно напряжение.

Пока еще это «черный ящик» — неизвестный прибор, в котором встречаются друг с другом резисторы Rвх и Rвых. Электрическую цепь нашего «черного ящика», куда включен Rвх назовем входной цепью, а цепь, куда включен Rвых,— выходной цепью. Такие названия вполне оправданы. В «черный ящик» со стороны условного генератора «Слабый сигнал» должен войти этот слабый сигнал, а со стороны мощного источника энергии — батареи Б — должен выйти мощный, усиленный сигнал. Отсюда и ясно, где нужно вешать табличку «Вход», а где «Выход».

Давайте представим себе, что наш управляющий прибор, наш «черный ящик» уже работает. Что мы знаем о нем и что должны узнать?

Мы знаем, что в цепи Rвх действует слабый сигнал, что он каким-то образом меняет величину Rвых и в результате в цепи этого сопротивления появляется усиленный сигнал. Теперь нужно выяснить, что скрывается за словами «каким-то образом». Нужно найти такой физический процесс, который позволил бы слабому входному сигналу в нужной степени менять величину выходного сопротивления.

Итак, дальнейший маршрут ясен. Путешествие продолжается. Сейчас нам предстоит «по пути» заглянуть в мир молекул и атомов.

Мы часто представляем себе атом как некую, разумеется, чрезвычайно маленькую, планетарную систему. В центре ее находится ядро — сравнительно тяжелый шар с положительными электрическими зарядами. Вокруг ядра, как планеты вокруг Солнца, вращаются шарики-электроны. Картина эта наглядна, ее легко себе представить, но, конечно же, такая планетарная модель весьма примитивна. Она, по-видимому, не больше похожа на настоящий атом, чем вылепленная из пластилина фигурка на настоящего, живого человека.

Электроны — это вовсе не шарики, а скорее какие-то во многом еще загадочные сгустки материи, которые иногда ведут себя как частицы, а иногда — как волны. Кроме того, движутся электроны совсем не по спокойным круговым или эллиптическим орбитам — они как бы размазаны по сферам, распределены в пространстве вокруг ядра в виде своего рода электронных оболочек. Ну, а само ядро — это непрерывно бурлящий котел, где происходят самые непонятные превращения материи и энергии, рождаются и умирают известные и неизвестные пока частицы. Да что там говорить! Планетарная модель — это примитивная игрушка, которую можно признать за атом, только находясь в крайне тяжелом положении. И именно в таком положении мы сейчас находимся.

Наш путь к транзистору проходит через многие области науки. В каждой из них, как в самостоятельной стране, есть свой язык, свои обычаи и законы, свои достопримечательности. И если мы хотим с минимальными потерями времени и сил прийти к своей конечной цели, то не должны, как это ни печально, подробно знакомиться с каждой встречной страной. Вот почему, отказавшись от знакомства с современными представлениями о строении атома, мы будем пользоваться его упрощенной планетарной моделью. Она нужна нам для того, чтобы показать, как атомы соединяются друг с другом.